车载网络控制器局域网.pptx
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1、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第1页/共190页一、CAN总线的特性1.CAN的特点2.CAN数据传输系统的优点3.传输线颜色特点第2页/共190页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CAN在丢失仲裁或出错时,具有信息自动重发功能。第3页/共190页2.CAN数据传输系统的优点1)将传感器信号线减至最少,
2、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。第4页/共190页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,信息系统传输线为紫色。第5页/共190页二、CAN总线的位数值表示与通信距离图3-1总线位的数
3、值表示第6页/共190页二、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位速率/(Kbit/s)10005002501251005020105最大距离/m4013027053062013003300670010000第7页/共190页第二节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第8页/共190页一、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。第9页/共190页表3-2CAN协议与相关标准名称名称位速率位速率/(Kbits)规
4、格规格使使 用用 范范 围围SAE J193911250双线制,屏蔽式双绞线双线制,屏蔽式双绞线载货汽车,大型客车载货汽车,大型客车SAE J193912250双线制,屏蔽式双绞线双线制,屏蔽式双绞线,供给电压,供给电压12V农业机械农业机械SAE J2284500双线制,双绞线(无屏双线制,双绞线(无屏蔽)蔽)汽车(高速:动力传动汽车(高速:动力传动系统)系统)SAE J2411333,833单线制单线制汽车(低速:车身系统汽车(低速:车身系统)NMEA 2000625,125,250,500,1000双线制,屏蔽式双绞线双线制,屏蔽式双绞线,供给电源,供给电压,供给电源,供给电压24V船舶
5、船舶Device Net125,250,500双线制,屏蔽式双绞线双线制,屏蔽式双绞线,供给电源,供给电压,供给电源,供给电压24V工业设备工业设备CANopen10,20,50,125,250,500,800,1000双线制,双绞线,选用双线制,双绞线,选用(屏蔽,电源)(屏蔽,电源)工业设备工业设备SDS50,125,500,1000双线制,屏蔽式双绞线双线制,屏蔽式双绞线选用(电源)选用(电源)工业设备工业设备一、概述第10页/共190页表3-3通信协议按速度分类电通信电通信光通信光通信等级等级通信速率通信速率/(Kbits)用途用途协议协议A010(车身系(车身系统)统)照明装置、电动
6、照明装置、电动车窗、电动座椅、车窗、电动座椅、中央门锁等中央门锁等低速低速CAN(0125Kbits),),LINB10125(状态(状态信息系统)信息系统)组合仪表、驱动组合仪表、驱动信息、自动空调、信息、自动空调、故障诊断故障诊断J1850,VANC1251000(实(实时控制系统)时控制系统)发动机、自动变发动机、自动变速器、速器、ABS、电、电子悬架等子悬架等高速高速CAN(12510000Kbits)D50000(多媒体(多媒体)D2B光纤通信,光纤通信,MOST,IEEE 1394一、概述第11页/共190页二、CAN的分层结构1.数据链路层2.物理层第12页/共190页二、CAN
7、的分层结构图3-2数据链路层和物理层功能框图第13页/共190页1.数据链路层(1)逻辑链路控制(LLC)(2)媒体访问控制第14页/共190页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)第15页/共190页(1)逻辑链路控制(LLC)第16页/共190页(1)逻辑
8、链路控制(LLC)表3-4由DLC表示的数据字节数编码数据字节数数据字节数DLCDLC3DLC2DLC1DLC0000001000120010300114010050101601107011181000第17页/共190页1)功能模型 发送部分功能。接收部分功能。2)MAC帧结构 数据帧。MAC远程帧 出错帧。超载帧。帧间空间。(2)媒体访问控制第18页/共190页1)功能模型功能模型图3-5媒体访问控制功能第19页/共190页 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
9、)和帧结束(EOF)。第20页/共190页 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。第21页/共190页 数据帧数据帧图3-6MAC数据帧第22页/共190页 MAC远程帧远程帧图3-7MAC远程帧第23页/共190页由两个不同场构成,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
10、标志部分或所有位由来自其他节点的“显性”位改写。出错帧出错帧第24页/共190页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。超载帧超载帧第25页/共190页图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 帧间空间帧间空间第26页/共190页3)MAC帧编码和发送接收帧编码和发送接收SOF、仲裁场、控制场、数据场和CRC序列帧段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
11、动插入一个补码位。第27页/共190页图3-9位发送次序4)媒体访问和仲裁媒体访问和仲裁第28页/共190页5)错误检测 错误类型 错误界定规则第29页/共190页 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时,不将其理解为形式错误。第30页/共19
12、0页 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。第31页/共190页图3-10节点错误状态转换 错误界定规则第32页/共190页2.物理层(1)物理层结构(2)位时间(3)同步第33页/共190页(1)物理层结构图3-11物理层结构第34页/共190页(2)位时间图3-12正常位时间的组成第35页/共190页(3)同步1)在
13、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(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。第36页/共190页三、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协议第37页/共190页图3-13网关处理内容1.B类通信协议与C类通信协议互联第3
