CAN总线的网络化控制系统Word格式文档下载.docx
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同时,由于CAN总线可以提供较高的安全性,因此在医疗领域、纺织机械和电梯控制中也得到广泛应用。
当CAN总线上的一个节点(站)发送数据时,它以报文形式广播给网络中所有节点。
对每个节点来说,无论数据是否是发给自己的,都对其进行接收。
每组报文开头的11位字符为标识符,定义了报文的优先级,这种报文格式称为面向内容的编址方案。
在同一系统中标识符是唯一的,不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。
当几个站同时竞争总线读取时,这种配置十分重要。
当一个站要向其它站发送数据时,该站的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN芯片,并处于准备状态;
当它收到总线分配时,转为发送报文状态。
CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出,这时网上的其它站处于接收状态。
每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测,判断这些报文是否是发给自己的,以确定是否接收它。
由于CAN总线是一种面向内容的编址方案,因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。
我们可以很容易地在CAN总线中加进一些新站而无需在硬件或软件上进行修改。
当所提供的新站是纯数据接收设备时,数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址。
它允许分布过程同步化,即总线上控制器需要测量数据时,可由网上获得,而无须每个控制器都有自己独立的传感器来获得数据。
CAN控制网络图
下面简单介绍一下CAN的报文格式。
在总线中传送的报文,每帧由7部分组成。
CAN协议支持两种报文格式,其唯一的不同是标识符(ID)长度不同,标准格式为11位,扩展格式为29位。
在标准格式中,报文的起始位称为帧起始(SOF),然后是由11位标识符和远程发送请求位(RTR)组成的仲裁场。
RTR位标明是数据帧还是请求帧,在请求帧中没有数据字节。
控制场包括标识符扩展位(工DE)指出是标准格式还是扩展格式。
它还包括一个保留位(r0),为将来扩展使用。
它的最后四个字节用来指明数据场中数据的长度(DLC)o数据场范围为0-v8个字节。
其后有一个检测数据错误的循环冗余检查(CRC),应答部分(ACK)包括应答位和应答分隔符。
发送站发送的这两位均为隐性电平(逻辑1),这时正确接收报文的接收站发送主控电平(逻辑0)覆盖它。
用这种方法,发送站可以保证网络中至少有一个站能正确接收到报文。
报文的尾部由帧结束标出。
在相邻的两条报文间有一很短的间隔位。
如果这时没有站
进行总线存取,总线将处于空闲状态。
3.CAN协议中提高实时确定性和确保可靠稳定通信的措施
3.1位仲裁
要对数据进行实时处理,就必须将数据快速传送,这就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,要求快速地进行总线分配。
实时处理通过网络交换的紧急数据有较大的不同。
一个快速变化的物理量,将比相对变化较慢的物理量更频繁地传送数据并要求更短的延时。
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,具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。
这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。
总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。
CAN具有较高的效率是因为总线仅仅被那些请求总线悬而未决的站利用,这些请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处理的。
这种方法在网络负载较重时有很多优点,因为总线读取的优先级己被按顺序放在每个报文中了,这可以保证在实时系统中较低的个体等待时间。
对于主站的可靠性,由于CAN协议执行非集中化总线控制,所有主要通信,包括总线读取(许可)控制,在系统中分几次完成。
这是实现有较高可靠性的通信系统的唯一方法。
3.2CAN与其它通信方案的比较
在实践中,有两种重要的总线分配方法:
按时间表分配和按需要分配。
在第一种方法中,不管每个节点是否申请总线,都对每个节点按最大期间分配。
由此,总线可被分配给每个站并且是唯一的站,而不论其是立即进行总线存取或在特定时间进行总线存取。
这将保证在总线存取时有明确的总线分配。
在第二种方法中,总线按传送数据的基本要求分配给一个站,总线系统按站需要的传送分配(如:
