《CAN数据链路层》课件

数据链路层CAN控制器局域网CAN是一种面向现场的串行通信总线标准,专为在恶劣环境中的工业控制系统设计CAN数据链路层定义了访问介质、数据帧格式等关键机制,确保了总线上设备之间的可靠通信概述总线简介CANCAN总线是一种面向现场的、高度可靠的多主仆总线系统标准广泛应用于汽车电子、工业自动化等领域数据链路层作用CAN数据链路层负责数据帧的格式定义、仲裁方式、错误检测和处理等关键功能协议特点CAN协议是一种面向消息的、多主节点访问、高度可靠的通信协议具有确定性时延和优先级仲裁等特点总线简介CANCAN总线Controller AreaNetwork是一种工业现场总线技术,由罗伯特·博世公司于1986年首次提出它采用分布式控制的方式,通过组网实现各个子系统之间的通信和控制CAN总线具有高可靠性、强实时性和良好的抗干扰能力,广泛应用于汽车电子、工业自动化等领域数据链路层的作用CAN数据帧格式化帧传输控制节点状态管理网络管理功能CAN数据链路层负责定义数据CAN数据链路层负责控制数据CAN数据链路层定义了节点的CAN数据链路层提供网络初始帧的格式,包括标准帧、扩展帧的传输,包括仲裁过程、错状态机,包括初始态、待发送化、波特率切换、节点恢复和帧、远程请求帧以及错误帧误检测和出错处理这确保了态、发送中态、接收中态、错诊断等功能,确保CAN网络能等这确保了不同节点之间的数据帧能够可靠地传输并到达误被动态和错误活跃态这确够高效、稳定地运行数据传输能够互操作预期的接收节点保了每个节点都能正确地参与总线通信数据帧格式CANCAN协议定义了四种不同的数据帧类型,满足各种实际应用场景的需求包括标准帧、扩展帧、远程请求帧以及错误帧,每种帧格式都有其独特的用途和特点标准帧格式标准CAN帧格式由帧开始符号、仲裁域、控制域、数据域、校验域和帧结束符号组成其中，仲裁域包含11位的标识符和远程传输请求RTR位，用于确定帧的优先级控制域包含数据长度代码DLC，表示数据域的长度数据域的长度可以是0-8个字节校验域为15位的循环冗余校验码CRC扩展帧格式标准帧格式扩展帧格式远程请求帧CAN标准帧格式包括11位的标识符、控制扩展帧格式在标准帧的基础上增加了18位远程请求帧用于请求其他节点发送数据,不字段和数据域等部分它适用于大多数的标识符,可以支持更多的节点地址和更复包含数据域,仅包含标识符和控制字段CAN总线应用场景杂的应用远程请求帧请求数据传输无数据负载节点间通信远程请求帧用于向其他CAN节点发出获远程请求帧没有数据负载区，只包含报远程请求帧支持节点之间的请求-应答取数据的请求这可以触发目标节点立文ID和控制域这种方式可以减少总线模式通信，实现数据的交换和共享即进行数据传输负载错误帧错误信号错误类型12当CAN总线上检测到错误信号时,节点会立即发送错误帧进错误帧包含了不同类型的错误,如位错、填充错、确认错等,行广播用于标识错误发生的位置和原因错误处理网络诊断34接收到错误帧后,节点会记录错误信息,并根据错误类型采取错误帧的统计信息可用于诊断CAN网络的健康状况,帮助及相应的恢复措施时发现和解决问题帧传输过程CAN了解CAN总线数据帧的传输方式,包括仲裁过程、误差检测以及出错处理机制这些是保证CAN总线实时性和可靠性的关键所在仲裁过程监听总线节点监听总线上是否有数据帧正在传输比特位仲裁当多个节点同时试图发送数据帧时,会进行比特位仲裁赢家保留发送比特位仲裁中获胜的节点可以继续发送数据帧,其他节点则放弃发送误差检测错误信号检测1CAN节点实时监测总线上的错误信号,以确保数据传输的可靠性校验和检查2CAN数据帧包含有效性校验码,接收端可对其进行检查以识别数据错误位监测3CAN节点会检查数据帧中每一位的传输状态,确保与预期一致出错处理错误监测1实时检测CAN总线上的错误故障诊断2精确定位错误源容错处理3采取恰当的策略避免网络瘫痪CAN数据链路层具有出色的错误监测和容错机制它能实时检测总线上的各类错误,并能精确定位错误源当出现错误时,CAN可以采取诸如重传、离线等措施,避免整个网络瘫痪,提高系统的可靠性节点状态机CANCAN控制器节点具有复杂的状态机，用于管理发送和接收CAN帧的不同过程以下将介绍CAN节点的主要状态及其转换条件初始态系统启动参数设置错误检测CAN节点在系统启动时进入初始态,开始初在初始态下,CAN节点会配置网络地址、波节点会检查硬件和软件是否正常,排查可能始化各项参数和状态特率等关键参数出现的各类错误待发送态数据发送准备仲裁过程监听数据帧发送节点进入待发送态后,会准备要发送的数据节点会监听总线上的仲裁过程,确保自己的当节点获得总线控制权后,立即开始发送数帧,等待获得总线控制权数据帧获得最高优先级据帧,并进入发送中态发送中态帧传输仲裁机制12在发送中态时，CAN节点会开始传输数据帧，并保持在总线若发生总线争用，CAN节点会通过仲裁机制决定哪个节点有上进行仲裁与发送权继续发送错误监测状态转移34在发送过程中，CAN节点会连续监测总线上是否出现错误若发送成功完成,节点状态会转移到待发送态;如果出现错误,则转移到错误状态接收中态接收帧检查CAN