14、8页/共190页图3-14轿车CAN与SAE J1850网络互联1.B类通信协议与C类通信协议互联第39页/共190页2.通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。第40页/共190页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
15、时的“对抗措施”(8)SLIOCAN车身控制系统的“即插即用”特性第41页/共190页(1)低速车身控制系统的含义低速(小于125Kbits)车身控制系统主要指汽车灯光、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。第42页/共190页(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CA
16、N标识符和29位忽略标识符,不会使总线出错。第43页/共190页(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第44页/共190页(4)SLIOCAN的信息发送方式为了使SLIO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。第45页/共190页(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位速率位速率/(Kbit/s)总线长度总线长度/mP82C150(SLIOCAN)P8XC592、PCA82C200(CAN)1258053010012
17、0620503001300208503300第46页/共190页(6)SLIOCAN车身控制系统的布局图3-16采用SLIOCAN的车身控制系统第47页/共190页(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。第48页/共190页(8)SLIOCAN车身控制系统的“即插即用”特性图3-17SLIOCAN车身控制系统第49页/共190页(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第50页/共
18、190页4.大型汽车中应用最广泛的应用层协议SAESAE 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数都进行了规定,参数的规定符合ISO 11992标准。第51页/共190页第三节CAN的基本组成和数据传输
19、原理一、CAN的基本组成二、数据传输原理第52页/共190页一、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总线第53页/共190页一、CAN的基本组成图3-19CAN的基本组成第54页/共190页一、CAN的基本组成图3-20CAN接线80C51单片机SJA1000CAN控制器PCA2C250CAN收发器第55页/共190页1.电控单元图3-21CAN网络框架第56页/共190页1.电控单元图3-22带有CAN收发功能的电控单元内部结构第57页/共190页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
20、功能,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。第58页/共190页3.CAN收发器图3-23与TX线耦合的收发器第59页/共190页3.CAN收发器表3-8收发器的特点状态状态晶体管晶体管是否有源是否有源电阻状态电阻状态总线电平总线电平1截止状态截止状态(开开关未接合关未接合)无源无源高高10接通状态接通状态(开开关接合关接合)有源有源低低0第60页/共190页3.CAN收发器图3-243个收发器耦合于一根总线第61页/共190页表3-9收发器状态与总线电压收发器A收发器B收发器C总线电压1111(5V
21、)1100(0V)1010(0V)1000(0V)0110(0V)0100(0V)0010(0V)0000(0V)3.CAN收发器第62页/共190页4.数据传递终端(1)分离终端(2)多终端(3)单终端(4)非匹配终端第63页/共190页(1)分离终端图3-25分离终端连接方式第64页/共190页(2)多终端图3-26多终端连接方式第65页/共190页(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。第66页/共190页(4)非匹配终端该接法使终端电阻与线路
22、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。第67页/共190页5.CAN总线图3-27CAN数据传输线第68页/共190页二、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.位仲裁第69页/共190页图3-28CAN数据格式1.信息格式转换与请求发送信息第70页/共190页2.发送开始(总线空闲判断)图3-29总线空闲判断第71页/共190页3.发送信息图3-30发
23、送信息第72页/共190页4.接收过程图3-31信息接收第73页/共190页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)。第74页/共190页1)第一步:检查信息是否正确(监控层)。图3-32确认位(应答场)第75页/共190页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)第76页/共190页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)第77页/共190页5.位仲裁(1)位仲裁的特点(2)位仲裁实施过程第78页/共190页(1)位仲裁的特点对数据进行实时处理时,必须快速传送数
24、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。第79页/共190页(2)位仲裁实施过程图3-35信息发送过程第80页/共190页(2)位仲裁实施过程表3-10信息与标识符标识符标识符十六进制十六进制二进制二进制发动机发动机 1280010 1000 0000ABS1A0010 1010 0000组合仪表组合仪表320011 0010 0000转向角传感器转向角传感器 10C2000 1100 0000自动变速器自动变速器 1440100
25、 0100 0000第81页/共190页第四节CAN主要部件的结构原理一、CAN控制器二、CAN收发器第82页/共190页一、CAN控制器1.CAN独立控制器SJA10002.CAN集成电控单元P8xC591第83页/共190页1.CAN独立控制器SJA1000(1)SJA1000的特点(2)SJA1000的结构(3)SJA1000的工作模式第84页/共190页(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PCA82C200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(PCA
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