车载网络第三章控制器局域网.ppt
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1、正文,主编,第三章控制器局域网,第一节概述第二节CAN协议第三节CAN的基本组成和数据传输原理第四节CAN主要部件的结构原理第五节CAN设计基础,第一节概述,一、CAN总线的特性二、CAN总线的位数值表示与通信距离,一、CAN总线的特性,1.CAN的特点2.CAN数据传输系统的优点3.传输线颜色特点,1.CAN的特点,1)CAN支持从几千到1Mbits的传输速率。2)使用廉价的物理传输媒介。3)数据帧短,实时性好,降低了有效数据传输的速度。4)错误检测校正能力强,系统可靠性高。5)多站同时发送信息,模块可以优先获取数据。6)能判断暂时错误和永久错误的节点,具有故障节点自动脱离功能。7)大部分C
2、AN在丢失仲裁或出错时,具有信息自动重发功能。,2.CAN数据传输系统的优点,1)将传感器信号线减至最少,更多的传感器信号进行高速数据传输。2)组网自由,功能扩展能力强。3)总线利用率高,数据传输距离长,可达10km;数据传输速率高,可达1Mbits。4)CAN总线符合国际标准,便于一辆车上不同生产厂家的电控单元间进行数据交换。5)电控单元实时监测。6)电控单元和电控单元插接器端子最小化应用,节省电控单元的有限空间。7)节省大量有色金属,成本相对较低。,3.传输线颜色特点,CAN总线基本颜色为橙色;CAN-L(低位)均为棕色;CAN-H(高位)中的驱动系统传输线为黑色,舒适系统传输线为绿色,信
3、息系统传输线为紫色。,二、CAN总线的位数值表示与通信距离,图3-1总线位的数值表示,二、CAN总线的位数值表示与通信距离,表3-1CAN总线任意两节点之间的最大传输距离,第二节CAN协议,一、概述二、CAN的分层结构三、不同版本通信协议与互联,一、概述,CAN技术的应用推广,要求通信协议标准化。1991年9月,Bosch公司制定并发布了CAN技术规范(Version2.0),该技术规范包括A和B两部分。,表3-2CAN协议与相关标准,一、概述,表3-3通信协议按速度分类,一、概述,二、CAN的分层结构,1.数据链路层2.物理层,二、CAN的分层结构,图3-2数据链路层和物理层功能框图,1.数
4、据链路层,(1)逻辑链路控制(LLC)(2)媒体访问控制,1)功能。接收滤波。在LLC层上开始的帧跃变是独立的,其自身操作与先前的帧跃变无关。超载通知。若接收器内部条件要求延迟下一个LLC数据帧或LLC远程帧,则通过LLC子层开始发送超载帧。2)LLC帧结构。LLC数据帧。由3个位场,即标识符场、数据字长度码(DLC)场和数据场组成,如图3-3所示。LLC远程帧。由标识符场和DLC场组成,如图3-4所示。,(1)逻辑链路控制(LLC),(1)逻辑链路控制(LLC),(1)逻辑链路控制(LLC),表3-4由DLC表示的数据字节数编码,1)功能模型 发送部分功能。接收部分功能。2)MAC帧结构 数
5、据帧。MAC远程帧 出错帧。超载帧。帧间空间。,(2)媒体访问控制,1)功能模型,图3-5媒体访问控制功能,发送部分功能。,发送数据封装:接收LLC帧及接口控制信息,循环冗余检验(CRC)通过向LLC帧附加帧起始(SOF)和远程发送请求(RTR)、保留位、CRC、应答(ACK)和帧结束(EOF)。,接收部分功能。,接收媒体访问管理:由物理层接收串行位流;解除串行结构并重新构建帧结构;检测填充位(解除位填充);错误检测(CRC、格式校验、填充规则校验);发送应答;构造错误帧并开始发送;确认超载条件;重新激活超载帧结构并开始发送。,数据帧,图3-6MAC数据帧,MAC远程帧,图3-7MAC远程帧,
