《CAN總線技術(shù)精要》課件

CAN總線技術(shù)精要歡迎來到CAN總線技術(shù)精要課程！本課程旨在為學(xué)員提供深入淺出的CAN總線技術(shù)講解，幫助大家掌握CAN總線的核心概念、應(yīng)用場景、開發(fā)工具以及未來發(fā)展趨勢。課程簡介：CAN總線概述CAN總線簡介控制器局域網(wǎng)絡(luò)（ControllerAreaNetwork，簡稱CAN）是一種串行通信協(xié)議，最初由博世公司于1983年開發(fā)。CAN總線是一種高速、可靠的通信協(xié)議，廣泛應(yīng)用于汽車電子、工業(yè)自動化、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。課程目標(biāo)本課程旨在幫助學(xué)員了解CAN總線的工作原理、應(yīng)用場景、開發(fā)工具以及未來發(fā)展趨勢，并能夠獨立進行CAN總線的開發(fā)和應(yīng)用。CAN總線歷史與發(fā)展11983年博世公司首次提出CAN總線概念，用于汽車電子控制系統(tǒng)。21991年CAN總線標(biāo)準(zhǔn)ISO11898發(fā)布，正式成為國際標(biāo)準(zhǔn)。32012年CANFD標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，擴展了數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)長度。42021年CANXL標(biāo)準(zhǔn)提出，進一步提升帶寬和功能，適用于下一代汽車和工業(yè)應(yīng)用。CAN總線應(yīng)用領(lǐng)域汽車電子汽車電子控制系統(tǒng)、車身控制、發(fā)動機管理、安全氣囊、車載娛樂系統(tǒng)等。工業(yè)自動化工業(yè)設(shè)備控制、機器人控制、過程控制、工廠自動化等。醫(yī)療設(shè)備醫(yī)療器械控制、醫(yī)療數(shù)據(jù)傳輸、遠程醫(yī)療等。其他領(lǐng)域航空航天、電力系統(tǒng)、智能家居、農(nóng)業(yè)機械等。CAN總線關(guān)鍵特性：高可靠性錯誤檢測和糾正CAN總線具有強大的錯誤檢測機制，包括CRC校驗、位錯誤檢測和填充錯誤檢測。當(dāng)檢測到錯誤時，CAN總線會進行錯誤報告并嘗試重傳數(shù)據(jù)。冗余通信CAN總線支持多節(jié)點通信，每個節(jié)點都可以獨立接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。即使某個節(jié)點出現(xiàn)故障，其他節(jié)點仍然可以正常通信。容錯能力CAN總線具有容錯能力，即使出現(xiàn)節(jié)點故障或通信錯誤，也不會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。CAN總線關(guān)鍵特性：實時性確定性通信CAN總線采用確定性通信機制，每個節(jié)點都可以根據(jù)優(yōu)先級獲得發(fā)送數(shù)據(jù)的權(quán)利，保證數(shù)據(jù)的實時性。低延遲CAN總線具有低延遲特性，數(shù)據(jù)在節(jié)點之間傳遞的速度很快，可以滿足實時性要求。高帶寬CAN總線可以支持高速數(shù)據(jù)傳輸，能夠滿足各種應(yīng)用場景的實時性需求。CAN總線關(guān)鍵特性：靈活性多節(jié)點通信CAN總線支持多節(jié)點通信，可以連接多個不同的設(shè)備，方便系統(tǒng)擴展和升級。靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)CAN總線支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括總線型、樹型、星型等，可以根據(jù)實際情況選擇最合適的結(jié)構(gòu)。多種協(xié)議支持CAN總線支持多種協(xié)議，包括CANopen、DeviceNet、J1939等，可以滿足不同應(yīng)用場景的需求。CAN總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總線型最簡單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有節(jié)點連接到一條總線上。1樹型層次化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點通過分支連接到主干線上。2星型所有節(jié)點連接到一個中央節(jié)點，類似于星形網(wǎng)絡(luò)。