汽车单片机及总线第5章.ppt

第五章 车用总线与通讯协议,第一节 计算机网络体系结构第二节 车用总线技术的产生及应用现状第三节 车用总线的市场前景第四节 CAN总线介绍,第一节 计算机网络体系结构,计算机网络是计算机技术与通信技术相结合产生的新的技术领域。若干计算机用通信信道连接在一起，相互之间可以交换信息共享资源，就形成了计算机网络。在国际标准化组织（ISO）提出的“开放系统互联”（OSI）的参考模式中，网络系统结构划分为7层。从上到下依次是应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层，如图5-1所示。下面简要介绍网络系统各层的功能。,下一页,返回,第一节 计算机网络体系结构,一、物理层物理层（Physical Layer）的作用是在物理传输媒体上传输各种数据的比特流，而不管数据的类型和结构如何。这一层除了规定机械、电气、功能、规程等特征外，主要考虑的问题还有：1.传输速率这里由波特率（每秒传输的码元数）和比特率（每秒传输的二进制位数）之分。2.信道容量信道容量即信道能支持的最大数据传输速率，它由信道的带宽和信噪比来决定。,上一页,下一页,返回,第一节 计算机网络体系结构,3.传输媒体传输媒体也就是传输电信号的物理介质。4.调制/解调调制/解调就是将一种数据转换成适合在信道上传输的某种电信号形式。5.交换技术交换技术有三种：电路交换、报文交换和分组交换。（1）电路交换：要求在通信双方之间建立起一条实际的物理通路，并在整个通信过程中，这条通路被独占。,上一页,下一页,返回,第一节 计算机网络体系结构,（2）报文交换：就是一个报文（长度无限制的数据块）在通过从源站到目的站之间的中间站时采用存储转发方式（有缓冲区）。（3）分组交换：就是将一个大报文分割成一定长度的信息单元（分组），各单元依次编号，以分组为单位进行存储转发。6.网络拓扑网络拓扑指网络中节点的互联结构形式，如图5-2所示，主要有以下几种：（1）星型拓扑：在星型拓扑中，每个站点通过点点连接到中央节点，任何两站之间的通信都通过中央节点进行。星型拓扑采用电路交换，一个站点的故障只会影响本站，而不会影响到全网。,上一页,下一页,返回,第一节 计算机网络体系结构,（2）总线型拓扑：采用单一信道作为传输介质，所有站点通过相应硬件接口接至这个公共信道（总线）上，任何一个站点发送的信息，所有其他站都能接收。（3）网型拓扑：每个站点都有一条或几条链路同其他站点相连。（4）树型拓扑：树型拓扑是从总线型拓扑演变而来的。从树根开始，每一个节点下都可以有多个分支。（5）环型拓扑：在环型拓扑中，站点和连接站点的点点链路组成一个闭合环路，每个站点从一条链路上接收数据，然后以同样的速率从另一条链路发送出去。,上一页,下一页,返回,第一节 计算机网络体系结构,7.多路复用技术采用多路复用技术，可以将多路信号组合在一条物理信道上进行传输，到接收端再将各路信号分离开来。多路复用技术有多种形式，如频分多路复用（FDM）、时分多路复用（TDM）和码分多路复用（CDMA）等。（1）频分多路复用：就是将信道带宽按频率分割为若干个子信道，每个子信道用来传输一路信号。,上一页,下一页,返回,第一节 计算机网络体系结构,（2）时分多路复用：就是将使用信道的时间分成为一个个时间片，按一定规律将这些时间片分配给各路信号，每路信号只能在自己的时间片内独占信道进行传输。（3）码分多址（使用所谓扩频技术）：它允许所有站点在同一时间使用整个信道进行数据传输。二、数据链路层在物理线路上，由于噪声干扰、信号衰减畸变等原因，传输过程中常常出现差错，而物理层只负责透明地传输无结果的原始比特流，不可能继续任何差错控制。因此，当需要在一条线路上传送数据时，除了必须有一条物理线路外，还必须有一些必要的规程来控制这些数据的传输，把实现这些规程的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路层（Data.Link Layer）。,上一页,下一页,返回,第一节 计算机网络体系结构,数据链路层最重要的作用就是通过一系列数据链路层协议，在不可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。