6、由两个不同场构成,第一个由来自不同节点的错误标志叠加给出,第二个为错误界定符。错误标志:分为活动错误标志和认可错误标志,前者由6位连续的“显性”位组成,后者由6位连续的“隐性”位组成。认可错误标志部分或所有位由来自其他节点的“显性”位改写。,出错帧,存在两类具有相同格式的超载帧,即LLC要求的超载帧和重激活超载帧,前者为LLC层所要求,表明内部超载状态;后者由MAC层的一些出错条件而启动发送。,超载帧,图3-8帧间空间a)非“错误-认可”或已收到先前帧节点的帧间空间b)先前帧已发送“错误-认可”节点的帧间空间,帧间空间,3)MAC帧编码和发送接收,SOF、仲裁场、控制场、数据场和CRC序列帧段
7、均以位填充方法进行编码。当发送器在发送位流中检测到5个数值相同的连续位(包括填充位)时,在实际发送位流中,自动插入一个补码位。,图3-9位发送次序,4)媒体访问和仲裁,5)错误检测,错误类型 错误界定规则,错误类型,位错误:正在向总线发送一位的节点同时在检测总线。当检测到的位数值与送出的位数值不同时,则检验到位错误。填充错误:在使用位填充方法进行编码的帧场中,出现第六个连续相同电平的位时,则检测到填充错误。CRC错误:CRC序列由发送器的CRC计算结果构成,接收器以发送器相同的方法计算CRC。形式错误:当固定格式位场含有一个或更多非法位时,则检测到形式错误。但接收器在帧结束的最后位检测到显性位
8、时,不将其理解为形式错误。,错误界定规则,“错误激活”节点:可正常参与总线通信,并在检测到错误时,发出一个活动错误标志。“错误认可”节点:不应发送活动错误标志,并参与总线通信,但在检测到错误时,发送一个认可错误标志。认可错误标志由6个连续的隐性位组成“总线脱离”节点:当一个节点由于请求故障界定实体而对总线处于关闭状态时,其处于“总线脱离”状态。,图3-10节点错误状态转换,错误界定规则,2.物理层,(1)物理层结构(2)位时间(3)同步,(1)物理层结构,图3-11物理层结构,(2)位时间,图3-12正常位时间的组成,(3)同步,1)在一个位时间内仅允许一种同步。2)只有先前采样点检测到的数值
9、(先前读总线数值)不同于边沿后即现的总线数值时,边沿才被用于同步。3)总线空闲期间,当存在隐性至显性的跳变沿时,即完成硬同步。4)所有满足规则1)和2)的其他隐性至显性的跳变沿和在低位速率情况下,选择的显性至隐性跳变沿将被用于重同步;若只有隐性至显性沿被用于重同步,由于具有正相位的隐性至显性跳变沿,发送器将不完成重同步。,三、不同版本通信协议与互联,1.B类通信协议与C类通信协议互联2.通用工作负荷特性3.低速车身控制系统实施高速的CAN协议,图3-13网关处理内容,1.B类通信协议与C类通信协议互联,图3-14轿车CAN与SAE J1850网络互联,1.B类通信协议与C类通信协议互联,2.通
10、用工作负荷特性,为了合理分配通信速率,提高效率和降低成本,Bosch公司开发了供不同等级通信选用的通用工作负荷特性表(见表3-5),共有90项内容,可供CAN总线汽车使用或维修时参考。,3.低速车身控制系统实施高速的CAN协议,(1)低速车身控制系统的含义(2)串行链路输入输出控制器局域网(3)SLIO的物理寻址方法(4)SLIOCAN的信息发送方式(5)SLIOCAN总线与CAN总线对比(6)SLIOCAN车身控制系统的布局(7)SLIOCAN网络发生故障时的“对抗措施”(8)SLIOCAN车身控制系统的“即插即用”特性,(1)低速车身控制系统的含义,低速(小于125Kbits)车身控制系统