3CAN總線物理層：電壓電平標(biāo)準(zhǔn)CAN標(biāo)準(zhǔn)CAN采用2.5V的電壓電平，高電平為2.5V~5V，低電平為0V~0.8V。CANFDCANFD采用差分信號傳輸，電壓電平范圍更廣，信號抗干擾能力更強。CAN總線物理層：信號傳輸1非對稱傳輸標(biāo)準(zhǔn)CAN采用非對稱傳輸方式，數(shù)據(jù)通過單根總線線進行傳輸。2差分傳輸CANFD采用差分傳輸方式，數(shù)據(jù)通過兩根總線線進行傳輸，提高信號抗干擾能力。CAN總線數(shù)據(jù)鏈路層：幀類型4數(shù)據(jù)幀用于傳輸數(shù)據(jù)信息的幀類型。1遠程幀用于請求數(shù)據(jù)的幀類型。1錯誤幀用于報告錯誤的幀類型。1過載幀用于延遲傳輸?shù)膸愋?。?shù)據(jù)幀：結(jié)構(gòu)詳解1起始符標(biāo)識幀的開始。2仲裁場用于節(jié)點之間的仲裁。3控制場包含數(shù)據(jù)長度、幀類型等信息。4數(shù)據(jù)場用于傳輸數(shù)據(jù)信息。5CRC校驗用于校驗數(shù)據(jù)完整性。6ACK確認(rèn)接收節(jié)點發(fā)送的確認(rèn)信號。7結(jié)束符標(biāo)識幀的結(jié)束。遠程幀：請求數(shù)據(jù)遠程幀結(jié)構(gòu)遠程幀的結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)幀類似，但數(shù)據(jù)場為空。請求數(shù)據(jù)遠程幀用于請求其他節(jié)點發(fā)送特定數(shù)據(jù)，接收節(jié)點收到遠程幀后會發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀。錯誤幀：錯誤報告1錯誤類型CAN總線支持多種錯誤類型，包括位錯誤、CRC錯誤、填充錯誤等。2錯誤報告當(dāng)檢測到錯誤時，節(jié)點會發(fā)送錯誤幀報告錯誤類型，并嘗試重傳數(shù)據(jù)。過載幀：延遲傳輸延遲傳輸過載幀用于延遲數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)CAN總線負(fù)載過高時，節(jié)點會發(fā)送過載幀以請求其他節(jié)點延遲發(fā)送數(shù)據(jù)。幀間間隔：總線仲裁1幀間間隔兩個幀之間的間隔時間，用于節(jié)點之間的仲裁。2總線仲裁當(dāng)多個節(jié)點同時請求發(fā)送數(shù)據(jù)時，CAN總線會根據(jù)幀間間隔來決定哪個節(jié)點可以發(fā)送數(shù)據(jù)。CAN總線仲裁機制：優(yōu)先級仲裁場仲裁場用于節(jié)點之間的仲裁，包含優(yōu)先級信息。優(yōu)先級優(yōu)先級由仲裁場的值決定，值越小，優(yōu)先級越高。發(fā)送權(quán)利優(yōu)先級高的節(jié)點可以獲得發(fā)送數(shù)據(jù)的權(quán)利。位仲裁：實例分析節(jié)點111000000節(jié)點211000001節(jié)點311000010當(dāng)節(jié)點1、節(jié)點2、節(jié)點3同時請求發(fā)送數(shù)據(jù)時，CAN總線會進行位仲裁。節(jié)點1的仲裁場值最小，優(yōu)先級最高，因此節(jié)點1可以獲得發(fā)送數(shù)據(jù)的權(quán)利。CAN總線錯誤檢測：CRC校驗循環(huán)冗余校驗CRC校驗是一種常用的數(shù)據(jù)校驗方法，用于檢測數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯誤。CRC校驗碼CRC校驗碼是根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容計算得出的一個校驗值，接收節(jié)點會根據(jù)收到的數(shù)據(jù)計算CRC校驗碼，并與接收到的CRC校驗碼進行比較，如果一致則說明數(shù)據(jù)傳輸沒有錯誤。CAN總線錯誤檢測：位錯誤位錯誤數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)生的單個比特位的錯誤。位錯誤檢測CAN總線會檢測數(shù)據(jù)傳輸過程中的位錯誤，如果檢測到位錯誤，會發(fā)送錯誤幀進行報告。CAN總線錯誤檢測：填充錯誤填充錯誤數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)生的幀填充錯誤，例如，幀長度不符合標(biāo)準(zhǔn)。