为此，通常将原始数据分割成一定长度的数据单元（帧），一帧内应包含同步信号、差错控制、流量控制、控制信息、数据信息、寻址等。这里主要介绍帧的结构和差错控制。1.组帧与帧同步在组帧方式中，关键问题是使接收方能够准确地从接收到的比特流中识别出帧的边界，取出帧来，这就是所谓帧同步。,上一页,下一页,返回,第一节 计算机网络体系结构,这种协议有两大类：一是面向字符的，就是说，在链路上所传送的数据都必须是由字符集中的字符所组成，而且在链路上传送的控制信息也必须由同一字符集中的字符组成。另一个是1974年出现的面向比特的规程，后来修改为高级数据链路控制（HDLC）。下面简单介绍HDLC的主要内容。HDLC使用一个特殊的比特模式01111110作为帧的起始与结束标志F。为了防止在传输过程中，帧中其他地方出现于帧标志相同的比特模式，发送方边发送边检查数据，每连续发送5个“1”后，在其后自动插入一个“0”。,上一页,下一页,返回,第一节 计算机网络体系结构,这样除了帧标志之外，最多只会有5个“1”相连。接收方在收到5个连续的“1”后，将后面紧跟的一个“0”删去，恢复原来的数据。这种方法称为比特填充，很容易由硬件来实现。采用这种方法组帧，数据传输的基本单位是比特而不是字符，因此可以用来传输任何长度的二进制比特串及任何编码长度的字符，通用性很强，一个HDLC帧的结构如图5-3所示。在起始和结束标志F之间有：,上一页,下一页,返回,第一节 计算机网络体系结构,地址字段A：在点多点线路中，它用于指明通信的地址。地址的种类有单地址、组地址、广播地址和无站地址。控制字段C：它用于构成各种命令和响应，以便对链路进行监视和控制。信息字段I：它可以是任意的二进制比特串，其长度上限由外FCS字段或站点的缓冲区容量来决定。帧校验序列字段FCS：使用16位的CRC对两个标志字段之间的内容进行校验，FCS的生成多项式是CRC-CCITT:X16+X12+X5+1。,上一页,下一页,返回,第一节 计算机网络体系结构,2.差错控制这里涉及两个方面的问题：一是如何检测出错误；二是发现错误后，如果纠正错误。要判断一个数据块是否存在错误，发送端必须在数据块中加入一些冗余信息，是数据块中的各比特建立起某种形式的关联，接收端通过验证这种关联是否存在，来判断数据在传输过程中是否出错。在数据块中加入冗余信息的过程称为差错编码。,上一页,下一页,返回,第一节 计算机网络体系结构,有两种基本的差错编码策略：一种是使码字只具有检错功能，即接收方只能判断数据块有错，但不能确切地知道错误的位置，从而也不能纠错，这种码字称为检错码；另一种是使码字具有一定的纠错功能，即接收方不仅能知道数据块有错，还知道错在什么地方，这时只需将错误位取反即可，这种码字称为纠错码。一般是检错或纠错能力越强，所需冗余信息就越多，编码效率就越低。在这里简单介绍几种常见的差错编码。,上一页,下一页,返回,第一节 计算机网络体系结构,（1）海明码。海明码是由R.Hamming在1950年提出的，是一种可以纠正一个比特错误的编码。（2）循环冗余码。在计算机和数据通信领域中使用最广泛地检错码是循环冗余码CRC，又名多项式码，其漏检率很低，而且只要用一个简单的电路就可以实现。（3）奇偶校验码。最常见的检错码是最简单的奇偶校验码，只要一个比特，但它只能检出奇数个错，漏检率达50%。（4）“校验和”码。这也是常用的检错方式，它是传输的数据块中各字节累加后得到的一个字节或按字节异或的结果。,上一页,下一页,返回,第一节 计算机网络体系结构,三、介质访问控制子层MAC和逻辑链路控制子层LLC通信信道又称为介质，网络中采用的传输介质不同或网络拓扑结构不同，所使用的介质访问控制协议就不同。为了不使局域网中的数据链路层过于复杂，将它划分为两个子层，其中一个为介质访问控制子层MAC，专门解决广播网中信道分配的问题。MAC是数据链路的底层，在点点网中没有这一子层。另一个是逻辑链路控制子层LLC，它完成通常意义下的数据链路层的功能。,上一页,下一页,返回,第一节 计算机网络体系结构,信道分配策略可分为静态分配和动态分配。