11、主要指汽车灯光、刮水器、电动车窗、后视镜、中央门锁、空调以及其他低速数据的通信系统。低优先级和低通信量的低速车身控制信息,若采用高速数据总线结构,会使生产成本和维修费用提高。,(2)串行链路输入输出控制器局域网,SLIOCAN是用于完成简单输入输出功能的低智能CAN芯片,其最简单的结构可以看做带有内部CAN控制器的IO端口,具有CAN协议规定的全部特征和能力,并符合CAN 2.0A和CAN 2.0B(无源)规格,具有11位CAN标识符和29位忽略标识符,不会使总线出错。,(3)SLIO的物理寻址方法,图3-15同一总线包括有其他CAN节点的SLIO,(4)SLIOCAN的信息发送方式,为了使S
12、LIO的内部振荡器同步以供总线定时,主控制器须每隔3800位时间发送1条标定帧,只需标定SLIO节点,就能发送1条CAN信息。,(5)SLIOCAN总线与CAN总线对比,表3-7SLIOCAN和CAN两个外主节点之间的最大容许距离,(6)SLIOCAN车身控制系统的布局,图3-16采用SLIOCAN的车身控制系统,(7)SLIOCAN网络发生故障时的“对抗措施”,针对总线故障,SLIOCAN与智能的CAN节点相同,即一旦CAN总线出现故障,各自独立的节点不能再与其主机或其他节点通信,此时系统按照预定义参数进入低效运行方式或缓复位。,(8)SLIOCAN车身控制系统的“即插即用”特性,图3-17
13、SLIOCAN车身控制系统,(8)SLIOCAN车身控制系统的“即插即用”特性,图3-18改进后的车身控制系统,4.大型汽车中应用最广泛的应用层协议SAE,SAE J1939由美国SAE组织维护和推广,其特点如下:1)以CAN 2.0B协议为基础,物理层标准与ISO 11898规范兼容,并采用符合该规范的CAN控制器和收发器。通信速率最高可达250Kbit/s。2)采用协议数据单元(PDU)传送信息,每个PDU相当于CAN协议中的一帧。3)利用CAN 2.0B扩展帧格式的29位标志符定义每一个PDU的含义以及PDU的优先级。4)J1939协议主要作为汽车中应用的通信协议,对汽车中应用到的各类参
14、数都进行了规定,参数的规定符合ISO 11992标准。,第三节CAN的基本组成和数据传输原理,一、CAN的基本组成二、数据传输原理,一、CAN的基本组成,1.电控单元2.CAN控制器3.CAN收发器4.数据传递终端5.CAN总线,一、CAN的基本组成,图3-19CAN的基本组成,一、CAN的基本组成,图3-20CAN接线80C51单片机SJA1000CAN控制器PCA2C250CAN收发器,1.电控单元,图3-21CAN网络框架,1.电控单元,图3-22带有CAN收发功能的电控单元内部结构,2.CAN控制器,CAN控制器由一块可编程芯片上的逻辑电路组成,实现通信模型中物理层和数据链路层的功能,
15、并对外提供与电控单元的物理接口。通过对CAN控制器编程,可设置其工作方式,控制其工作状态,进行数据发送和接收,以它为基础建立应用层。,3.CAN收发器,图3-23与TX线耦合的收发器,3.CAN收发器,表3-8收发器的特点,3.CAN收发器,图3-243个收发器耦合于一根总线,表3-9收发器状态与总线电压,3.CAN收发器,4.数据传递终端,(1)分离终端(2)多终端(3)单终端(4)非匹配终端,(1)分离终端,图3-25分离终端连接方式,(2)多终端,图3-26多终端连接方式,(3)单终端,在某些情况下,仅仅只有一个终端电阻(124或62)位于主节点中。从CAN位定时要求方面考虑,系统配置应
16、确保安全。采用单终端接法的网络总线长度将小于正常终端接法总线长度的50。,(4)非匹配终端,该接法使终端电阻与线路的特性阻抗不匹配,以减少对线路双绞的要求,在同等配置下可增加驱动能力或降低功耗。其终端电阻阻值高于电缆的特性阻抗值,要求系统配置能确保安全。与采用标准终端接法相比,当终端电阻增大时,相应的总线延时会急剧增加,位速率急剧降低。,5.CAN总线,图3-27CAN数据传输线,二、数据传输原理,1.信息格式转换与请求发送信息2.发送开始(总线空闲判断)3.发送信息4.接收过程5.位仲裁,图3-28CAN数据格式,1.信息格式转换与请求发送信息,2.发送开始(总线空闲判断),图3-29总线空
