詳解基于CAN總線的汽車儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)—CAN總線原理分析

2.2.3 CAN總線的技術(shù)特點(diǎn)

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，CAN總線己廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)不同的需要或以主從方式，或多主方式工作，鑒于其極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)以及高速率，傳輸距離較長(zhǎng)的特點(diǎn)，特別適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備的互聯(lián)。CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由H位(以N技術(shù)規(guī)范2.以)或29位(CAN技術(shù)規(guī)范2.0B)二進(jìn)制數(shù)組成，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。概括起來(lái)，它具有如下特點(diǎn)

1、CAN的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。
2、CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)IOkm(速率SKbp、以下)，通信速率最高可達(dá)IMbpS(此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為40m)。
3、CAN為多主從工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任意一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他接點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活，且無(wú)需站地址等節(jié)點(diǎn)信息，利用這一特性可方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)。
4、網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息可分成不同的優(yōu)先級(jí)，可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求，高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)最多可在 134ps內(nèi)得到傳輸。
5、CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出發(fā)送，而高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可以不受影響地繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間，尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況(而以太網(wǎng)則可能)。
6、CAN只需通過(guò)報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳播接收數(shù)據(jù)，無(wú)需專門的“調(diào)度”
7、CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)，報(bào)文標(biāo)識(shí)符可達(dá)2030種 (CAN2.OA)，而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)(CAN2.OB)的報(bào)文標(biāo)識(shí)符幾乎不受限制。
8、CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯(cuò)效果。
9、以N的每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他校驗(yàn)措施，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。
10、以CAN總線上的節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉總線的功能，退出網(wǎng)絡(luò)通訊，保證總線上其它節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。
11、CAN還具有借助接收濾波的多地址幀傳送、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求、配置靈活性、全系統(tǒng)數(shù)據(jù)相容性、錯(cuò)誤檢測(cè)和出錯(cuò)信令的功能。
12、CAN在發(fā)送期間若丟失仲裁或由于出錯(cuò)而遭破壞的幀可自動(dòng)重發(fā)送，而且可以進(jìn)行暫時(shí)錯(cuò)誤和永久性故障節(jié)點(diǎn)的判別以及故障節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)脫離。CAN的信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)，8個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，傳輸?shù)臅r(shí)間短，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。受干擾的概率低，每幀信息均有CRC校驗(yàn)和其他檢錯(cuò)措施，通信誤碼率極低。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。以N節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉總線的功能，這時(shí)故障節(jié)點(diǎn)與總線脫離，使其他節(jié)點(diǎn)的通信不受影響。CAN的這些卓越特性以及極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，特別適合工業(yè)過(guò)程監(jiān)控設(shè)備的互聯(lián)，并己被公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

2.2.4 CAN的分層結(jié)構(gòu)

CAN遵從051模型，按照051基準(zhǔn)模型，CAN結(jié)構(gòu)劃分為兩層:數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，其中數(shù)據(jù)鏈路層包括邏輯鏈路層LLC和媒體訪問控制層MAC。如圖2一2所示1]。

2.2.4CAN總線的分層結(jié)構(gòu)

CAN遵從051模型，按照051基準(zhǔn)模型，CAN結(jié)構(gòu)劃分為兩層:數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，其中數(shù)據(jù)鏈路層包括邏輯鏈路層LLC和媒體訪問控制層MAC。如圖2一2所示123]。

LLC子層的主要功能是:為數(shù)據(jù)傳送和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求提供服務(wù)，確認(rèn)由LLC子層接收的報(bào)文己被接收，并為恢復(fù)管理和通知超載提供信息。MAC子層的功能主要是傳送規(guī)則，亦即控制幀的結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯(cuò)誤檢測(cè)、出錯(cuò)標(biāo)定和故障界定。物理層的功能是有關(guān)全部電氣特性在不同節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際傳送。CAN技術(shù)規(guī)范2.OB定義了數(shù)據(jù)鏈路中的MAC子層和LLC子層的一部分，并描述與 CAN有關(guān)的外層。物理層定義了信號(hào)怎樣進(jìn)行發(fā)送，因而，涉及位定時(shí)、位編碼元和同步的描述。在這部分技術(shù)規(guī)范中，未定義物理層中的驅(qū)動(dòng)器/接收器特性，以便允許根據(jù)具體應(yīng)用，對(duì)發(fā)送媒體和信號(hào)電平進(jìn)行優(yōu)化。MAC子層是CAN協(xié)議的核心，它描述由LLC子層接收到的報(bào)文和對(duì)LLC子層發(fā)送的認(rèn)可報(bào)文。MAC子層可響應(yīng)報(bào)文幀、仲裁、應(yīng)答、錯(cuò)誤檢測(cè)標(biāo)定。MAC子層由稱為故障界定的一個(gè)管理實(shí)時(shí)監(jiān)控，它具有識(shí)別永久故障或短暫擾動(dòng)的自檢機(jī)制。LLC子層的主要功能是報(bào)文濾波、超載通知和恢復(fù)管理。、從物理結(jié)構(gòu)上看，一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成如圖2一3所示。在CAN網(wǎng)絡(luò)中，物理層從結(jié)構(gòu)上可分為三層:分別是物理信號(hào)層(P璐， PhysicalSignaling)，物理介質(zhì)附件層(pMA， physiealMediaAitachment)和介質(zhì)接口層(MDI，MediaD叩endentInteiface)。其中PLS層連同數(shù)據(jù)鏈路層功能由CAN控制器完成，PMA層功能由CAN收發(fā)器完成，MDI層定義了電纜和連接器的特性。目前也有支持 CAN的微控制器內(nèi)部集成了CAN控制器和收發(fā)器電路。PMA和MDI兩層有很多不同的國(guó)際或國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也可自行定義，比較流行的是15011898定義的高速CAN發(fā)送/接收器標(biāo)準(zhǔn)。