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can学习课案
Can
一、CAN是什么?
CAN是ControllerAreaNetwork的缩写(以下称为CAN),是ISO(国际标准化组织)国际标准化的串行通信协议。
CAN控制器根据两根线上的电位差来判断总线电平。
总线电平分为显性电平和隐性电平,二者必居其一。
发送方通过使总线电平发生变化,将消息发送给接收方。
2、CAN的特点
(1)多主控制
在总线空闲时,所有的单元都可开始发送消息(多主控制)。
最先访问总线的单元可获得发送权(CSMA/CA方式*1)。
多个单元同时开始发送时,发送高优先级ID消息的单元可获得发送权。
(2)消息的发送
在CAN协议中,所有的消息都以固定的格式发送。
总线空闲时,所有与总线相连的单元都可以开始发送新消息。
两个以上的单元同时开始发送消息时,根据标识符(Identifier以下称为ID)决定优先级。
ID并不是表示发送的目的地址,而是表示访问总线的消息的优先级。
两个以上的单元同时开始发送消息时,对各消息ID的每个位进行逐个仲裁比较。
仲裁获胜(被判定为优先级最高)的单元可继续发送消息,仲裁失利的单元则立刻停止发送而进行接收工作。
(3)系统的柔软性
与总线相连的单元没有类似于“地址”的信息。
因此在总线上增加单元时,连接在总线上的其它单元的软硬件及应用层都不需要改变。
(4)通信速度
根据整个网络的规模,可设定适合的通信速度。
在同一网络中,所有单元必须设定成统一的通信速度。
即使有一个单元的通信速度与其它的不一样,此单元也会输出错误信号,妨碍整个网络的通信。
不同网络间则可以有不同的通信速度。
(5)远程数据请求
可通过发送“遥控帧”请求其他单元发送数据。
(6)错误检测功能·错误通知功能·错误恢复功能
所有的单元都可以检测错误(错误检测功能)。
检测出错误的单元会立即同时通知其他所有单元(错误通知功能)。
正在发送消息的单元一旦检测出错误,会强制结束当前的发送。
强制结束发送的单元会不断反复地重新发送此消息直到成功发送为止(错误恢复功能)。
(7)故障封闭
CAN可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误(如外部噪声等)还是持续的数据错误(如单元内部故障、驱动器故障、断线等)。
由此功能,当总线上发生持续数据错误时,可将引起此故障的单元从总线上隔离出去。
(8)连接
CAN总线是可同时连接多个单元的总线。
可连接的单元总数理论上是没有限制的。
但实际上可连接的单元数受总线上的时间延迟及电气负载的限制。
降低通信速度,可连接的单元数增加;提高通信速度,则可连接的单元数减少。
3、CAN协议
3.1帧的种类
通信是通过以下5种类型的帧进行的。
•数据帧
•遥控帧
•错误帧
•过载帧
•帧间隔
另外,数据帧和遥控帧有标准格式和扩展格式两种格式。
标准格式有11个位的标识符(Identifier:
以下称ID),扩展格式有29个位的ID。
表帧的种类及用途
3.2数据帧
数据帧由7个段构成。
数据帧的构成如图所示。
1.帧起始
表示数据帧开始的段。
2.仲裁段
表示该帧优先级的段。
3.控制段
表示数据的字节数及保留位的段。
4.数据段
数据的内容,可发送0~8个字节的数据。
5.CRC段
检查帧的传输错误的段。
6.ACK段
表示确认正常接收的段。
7.帧结束
表示数据帧结束的段。
下面对帧的构成进行说明。
数据帧的构成
D表示显性电平;R表示隐形电平。
1)帧起始(标准、扩展格式相同)
表示帧开始的段。
1个位的显性位。
图数据帧(帧起始)
显性电平和隐形电平:
总线上的电平有显性电平和隐性电平两种。
总线上执行逻辑上的线“与”时,显性电平的逻辑值为“0”,隐性电平的逻辑值为“1”。
显性具有优先的意味,只要有一个单元输出显性电平,总线上即为显性电平。
并且,隐性具有包容的意味,只有所有的单元都输出隐性电平,总线上才为隐性电平。
(显性电平比隐性电平更强)
2)仲裁段
表示数据的优先级的段。
标准格式和扩展格式在此的构成有所不同。
图数据帧(仲裁段)
【注】*1ID
标准格式的ID有11个位。
从ID28到ID18被依次发送。
禁止高7位都为隐性。