EthernetCSMA/CD).因此,当多个站同时请求总线存取时,总线将终止所有站的请求,这时将不会有任何一个站获得总线分配。
。
CAN实现总线分配的方法,可保证当不同的站申请总线存取,明确地进行总线分配。
这种位仲裁的方法可以解决当两个站同时发送数据时产生的碰撞问题。
不同于Ethernet网络的消息仲裁,CAN的非破坏性解决总线存取冲突的方法,确保在不传送有用消息时总线不被占用。
甚至当总线在重负载情况下,以消息内容为优先的总线存取也被证明是一种有效的传送系统。
由于总线的传输能力不足,所有未解决的传输请求都按重要性顺序来处理。
在CSMA/CD这样的网络中,如Ethernet系统往往由于过载而崩溃,而这种情况在CAN中不会发生。
3.3数据错误检测
不同于其它总线,CAN协议不能使用应答信息。
事实上,它可以将发生的任何错误用信号发出。
CAN协议可使用五种检查错误的方法,其中前三种为基于报文内容检查:
(1)循环冗余检查(CRC)
在一帧报文中加入冗余检查位可保证报文正确。
接收站通过CRC可判断报文是否有错。
(2)帧检查
这种方法通过位检查帧的格式和大小来确定报文的正确性,用于检查格式上
的错误。
(3)应答错误
如前所述,被接收到的帧由接收站通过明确的应答来确认。
如果发送站未收
到应答,那么表明接收站发现帧中有错误,也就是说,ACK场己损坏或网络中的
报文无站接收。
CAN协议也可以通过位检查的方法来探测错误。
(4)总线检测
CAN中的一个节点可监测自己发出的信号。
因此,发送报文的站可以观测总线电平并且探测发送位和接收位的差异。
(5)位填充
一帧报文中的每一位都由有意义位码表示,可保证位编码的最大效率。
然而,如果在一帧报文中有太多相同电平的位,就有可能失去同步。
为保证同步,用位填充产生。
在五个连续相等位后,发送站自动插入一个与之互补的补码位,接收时,这个填充位被自动丢掉。
例如,五个连续的低电平位后,CAN自动插入一个高电平位。
CAN通过这种编码规则检查错误,如果在一帧报文中有6个相同位,CAN就知道发生了错误。
如果至少有一个站通过以上方法探测到一个或多个错误,它将发送出错标志终止当前的发送。
这可以阻止其它站接收错误的报文,并保证网络上报文的一致性。
当大量发送数据被终止后,发送站会自动地重新发送数据。
作为规则,在探测到错误后23个位周期内重新开始发送。
在特殊场合,系统的恢复时间为31个位周期。
但这种方法存在一个问题,即一个发生错误的站将导致所有数据被终止,其中也包括正确的数据。
因此,如果不采取自监测措施,总线系统应采用模块化设计。
为此,CAN协议提供一种将偶然错误从永久错误和局部站失败中区别出来的办法。
这种方法可以通过对出错站统计评估来确定一个站,找出错误并进入一种不会对其它站产生不良影响的运行方法来实现,即站可以通过关闭自己来阻止正常数据因被错误地当成不正确的数据而被终止。
3.4CAN的可靠性
要想对被控量达到很精确的控制,就要求数据传输具有较高的安全性。
如果数据传输的可靠性足够高,或者数据错误足够低的话,这一目标不难实现。
从总线系统数据的角度看,可靠性可以理解为,对传输过程产生的数据错误的识别能力。
数据错误的概率可以通过对数据传输可靠性的统计测量获得。
它描述了传送数据被破坏和这种破坏不能被探测出来的概率。
数据错误概率必须非常小,使其在系统整个寿命周期内按平均统计时几乎检测不到。
计算错误概率要求能够对数据错误进行分类,并且数据传输路径可由一模型描述。
如果要确定CAN的残余错误概率我们可将残留错误的概率作为具有80^-90位的报文传送时位错误概率的函数并假定这个系统中有5-y10个站,并且错误率为1/1000,那么最大位错误概率为10-13数量级。
例如,CAN网络的数据传输率最大为1Mbps,如果数据传输能力仅使用50%,那么对于一个工作寿命4000小时、平均报文长度为80位的系统,所传送的数据总量为9X1010。
在系统运行寿命期内,不可检测的传输错误的统计平均小于101量级。
换句话说,一个系统按每年365天,每天工作8小时,每秒错误率为0.7计算,那么按统计平均,每1000年才会发生一个不可检测的错误。
4.基于CAN总线的智能压力变送系统中采用的的实时可靠通讯设计
4.1硬件设计及其采取的实时和可靠型设计
基于CAN总线的智能压力变送器的硬件部分由微控制器模块、传感器模块、通信模块、显示模块和电源模块组成,其电路框图如图所示。
典型的CAN总线网络系统如图所示,CAN总线控制器MSCAN的输入输出必须通过CAN收发器转换成CAN标准电平,才能连接到CAN通信介质(双绞线)上;
CAN收发器还能输出CAN总线所要求的大电流,同时具有大电流保护功能,可以使CAN控制器MSCAN免遭故障节点或总线的破坏。
根据以上两点通信需求,我们在设计过程中选择使用了MC33388型号的CAN收发器。
MSCAN已在前面作了介绍,下面就重点对CAN接口收发器芯片加以说明。
MC33388是低速容错的CAN总线物理接口芯片,它是专门为汽车恶劣环境下的多路电子系统设计的CAN收发器,其特点表现在以下几个方面:
(1)非常低的静态电流(典型值为12uA);
