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巨川電氣自主知識產權,基于CAN總線的智能照明控制系統
  發布時間:2017-10-17 11:07:08   發布人:巨川電氣 (人氣: )
巨川電氣智能照明采用CAN總線ISO國際標準化的串行通信協議,CAN是控制器局域網絡(Controller Area Network, CAN)的簡稱,是由以研發和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開

  巨川電氣智能照明采用CAN總線ISO國際標準化的串行通信協議,CAN是控制器局域網絡(Controller Area Network, CAN)的簡稱,是由以研發和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開發的,并最終成為國際標準(ISO 11898),是國際上應用最廣泛的現場總線之一。 在北美和西歐,CAN總線協議已經成為汽車計算機控制系統和嵌入式工業控制局域網的標準總線,并且擁有以CAN為底層協議專為大型貨車和重工機械車輛設計的J1939協議。

 巨川電氣自主知識產權,基于CAN總線的智能照明控制系統!

智能照明控制系統接線圖


CAN基本概念:

  CAN 是Controller Area Network 的縮寫(以下稱為CAN),是ISO國際標準化的串行通信協議。在汽車產業中,出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求,各種各樣的電子控制系統被開發了出來。由于這些系統之間通信所用的數據類型及對可靠性的要求不盡相同,由多條總線構成的情況很多,線束的數量也隨之增加。為適應“減少線束的數量”、“通過多個LAN,進行大量數據的高速通信”的需要,1986 年德國電氣商博世公司開發出面向汽車的CAN 通信協議。此后,CAN 通過ISO11898 及ISO11519 進行了標準化,在歐洲已是汽車網絡的標準協議。

CAN 的高性能和可靠性已被認同,并被廣泛地應用于工業自動化、船舶、醫療設備、工業設備等方面?,F場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一,被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現為分布式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支持。

巨川電氣自主知識產權,基于CAN總線的智能照明控制系統!

CAN的優勢:

  CAN屬于現場總線的范疇,它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。較之許多RS-485基于R線構建的分布式控制系統而言,基于CAN總線的分布式控制系統在以下方面具有明顯的優越性:

網絡各節點之間的數據通信實時性強

首先,CAN控制器工作于多種方式,網絡中的各節點都可根據總線訪問優先權(取決于報文標識符)采用無損結構的逐位仲裁的方式競爭向總線發送數據,且CAN協議廢除了站地址編碼,而代之以對通信數據進行編碼,這可使不同的節點同時接收到相同的數據,這些特點使得CAN總線構成的網絡各節點之間的數據通信實時性強,并且容易構成冗余結構,提高系統的可靠性和系統的靈活性。而利用RS-485只能構成主從式結構系統,通信方式也只能以主站輪詢的方式進行,系統的實時性、可靠性較差;

開發周期短

CAN總線通過CAN收發器接口芯片82C250的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連,而CANH端的狀態只能是高電平或懸浮狀態,CANL端只能是低電平或懸浮狀態。這就保證不會在出現在RS-485網絡中的現象,即當系統有錯誤,出現多節點同時向總線發送數據時,導致總線呈現短路,從而損壞某些節點的現象。而且CAN節點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能,以使總線上其他節點的操作不受影響,從而保證不會出現像在網絡中,因個別節點出現問題,使得總線處于“死鎖”狀態。而且,CAN具有的完善的通信協議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實現,從而大大降低系統開發難度,縮短了開發周期,這些是僅有電氣協議的RS-485所無法比擬的。

已形成國際標準的現場總線

另外,與其它現場總線比較而言,CAN總線是具有通信速率高、容易實現、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標準的現場總線。這些也是CAN總線應用于眾多領域,具有強勁的市場競爭力的重要原因。

最有前途的現場總線之一

CAN 即控制器局域網絡,屬于工業現場總線的范疇。與一般的通信總線相比,CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。由于其良好的性能及獨特的設計,CAN總線越來越受到人們的重視。它在汽車領域上的應用是最廣泛的,世界上一些著名的汽車制造廠商,如BENZ(奔馳)、BMW(寶馬)、PORSCHE(保時捷)、ROLLS-ROYCE(勞斯萊斯)和JAGUAR(捷豹)等都采用了CAN總線來實現汽車內部控制系統與各檢測和執行機構間的數據通信。同時,由于CAN總線本身的特點,其應用范圍已不再局限于汽車行業,而向自動控制、航空航天、航海、過程工業、機械工業、紡織機械、農用機械、機器人、數控機床、醫療器械及傳感器等領域發展。CAN已經形成國際標準,并已被公認為幾種最有前途的現場總線之一。其典型的應用協議有:SAE J1939/ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000等。

巨川電氣自主知識產權,基于CAN總線的智能照明控制系統!