(禁止设定:
ID=1111111XXXX)
扩展格式的ID有29个位。
基本ID从ID28到ID18,扩展ID由ID17到ID0表示。
基本ID和标准格式的ID相同。
禁止高7位都为隐性。
(禁止设定:
基本ID=1111111XXXX)
3)控制段
控制段由6个位构成,表示数据段的字节数。
标准格式和扩展格式的构成有所不同。
图数据帧(控制段)
【注】*1保留位(r0、r1)
保留位必须全部以显性电平发送。
但接收方可以接收显性、隐性及其任意组合的电平。
*2数据长度码(DLC)
数据长度码与数据的字节数的对应关系如下表所示。
数据的字节数必须为0~8字节。
但接收方对DLC=9~15的情况并不视为错误。
表数据长度码和字节数的关系
4)数据段(标准、扩展格式相同)
数据段可包含0~8个字节的数据。
从MSB(最高位)开始输出。
图数据帧(数据段)
5)CRC段(标准/扩展格式相同)
CRC段是检查帧传输错误的帧。
由15个位的CRC顺序*1和1个位的CRC界定符(用于分隔的位)构成。
图数据帧(CRC段)
【注】*1CRC顺序
CRC顺序是根据多项式生成的CRC值,CRC的计算范围包括帧起始、仲裁段、控制段、数据段。
接收方以同样的算法计算CRC值并进行比较,不一致时会通报错误。
6)ACK段
ACK段用来确认是否正常接收。
由ACK槽(ACKSlot)和ACK界定符2个位构成。
图数据帧(ACK段)
【注】*1发送单元的ACK段
发送单元在ACK段发送2个位的隐性位。
*2接收单元的ACK段
接收到正确消息的单元在ACK槽(ACKSlot)发送显性位,通知发送单元正常接收结束。
这称作“发送ACK”或者“返回ACK”。
发送ACK
发送ACK的是在既不处于总线关闭状态也不处于休眠态的所有接收单元中,接收到正常消息的单元(发送单元不发送ACK)。
所谓正常消息是指不含填充错误、格式错误、CRC错误的消息。
7)帧结束
帧结束是表示该该帧的结束的段。
由7个位的隐性位构成。
(7个位隐性位即:
1111111)
图数据帧(帧结束)
3.3遥控帧
接收单元向发送单元请求发送数据所用的帧。
遥控帧由6个段组成。
遥控帧没有数据帧的数据段。
(1)帧起始(SOF)
表示帧开始的段。
(2)仲裁段
表示该帧优先级的段。
可请求具有相同ID的数据帧。
(3)控制段
表示数据的字节数及保留位的段。
(4)CRC段
检查帧的传输错误的段。
(5)ACK段
表示确认正常接收的段。
(6)帧结束
表示遥控帧结束的段。
图遥控帧的构成
遥控帧和数据帧:
•数据帧和遥控帧的不同
遥控帧的RTR位为隐性位(数据帧为显性位),没有数据段。
没有数据段的数据帧和遥控帧可通过RTR位区别开来。
•遥控帧没有数据段,数据长度码该如何表示?
遥控帧的数据长度码以所请求数据帧的数据长度码表示。
•没有数据段的数据帧有何用途?
例如,可用于各单元的定期连接确认/应答、或仲裁段本身带有实质性信息的情况下。
3.4错误帧
用于在接收和发送消息时检测出错误通知错误的帧。
错误帧由错误标志和错误界定符构成。
错误帧的构成如图所示。
(1)错误标志
错误标志包括主动错误标志和被动错误标志两种。
主动错误标志:
6个位的显性位。
被动错误标志:
6个位的隐性位。
(2)错误界定符
错误界定符由8个位的隐性位构成。
图错误帧
【注】*1主动错误标志
处于主动错误状态的单元检测出错误时输出的错误标志。
*2被动错误标志
处于被动错误状态的单元检测出错误时输出的错误标志。
3.5过载帧
过载帧是用于接收单元通知其尚未完成接收准备的帧。
过载帧由过载标志和过载界定符构成。
过载帧的构成如图所示。
(1)过载标志
6个位的显性位。
过载标志的构成与主动错误标志的构成相同。
(2)过载界定符
8个位的隐性位。
过载界定符的构成与错误界定符的构成相同。
图过载帧的构成
3.6帧间隔
帧间隔是用于分隔数据帧和遥控帧的帧。
数据帧和遥控帧可通过插入帧间隔将本帧与前面的任何帧(数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧)分开。
过载帧和错误帧前不能插入帧间隔。
帧间隔的构成如图所示。
图帧间隔的构成
(1)间隔
3个位的隐性位。
(2)总线空闲
隐性电平,无长度限制(0亦可)。