填充錯誤檢測CAN總線會檢測數(shù)據(jù)傳輸過程中的填充錯誤，如果檢測到填充錯誤，會發(fā)送錯誤幀進行報告。CAN總線錯誤處理：錯誤計數(shù)錯誤計數(shù)器每個節(jié)點都有一個錯誤計數(shù)器，用于記錄檢測到的錯誤次數(shù)。錯誤計數(shù)當(dāng)錯誤計數(shù)器超過一定閾值時，節(jié)點會進入錯誤狀態(tài)，停止發(fā)送數(shù)據(jù)。CAN總線錯誤狀態(tài)：主動錯誤主動錯誤狀態(tài)當(dāng)節(jié)點檢測到錯誤時，會進入主動錯誤狀態(tài)，發(fā)送錯誤幀，并嘗試重傳數(shù)據(jù)。CAN總線錯誤狀態(tài)：被動錯誤被動錯誤狀態(tài)當(dāng)節(jié)點收到其他節(jié)點發(fā)送的錯誤幀時，會進入被動錯誤狀態(tài)，停止發(fā)送數(shù)據(jù)。錯誤計數(shù)器被動錯誤狀態(tài)會根據(jù)錯誤計數(shù)器來決定是否退出被動錯誤狀態(tài)。CAN總線錯誤狀態(tài)：總線關(guān)閉1總線關(guān)閉當(dāng)CAN總線上錯誤率過高時，總線會進入關(guān)閉狀態(tài)，停止所有通信活動。2重新啟動總線關(guān)閉后，需要手動重啟才能恢復(fù)正常通信。CAN控制器：功能模塊通信協(xié)議處理CAN控制器負(fù)責(zé)處理CAN總線的通信協(xié)議，包括幀的接收、發(fā)送、仲裁、錯誤檢測和處理等。數(shù)據(jù)緩沖區(qū)CAN控制器包含數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用于存儲接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)。狀態(tài)機管理CAN控制器采用狀態(tài)機管理機制，控制節(jié)點的通信狀態(tài)，例如，正常狀態(tài)、錯誤狀態(tài)、總線關(guān)閉狀態(tài)等。CAN收發(fā)器：接口電路1信號轉(zhuǎn)換CAN收發(fā)器負(fù)責(zé)將CAN控制器輸出的邏輯電平信號轉(zhuǎn)換為CAN總線上的物理電平信號，反之亦然。2隔離保護CAN收發(fā)器可以提供隔離保護，防止CAN總線上的干擾信號影響CAN控制器。3接口電路CAN收發(fā)器包含接口電路，用于連接CAN控制器和CAN總線。CAN總線標(biāo)準(zhǔn)：ISO11898國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898是CAN總線的國際標(biāo)準(zhǔn)，定義了CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。標(biāo)準(zhǔn)CANISO11898標(biāo)準(zhǔn)定義了標(biāo)準(zhǔn)CAN的通信協(xié)議，包括幀類型、幀結(jié)構(gòu)、仲裁機制、錯誤檢測和處理等。CAN總線標(biāo)準(zhǔn)：CANFDCANFD標(biāo)準(zhǔn)CANFD標(biāo)準(zhǔn)是CAN總線的擴展版本，擴展了數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)長度。數(shù)據(jù)傳輸速率CANFD支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，最高可達8Mbps。數(shù)據(jù)長度CANFD支持更長的數(shù)據(jù)長度，最大可達64字節(jié)。CAN總線配置：波特率波特率波特率是CAN總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，單位是bps（每秒比特數(shù)）。配置波特率在使用CAN總線進行通信之前，需要配置波特率，確保所有節(jié)點使用相同的波特率。CAN總線配置：終端電阻終端電阻終端電阻用于阻抗匹配，防止信號反射，提高信號質(zhì)量。安裝終端電阻在CAN總線的兩端安裝終端電阻，可以有效減少信號反射，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。CAN總線測試：基本測試基本測試基本測試主要包括硬件測試和軟件測試，確保CAN總線硬件正常工作，軟件能夠正常發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。CAN總線測試：協(xié)議分析協(xié)議分析儀協(xié)議分析儀可以捕獲CAN總線上的數(shù)據(jù)幀，并顯示幀的詳細(xì)信息，例如，幀類型、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)內(nèi)容等。