在静态分配中，由于各个站点有自己的专用频带或时间片，彼此之间不会产生干扰。当网络站点数目少，且每个站点都有大量数据要发送时，采用静态分配策略不仅控制协议简单，而且传输效率高。动态分配又名多点接入或多点访问技术，是指异步时分多路复用，即各站点仅当有数据发送时，才占用信道发送数据。动态分配又有受控访问和随机访问两种。受控访问一般有轮询（轮转）和预约两种。,上一页,下一页,返回,第一节 计算机网络体系结构,轮转是使每个站轮流获得发送的机会，没有数据要发送的站将发送权传给下一站。预约是使各站首先声明自己有数据要发送，然后根据预约的顺序依次发送数据。随机访问又名争用，意思就是所有的站点发送前不需要取得发送权，都可以随时发送信息，发生冲突之后再采取措施解决冲突。随机访问适用于负载较轻的网络，其信道利用率一般不高，但网络延迟时间较短。,上一页,下一页,返回,第一节 计算机网络体系结构,四、网络层网络层（Network Layer）向上面的传输层提供面向连接的网络服务和无连接的网络服务（即虚电路服务和数据报服务）。所谓“连接”，是指首先在通信双方建立一条虚电路，以后的数据传送都是沿着这条虚电路传送的，在通信结束后，还要把这条“电路”释放掉。这里的虚电路是指在通信双方之间数据传送的一个固定的路由（“路径”）。无连接是指通信双方的每一组数据都可独立地选择路由（走不同的路线），因此它不能保证每组数据按顺序交付目的站。,上一页,下一页,返回,第一节 计算机网络体系结构,网络层除了负责路由选择外，还要进行流量控制。因为网络的资源，如处理机的能力、节点的缓冲区的容量、线路的传输速率等总是有限的。当需求超出资源的可用部分时，就会产生拥塞。为了提高资源的利用效率，应当采用流量控制，其总目标是在网络中有效动态分配网络资源。它的主要功能是：防止网络因过载而引起吞吐量下降和时延增加；避免死锁；在互相竞争的各用户之间公平地分配资源。网络层的寻址，如公用电话网，一个全球网络层寻址标准时互联系统中大家都必须遵守的一个标准。现在的地址编码方法有两大类：一个是非等级地址，另一个是分级地址。,上一页,下一页,返回,第一节 计算机网络体系结构,非等级地址编码的特点是每个地址的编号都是平等的且彼此无关，这在全球范围内实际是不可行的。分级地址编码是将全球的地址划分为若干子域，子域下又划分更小的子域就像公用电话号码的划分。TCP/IP协议中IP地址得分配就是这个方式。网络层的主要功能是将分组从源端机器经选定的路由送到目的端机器。在大多数通信子网中，分组的整个旅途需经过多次转发。路由选择算法和它们使用的数据结构是网络层设计的一个主要任务。,上一页,下一页,返回,第一节 计算机网络体系结构,五、传输层传输层的任务是为高层从源端机到目的及提供可靠、经济的数据传输服务而与具体网络无关。为了保证数据传输的可靠性，传输层上必须实现差错控制、流量控制等功能；为了向用于提供经济有效的服务，传输层还提供多路复用和分流的功能。,上一页,下一页,返回,第一节 计算机网络体系结构,1.传输服务传输层的最终目标是向其用户提供有效、可靠且价格合理的服务。为了达到这一目标，传输层李永乐网络层所提供的服务。传输层中完成这一工作的硬件和软件称为传输实体。传输实体可能在操作系统内核中，或在一个单独的用户进程内，也可能是包含在网络应用的程序库中，或是位于网络接口卡上。正如存在两种类型的网络服务（面向连接的和无连接的）一样，传输服务也有两种类型。面向连接的服务在很多方面类似于面向连接的网络服务，二者的连接都包括三个阶段：建立连接、数据传输和释放连接，两者的寻址和流量控制方式也类似。无连接的传输服务与无连接的网络服务也很类似。,上一页,下一页,返回,第一节 计算机网络体系结构,2.传输协议的要素传输服务是通过建立连接的两个传输实体之间所用的传输协议来实现的。在某些方面，传输协议类似在前面讨论过的数据链路层协议。二者都必须解决差错控制、分组顺序、流量控制及其他问题。但二者之间也存在着显著地差异。这些差异主要是因为两个协议所运行的环境不同所造成的。在数据链路层，两个节点通过武力通道直接通信；而在传输层，两个物理通道由整个子网所取代。,上一页,下一页,返回,第一节 计算机网络体系结构,这一差异对协议产生了很多重要的影响。