本状态下,可视为总线空闲,要发送的单元可开始访问总线。
(3)延迟传送(发送暂时停止)
8个位的隐性位。
只在处于被动错误状态的单元刚发送一个消息后的帧间隔中包含的段。
3.7优先级的确定
在总线空闲态,最先开始发送消息的单元获得发送权。
多个单元同时开始发送时,各发送单元从仲裁段的第一位开始进行仲裁。
连续输出显性电平最多的单元可继续发送。
仲裁的过程如图所示。
(1)数据帧和遥控帧的优先级
具有相同ID的数据帧和遥控帧在总线上竞争时,仲裁段的最后一位(RTR)为显性位的数据帧具有优先权,可继续发送。
数据帧和遥控帧的仲裁过程如图所示。
图数据帧和遥控帧的仲裁过程
(2)标准格式和扩展格式的优先级
标准格式ID与具有相同ID的遥控帧或者扩展格式的数据帧在总线上竞争时,标准格式的RTR位为显性位的具有优先权,可继续发送。
标准格式和扩展格式的仲裁过程如图所示。
图标准格式与扩展格式的仲裁过程
3.8位填充
位填充是为防止突发错误而设定的功能。
当同样的电平持续5位时则添加一个位的反型数据。
图位填充
(1)发送单元的工作
在发送数据帧和遥控帧时,SOF~CRC段间的数据,相同电平如果持续5位,在下一个位(第6个位)则要插入1位与前5位反型的电平。
(2)接收单元的工作
在接收数据帧和遥控帧时,SOF~CRC段间的数据,相同电平如果持续5位,需要删除下一个位(第6个位)再接收。
如果这个第6个位的电平与前5位相同,将被视为错误并发送错误帧。
3.9错误的种类
错误共有5种,多种错误可能同时发生。
•位错误
•填充错误
•CRC错误
•格式错误
•ACK错误
错误的种类、错误的内容、错误检测帧和检测单元如表所示。
表错误的种类
(1)位错误
位错误由向总线上输出数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧的单元和输出ACK的单元、输出错误的单元来检测。
在仲裁段输出隐性电平,但检测出显性电平时,将被视为仲裁失利,而不是位错误。
在仲裁段作为填充位输出隐性电平时,但检测出显性电平时,将不视为位错误,而是填充错误。
发送单元在ACK段输出隐性电平,但检测到显性电平时,将被判断为其它单元的ACK应答,而非位错误。
输出被动错误标志(6个位隐性位)但检测出显性电平时,将遵从错误标志的结束条件,等待检测出连续相同6个位的值(显性或隐性),并不视为位错误。
(2)格式错误
即使接收单元检测出EOF(7个位的隐性位)的最后一位(第8个位)为显性电平,也不视为格式错误。
即使接收单元检测出数据长度码(DLC)中9∼15的值时,也不视为格式错误。
3.10错误帧的输出
检测出满足错误条件的单元输出错误标志通报错误。
处于主动错误状态的单元输出的错误标志为主动错误标志;处于被动错误状态的单元输出的错误标志为被动错误标志。
发送单元发送完错误帧后,将再次发送数据帧或遥控帧。
表错误标志输出时序
3.11位时序
由发送单元在非同步的情况下发送的每秒钟的位数称为位速率。
一个位可分为4段。
•同步段(SS)
•传播时间段(PTS)
•相位缓冲段1(PBS1)
•相位缓冲段2(PBS2)
这些段又由可称为TimeQuantum(以下称为Tq)的最小时间单位构成。
1位分为4个段,每个段又由若干个Tq构成,这称为位时序。
1位由多少个Tq构成、每个段又由多少个Tq构成等,可以任意设定位时序。
通过设定位时序,多个单元可同时采样,也可任意设定采样点。
各段的作用和Tq数如表所示,一个位的构成如图所示。
表段及其作用
图1个位的构成
【注】*1采样点
所谓采样点是读取总线电平,并将读到的电平作为位值的点。
位置在PBS1结束处。
3.12取得同步的方法
CAN协议的通信方法为NRZ(Non-ReturntoZero)方式。
各个位的开头或者结尾都没有附加同步信号。
发送单元以与位时序同步的方式开始发送数据。
另外,接收单元根据总线上电平的变化进行同步并进行接收工作。
但是,发送单元和接收单元存在的时钟频率误差及传输路径上的(电缆、驱动器等)相位延迟会引起同步偏差。
因此接收单元通过硬件同步或者再同步的方法调整时序进行接收。
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