控制器區域網(CAN)技術在工程機械中的應用

tags: 工程機械    時間:2014-03-11 12:42:59
控制器區域網(CAN)技術在工程機械中的應用簡介
    ??? 一 前言隨著計算機技術、通訊技術、集成電路技術的飛速發展,以全數字式現場匯流排技術為代表現場控制儀錶、設備大量應用,使得傳統的現場控制技術及現場……
控制器區域網(CAN)技術在工程機械中的應用正文
一 前言

隨著計算機技術、通訊技術、集成電路技術的飛速發展,以全數字式現場匯流排技術為代表現場控制儀錶、設備大量應用,使得傳統的現場控制技術及現場控制設備發生了巨大的變化。繁瑣的現場連線被單一、簡潔的現場匯流排網路所替代,系統設計靈活、設備維護簡單,信號傳輸質量也大幅提高。

電子技術的飛速發展及在工程機械上的廣泛應用,使得工程機械的智能化程度越來越高,特別是在控制器技術被引入工程機械控制領域后,給工程機械的發展帶來了劃時代的變化,工程機械的操作便利性、安全性、燃油經濟性都得到了大幅提高。

然而,電子設備的大量使用,必然導致車身布線越來越長愈來愈複雜,運行可靠性降低、故障維修難度增大,特別是電子控制單元的大量引入,為了提高信號的利用率,要求人批的數據信息能在不同的控制單元中共享,大量的控制信號也需要實時交換,傳統線束已遠遠不能滿足這種需求。在這種情況下,將串列通訊匯流排系統引入可以有效解決上述問題。基於上述原因,博世公司開發了控制器區域網(CAN),並獲得了國際標準化組織的認可及許多半導體器件製造商、網路系統開發商的支持。現在它已經被廣泛地應用於汽車、工程機械和工業現場控制,實踐證明CAN網路是一種性能優異的現場網路。

CAN匯流排技術的引入徹底改變了工程機械控制領域的面貌,分散式控制系統完全取代了集中式控制系統,在眾多具有CAN功能的控制器、感測器和執行器的支持下,繁瑣的現場連線被單一、簡潔的現場匯流排網路所替代,系統設計更加靈活、信號傳輸質量也大幅提高。

眾多的國際知名公司早在80年代初就積極致力於工程機械及汽車區域網的應用及研究。進入90年代,這些曰趨成熟的技術在國外已廣泛地應用於工程機械領域。為縮短與國際先進水平的差距,研究和開發自己的工程機械區域網系統勢在必行。

二 CAN的技術特徵

1 CAN的物理特性

1.1拓撲結構 CAN在物理結構上屬於匯流排式通信網路。

1.2機械參數及傳輸介質 模塊通過一個9針的D型插頭連接到CAN匯流排上。匯流排採用屏蔽的或非屏蔽的雙絞線,用光纖更佳。

1.3電氣參數及信號表示 匯流排上的數據採用不歸零編碼方式(NRZ),可具有兩種互補的邏輯值之一:顯性及隱性。CAN匯流排中各節點使用相同的位速率。它的每位時間由同步段、傳播段、相位緩衝段1及相位緩衝段2組成。發送器在同步段前改變輸出的位數值,接受器在兩個相位緩衝段間採樣輸入位值,而兩個相位緩衝段長度可自由調節,以保證採樣的可靠性。另外,CAN匯流排採用時鐘同步技術來保證通訊的同步。

2 CAN協議

CAN匯流排以報文為單位進行信息交換,報文中含有標示符(ID),它既描述了數據的含義又表明了報文的優先權。CAN匯流排上的各個協點都可主動發送數據。當同時有兩個或兩個以上的節點發送報文時,CAN控制器採用ID進行仲裁。ID控制節點對匯流排的訪問。發送具有最高優先權報文的節點獲得匯流排的使用權,其他節點自動停止發送,匯流排空閑后,這些節點將自動重發報文。

2.1 CAN協議 分層結構CAN匯流排規範規定了任意兩個節點之間的兼容性。包括電氣特件利數據解釋協議。

CAN協議可分為:目標層、傳送層、物理層。其中目標層和傳送層包括了ISO/OSI定義的數據鏈路的所有功能。目標層的功能包括:確認要發送的信息;位應用層提供介面。傳送層功能包括:數據幀組織:匯流排仲裁:檢錯、錯誤報告、錯誤處理。

2.2 CAN通信協議 CAN支持四類信息幀類型。

(1)數據幀 CAN協議有兩種數據幀類型標準2.0A和標準2.0B。兩者本質的不同在於ID的長度不同。在2.0A類型中,ID的長度為l l位;在2.0B類型中ID為29位。一個信息震中包括7個主要的域:

幀起始域??標誌數據幀的開始,由一個顯性位組成。

仲裁域??內容由標示符和遠程傳輸請求位(RTR)組成,RTR用以表明此信息幀是數據幀還是不包含任何數據的遠地請求幀。當2.0A的數據幀和2.0B的數據幀必須在同一條匯流排上傳輸時,首先判斷其優先權,如果ID相同,則非擴展數據幀的優先權高於擴展數據幀。

控制域??r0、r1是保留位,作為擴展位,DLC表示一幀中數據位元組的數目。

數據域??包含0~8位元組的數據。

校驗域??檢驗位錯用的循環冗餘校驗域,共15位。

應答域??包括應答位和應答分隔符。正確接收到有效報文的接收站在應答期間將匯流排值為顯性電平。

幀結束??由七位隱性電平組成。

(2)遠程幀 接受數據的節點可通過發遠程幀請求源節點發送數據。它由6個域組成:幀起始、仲裁域、控制域、校驗域、應答域、幀結束。

(3)錯誤指示幀 由錯誤標誌和錯誤分界兩個域組成。接收節點發現匯流排上的報文有誤時,將自動發出「活動錯誤標誌」其他節點檢測到活動錯誤標誌后發送「錯誤認可標誌」。

(4)超載幀 由超載標誌和超載分隔符組成。超載幀只能在一個幀結束后開始。當接收方接收下一幀之前,需要過多的時間處理當前的數據,或在幀問空隙域檢測到顯性電平時,則導致發送超載幀。

(5)幀間空隙 位於數據幀和遠地幀與前面的信息幀之間,由幀間空隙和匯流排空閑狀態組成。幀間空隙是必要的,在此期間,CAN不進行新的幀發送,為的是CAN控制器在下次信息傳遞前有時間進行內部處理操作。當匯流排空閑時CAN控制器方可發送數據。

2.3 錯誤檢驗 為了提高抗干擾能力和數據的可靠性,採取了多種錯誤檢測手段:發送監視、填充監視、CRC錯、格式錯、應答錯誤等。

2.4 匯流排訪問控制要做到數據的實時處理,數據的高速傳輸是關鍵。對於工程機械中的具體節點而言,不僅需要高達1Mbit/s的通信速率,更需要在幾個節點要競爭訪問匯流排時正確定位哪個節點獲得使用權。匯流排上的各種數據的延遲要求是不一樣的,快速變化的物理量(如發送機的轉速、路面的隨機波動信號等)比慢時變的物理量(如溫度、壓力等信號)要求訪問匯流排的頻率大的多。當多個節點同時需要訪問匯流排時,CAN控制器通過各種報文被賦予的優先權標示符及ID數的大小來仲裁誰先發送。

3 CAN匯流排技術的應用特點及支持器件

(一)CAN匯流排技術的應用特點

1.CAN網路上任何一節點均可作為主結點主動地與其他節點交換數據,大大提高系統的性能。

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