工业通信与网络技术11

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数据帧由7个不同的位场(Bit Frame)组成：
帧起始(Start of Frame) 仲裁场(Arbitration Field) 控制场(Control Field) 数据场(Data Field) CRC场(CRC Field) 应答场(ACK Field) 帧结束(End of Field)
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•4 报文传送及其帧类型
接收器/发送器
发出一个报文的单元称为该报文的发送器。 若一个单元不是某个报文的发送器，并且
总线不处于空闲状态，则称该单元为该报 文的接收器。
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报文的有效性
对于发送器而言，如果直到“帧结束”终结一 直未出错，则报文有效。
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3.2 CAN接插件管脚分配
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3.3 CAN总线终端电阻
120Ω ±10%，ISO 11898
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3.4 CAN总线使用的编码
NRZ编码（非归零编码），采用位填充规则编 码（无论何时，当发送器在将被发送的位流中检 测到数值相同的5个连续位时，会自动地在实际 的发送位流中插入一个补码位）。
3.5 CAN总线的位速率
5k~1M（bps）
3.6 CAN总线长度
40m~10km
重同步跳转宽度（SJW）用于设定相位缓 冲段延长或缩短的上限，应被编程为1~4个时 间份额，并且不能长于任何一个相位缓冲段长 度。
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重同步规则：
当 e>0 时 ， 相 位 缓 冲 段 1 要 延 长 。 如 果 e<SJW，相位缓冲段1要延长e，否则延长 SJW；
感器、数控机床、医疗器械、机器人、
楼宇自动化装置、火车、轮船等元件、 设备、设施中，CAN总线都得到了良好 的应用。
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•2 CAN 节点的分层结构
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•3 CAN物理层
3.1 CAN总线典型电平
➢显性电平（Dominant）：逻辑“0” ➢隐性电平（Recessive）：逻辑“1” ISO 11898中规定： ➢在隐性状态下：VCAN-H=VCAN-L=2.5V，Vdiff=0V ➢在 显 性 状 态 下 ： VCAN-H=3.5V ， VCAN-L=1.5V ， Vdiff=2V
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2020/11/11
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•第五章 CAN总线
1 概述 CAN（Controller Area Network，控制器局域 网）是20世纪80年代（1983）德国Bosch（博世） 公司为解决众多的测量控制部件之间的数据交 换问题而开发的一种串行数据通信总线。 CAN已成为国际标准ISO11898和ISO11519。
对于接收器而言，如果直到最后（除“帧结束” 的那一位）一直未出错，则报文有效。
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帧类型
数据帧携带数据由发送器至接收器； 远程帧通过总线单元发送，以请求发送具
有相同标识符的数据帧；
错误帧由检测到总线错误的任何单元发送； 超载帧用于提供当前的和后续的数据帧或
远程帧之间的附加延迟。
➢传播段——用于补偿网络内的物理延时。 它是信号在总线上传播时间的两倍与输入 比较器延时和输出驱动器延时之和。
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➢相位缓冲段1和相位缓冲段2——用于补偿沿 的相位误差，使总线上的各个节点同步。通过 重同步，这2个时间段可被延长或缩短。
➢采样点——是这样一个时刻，在此时刻上， 总线电平被读，并被理解为其自身位的数值。 它位于相位缓冲段1的终点。
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➢标识符 (Identifier)的长度为 11位。这些位以 ID-10至ID-0的顺序发送，最低位为ID-0，其中 最高7位（ID-10 ~ID-4）必须不是全“隐性”。
➢RTR位（Remote Transmission Request Bit） 在数据帧中，必须是“显性”的，而在远程帧 中，RTR位必须是“隐性”的。
➢(10)发生严重错误的节点具有自动关闭输出的功能， 以使总线上其他节点的通信能够继续进行。
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CAN最初虽然是为汽车的监测、控制 系统而设计的，但由于它在性能、可靠
性等方面的突出优势，现已广泛应用于
航天、电力、石化、冶金、纺织、造纸、
仓储等行业。如在自动化仪表、智能传
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CAN在汽车电子系统中得到了广泛应用，已成为世界汽车 制造业的主体行业标准，代表着汽车电子控制网络的主流发 展趋势。
世界上一些著名的汽车制造厂商都已采用CAN总线来实 现汽车内部控制系统与各检测及执行机构间的数据通信。如 BENZ（奔驰）、BMW（宝马）、PORSCHE（保时捷）、 ROLIS-ROYCE （ 劳 斯 莱 斯 ） 、 JAGUAR （ 美 洲 豹 ） 和 MAZDA（马自达）等都。
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•数据帧(Data Frame)
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➢帧起始 (SOF—Start Of Frame) 标志数据帧和远程帧的起始，它仅由一个 “显性”位构成。
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➢仲裁场 由标识符和远程发送请求（RTR）位组成。
重同步的目的是通过延长相位缓冲段1或缩 减相位缓冲段2来控制跳变沿和采样点之间的 距离，以补偿振荡器误差。CAN2.0规范规定： 只有隐性电平到显性电平的跳变沿才用于重同 步。
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沿相位误差e：由沿相对于当前同步段的位 置给定，计为时间份额的整数倍。如果沿出现 在当前同步段之前，e被计为负，如果沿出现 在当前同步段之后，e被计为正。
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•CAN的发展历程：
