CAN总线外文翻译.doc

北京化工大学毕业设计（外文翻译）
局域网络控制器的研究
黄星辰 计算机科学与技术学院 贵州大学贵阳
田军 特种设备检验实验室 质量技术监督局 贵阳
测控1102-王明高-2011014374
摘要：控制器区域网络（CAN）是理想的适合于许多高水平的工业协议，包括CAN和ISO 11898作为其物理层。在系统设计中其成本、性能和可升级性，提供了巨大的灵活性。本文对CAN的工作原则作了简要的介绍，采用CAN总线仪表的CAN收发器与DSP的德克萨斯的一个基本的实现，和一个强大的错误检测和故障约束机制的探讨。也对一些对增强控制器区域网络（eCAN）的性质进行了讨论。
关键词控制器区域网络；增强、协议、消息
一、 引言

控制器区域网络（CAN）[ 1 ]是一种多主串行总线，使用广播发送到所有节点。CAN协议[ 2,3 ]提供了比其他通信协议更多的优点。例如，CAN总线协议提供了一个很好的价格/性能比。它允许快速的进行数据传输（可达1兆位/秒），可以实现实时通信[ 2 ]。此外，数据具有很高的可靠性和强大的错误检测能力[ 4 ]。还具有灵活性、热插拔性。
CAN总线被设计为具有最大传输速率1Mbit/sec的多主结构。不同于传统的网络，如USB或以太网，CAN总线不可以从A点向B点的一个中央主机的下位机传送一个大块的报文。在CAN网络中许多短帧数据如温度或转速被广播到整个网络，任何对报文有兴趣的节点都能够接收这个数据。 
二、 CAN总线标准

CAN总线是一个国际标准化组织（ISO）定义的串行通讯总线。最初是用于为用双线总线代替复杂的线束汽车行业中。规范的要求的信号速率高达1 Mbps，抗干扰能力强，并有自检测能力和错误自修复能力。这些特征使CAN总线可以广泛用在各种行业包括汽车，船舶，医疗，制造，和航空航天。
CAN通信协议ISO11898，描述的是信息是如何通过网络设备之间进行传输的，从层定义上讲，符合开放式系统互连。通过物理介质连接的设备之间的通信是通过实际物理模型的层定义。ISO 11898体系结构定义了七层ISO/OSI模型的最低的两层，数据链路层和物理层，如图1。

图1、ISO 11898标准的分层结构
在图1中，应用层链接到上层应用程序需要建立在特定的通信协议上如，独立的CANopen协议。该协议是由国际用户和制造商集团支持的，自动化控制器区域网络（中央情报局）。
三、 标准或扩展的控制器区域网络

CAN通讯协议带有冲突检测的载波侦听多路访问和优先级仲裁的冲突检测（CSMA / CD +AMP）。带有冲突检测的载波侦听多路访问意味着在总线上的每个节点在试图发送一个消息前必须等待一个规定的时间。优先级仲裁的冲突检测 意味着冲突的解决
通过逐位仲裁，根据每个消息在消息字段标识符预定的优先级。高优先级的标识符总是获得总线的访问权。
在表中列出CAN总线第一个版本的标准，ISO 11519（低速CAN总线）是应用到一个标准的11位标识符达到了125Kbps的速度。第二版，ISO 11898（1993），也是11位标识符信息速率从125 kbps到1 Mbps，最近的ISO 11898修正案（1995）介绍扩展的29位标识符。ISO 11898的11位版本，通常被称为标准版本2.0A，而ISO 11898修正案被称为扩展CAN 2.0B版本。标准的11位标识符字段在图2为211，或2048个不同的标识符，而29位扩展可以在图3中的标识符提供229，或537000000的标识符。