協(xié)議分析通過協(xié)議分析儀可以分析CAN總線的通信過程，檢查數(shù)據(jù)傳輸是否正常，是否符合協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。CAN總線診斷：故障定位1故障定位當(dāng)CAN總線出現(xiàn)故障時，需要進行故障定位，找出故障原因并解決問題。2診斷工具可以使用CAN總線診斷工具，例如，協(xié)議分析儀、故障碼讀取器等，幫助定位故障。CAN總線應(yīng)用實例：汽車電子發(fā)動機管理系統(tǒng)CAN總線用于發(fā)動機控制單元、傳感器、執(zhí)行器之間的通信，控制發(fā)動機的運行狀態(tài)。車身控制系統(tǒng)CAN總線用于控制車門、車窗、燈光、空調(diào)等車身部件。安全氣囊系統(tǒng)CAN總線用于控制安全氣囊的部署，保障乘客的安全。CAN總線應(yīng)用實例：工業(yè)自動化工業(yè)設(shè)備控制CAN總線用于控制工業(yè)設(shè)備，例如，機器人、PLC、伺服電機等。過程控制CAN總線用于控制工業(yè)生產(chǎn)過程，例如，溫度控制、壓力控制、流量控制等。工廠自動化CAN總線用于實現(xiàn)工廠自動化，例如，生產(chǎn)線控制、物流管理、設(shè)備監(jiān)控等。CAN總線應(yīng)用實例：醫(yī)療設(shè)備醫(yī)療器械控制CAN總線用于控制醫(yī)療器械，例如，心電監(jiān)護儀、呼吸機、麻醉機等。醫(yī)療數(shù)據(jù)傳輸CAN總線用于傳輸醫(yī)療數(shù)據(jù)，例如，患者的生理參數(shù)、診斷結(jié)果等。遠程醫(yī)療CAN總線用于實現(xiàn)遠程醫(yī)療，例如，遠程診斷、遠程手術(shù)等。CAN總線開發(fā)工具：硬件CAN收發(fā)器CAN收發(fā)器是CAN總線開發(fā)的基礎(chǔ)硬件，負(fù)責(zé)將CAN控制器輸出的邏輯電平信號轉(zhuǎn)換為CAN總線上的物理電平信號，反之亦然。CAN開發(fā)板CAN開發(fā)板是集成了CAN收發(fā)器、CAN控制器和其他外圍電路的開發(fā)平臺，方便用戶進行CAN總線開發(fā)和測試。CAN總線開發(fā)工具：軟件CAN分析軟件CAN分析軟件可以捕獲CAN總線上的數(shù)據(jù)幀，并顯示幀的詳細(xì)信息，例如，幀類型、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)內(nèi)容等。此外，CAN分析軟件還可以模擬CAN節(jié)點發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，幫助用戶測試和調(diào)試CAN總線系統(tǒng)。CAN調(diào)試工具CAN調(diào)試工具可以幫助用戶調(diào)試CAN總線系統(tǒng)，例如，設(shè)置波特率、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)、查看錯誤日志等。CAN開發(fā)庫CAN開發(fā)庫提供了一系列的API函數(shù)，方便用戶在不同的平臺上進行CAN總線開發(fā)，例如，C語言、C++語言、Python語言等。CAN總線協(xié)議棧：分層結(jié)構(gòu)1應(yīng)用層負(fù)責(zé)處理與具體應(yīng)用相關(guān)的任務(wù)，例如，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)等。2會話層負(fù)責(zé)管理CAN總線上的通信會話，例如，建立連接、斷開連接、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)等。3網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)處理CAN總線上的數(shù)據(jù)路由和地址管理，例如，數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)、地址解析等。4數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)處理CAN總線上的幀格式、仲裁機制、錯誤檢測和處理等。5物理層負(fù)責(zé)將CAN控制器輸出的邏輯電平信號轉(zhuǎn)換為CAN總線上的物理電平信號，反之亦然。