CRC接收中态表示节点正在接收CAN帧数据此时节点会检查帧头部接收中态还会对接收到的数据帧进行循环冗余校验CRC检查,确保的仲裁位、控制位和数据段是否正确无误，并将数据存储到接收数据帧的完整性只有在CRC检查通过后,数据才会被认为是正确缓冲区接收错误被动态被动接收错误帧记录错误计数器在这个状态下,CAN节点会被动地节点会记录错误计数器,并监视其接收错误帧,不会主动发送错误是否超过一定阈值帧不中断总线通信节点不会中断总线上正在进行的通信,保持总线的连通性错误活跃态检测到严重错误诊断与恢复保护总线CAN当CAN节点检测到严重的错误时,会切换到进入错误活跃态后,需要对节点进行诊断和节点进入错误活跃态会阻断对CAN总线的错误活跃态此时节点会主动发送错误帧,恢复处理,确保故障得到快速解决,恢复CAN访问,防止错误进一步扩散,保护CAN总线的通知其他节点出现了故障总线正常通信整体稳定性网络管理CANCAN网络管理是一组确保CAN总线能够可靠运行的机制,包括网络初始化、波特率切换、节点恢复和网络诊断等功能网络初始化扫描总线1检测总线上现有节点分配ID2为各节点分配唯一标识同步波特率3协调所有节点的通信速率配置参数4设置各节点的工作模式和属性在CAN总线上启动通信之前,需要对网络进行初始化配置这包括扫描总线上现有的节点、为各节点分配唯一的标识符、同步所有节点的通信波特率,以及设置各节点的工作模式和属性等步骤只有完成这些初始化工作,CAN网络才能正常运行波特率切换波特率检测1自动检测总线波特率波特率协商2与其他节点达成一致波特率设置3根据协商结果调整波特率CAN节点需要能够自动检测总线波特率并与其他节点协商统一波特率这个过程包括波特率检测、波特率协商和波特率设置三个步骤通过这种方式,CAN网络中的所有节点可以快速实现波特率的统一和切换节点恢复检测错误状态CAN节点会持续监测自身的工作状态,一旦检测到错误,会切换到相应的错误状态清除错误计数器为了从错误状态中恢复,需要清除节点的错误计数器,将其恢复到正常水平恢复正常工作一旦错误计数器清零,节点就可以从错误状态恢复到正常的发送/接收状态,重新参与总线通信网络诊断网络信号质量1检测网络信号强度和噪声水平通信延迟2测量数据帧传输的时延节点状态3监测各节点的发送/接收状态CAN网络诊断是保证网络正常运行的关键通过分析网络信号质量、通信延迟和节点状态等指标，可以及时发现并定位网络故障，并采取相应的维护措施这有助于提高CAN总线系统的可靠性和稳定性数据链路层的应CAN用CAN数据链路层在多个领域得到广泛应用,展现出其出色的性能和可靠性在汽车电子领域的应用优化动力控制提升驾乘体验增强安全性促进智能化CAN数据链路层被广泛应用于CAN网络可以连接汽车上的各CAN总线还应用于制动系统、CAN技术为车载电子系统的智汽车发动机和变速箱的实时控种电子系统,如仪表盘、多媒主动安全系统、碰撞预警等,能化提供了基础,有助于实现制,可以精准监控和调节各种体娱乐系统等,实现高度集成可快速采集各种传感器数据,自动驾驶、车联网等前沿技术参数,提高燃油效率和动力性和智能交互,增强驾驶乐趣提高车辆安全性能的应用能在工业自动化领域的应用智能工厂CAN总线广泛应用于智能工厂的自动化设备和控制系统,实现数据采集、监控和控制等功能机器人控制CAN总线在工业机器人、焊接机器人等领域被广泛采用,提高了机器人的实时性和可靠性传感器网络CAN总线可以有效连接各种工业传感器,构建高性能的工业自动化传感器网络在医疗设备领域的应用远程医疗监测手术设备协调12CAN总线可用于连接各种可穿手术室内各种高精尖医疗设备戴和植入式医疗设备,实现远程之间通过CAN总线协调工作,提实时监测患者健康数据高手术效率和安全性药物输送管理医疗仪器集成34CAN总线连接输液泵、注射器借助CAN接口,多种医疗诊断和等药物输送装置,精准控制药物治疗仪器实现数据共享和集中剂量和输送过程控制结语通过本课件的介绍，我们全面系统地了解了CAN数据链路层的工作原理和关键技术CAN作为一种可靠高效的现场总线通信协议,在汽车电子、工业自动化等领域得到了广泛应用未来随着物联网技术的发展,CAN数据链路层必将扮演更加重要的角色,为各行业的智能化升级提供有力支撑。