通信与现场总线课程设计报告CAN总线.docx
《通信与现场总线课程设计报告CAN总线.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《通信与现场总线课程设计报告CAN总线.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
通信与现场总线课程设计报告CAN总线
通信与现场总线课程设计报告
——关于CAN总线的学习
姓名：
学号：
班级：
指导教师：
刘彪
1CAN总线
1、1CAN总线及其特性
CAN总线是德国BOSCH公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。
通信速率最高可达1Mbps。
1）完成对通信数据的成帧处理
CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。
2）使网络内的节点个数在理论上不受限制
CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。
采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识符可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义2或2个以上不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。
数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。
同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。
CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。
CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。
3）可在各节点之间实现自由通信
CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。
CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。
CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数通讯。
CAN总线插卡可以任意插在PCATXT兼容机上，方便地构成分布式监控系统。
4）结构简单
只有2根线与外部相连，并且内部集成了错误探测和管理模块。
5）传输距离和速率
①数据通信没有主从之分，任意一个节点可以向任何其他（一个或多个）节点发起数据通信，靠各个节点信息优先级先后顺序来决定通信次序，高优先级节点信息在134μs通信;
②多个节点同时发起通信时，优先级低的避让优先级高的，不会对通信线路造成拥塞;
③通信距离最远可达10KM（速率低于5Kbps）速率可达到1Mbps（通信距离小于40M）；
④CAN总线传输介质可以是双绞线，同轴电缆。
CAN总线适用于大数据量短距离通信或者长距离小数据量，实时性要求比较高，多主多从或者各个节点平等的现场中使用。
1、2CAN总线的构成形式
CAN数据传输系统中每块电脑的内部增加了一个CAN控制器，一个CAN收发器；每块电脑外部连接了两条CAN数据总线。
在系统中作为中端的两块电脑，其内部还装有一个数据传递终端（有事数据传递终端安装在电脑外部）。
1）CAN控制器。
CAN控制器作用是接受控制单元中微处理器发出的数据，处理数据并传给CAN收发器。
同时CAN控制器也接受收发器收到的数据，处理数据并传给微处理器。
2）CAN收发器。
CAN收发器是一个发送器和接收器的组合，它将CAN控制器提供的数据转化成电信号并通过数据总线发送出去，同时它也接收总线数据，并将数据传到CAN控制器。
3）数据传递终端。
数据传递终端实际是一个电阻器，作用是避免数据传输终了反射回来，产生反射波而使数据遭到破坏。
4）CAN数据总线。
CAN数据总线是用以传输数据的双向数据线，分为CAN高和低位数据线。
数据没有指定接收器，数据通过数据总线发送给各控制单元。
1、3电路结构
1、4CAN总线的优势
1、4、1CAN总线的明显优越性
CAN属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。
较之许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言，基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：
1）网络各节点之间的数据通信实时性强
首先，CAN控制器工作于多种方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权（取决于报文标识符）采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且CAN协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。
而利用RS-485只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差；
2）缩短了开发周期
