CAN基礎內容詳解(三)

一、傳輸速率與距離

CAN——Control Area Network 的縮寫,小範圍實時通信網絡,通信距離與速率成反比。如下圖所示,橫軸爲通信距離,豎軸爲通信速率,距離越遠,速率越低。
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注:當通信距離太長時可以使用CAN 網關或網橋等設備劃分子網,使子網通信速率與距離在規定範圍內。

下表是關於通信速率、總線長度與支線長度的關係,表中數值爲CiA組織的建議值。這些推薦值能夠保證通信的穩定性和可靠性。在這裏插入圖片描述

二、終端電阻與連接器

根據電磁場和微波理論,高頻電路中負載阻抗需與傳輸線的特性阻抗一致,否則電信號在線束終端遭遇阻抗突變,發生反射現象,造成波形震盪。反射信號疊加到原信號上,會改變原波形的形狀。極有可能出現總線錯誤:將顯性讀成隱性,或隱性讀成顯性。

我們都知道光從空氣進入水中的時候光的線路會發生變化,那是因爲光從一種介質進入另一種介質時,光會發生反射,從而改變了原來的光路。同理,由於電信號在阻抗不連續、阻抗不匹配的線路中傳播會導致信號的反射,就會產生信號串擾、消息丟失、總線紊亂這一系列的問題。

那麼信號反射這個問題該如何解決呢?

終端電阻可以用於減少通信線路上的反射,避免引起電平變化而導致數據的傳輸錯誤。

高速CAN與低速CAN終端電阻接法不同。高速CAN終端電阻接在線纜終端,可以保證特性阻抗連續;低速CAN分別接在兩條線上。

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CAN總線的終端電阻僅限於下表中規定的範圍( ISO11898-2 )。
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注:在汽車電子領域,一般都是用120歐姆的終端電阻。但是在工業自動化等其它應用領域,如果通信距離過長,爲了保證CAN電平的最小幅值,需要匹配更大的終端電阻。

選作CAN總線的電纜必須達到下面給出的規格( ISO11898-2 ),這些規格主要用於標準化電氣特性,並不涉及機械或材料方面的參數。
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用於將ECU連入CAN總線的連接器必須符合下表中所規定(ISO11898-2)的要求,本規範的這個部分旨在標準化那些最重要的電氣參數,並不涉及機械或材料方面的參數。
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三、CAN總線拓撲結構

下圖是高速CAN總線的拓撲結構,總線長度、支線長度和節點距離可以參考下圖和表格。
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下圖是低速CAN總線的拓撲結構。
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四、CAN分類

先理解CAN的物理層和數據鏈路層
物理層是指微控制器與 CAN 總線連接的驅動電路。物理層的三個子層:信令子層功能通常由集成 CAN 控制器的高級微控制器實現;介質附件子層功能由各芯片製造商提供的 CAN 收發器實現;介質從屬接口子層規定了 CAN 總線相應連接器和電纜的特性。

數據鏈路層屬於 CAN 的核心部分,它又可以進一步劃分成兩個子層:一個子層負責報文過濾、過載管理和管理恢復等功能;另一個子層負責數據的打包和解包、物理地址編碼尋址、媒介訪問管理、數據錯誤管理等功能。

常用的CAN總線分爲:單線CAN、低速容錯CAN、高速CAN。

高速CAN
根據線纜的長度提供從40Kbit/s到1Mbit/s的波特率。這是物理層最流行的標準,這是因爲它允許設備間簡單的線纜連接。DeviceNet以及CANopen規範就是使用了這種物理標準。高速CAN網絡在每個網絡端點端接一個120歐姆的電阻。

低速/容錯CAN
提供從40 Kbit/s到125 Kbits/s的波特率。該標準允許在CAN總線連線失敗時CAN總線通信得以繼續進行。在低速/容錯CAN網絡,每種設備都有它自己的終端。

注意: 由於終端的類型不同,因此高速和低速/容錯CAN設備不能在同一個網絡中使用
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在討論它們的區別之前先明確以下幾點:
1、討論它們是A類、B類還是C類總線並沒有多大意義,因爲高速CAN同樣可以使用低速CAN的波特率(單線CAN的波特率一般爲33.3KHz),而且在實際應用中也不會有問題。但低速CAN使用高速CAN的波特率就會出現問題,這個問題不是純粹由波特率引起的,而是由收發器引起的,因爲在電平轉換效率方面,低速CAN的收發器明顯比高速CAN的收發器低。

2、它們的位傳輸時序、位仲裁、錯誤、校驗、幀結構等等(即所謂的數據鏈路層)是沒有區別的。至於數據鏈路層以上的諸如傳送層、網絡層、會話層、應用層等的協議,都是人爲規定的,也不足以成爲它們的區別。

3、這三種總線的區別主要在物理層面上。而以傳輸介質和線的數量來論——單線CAN只有一條導線,低速容錯CAN和高速CAN通過雙絞線傳輸——這點顯而易見,不足爲奇。

4、因此這三種總線的主要區別在於電平邏輯
這個區別可以從以下幾種情況來說明:空閒時、有效時、睡眠時、喚醒時。這裏假設收發器的電源爲標準的5V和12V。

空閒時(即通常說的隱性位)
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有效時(即通常說的顯性位)
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睡眠時
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喚醒時
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CAN總線的這些物理特性直接反映在收發器上。無論是哪種CAN總線,經過收發器後與微控制器的接口(TXD和RXD引腳)都是一樣的,這時的電平邏輯也會變得一致。現在有很多單片機內部集成了CAN模塊,還有各種收發器可以方便的轉換,CAN總線的應用更多地變成了上層協議的事情,已經越來越少人真正關注總線底層的問題,也很少人願意從事總線方面的基礎性的研究了。

CAN FD

CAN FD 標準將CAN報文的數據段可提升到更高的位速度,其中可提升通信速率的數據段包含兩個控制位、數據長度位,數據位以及CRC校驗位。CAN FD報文通信時,在仲裁段和緊接着的數據控制段都是使用標準的通信波特率,當來到數據段時,CAN FD總線的通信波特率就會切換到更高的通信波特率。此時在CAN總線上只有一個CAN節點傳輸,其他節點進入監聽模式。當這個數據段傳送完畢後,通信波特率又重新切換到標準模式下。CAN FD通信時經常會使用到兩種通信波特率,因此對新標準"FD"賦予的解釋爲:靈活的數據速率(“Flexible Data rate”)

另一方面CAN FD還有一個新的功能就是減少控制位的開銷。對比目前CAN2.0標準最大8個字節的數據,CAN FD數據位最大的字節數提高至64位,CAN FD具有更高的有效傳輸負載。例如,CAN FD總線以2Mbit/s的速率、64位數據與CAN 250Kbit/s、8位數據傳輸對比,很明顯在相同時間下,CAN FD的有效傳輸負載是CAN傳輸負載的8倍。CAN FD標準向下兼容CAN2.0A/B標準,CAN FD節點可以與現存的CAN2.0協議的節點進行通信,當然在這種情況下不能夠使用CAN FD幀。這種兼容性爲了CAN2.0設備能夠平滑地過渡到CAN FD功能的硬件上。

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