(2)波特率范围为10~125kbPs;
(3)发生总线错误时可自动调整至单线模式,错误消失后可自动恢复正常状态;
(4)支持单总线传输模式,对地的偏移电压到1.5V;
(5)内部总线驱动器斜坡控制功能使射频千扰减到最小;
(6)总线保护汽车免受瞬间干扰;
(7)总线对地、电源具有短路保护功能;
(8)具有总线驱动器过热保护功能;
(9)支持无屏蔽双绞线传输;
(10)无功节点不影响总线状态;
(11)总线消息和唤醒输入引脚触发唤醒功能:
(12)唤醒引脚具有双边沿敏感特性;
(13)电源失效标志反应到NERR输出上;
(14)工作温度范围为一40℃一125℃。
MC33388有四种工作模式:
正常传输模式、只接收模式、等待模式和睡眠模式,
每种模式都是通过EN和STB引脚来控制的。
正常传输模式:
在这种模式下,发送和接收的功能都操作正常,N卫RR引脚报告总线失败情况。
只接收模式:
在这种模式下,发送通道被禁止,CANL和CANH保持在隐性状态,接收功能操作正常。
睡眠模式:
在这种模式下,发送和接收功能被禁止。
CANL引脚通过RTL电阻和内部12.5kQ的上拉电阻连接到VBAT。
州H引脚被切换到高阻状态,SV调节器被关闭,VDD上没有电压提供给MC33388,只有vBAf供电,典型电流为巧州。
如果遇到唤醒条件,设备将从备用VBAT模式下被唤醒,INH被打开。
等待VBAT模式:
这个模式类似于睡眠模式,但是INH引脚是高状态以便维持外部SV调整器被激活。
CANH的配置跟睡眠模式下一样。
当STB和EN引脚为低时,等待和睡眠模式被激活。
MC33388典型应用电路图如图所示。
MC33388的四种操作模式都可以使用。
MC33388的VDD通过一个带有禁止输入引脚的外部调压器供电。
除了Tx和RX连接到微控制器的CAN模块外,MC33388需要3个附加信号EN、STB、N卫RR连接到标准的微控制器IO端口。
MC33388的唤醒引脚连接到一个外部信号开关上。
MC33388允许信号开关配置,通过上拉或下拉电阻连接到VBAf或接地。
插入一个串联电阻主要是限制在转换脉冲期间的输入电流。
推荐在MC33388的VBAT和VDD线上接去藕电容,这些电容可以与其它同一印刷板的设备共享。
Rl和R2的阻值由网络的终端电阻和节点个数决定,为了更好的操作,两者必须相等。
如果选择500日的终端电阻,系统包括32个节点,则Rl和R2每个将为16ko。
CANH和CANL引脚可以直接连接到CAN总线上,两者之间插入电感可以提高辐射和敏感度的电磁兼容性。
综合以上可以看出,在本系统中MC33388作为低速容错的CAN总线物理接口芯片很大程度上解决了CAN总线的通信实时确定性和可靠稳定性。
4.2软件设计及其采取的实时和可靠型设计
MSCAN在上电或硬件复位后,一旦运行其初始化程序后,MSCAN模块就可以进行CAN总线的通信了。
CAN总线通信程序是指MSCAN模块在单片机控制下执行的发送和接收信息的程序,即一方面将采集到的数据发送到总线上供上位机或其它总线设备使用,另一方面模块接收总线上发送给本模块的数据帧并将其存入缓冲区中的程序,程序流程图如图所示。
CAN总线通信程序采用中断的形式进行,为了提高事件响应速度,MSCAN占用4个中断矢量:
发送中断、接收中断、唤醒中断和出错中断,11个不同的中断源映射这4个矢量上,每个中断源可以单独屏蔽。
(1)发送中断:
三个发送缓冲区中至少有一个空(即尚未纳入发送计划),而且可以加载并安排发送,这时该报文缓冲区的空标志置位。
(2)接收中断:
一条报文已经成功接收,并已经沿着队列行进到接收缓冲区窗口。
(3)唤醒中断:
在MSCAN处于内部睡眠状态时,若CAN总线进入活动状态,
则发出该中断请求。
(4)出错中断:
重叠、错误或者警告等情况出现时发生,各情况如下:
1)重叠:
接收部分出现重叠。
2)接收警告:
接收错误计数值达到错误报警限。
3)发送警告:
发送错误计数值达到CPU的报警限。
4)接收器错误被动:
接收错误计数值超过错误被动限,MSCAN进入被动状态。
5)发送器错误被动:
发送错误计数值超过错误被动限,MSCAN进入被动状态。
6)总线关闭:
发送错误计数值达到设定最大限,MSCAN进入总线关闭状态。
可见在软件上该CAN总线通信程序比较好的解决了CAN总线的通信实时确定性和可靠稳定性
5.总结
从本文的讨论中可以看出,要实现CAN总线的网络化控制系统的通信实时确定性和可靠稳定通信。
不仅要靠CAN协议中提高实时确定性和确保可靠稳定通信的措施,还需要在系统的硬件和软件设计中采用多种措施,才能使CAN网络化控制系统真正达到较好的实时性和可靠性。
6.参考文献
[1]张冬梅基于CAN总线的智能压力变送器山东科技大学
[2]牛德青CAN总线的实时性和可靠性研究中国兵器科学研究院
[3]赖昊 薛君英 陈星CAN总线技术及其系统实现微处理机2000年2月第1期
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- CAN 总线 网络化 控制系统