CAN总线通过CAN收发器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态。
这就保证不会在出现在RS-485网络中的现象，即当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。
而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态。
而且，CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期，这些是仅有电气协议的RS-485所无法比拟的。
3）已形成国际标准的现场总线
另外，与其它现场总线比较而言，CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。
这些也是CAN总线应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力的重要原因。
4）最有前途的现场总线之一
1、4、2CAN总线的其他优点
与一般的通信总线相比,CAN总线的数据通信还具有突出的可靠性、实时性和灵活性。
具体来说有以下几点：
1）废除传统的站地址编码，代之以对通信数据块进行编码，可以多主方式工作；
2）采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响继续传输数据，有效避免了总线冲突；
3）采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，数据传输时间短，受干扰的概率低，重新发送的时间短；
4）每帧数据都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性，适于在高干扰环境下使用；
5）节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上其他操作不受影响；
6）可以点对点，一对多及广播集中方式传送和接受数据。
7）具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点；
8）采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作；
9）具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN控制器挂到CAN-Bus上，形成多主机局部网络；
10）可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；
11）可靠的错误处理和检错机制；
12）发送的信息遭到破坏后，可自动重发；
13）节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；
14）报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。
1、5CAN总线的弱势
1）不一致性
CAN总线中有一个著名的Last-But-One-Bit错误。
CAN总线2.0A在信息认证中规定：
发送器验错的范围可覆盖到帧结束，如果发现错误，以后就按优先权和状态的规定重发；接收器验错的范围覆盖到帧结束的前一位。
因此，如果由于空间干扰、电源波动等原因，对于帧的倒数第二位，一部分节点A认为无错，一部分节点B认为有错，即出现了所谓的Byzantine错误。
这时，根据EOF应该是7个隐性位，节点B认为这是一种形式错误，所以就会启动错误帧，通知发送器重发，同时丢弃收到的帧。
而认为没错的节点A由于只查到倒数第二位，因此就会接收此帧。
如果在发送器例行的下一次发送前B通知的重发成功，A就会收到重复帧；如果重发不成功，B就丢了一帧。
在转向和制动系统中，4个轮子对命令的不同理解，可能造成性能的下降或其他更严重的后果。
2）不可预测性
CAN总线将节点状态分为ErrorActive、ErrorPassive和BusOff三种，这三种状态在一定条件下可以互相转换。
不同状态中节点的发送有不同的延迟。
最高优先权的信息发送延迟有几种可能：
当节点状态为ErrorActive时，若总线空闲，则立即发送；当节点状态为ErrorActive时，如果其它帧正在发送，则需等正在发送的报文结束后，再过3位后发送；当节点状态为ErrorPassive时，它有一个出错重发的要求，若没有其它帧要发送，等3位传送（Intermission）和8位挂起传送（SuspendTransmission）后重发；当节点状态为ErrorPassive时，若总线空闲，出错后等别的信息发送完后再发，等待时间与其它帧的长度有关；当节点状态为BusOff时，需等状态恢复到ErrorPassive或ErrorActive再发。
当确认某节点的状态时，还有几个因素需要考虑：
首先，节点由最高优先权的信息和其他信息共用，因此，其他信息在传送过程中出现的错误也会影响到节点状态；其次，进入ErrorPassive或BusOff状态的条件是发送错误计数器与/或接收错误计数器的值，由于CAN的原子广播特点，其它节点的发送错误或接收错误会开启一个错误帧，从而影响到该节点的接收错误计数器的值，进而影响节点状态。
对于优先权较低的信息来说，发送时间的离散程度更大。
在反馈控制系统中，采样调节周期的大范围抖动相当于信号延迟后的变化，它有可能使系统性能下降或不稳定。
