can总线结构和原理
0 2022-11-29

  控制器局域网总线(CAN,Controller Area Network)是一种用于实时应用的串行通讯协议总线,它可以使用双绞线来传输信号,是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN协议用于汽车中各种不同元件之间的通信,以此取代昂贵而笨重的配电线束。该协议的健壮性使其用途延伸到其他自动化和工业应用。CAN协议的特性包括完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传输速率高达1Mb/s、同时具有11位的寻址以及检错能力。

  CAN系统组成


  CAN总线用户接口简单,编程方便。网络拓扑结构采用总线式结构。这种网络结构简单、成本低,并且采用无源抽头连接,系统可靠性高。通过CAN总线连接各个网络节点,形成多主机控制器局域网(CAN)。信息的传输采用CAN通信协议,通过CAN控制器来完成。各网络节点一般为带有微控制器的智能节点完成现场的数据采集和基于CAN协议的数据传输,节点可以使用带有在片CAN控制器的微控制器,或选用一般的微控制器加上独立的CAN控制器来完成节点功能。传输介质可采用双绞线、同轴电缆或光纤。如果需要进一步提高系统的抗干扰能力,还可以在控制器和传输介质之间加接光电隔离,电源采用DC-DC变换器等措施。这样可方便构成实时分布式测控系统。微控制器,或选用一般的微控制器加上独立的CAN控制器来完成节点功能。传输介质可采用双绞线、同轴电缆或光纤。如果需要进一步提高系统的抗干扰能力,还可以在控制器和传输介质之间加接光电隔离,电源采用DC-DC变换器等措施。这样可方便构成实时分布式测控系统。

  CAN总线的物理接口


  采用CAN收发器PCA82C250作为CAN控制器和物理总线之间的接口,提供向总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力。

  一般在驱动芯片和CAN控制器之间加入光电耦合器,增加抗干扰能力。CAN总线的速度将由光电耦合器的速度决定。比如:用4N27光耦,因为它的响应速度比较慢,CAN网络的位速度只能达到几十Kbit/s。如果采用6N137高速光电耦合器,CAN网络速度可以达到和电阻网络驱动时的速度一样。另外,物理层的设计要注意电缆的终端阻抗匹配,这直接影响了CAN总线能否正常工作和网络性能,一般在CAN总线两端并联120Ω的电阻。

  CAN总线的工作原理


  CAN总线使用串行数据传输方式,可以1Mb/s的速率在40m的双绞线上运行,也可以使用光缆连接,而且在这种总线上总线协议支持多主控制器。 CAN与I2C总线的许多细节很类似,但也有一些明显的区别。

  当CAN总线上的一个节点(站)发送数据时,它以报文形式广播给网络中所有节点。对每个节点来说,无论数据是否是发给自己的,都对其进行接收。每组报文开头的11位字符为标识符,定义了报文的优先级,这种报文格式称为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的,不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。当几个站同时竞争总线读取时,这种配置十分重要。

  当一个站要向其它站发送数据时,该站的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN芯片,并处于准备状态;当它收到总线分配时,转为发送报文状态。CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出,这时网上的其它站处于接收状态。每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测,判断这些报文是否是发给自己的,以确定是否接收它。

  由于CAN总线是一种面向内容的编址方案,因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。我们可以很容易地在CAN总线中加进一些新站而无需在硬件或软件上进行修改。当所提供的新站是纯数据接收设备时,数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址。它允许分布过程同步化,即总线上控制器需要测量数据时,可由网上获得,而无须每个控制器都有自己独立的传感器。

  CAN总线的特点


  (1)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;

  (2)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;

  (3)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;

  (4)可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文;

  (5)可靠的错误处理和检错机制;

  (6)发送的信息遭到破坏后,可自动重发;

  (7)节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能;

  (8)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。

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