表格一

图2.标准：11位标识符
图3.扩展CAN：29位标识符
图2的意义：
•SOF—帧起始标志位（SOF）标志这一个帧的开始，它以一个比特的显位出现，只有在总线处于空闲状态时，才允许站开始发送。
•标识符—11位标志帧格式的标识符的优先级，二进制值越低优先级越低，越高优先级越高。
•RTR—当信息是从另一个节点需要的远程发送请求位是占主导地位时。所有节点接收该请求，但标识符确定指定的节点。响应数据也由所有节点接收到的和感兴趣的节点使用。这样，所有的数据在一个系统中是均匀的。
•IDE一标识符扩展（IDE）位意味着一个标准可以没有扩展标识符被发送。
•R0—保留位（由本标准的修订可能使用）。
•DLC—数据的4位长编码（DLC）中包含的数据被发送的字节数。
•数据—高达64位的应用程序的数据可以被发送。
•CRC—16位（15位加界定符）的循环冗余校验（CRC）校验（传输比特数）应用前的数据监测。
•ASK—应答场位，包括应答间隙和应答界定符。在应答场中，发送器送出两个隐位。一个正确的接收到有效报文的接收器，在应答间隙，将此信息通过发送一个显位报告给发送器。所有接收到匹配CRC序列的站，通过在应答间隙内把显位写入发送器的隐位来报告。应答界定符是应答场的第二位，并且必须是隐位，因此，应答间隙被两个隐位包围。
•EOF—结束帧，由7个隐位组成，标志着帧的结束。当5位相同的逻辑电平发生在正常操作期间，一些相反的逻辑电平是装入数据。
•IFS—7位帧间空间（IFS）包含由控制器需要在消息缓冲区移动到合适的位置正确接收的帧的时间。
如图三所示，扩展帧和标准帧一样：
•SRR——替代远程请求位（SRR）代替标准的消息的位置在扩展格式的占位符RTR位。
•IDE—隐性位标识符中的扩展（IDE）表明，有更多的标识符位跟随。18位扩展遵循IDE。
•R1—在R0、 RTR位后，一个额外的储备点已经包含数据链路控制中。
四、 CAN报文

A.仲裁
一个基本的CAN总线特性，如图4所示的是总线之间的相反逻辑状态，驱动器输入和接收器输出。通常一个高电平表示1，低电平表示0—但在CAN总线是不是这样的。这就是为什么它是需要有一个驱动器输入和接收器输出引脚CAN收发器被动拉高的内部，如在SN65HVD230。在任何输入的情况下，设备会自动默认为所有的输入和输出引脚的隐性总线状态。
图四
总线访问是事件驱动，随机发生的。如果同一时刻两个节点想访问总线，CAN总线能够实时地检测这些冲突并做出相应的仲裁。无损意味着节点赢得总线访问权继续传输信息，信息本身没有破坏或总线被另一个节点访问。
信息的优先配置在标识符中是CAN总线的一个特点，它使得在实时控制环境中很有吸引力。标识符值越低优先级越低，越高优先级越高。一个全部由零组成的标识符是优先级最高的，他拥有总线访问最高权力。发送零（显性位）的节点将得到总线的控制权继续传输信息，而发送1的（隐性位）将继续等下下一个空闲期。显性位始终优先于隐性位。
请注意，一个节点不断地监控自己的传输。这是图4中，CANH和CANL引脚收发器配置的原因，能输出引脚的驱动程序在内部与接收器的输入。从驱动器输入到接收机的输出在内部循环信号传播延迟通常是作为一个定性测量CAN收发器。传播延迟是指循环时间（tloop在TI的数据表），但对不同的命名要考虑供应商问题。
B.帧类型
有四种不同的信息类型，或帧类型用于CAN总线上传输数据帧、远程帧、错误帧和超载帧。当EOF最后区域是隐性的时候，这个消息被认为是无误差的。当EOF是显性的时候将会重新传输。
1） 数据帧：数据帧是最常见的帧类型，由7个不同的位场组成，即帧起始标志位、仲裁长、控制场、数据场、CRC检查场、ASK应答场和帧结束标志位。当两个和两个以上的节点争用总线时，仲裁场决定信息的优先级。仲裁场由11位标识符和远程发送请求位RTR组成，这是数据帧的优势。CAN2.0B在图三中由29位标识符和RTR位组成。包含零到八字节的数据场，并含有16位的CRC字段—位校验用于错误检测。最后是应答场。所有CAN控制器都能够正确接收消息，发送一个显性应答位，在一个消息正确传输结束后，显性位将优先隐性位先传输。如果发射机检测主导地位的应答场时，没有检测到应答场，信息将会重新传输。
2） 远程帧：远程帧的目的是向另一个节点传输数据。远程帧和数据帧类似，两个重要的差异。首先，这种类型的信息是通过一个隐性的RTR位远程帧明确标记为在仲裁领域，第二，没有数据。
3）错误帧：错误帧是违反CAN报文格式规定产生的一个数据帧。它在发送节点检测到错误消息，并使所有其他节点在网络中发送错误帧。原始发射机自动转发消息。有一个精心制作的错误计数器系统的CAN控制器，保证了节点不能占用总线反复发送错误帧。
4） 过载帧：在格式上和错误帧类似，它是由一个节点传输太繁忙引起的它主要是用来在信息之间提供一个额外的延迟。
C.错误检查和故障约束
CAN总线的鲁棒性可以部分归因于其丰富的错误检查程序。CAN协议采用五种方法的错误检测：三个在报文上，两个在字节上。如果任何一个错误检测方法，都无法使发送成功，没有被接收或发送了一个错误帧，发送节点将会重新传输直到传输成功。然而，如果出现故障的节点挂起总线不断重复错误，其被控制后的传输误差达到极限。
在报文级别的CRC和在图2和图3显示的ACK槽。16位CRC包含前面的应用程序数据的错误校验，检测有一个15位的校验和1位分界符。ACK场包含两位，应答位和确认分界符位。最后，在报文面上有一个检查的形式。在寻找是隐性的信息。如果一个显性位检测，产生一个错误。将要检查的有SOF，EOF，应答界定符，分界符和CRC校验位。
在位传输上每个位传输都是被报文传输检测的。如果一个数据点（没有仲裁位）是写在总线上和其相对应的是读，将产生一个错误。唯一的例外是与消息标识符字段进行仲裁，并承认槽需要一个隐性位被一个显性位改写。错误检测的最终方法是位填充，五个同电位的连续逻辑之后，如果下一个不是相同的，将产生一个错误。填料确保提供持续上升沿的网络同步，一连串的隐性位不被误认为错误帧，或七位的帧空间表示消息的结尾。在数据转发到应用前填充比特已经被接收节点的控制器删除。
在这种逻辑上，由六个显性位组成的有效错误帧—违反位填充规则。这这被解读为所有CAN节点的一个错误，生成自己的错误帧。在这种情况下，意味着一个错误帧可以从原来的六位至十二位长。在损坏的消息发送前，错误帧会在八位隐性位分界符和总线空闲时发送。
需要注意的是，重发的消息仍有争夺在总线仲裁的权力。
五、 eCAN