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以CiA推出的CAN Specification 2.0为底层 的高层协议有：
CAN Kingdom DeviceNet CANopen SAE J1939 SDS
（2）为实现（1）中的目的，要考虑传 播延时的影响。铜导线中，电信号的传播 速度是光速的2/3；
（3）还要考虑发送器延时、接收器延时， 以及可靠采样的要求。
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3.7 CAN总线的位定时
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➢同步段——用于使总线上的各个节点同 步。期望有一个跳变沿位于此段内。
➢应答场 为两位长度，包括应答间隙和应答界定符。
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在应答场中发送站送出两个“隐性”位。一个正确地 接收到有效报文的接收器，在应答间隙期间，通过传送 一个“显性”位将此信息报告给发送器（接收器发送 “应答”）。所有接收到匹配CRC序列的站，在应答 间隙期间通过把“显性”位写入发送器的“隐性”位来 报告此信息。 应答界定符是应答场的第二位，并且必须是“隐性” 位。因此，应答间隙被两个“隐性”位（CRC界定符 和应答界定符）包围。
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➢(3)采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低。
➢(4)具有多种检错措施及相应的处理功能，检错效 果极好，处理功能很强，保证了通信的高可靠性。 位错误和位填充错误检测、CRC校验、报文格式 检查和应答错误检测及相应的错误处理。
➢(5)通信介质（媒体）可为双绞线、同轴电缆或光 纤，选择灵活。
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CAN总线位速率与总线长度的关系：
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主要影响因素：
（1）CAN总线要求发送器在发送每一 位的同时，都要监视总线电平，用以确定 是否发送器竞争发送权失败，是否总线发 生了位错误，是否获得了应答；
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➢(8)通过报文标识符来定义节点报文的优先级。对 于实时性要求不同的节点报文，可定义不同级别的 优先级，从而保证高优先级的节点报文得到优先发 送。
➢(9)采用非破坏性逐位仲裁机制来解决总线访问冲 突。通过采用这种机制，即使在网络负载很重时， 也不会出现网络瘫痪现象。
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CAN与其他现场总线相比，具有突出的可靠 性、实时性和灵活性，其技术特点如下：
(1)CAN从本质上讲是一种多主或对等网络， 网络上任一节点均可主动发送报文 。
(2)废除了传统的站地址编码，而代之以对通 信数据进行编码；通过报文过滤，可实现点 对点、多点播送（传送）、广播等几种数据 传送方式。
硬同步与重同步就是用于准确位定时的保 障机制。
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硬同步：只发生在帧起始的位置。硬同步后， 内部位时间从同步段重新开始。因而，硬同步
强迫引起硬同步的沿处于重新开始的位时间同 步段之内。
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重同步：发生在帧内。通过在每个时间段采 样总线，并与前一个采样点处的总线电平做比 较，可以检测到跳变沿。如果跳变沿发生在同 步段内，则认为接收节点与发送节点是同步的； 否则说明二者不同步，需要进行重同步。
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➢控制场 由6位组成，包括两个用于将来扩展的保留位 和4位数据长度码。
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•表 数据长度码中数据字节数目编码
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➢数据场 由数据帧中被发送的数据组成，它可包括 0至8个字节，每个字节包括8位，其中首先发 送最高有效位。
当 e<0 时 ， 相 位 缓 冲 段 2 要 缩 减 。 如 果 e<SJW，相位缓冲段2要缩减e，否则缩减 SJW；
当e<SJW时，重同步和硬同步的效果是 一样的。如果e>SJW，重同步不能充分补 偿e，误差（e-SJW）仍然存在。
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➢信息处理时间——是由采样点开始、为计算 后续位电平而保留的时间段。 ➢时间份额——是由振荡器周期派生出的一个 固定时间单元。
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同步段：1个时间份额； 传播段：1~8个时间份额； 相位缓冲段1：1~8个时间份额； 相位缓冲段2：相位缓冲段1和信息处理 时间的最大值；
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➢(6)总线长度可达10km（速率为5kbps及其 以下）；网络速度可达1Mbps（总线长度为 40m及其以下）。
➢(7)网络上的节点数主要取决于总线驱动电 路，目前可达110个；标准格式的报文标识符 可达2032个，而扩展格式的报文标识符的个 数几乎不受限制。
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➢CRC场 包括CRC序列、CRC界定符。
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参加CRC校验的位场包括帧起始、仲裁场、控制场、 数据场（假若存在）在内的无填充位流。 CRC序列后随CRC界定符，它只包括一个“隐 性”位。
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信息处理时间：≤2个时间份额； 时间份额总数：8~25。
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•3.8 CAN总线的位同步
由于各个CAN节点所使用的振荡器频率不 可能都是精确的理想值，一般都与其存在着 一定的误差，使得发送器与接收器各自对位 时间的理解实际上存在差异。又由于CAN总 线使用了NRZ编码，若没有一定的位定时机 制，随着累积误差的增大，终归会使接收器 错误地采样到总线上的其它位上。
同步规则 (Synchronization Rules)：
①在一个位时间内仅允许一种同步。
②只要在先前采样点上检测到的数值与一个沿 过后立即得到的总线数值不同，则该沿将被用于 同步。
③在总线空闲期间，无论何时当存在一个“隐 性”至“显性”的跳变沿，则执行一次硬同步。
④所有履行规则①和②的其它“隐性”至“显 性”的跳变沿都将被用于重同步。