基于CAN总线的嵌入式测控系统的研究(3)

嵌入式can总线通信

西华大学硕士学位论文

ＣＡＮ作为现场设备级的通信总线，和其他总线相比，具有很高的可靠性和性价比，其总线规范已经成为国际标准，因而被公认为是当今几种最有前途的现场总线之一，事实上，如今ＣＡＮ总线的应用范围已远远超出最初的汽车应用，在工业自动化、火车、轮船的导航和控制系统、医疗系统、农业机械等都可以看到ＣＡＮ的应用。

２．１．１ＣＡＮ总线技术特点

由于采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，ｃＡＮ总线的数据通信具有许多优良特点，可概括如下１１３］【１４】［１５】：

１）ＣＡＮ采用多主工作方式

ＣＡＮ总线上的任一节点均可主动发起传输。没有主从之分，根据报文的优先权而不是节点的优先权进行总线访问控制。

２）ＣＡＮ具有非破坏性的总线仲裁机制

ＣＡＮ节点发生总线冲突时，高优先级报文可以不受影响地完成传输，保证了高优先级报文的实时性。

３）ＣＡＮ总线具有良好的故障隔离功能

ＣＡＮ组成的网络中的多个节点同时向总线发送数据，不会出现短路状态，即不会将单个节点的故障传递给总线中的其它节点。在总线中的单个节点出现严重故障时会自动关闭。

４）ＣＡＮ具有良好的传输防错设计

ＣＡＮ总线采用短帧结构，传输时间短，受干扰几率低；每帧都有位填充、ＣＲＣ校验等措施，保证了极低的出错率。发送期间丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重发送。

５）ＣＡＮ总线的通信距离远，通信速率高

ＣＡＮ总线的通信距离最远可达１０ｋｍ（５ｋｂｐｓ以下），其通信速率最高可达１Ｍｂｐｓ（此时通信距离在４０ｍ以下），这一特点对构建大型系统极为有利。

由于具备了以上的优良特性，如今的ＣＡＮ总线产品越来越被工业界青睐。据１９９２年成立的国际ＣＡＮ用户和制造商非营利组织ＣｉＡ（ＣＡＮｉｎＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ）估计，在１９９８年销售了９７００万个节点。其中８０％安装于欧洲

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（其中又有８０％安装于德国）。如今，ＣＡＮ节点除了应用于车辆，其余多是应用于嵌入式网络和工业控制系统等方面。

２．１．２ＣＡＮ总线的分层结构

由于ＣＡＮ的广泛应用，不同应用领域的通信报文的标准化问题越来越突出，因此，１９９１年９月Ｐｈｉｌｉｐｓ半导体公司制定并发布了ＣＡＮ技术规范（Ｖｅｒｓｉｏｎ２．０）【”】。该技术规范包括Ａ，Ｂ两部分，２．０Ａ给出了在ＣＡＮ标准帧格式，２．０Ｂ给出了标准和扩展两种帧格式。ＣＡＮ技术规范２．ＯＢ定义了数据链路层中的ＭＡＣ子层和ＬＬＣ子层的一部分，并描述与ＣＡＮ通信有关的外层。＋

ＣＡＮ总线是根据开放系统互联模型（ＯＳＩ）制定的，采用了七层构架的物理层和数据链路层，其分层结构如图２．１所示【ｌ２Ｊ【１４Ｊ。

Ｆｉｇ２．１ＤｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆＣＡＮ图２．１ＣＡＮ的分层结构和功能

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Ｉｌ物理层

物理层主要是网络上节点问的物理数据传输。物理层定义了传输线和接口硬件的机械、电气和电信号特征及功能。机械特性包括连接器尺寸、类型等：电气特性包括最大传输速率、最大传输距离、信号电平状态代表意义等：电信号特征包括对应电平的逻辑信号、信号的传输时序、数据采样方式等。２１数据链路层