首先，在数据链路层，不必为一个节点指明它要与哪个节点通话每条输出线对应唯一的一个节点。在传输层里，需要显式地给出目的端地址。其次，在数据链路层，建立连接的过程很简单，其另一端总是存在的，每一方都没有太多的事情要做。对传输层而言，初始连接的建立要复杂的多。第三，数据链路层和传输层之间的另一个区别是子网的存储能力。第四，数据链路层与传输层之间的最后一个区别是，在两次中都需要有数据缓冲和流量控制，但在传输层中可能需要使用与在数据链路层中不同的处理方法。,上一页,下一页,返回,第一节 计算机网络体系结构,六、会话层会话层（Session Layer）最主要的目的是在传输层的基础上增加一些协调对话的功能。它管理不同主机上各进程间的对话。例如，两个会话层用户之间对话连接的建立和清除，在半双工对话时授权哪一方发送数据；当进程间要进行长时间数据传输时，而通信子网故障率又比较高，会话层可以在数据流中插入若干同步点；在每次网络出现故障时，仅需从最近的一个同步点开始重传，不必每次都从头开始。,上一页,下一页,返回,第一节 计算机网络体系结构,七、表示层表示层（Presentation Layer）下面的5层是用于将数据比特从源站按顺序传送到目的站，而表示层则要保证经传送后的数据其意义不变。由于各种计算机都可能有自己描述数据的方法，因此不同类计算机之间交换的数据一般要经过一定的数据转换才能保证数据的意义不变。可见表示层的功能是对源站的数据进行编码，形成适合于传输的比特流；到了目的站再进行解码，转化成用户所要求的格式。所以表示层为上层用户提供数据或信息语法的表示变换，即负责某及其内部的数据表示与抽象数据表示之间的变换，以便信息的相互理解。,上一页,下一页,返回,第一节 计算机网络体系结构,八、应用层前面介绍的各个层次，其功能都是为应用层（Application Layer）提供可靠的数据传输服务，但和用户的实际应用没有什么直接的联系。直接为用户提供各种应用程序的是应用层。应用层可以包含各种应用程序，有些由于使用非常普通而实行了标准化。这些标准就形成了应用层上的各种应用协议，如电子邮件（E-mail）、万维网（WWW）、远程登录（TELNET）、文件传输（FTP）等。除此之外，应用层上还有一些协议支持应用程序的工作，比如各种网络安全协议、域名服务系统、网络管理协议等。,上一页,返回,第二节 车用总线技术的产生及应用现状,随着电子技术的迅速发展和在汽车上的广泛应用，汽车电子化程度越来越高。从发动机控制到传动系控制，从行驶、制动、转向系控制到安全保证系统及仪表报警系统，从电源管理到为提高舒适性而做的各种努力，使汽车电子系统形成了一个复杂的大系统。这些系统除了各自的电源线外，还需要互相通信，不难想象，若仍沿用常规的点点间的布线法进行布线，那么整个汽车的布线将会如一团乱麻，其布线网络如图5-4（a）所示。若采用总线方式布线（如CAN总线）其布线如图5-4（b）所示。,下一页,返回,第二节 车用总线技术的产生及应用现状,目前总线的种类有很多，如CAN总线、LIN总线、IDB-M、MOST、USB和IEEE1394等。现阶段的车载网络业必须用到多种总线。这些车用总线由于在应用对象和网络性能上各有特色，将会在竞争中共存相当长一段时间。另外，随着车载网络技术的发展进步，一些特定用途的新型总线还会被陆续研发出来。一、SAE分类总线目前，绝大多数车用总线都被SAE（Society of Automotive Engineers:美国汽车工程师协会）下属的汽车网络委员会按照协议特性划分为A、B、C、D四类。,上一页,下一页,返回,第二节 车用总线技术的产生及应用现状,A类是面向传感器或执行器管理的低速网络，它传输数据的位速率通常小于10Kb/s，主要用于调整后视镜、电动窗和灯光照明灯设备；B类是面向独立控制模块间的信息共享的中速网络，位速率一般在10125Kb/s之间，主要用在车身电子的舒适性模块和显示仪表等设备中；C类是面向闭环实时控制的多路传输高速网络，位速率多在125Kb/s1Mb/s之间，主要服务于动力传动系统；D类则是面向多媒体设备、高速数据流传输的高性能网络，位速率一般在2KMb/s以上，主要用于CD播放机、VCD/DVD播放机和液晶显示等设备。