ECAN 是一个可以与内部的32位体系结构控制器。
ECAN模块组成：
CAN协议内核（CPK）
包括信息控制器：
•内存管理单元（MMU），包括CPU接口、接收控制单元（验收滤波），和定时器管理单元
•32信息存储RAM
•控制和状态寄存器
采用CPK有效的消息接收后，接收消息的控制器控制单元确定接收到的信息必须存储在一个存储器的消息对象RAM 32。接收控制单元检查状态，标识符，和面具的所有消息对象确定相应的存储器位置。接收的消息存储在第一个存储器通过验收滤波。如果接收控制单元无法找到任何存储器存储接收到的消息，该消息被丢弃。
一个消息是由一个11或29bit标识符，控制领域，以及高达8字节的数据。
当消息必须被传送，信息传递到控制器以CPK发送缓冲区在启动消息传输下一busidle状态。当一个以上的消息必须被发送，这是准备发送的最高优先级的消息是由消息控制器转入CPK。如果两个存储器具有相同的优先级，然后首先用高级别的存储器发送。
在接收或发送所有信息中，定时器管理单元包含一个时间戳计数器和一个反时间戳。它产生一个中断时，消息尚未收到或允许的时间内发送（超时）。时间戳功能只能在eCAN模式。
在发起数据传输，传输请求时必须设置相应的控制寄存器。整个传输过程和可能的错误处理，不需要没有任何CPU的参与。如果存储器已被设置接收消息，用CPU读取指令容易读取数据寄存器。在消息的发送或接收成功后存储器可以采用中断访问。
六、 结论

CAN总线是一个多主串行总线，允许不同节点间数据的有效传输。CAN总线是一个灵活的，可靠的，强大的和标准化的实时协议。
故障诊断也是CAN总线一个主要的好处。故障节点自动下降至总线，以防止任何单节点带来的网络下，保证带宽总是可用的报文的传输。在系统运作时可以添加一个节点到总线上，也被称为热插拔。
这是一个可以与一个内部的eCAN控制器的32位体系结构。它采用了协议串行电气噪声环境中其他控制器通信。32完全可配置的存储器和时间戳功能，ECAN模块提供了一个灵活和强大的串行通信接口。

参考文献:
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