17、闲判断,3.发送信息,图3-30发送信息,4.接收过程,图3-31信息接收,4.接收过程,1)第一步:检查信息是否正确(监控层)。2)第二步:检查信息是否可用(接收层)。,1)第一步:检查信息是否正确(监控层)。,图3-32确认位(应答场),1)第一步:检查信息是否正确(监控层)。,图3-33监控层工作原理(所有电控单元),2)第二步:检查信息是否可用(接收层)。,图3-34接收层工作原理(组合仪表电控单元),5.位仲裁,(1)位仲裁的特点(2)位仲裁实施过程,(1)位仲裁的特点,对数据进行实时处理时,必须快速传送数据,因此,要求数据的物理传输通路有较高的速度。在几个站同时需要发送数据时,要求
18、快速地进行总线分配。CAN总线以报文为单位进行数据传送,报文的优先级结合在11位标识符中,最低二进制数的标识符具有最高的优先级。,(2)位仲裁实施过程,图3-35信息发送过程,(2)位仲裁实施过程,表3-10信息与标识符,第四节CAN主要部件的结构原理,一、CAN控制器二、CAN收发器,一、CAN控制器,1.CAN独立控制器SJA10002.CAN集成电控单元P8xC591,1.CAN独立控制器SJA1000,(1)SJA1000的特点(2)SJA1000的结构(3)SJA1000的工作模式,(1)SJA1000的特点,1)与PCA82C200独立的CAN控制器端子兼容、电气兼容,具有PCA8
19、2C200模式,即默认的BasicCAN模式。2)扩展的接收缓冲器为64B,先进先出(FIFO)。3)与CAN 2.OB协议兼容(PCA82C200兼容模式中的无源扩展结构),同时支持11位和29位识别码4)位速率可达1Mbits。5)24MHz时钟频率。6)对应不同电控单元的接口。,7)可编程的CAN收发器配置。8)温度适应范围扩大(-40+125)。9)PeliCAN模式扩展功能包括:可读写访问的错误计数器,可编程的错误报警限制寄存器,最近一次错误代码寄存器,对每一个CAN总线错误的中断,具体控制位控制的仲裁丢失中断,单次发送无重发,只听模式(无确认、无活动的出错标志),支持热插拔(软件位
20、速率检测),接收过滤器扩展(4B代码、4B屏蔽)和自身报文接收(自接收请求)。,(1)SJA1000的特点,(2)SJA1000的结构,图3-36SJA1000结构框图,(2)SJA1000的结构,图3-37SJA1000插接器端子布置,(2)SJA1000的结构,图3-38SJA1000在CAN中的布置,(3)SJA1000的工作模式,1)BasicCAN模式2)PeliCAN模式3)命令寄存器4)主要电气参数,1)BasicCAN模式,BasicCAN地址分配。SJA1000的地址区包括控制段和报文缓冲区。控制段的初始化载入是通过被编程配置通信参数(如,位时序),单片机通过控制段控制CAN
21、总线通信。初始化时,CLKOUT信号被单片机编程指定一个值。寄存器复位模式配置。检测到有复位请求后,将终止当前接收发送的报文而进入复位模式。当向复位位传送了“1-0”的下降沿,CAN控制器将返回工作模式。寄存器复位值见表3-13。控制寄存器(CR)。控制寄存器的内容用于改变CAN控制器的行为,这些位被单片机设置或复制,并对控制寄存器进行读/写操作。控制寄存器各位的功能说明见表3-14。,命令寄存器(CMR)。命令位初始化SJA1000传输层上的动作。命令寄存器只写存储器,若读该地址,返回值为1111 1111。两条命令之间至少有一个内部时钟周期,内部时钟的频率是外部振荡频率的1/2。命令寄存器
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