ＣＡＮ网络的数据链路层主要划分为逻辑链路控制（ＬＬＣ．ＬｏｇｉｃＬｉｎｋＣｏｎｔｒ０１），媒体访问控制（ＭＡＣ－ＭｅｄｉｕｍＡｃｃｅｓｓＣｏｎｔｒ０１）。

①ＬＬＣ子层

主要提供三类功能帧接收滤波、超载通知及恢复管理。

帧接收过滤：在ＬＬＣ子层上帧内容由标识符表示，标识符不仅是用于指示帧的目的地址，还可以描述更多的信息，比如：数据的定义、网络节点属性等。每个接收器将通过帧接收滤波确定是否接收此帧。

超载通知：如果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，最多可产生两个超载帧，以延迟下一个数据帧或远程帧。

恢复管理：发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的帧，ＬＬＣ子层具有自动重发送功能，在发送成功完成前，帧发送服务不被用户认可。

②ＭＡＣ子层

ＭＡＣ子层是ＣＡＮ协议的核心，它描述由ＬＬＣ子层接收到的报文和对监控。

ＣＡＮ总线的工作原理

在介绍了ＣＡＮ总线的分层结构之后，下面将进一步分析ＣＡＮ总线的工ＬＬＣ子层发送的认可报文；ＭＡＣ子层可响应报文帧、仲裁、应答、错误检测及标定；ＭＡＣ子层由称为故障界定的一个管理实体监控，它具有永久性故障或短暂性扰动的自检机制。物理层可借助检测和管理物理媒体故障实体进行２．２作原理。如图２．２所示，ＣＡＮ总线的拓扑结构是一个典型的串行总线的结构

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形式。ＣＡＮ总线中一个节点发送信息，多个节点接收信息；但ＣＡＮ总线的信息存取方式既不同与令牌方式的Ａｒｃｎｅｔ，也不同于主从方式的Ｂｉｔｂｕｓ，采用的是一种广播式的存取工作方式。与其它网络不同，在ＣＡＮ总线的通信协议中，没有节点地址的概念，也没有任何与节点地址相关的信息存在，它是基于报文的工作方式。也就是说，ＣＡＮ总线面向的是数据而不是节点，因此加入或取消任何一个节点设备都不会影响网络的工作，十分适用于控制系统要求快速、可靠、简明的特点。以下将对ＣＡＮ总线的基本通信工作原理做一一介绍。

Ｆｉｇ２．２ＣＡＮｂｕｓｔｏｐｏｌｏｐｙ

图２．２ＣＡＮ总线拓扑结构

首先，在ＣＡＮ总线协议中是通过一种非破坏性的仲裁方式来实现冲突检测。它是与ＣＳＭＡ／ＣＡ（载波监测，多路检Ｎ／冲突避免）［８】【ｌ。７】属同类，这也就意味着当总线出现发送冲突时，通过仲裁后，原发送信息不会受到任何影响。所有的仲裁判别都不会破坏优先级高的报文信息内容，也不会对其发送，产生任何的时延。这种仲裁规则可以使信息和时间均无损失。

为了达到这种“非破坏性的仲裁方式”，总线访问冲突运用逐位仲裁规则，借助标识符Ｄ解决，若具有相同标识符ＩＤ的～个数据帧和一个远程帧同时初始化，数据帧优先于远程帧。为了实现仲裁，ＣＡＮ总线协议还必须满足一些前提条件。首先，必须定义两种逻辑状态——“显性位”和“隐性位”：然后，节点在发送过程中必须检测刚刚发出的状态是否就是信息中所描述的内容。在ＣＡＮ总线的定义中，逻辑０为“显性位”，逻辑１为“隐性位”。“显性位”一定会在和“隐性位”的判别过程中获胜，换句话说，报文标识符（报文仲裁区

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域）的值越小，其优先级就越高。

举个例子，假定有两个节点在同一时刻发送一个报文，每个节点都会监测总线以便了解预发送的信息状态是否确实出现在总线上。一个优先级较低的报文在某一时刻会发送一个“隐性位”但是检测回来的却是“显性位”。此时这个节点就失去了仲裁，．即停止发送并转为只昕状态。优先级较高的报文继续发送直到完整的报文发送完毕。在刚才冲突仲裁中被取消发送权的节点将等待总线的下一个空闲期并自动地再次尝试发送。

也就是说报文不是按照地址从一个节点传送到另一个节点。ＣＡＮ总线上报文所包含的内容只有优先级标志 …… 此处隐藏：2638字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……