在与安全相关的开环系统中，抖动可能造成动作顺序的混乱。
3）信道出错堵塞
节点有可能受干扰或其它原因暂时或永久失效，出错的主机会命令CAN收发器不断发送消息，即所谓的BabblingIdiot错误。
由于该信息的格式等均合法，因此CAN没有相应的机制来处理这种情况。
根据CAN的优先权机制，比它优先权低的信息就被暂时或永久堵塞。
4）对CAN的各种改进都难以实现向下的兼容性。
5）传送波特率的局限性
十多年前确定的1M波特率由于应用的飞速增加而变成瓶颈。
从低速CAN总线、高速CAN总线，以致将来不得不配置第二条高速CAN总线，虽然这或许可以缓解速率问题，但从全局看，总线数量的增加使布线、网关、系统复杂性都随之增加。
从技术角度上看，重新设计CAN收发器，提高传送波特率是有一定可能的；但从技术经济角度上看，无法与现有产品相兼容就使这种局部改进失去了意义
1、6CAN总线的软件构成
这里针对89C52单片机系统的软件设来说，82C52系统的主要功能是：
CAN总线收发功能、RS232收发功能、CAN数据帧与RS232数据帧之间的转换等三种功能。
该系统的软件主要包括四个部分：
主程序、CAN数据发送程序、CAN中断服务程序和UART中断服务程序。
（1）主程序和CAN数据发送程序：
主要完成单片机的初始化、系统参数初始化、CAN控制器初始化以及主流程控制等功能。
通过判断sJAl000是否允许立即发送数据，来决定是否要将数据写入先进先出缓存
（2）CAN中断服务程序：
响应SJAl000的中断请求，主要处理四种中断类型：
数据过载中断、错误警告中断、接收中断、发送中断。
（3）UART中断服务程序：
响应UART中断，主要处理串行口发送中断和接收中断、RS232数据的成帧处理等。
（4）循环队列的使用
由于CAN数据帧和UART数据帧的传输速率不匹配，为了保证这两种数据帧之间的可靠转换与传递，设计两个先进先出的数据结构，这两个FIFO都是使用循环队列来实现的。
2串口通信
2、1串口通信的分类
从通信双方信息的交互方式看，串行通信方式可以有以下3种：
1）单工通信。
只有一个方向的通信而没有反方向的交互。
2）半双工通信。
通信双方都可以发送（接收）信息，但不能同时双向发送。
半双工通信线路简单，有两条通信线就行了，这种方式得到了广泛应用。
3）全双工通信。
通信双方可以同时发送和接收信息，双方的发送与接收装置同时工作。
全双工通信的效率最高，但控制相对复杂一些，系统造价也较高。
通信线至少3条（其中一条为信号地线），或4条（无信号地线）。
申行通信又分成两大类同步串行通信和异步串行通信。
1）异步串行通信。
异步串行通信数据格式如图所示。
其中，第1位为起始位（低电平“0”），第2～8位为7位数据（字符），第9位为数据位的奇或偶校验位，第10～11位为停止位（高电平“1”）。
停止位可以用1位、1.5位或2位脉宽来表示。
因此，一帧信息由10位、10.5位或11位构成。
异步传输就是按照上述约定好的固定格式，一帧一帧地传送。
由于每个字符都要用起始位和停止位作为字符开始和结束的标志，因而传送效率低，主要用于中、低速通信的场合。
异步通信是按字符传输的，每传输一个字符，就用起始位来通知收方，以此来重新核对收发双方同步。
若接收设备和发送设各两者的时钟频率略有偏差，这也不会因偏差的累积而导致错位，加之字符之间的空闲位也为这种偏差提供一种缓冲，所以异步串行通信的可靠性高。
但由于要在每个字符的前后加上起始位和停止位这样一些附加位，使得传输效率变低了，只有约80％。
因此，起止协议一般用在数据速率较慢的场合（小于19.2kb/s）。
在高速传送时，一般要采用同步协议。
2）同步传输。
同步传输时，用1个或2个同步字符表示传送过程的开始，接着是n个字符的数据块，字符之间不允许有空隙。
发送端发送时，首先对欲发送的原始数据进行编码，如采用曼彻斯特编码或差动曼彻斯特编码，形成编码数据后再向外发送。
由于发送端发出的编码自带时钟，实现了收、发双方的自同步功能。
接收端经过解码，便可以得到原始数据。
在同步传输的－帧信息中，多个要传送的字符放在同步字符后面，这样，每个字符的起始、停止位就不需要了，额外开销大大减少，故数据传输效率高于异步传输，常用于高速通信的场合。
但同步传输的硬件比异步传输复杂。
同步串行通信又分成内同步、外同步两种。
2、2串口通信的构成
串行通信接口电路一般由可编程的串行接口芯片、波特率发生器、EIA与TTL电平转换器以及地址译码电路组成
3以太网的特点
以太网其实一种技术规范或者技术标准。
以太网定义了在局域网中采用的电缆类型和信号处理方法。
以太网在互联设备之间以10~100Mbps的速率传送信息包（现在有1000mbps的，貌似没普及，反正我没用过）。
以太网可以采用多种连接介质，包括同轴缆、双绞线和光纤等。
其中双绞线多用于从主机到集线器或交换机的连接；同轴电缆应该被淘汰了，不多见；而光纤则主要用于交换机间的级联和交换机到路由器间的点到点链路上。
以太网的基本特征是采用一种称为载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection）的共享访问方案，即多个工作站都连接在一条总线上，所有的工作站都不断向总线上发出监听信号，但在同一时刻只能有一个工作站在总线上进行传输，而其它工作站必须等待其传输结束后再开始自己的传输。
简言之以太网的特点就是：
简单方便、价格低、速度高。
4学习收获与心得体会
5
升级会员 