,上一页,下一页,返回,第二节 车用总线技术的产生及应用现状,1.A类总线大多数A类总线都遵循UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter:通用异步接收/发送器）标准，它们用起来简单经济，但估计在2005年以后将随UART的过时而退出车用领域。A类总线以LIN（Local Interconnect Network:本地互联网）规范最有前途。它是由摩托罗拉与奥迪等知名企业联手推出的一种新型低成本的开放式串行通讯协议，主要用于车内分布式电控系统，尤其是面向智能传感器或执行器的数字化通讯场合。表5-1为对现有A类总线的调查结果。,上一页,下一页,返回,第二节 车用总线技术的产生及应用现状,2.B类总线B类总线以CAN最为著名。CAN是20世纪80年代中期由德国博世公司开发出来的一种车用现场总线，不久便在业界得到了推广普及。表5-2是对B类总线的调查结果。3.C类总线C类总线主要用于车上动力传动系统中对通讯的实时性要求比较高的场合。表5-3是对C类总线的调查结果。,上一页,下一页,返回,第二节 车用总线技术的产生及应用现状,4.D类总线D类总线一度被称为多媒体总线，随着汽车信息娱乐系统的兴起，它近期才被采纳入SAE对总线的分类范畴之中。D类总线的带宽范围相当大，用到的传输介质也有好几种。针对这种情况，D类总线又被划出低速、高速和无线三大范畴，分别对应于SAE中的IDB-C（Intelligent Transportation System Data Bus-CAN:基于CAN的智能交通系统数据总线）、IDB-M（IDB-Multimedia:智能交通系统多媒体数据总线）和IDB-Wireless（基于无线通讯方式的智能交通系统数据总线）。多媒体总线所涉及的车用区域相当广，所服务的对象在汽车电子系统中也占有相当重的份量，表5-4就是对D类总线的调查结果。,上一页,下一页,返回,第二节 车用总线技术的产生及应用现状,二、新型专用总线1.故障诊断总线表5-5是对汽车故障诊断系统现有总线标准的情况。2.安全总线安全总线是为了增进汽车的被动安全性而被单独开发出来的，它专用于实现对安全气囊的管理。表5-6是对目前比较有名的几种安全系统总线的调查结果，它们大多还处在研发阶段，尚未形成正式标准。,上一页,下一页,返回,第二节 车用总线技术的产生及应用现状,3.X-by-wire总线X-by-wire诞生于航空业，最初被称为“电气控制”，已在飞机的电控系统中用的非常成熟。近年来随着车载网络对可靠性的要求日益增加，汽车电子系统业开始尝试引进X-by-wire技术。该技术有望在未来510年内，把转向和刹车这类传统机械系统改造成经由高速容错总线连接、高性能CPU管理下的电控系统。目前，这类总线标准尚在研发之中，被普遍看好的主要有TTP（Time-Triggered Protocol:时间触发协议）、TTCAN（Time-Triggered CAN:时间触发CAN）、Byteflight和FlexRay几种。表5-7是当前比较有知名度的几种X-by-wire总线的调查结果，它们均为成为正式标准。,上一页,返回,第三节 车用总线的市场前景,多种多样的车用总线使汽车的动力经济性、安全性和舒适性都有了很大的提高，车载网络的市场规模必将不断发展壮大。然而在近期，不可能出现一套统一的解决方案，能够完全满足人们针对车载网络在性能及成本上所提出的一切要求。车用总线领域还将长期维持目前这种多套协议规范互相竞争的态势，甚至会出现在同一国际标准下并存有多种兼容总线的格局。基于前面对车用总线应用现状的叙述，图5-5对各类典型总线在应用领域上所对应的网络特性与节点成本进行了统计。,下一页,返回,第三节 车用总线的市场前景,在图5-5中，J1850即将被淘汰，Byteflight也未得到广泛认同，所以它们均被放在了图形的底层位置。只有顶层中的各类车用总线，才代表着不同应用领域内的市场主流。针对各类主流总线，图5-5的统计结果呈现一个显著地特点，就是除蓝牙技术外，它们在位速率和成本上所占据的范围几乎不存在重叠区域。