智能照明控制系統介紹

CAN技術介紹: 

要對數據進行實時處理,就必須將數據快速傳送,這就要求數據的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個站同時需要發送數據時,要求快速地進行總線分配。實時處理通過網絡交換的緊急數據有較大的不同。一個快速變化的物理量,如汽車引擎負載,將比類似汽車引擎溫度這樣相對變化較慢的物理量更頻繁地傳送數據并要求更短的延時。

CAN總線以報文為單位進行數據傳送,報文的優先級結合在11位標識符中,具有最低二進制數的標識符有最高的優先級。這種優先級一旦在系統設計時被確立后就不能再被更改??偩€讀取中的沖突可通過位仲裁解決。如圖2所示,當幾個站同時發送報文時,站1的報文標識符為011111;站2的報文標識符為0100110;站3的報文標識符為0100111。所有標識符都有相同的兩位01,直到第3位進行比較時,站1的報文被丟掉,因為它的第3位為高,而其它兩個站的報文第3位為低。站2和站3報文的4、5、6位相同,直到第7位時,站3的報文才被丟失。注意,總線中的信號持續跟蹤最后獲得總線讀取權的站的報文。在此例中,站2的報文被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優點在于,在網絡最終確定哪一個站的報文被傳送以前,報文的起始部分已經在網絡上傳送了。所有未獲得總線讀取權的站都成為具有最高優先權報文的接收站,并且不會在總線再次空閑前發送報文。

CAN具有較高的效率是因為總線僅僅被那些請求總線懸而未決的站利用,這些請求是根據報文在整個系統中的重要性按順序處理的。這種方法在網絡負載較重時有很多優點,因為總線讀取的優先級已被按順序放在每個報文中了,這可以保證在實時系統中較低的個體隱伏時間。

對于主站的可靠性,由于CAN協議執行非集中化總線控制,所有主要通信,包括總線讀取 (許可)控制,在系統中分幾次完成。這是實現有較高可靠性的通信系統的唯一方法。

CAN與其它通信方案的比較

在實踐中,有兩種重要的總線分配方法:按時間表分配和按需要分配。在第一種方法中,不管每個節點是否申請總線,都對每個節點按最大期間分配。由此,總線可被分配給每個站并且是唯一的站,而不論其是立即進行總線存取或在一特定時間進行總線存取。這將保證在總線存取時有明確的總線分配。在第二種方法中,總線按傳送數據的基本要求分配給一個站,總線系統按站希望的傳送分配(如:EthernetCSMA/CD)。因此,當多個站同時請求總線存取時,總線將終止所有站的請求,這時將不會有任何一個站獲得總線分配。為了分配總線,多于一個總線存取是必要的。

CAN實現總線分配的方法,可保證當不同的站申請總線存取時,明確地進行總線分配。這種位仲裁的方法可以解決當兩個站同時發送數據時產生的碰撞問題。不同于Ethernet網絡的消息仲裁,CAN的非破壞性解決總線存取沖突的方法,確保在不傳送有用消息時總線不被占用。甚至當總線在重負載情況下,以消息內容為優先的總線存取也被證明是一種有效的系統。雖然總線的傳輸能力不足,所有未解決的傳輸請求都按重要性順序來處理。在CSMA/CD這樣的網絡中,如Ethernet,系統往往由于過載而崩潰,而這種情況在CAN中不會發生。

CAN的報文格式

在總線中傳送的報文,每幀由7部分組成。CAN協議支持兩種報文格式,其唯一的不同是標識符(ID)長度不同,標準格式為11位,擴展格式為29位。

在標準格式中,報文的起始位稱為幀起始(SOF),然后是由11位標識符和遠程發送請求位 (RTR)組成的仲裁場。RTR位標明是數據幀還是請求幀,在請求幀中沒有數據字節。

控制場包括標識符擴展位(IDE),指出是標準格式還是擴展格式。它還包括一個保留位 (ro),為將來擴展使用。它的最后四個位用來指明數據場中數據的長度(DLC)。數據場范圍為0~8個字節,其后有一個檢測數據錯誤的循環冗余檢查(CRC)。

應答場(ACK)包括應答位和應答分隔符。發送站發送的這兩位均為隱性電平(邏輯1),這時正確接收報文的接收站發送主控電平(邏輯0)覆蓋它。用這種方法,發送站可以保證網絡中至少有一個站能正確接收到報文。

報文的尾部由幀結束標出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位,如果這時沒有站進行總線存取,總線將處于空閑狀態。

CAN數據幀的組成

遠程幀

遠程幀由6個場組成:幀起始、仲裁場、控制場、CRC場、應答場和幀結束。遠程幀不存在數據場。

遠程幀的RTR位必須是隱位。

DLC的數據值是獨立的,它可以是0~8中的任何數值,為對應數據幀的數據長度。

錯誤幀

錯誤幀由兩個不同場組成,第一個場由來自各站的錯誤標志疊加得到,第二個場是錯誤界定符

錯誤標志具有兩種形式:

活動錯誤標志(Active error flag),由6個連續的顯位組成

認可錯誤標志(Passive error flag),由6個連續的隱位組成

錯誤界定符包括8個隱位

超載幀

超載幀包括兩個位場:超載標志和超載界定符

發送超載幀的超載條件:

要求延遲下一個數據幀或遠程幀

在間歇場檢測到顯位

超載標志由6個顯位組成

超載界定符由8個隱位組成

數據錯誤檢測

不同于其它總線,CAN協議不能使用應答信息。事實上,它可以將發生的任何錯誤用信號發出。CAN協議可使用五種檢查錯誤的方法,其中前三種為基于報文內容檢查。

3.4.1循環冗余檢查(CRC)

在一幀報文中加入冗余檢查位可保證報文正確。接收站通過CRC可判斷報文是否有錯。

3.4.2 幀檢查

這種方法通過位場檢查幀的格式和大小來確定報文的正確性,用于檢查格式上的錯誤。

3.4.3.應答錯誤

如前所述,被接收到的幀由接收站通過明確的應答來確認。如果發送站未收到應答,那么表明接收站發現幀中有錯誤,也就是說,ACK場已損壞或網絡中的報文無站接收。CAN協議也可通過位檢查的方法探測錯誤。

3.4.4 總線檢測

有時,CAN中的一個節點可監測自己發出的信號。因此,發送報文的站可以觀測總線電平并探測發送位和接收位的差異。

3.4.5 位填充

一幀報文中的每一位都由不歸零碼表示,可保證位編碼的最大效率。然而,如果在一幀報文中有太多相同電平的位,就有可能失去同步。為保證同步,同步沿用位填充產生。在五個連續相等位后,發送站自動插入一個與之互補的補碼位;接收時,這個填充位被自動丟掉。例如,五個連續的低電平位后,CAN自動插入一個高電平位。CAN通過這種編碼規則檢查錯誤,如果在一幀報文中有6個相同位,CAN就知道發生了錯誤。

如果至少有一個站通過以上方法探測到 一個或多個錯誤,它將發送出錯標志終止當前的發送。這可以阻止其它站接收錯誤的報文,并保證網絡上報文的一致性。當大量發送數據被終止后,發送站會自動地重新發送數據。作為規則,在探測到錯誤后23個位周期內重新開始發送。在特殊場合,系統的恢復時間為31個位周期。

但這種方法存在一個問題,即一個發生錯誤的站將導致所有數據被終止,其中也包括正確的數據。因此,如果不采取自監測措施,總線系統應采用模塊化設計。為此,CAN協議提供一種將偶然錯誤從永久錯誤和局部站失敗中區別出來的辦法。這種方法可以通過對出錯站統計評估來確定一個站本身的錯誤并進入一種不會對其它站產生不良影響的運行方法來實現,即站可以通過關閉自己來阻止正常數據因被錯誤地當成不正確的數據而被終止。

硬同步和重同步

硬同步只有在總線空閑狀態條件下隱形位到顯性位的跳變沿發生時才進行,表明報文傳輸開始。在硬同步之后,位時間計數器隨同步段重新開始計數。硬同步強行將已發生的跳變沿置于重新開始的位時間同步段內。根據同步規則,如果某一位時間內已有一個硬同步出現,該位時間內將不會發生再同步。再同步可能導致相位緩沖段1被延長或相位緩沖段2被短。這兩個相位緩沖段的延長時間或縮短時間上限由再同步跳轉寬度(SJW)給定。


CAN可靠性: 

為防止汽車在使用壽命期內由于數據交換錯誤而對司機造成危險,汽車的安全系統要求數據傳輸具有較高的安全性。如果數據傳輸的可靠性足夠高,或者殘留下來的數據錯誤足夠低的話,這一目標不難實現。從總線系統數據的角度看,可靠性可以理解為,對傳輸過程產生的數據錯誤的識別能力。

殘余數據錯誤的概率可以通過對數據傳輸可靠性的統計測量獲得。它描述了傳送數據被破壞和這種破壞不能被探測出來的概率。殘余數據錯誤概率必須非常小,使其在系統整個壽命周期內,按平均統計時幾乎檢測不到。計算殘余錯誤概率要求能夠對數據錯誤進行分類,并且數據傳輸路徑可由一模型描述。如果要確定CAN的殘余錯誤概率,我們可將殘留錯誤的概率作為具有80~90位的報文傳送時位錯誤概率的函數,并假定這個系統中有5~10個站,并且錯誤率為1/1000,那么最大位錯誤概率為10—13數量級。例如,CAN網絡的數據傳輸率最大為1Mbps,如果數據傳輸能力僅使用50%,那么對于一個工作壽命4000小時、平均報文長度為 80位的系統,所傳送的數據總量為9×1010。在系統運行壽命期內,不可檢測的傳輸錯誤的統計平均小于10—2量級。換句話說,一個系統按每年365天,每天工作8小時,每秒錯誤率為0. 7計算,那么按統計平均,每1000年才會發生一個不可檢測的錯誤。 


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