这反映出网络在汽车领域已被不同的车用总线“瓜分殆尽”，而且这些车用总线在各自领域中呈现出“独霸一方”的情形。,上一页,下一页,返回,第三节 车用总线的市场前景,图5-5还有一个特别引入注目之处，就是CAN-8、CAN-C和TTCAN这三类同是由CAN规范所衍生出来的总线标准。其中，CAN-8指的是用于SAE中B类场合下的CAN，也就是低速容错CAN；同理，CAN-C指的是高速CAN。它们连同TTCAN一起，覆盖了汽车中绝大部分可以用到网络的范围。另外，从节点成本上看，这三类基于CAN规范的车用总线也比较有市场竞争力。因此，如今在汽车行业中，CAN受到人们的格外青睐，它被普通认为是车载网络领域最有发展前途的总线规范之一，有关这方面的内容在下一节中会进行详细的介绍。,上一页,返回,第四节 CAN总线介绍,一、CAN的发展历程CAN总线方案最初出现在20世纪80年代末的汽车工业中，由德国Bosch公司最先提出。当关于这种革新的通讯方案的大部分文字内容制定之后，与1987年中期，Intel提前计划2个月交付了首枚CAN控制器：82526，这是CAN方案首次通过硬件实现。不久之后，Philips半导体推出了82C200。90年代初，Philips公司生产了带有CAN总线控制器的单片机，之后又推出了带数字/模拟输入输出功能的CAN总线控制器，可用于传感器等非开关量的传输，使CAN总线应用技术向成熟发展。,下一页,返回,第四节 CAN总线介绍,从90年代中期起，Infineon公司和Motorola公司已向欧洲的客车厂商提供了大量的CAN控制器，从1990年后期起，远东的半导体厂商也开始提供CAN控制器。表5-8是目前philips公司提供的CAN芯片。二、CAN的高层协议CAN高层协议即应用层协议，是一种在现有的CAN底层协议之上实现的协议。高层协议是在CAN规范的基础上发展起来的应用层。,上一页,下一页,返回,第四节 CAN总线介绍,目前已经有很多标准得到了广泛地接受，如CAL和OSEK。CAL可以被认为是不依赖应用的应用层，它适用于各种基于CAN且直接使用应用层服务的应用里，而OSEK-Com/Net标准则具有应用层和网络层管理的功能，主要用于汽车网络中。CAL（CAN Application Layer）发布于1993年，是CiA的首批的发布条款之一。CAL为基于CAN的分布式系统的实现提供了一个不依赖于应用、面向对象的环境。它为通讯、标识符分布、网络和层管理提供了对象和服务。CAL的主要应用在基于CAN的分布式系统，这个系统不要求可配置性以及标准化的设备建模。CAL的其中一个子集是作为CANopen的应用层。因此，CANopen的设备可以用在指定应用的CAL系统。,上一页,下一页,返回,第四节 CAN总线介绍,OSEK/VDX是汽车行业里的一个联合项目，其目的是为汽车的分布式系统提供工业标准以便具有开放式的结构。这个标准包括一个实时操作系统的定义和软件接口的定义，以及一个通讯和网络管理系统的定义。OSEK操作系统提供有服务以便于任务管理和同步、终端管理、警告和错误处理。这个操作系统的主要目的是规定一个通用平台以集成不同厂家的软件模块。由于想把操作系统使用在任何类型的控制单元中，因此它必须支持大多数硬件的实时应用。OSEK通讯规定定义了一个硬件以及总线系统独立地应用接口。本地和远程任务的通讯是由操作系统通过“信息对象”执行的。这里要区分两种信息：“状态信息”和“事件信息”。状态信息通常表示大多数系统变量的实际状态，并通过事件信息报告事件。,上一页,下一页,返回,第四节 CAN总线介绍,由于汽车内系统的通讯要求非常高，为了确保通讯网络的安全性和可靠性提出了一个完善的网络管理系统。系统使用“节点监控”，即每个节点都被网络中的所有其他节点监控。被监控的节点根据一个专门和统一的算法发送一个NM信息。直接节点监控要求网络范围内的NM信息要同步。因此，这里使用了一个逻辑环。任何节点都必须能够将NM信息发送到所有其他节点并从其他节点接收信息。如果觉得直接监控对于一个设备来说太复杂，可以使用“间接监控”原则。这个原则基于应用信息的观察，并受限于定期发送信息的节点。这种类型的节点可能被一个或更多的其他节点监控。,上一页,下一页,返回,第四节 CAN总线介绍,还有一个十分不同的开放式系统，其解决方案由SAE J1939标准提供。这个标准是由汽车工程师重型汽车社团和总线部门为了向电子系统提供一个开放的互联系统而定义的。这个系统主要的应用范围是面向路面或非路面设计的轻、中、重型机车，以及为 获得部件而专有的静止应用场合。工业应用中主要代表开放式分布系统的标准是CANopen、DeviceNet和SDS。开放式分布系统标准的工业应用包括工业自动化中由工业器件组成的低层网络。这种应用主要要求有：可配置性、灵活性和可扩展性。为了保持生产厂商的独立性，必须以“设备子协议”的形式定义器件的功能性。,上一页,下一页,返回,第四节 CAN总线介绍,CANopen标准是由CiA旨在解答EU-研究程序结果的一组成员编制的。CANopen在通讯和系统服务以及网络管理的方面使用了CAL子集。DeviceNetTM是由Allen-Bradley开发的非常成熟的开放式网络。它根据抽象对象模型来定义。DeviceNet标准由一个独立的供应者组织管理，这个组织也同时广泛地支持DeviceNet的市场。SDSTM是由Honeywell Micro Switch开发的一个开放式网络标准。由于它基于特定的应用层协议，因此定义了一个面向对象的等级设备模型以便在SDS设备之间建立互用性。SDS是特别为分布式二进制传感器和执行器设计的。,上一页,下一页,返回,第四节 CAN总线介绍,三、CAN总线的特点CAN总线由于采用了许多独特的设计，CAN总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，其特点可以概括如下：（1）低成本；（2）极高的总线利用率；（3）很远的数据传输距离（长达10km）；（4）高速的数据传输速率（高达1Mb/s）；（5）可根据报文的ID决定接收和屏蔽该报文；（6）可靠的错误处理和检错机制；（7）发送的信息遭到破坏后，可自动重发；（8）节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；（9）报文不包含源地址或目的地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。,上一页,下一页,返回,第四节 CAN总线介绍,四、CAN总线的位数值表示与通信距离CAN总线上用“显性”和“隐形”两个互补的逻辑值表示“0”和“1”。当在总线上出现同时发送显性和隐形位时，其结果是总线数值为显性。如图5-6所示，VCAN-H和VCAN-L为CAN总线收发器与总线之间的两接口引脚，信号以两线之间的“差分”电压形式出现。在隐形状态，VCAN-H和VCAN-L被固定在平均电压电平附件，Vdiff近似于0。在总线空闲或隐形位期间，发送隐形位。显性位以大于最小间值的差分电压表示。CAN总线上任意两个节点之间的最大传输距离与其位速率有关，表5-9列举了相关的数据。,上一页,下一页,返回,第四节 CAN总线介绍,五、CAN总线的前景和展望在第一节最后一部分已经提到CAN确定会成为今后一段时期内车载网络领域的主流协议标准，这一点也可以由如下数据上得到证实，如2005年CAN将会拥有车载网络全球市场占有总量的63%；在欧洲，尽管已有多种新型总线开始进占汽车中的信息娱乐和安全领域，CAN仍有望保持住88%的市场份额。,上一页,返回,图5-1 OSI的7层网络体系结构,返回,图5-2 网络拓扑结构,返回,图5-3 HDLC的帧结构,返回,图5-4 汽车电气网络图,返回,图5-4 汽车电气网络图,返回,表5-1 A类总线及各自特征,返回,表5-2 B类总线及各自特性,返回,表5-3 C类总线及各自特性,返回,表5-4 车用多媒体总线及各自特性,返回,表5-5 车用诊断总线及各自特性,返回,表5-6 车用安全总线及各自特征,返回,表5-7 车用X-by-wire总线及各自特征,返回,图5-5 各类典型车用总线,返回,表5-8 Philips制造的CAN芯片,返回,图5-6 总线位的数值表示,返回,表5-9 CAN总线系统任意两节点之间的最大距离,返回,