CAN總線安全：面臨的挑戰(zhàn)1數(shù)據(jù)竊取攻擊者可以通過竊取CAN總線上的數(shù)據(jù)，獲取車輛或設(shè)備的敏感信息，例如，車速、位置、發(fā)動機狀態(tài)等。2數(shù)據(jù)篡改攻擊者可以通過篡改CAN總線上的數(shù)據(jù)，控制車輛或設(shè)備的行為，例如，改變車速、方向、燈光等。3拒絕服務(wù)攻擊者可以通過發(fā)送錯誤幀或干擾CAN總線上的數(shù)據(jù)，使CAN總線通信中斷，導(dǎo)致車輛或設(shè)備無法正常工作。CAN總線安全：防御措施數(shù)據(jù)加密對CAN總線上的數(shù)據(jù)進行加密，防止攻擊者竊取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)認(rèn)證使用數(shù)字簽名技術(shù)對CAN總線上的數(shù)據(jù)進行認(rèn)證，防止攻擊者篡改數(shù)據(jù)。訪問控制限制對CAN總線的訪問權(quán)限，防止攻擊者隨意訪問CAN總線。CANopen協(xié)議：簡介CANopen協(xié)議CANopen協(xié)議是基于CAN總線的應(yīng)用層協(xié)議，提供了一套標(biāo)準(zhǔn)化的通信機制，用于連接不同的設(shè)備。應(yīng)用場景CANopen協(xié)議廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域，例如，機器人控制、過程控制、工廠自動化等。CANopen協(xié)議：對象字典1000整型設(shè)備類型1001字符串設(shè)備名稱1002布爾型設(shè)備狀態(tài)對象字典是CANopen協(xié)議的核心，定義了設(shè)備的屬性、功能和數(shù)據(jù)類型，方便不同設(shè)備之間的通信和交互。CANopen協(xié)議：網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點發(fā)現(xiàn)CANopen協(xié)議支持節(jié)點發(fā)現(xiàn)功能，可以自動識別網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備。通信管理CANopen協(xié)議提供了一套通信管理機制，用于管理設(shè)備之間的通信，例如，建立連接、斷開連接、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)等。錯誤處理CANopen協(xié)議提供了一套錯誤處理機制，用于處理通信過程中的錯誤，例如，數(shù)據(jù)丟失、節(jié)點故障等。DeviceNet協(xié)議：簡介DeviceNet協(xié)議DeviceNet協(xié)議是基于CAN總線的應(yīng)用層協(xié)議，主要用于連接工業(yè)設(shè)備，例如，傳感器、執(zhí)行器、控制器等。應(yīng)用場景DeviceNet協(xié)議廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域，例如，生產(chǎn)線控制、物流管理、設(shè)備監(jiān)控等。J1939協(xié)議：簡介J1939協(xié)議J1939協(xié)議是基于CAN總線的應(yīng)用層協(xié)議，主要用于連接商用車上的電子控制單元，例如，發(fā)動機控制單元、車身控制單元、傳動系統(tǒng)控制單元等。應(yīng)用場景J1939協(xié)議廣泛應(yīng)用于商用車領(lǐng)域，例如，發(fā)動機管理、車輛診斷、車身控制等。TTCAN協(xié)議：簡介TTCAN協(xié)議TTCAN協(xié)議是基于CAN總線的應(yīng)用層協(xié)議，主要用于連接軌道交通領(lǐng)域的設(shè)備，例如，列車控制系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等。應(yīng)用場景TTCAN協(xié)議廣泛應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域，例如，列車運行控制、列車安全保障、乘客信息系統(tǒng)等。CANFD：性能提升性能提升CANFD擴展了數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)長度，可以實現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)傳輸，滿足各種應(yīng)用場景的性能需求。CANFD：幀結(jié)構(gòu)變化幀結(jié)構(gòu)變化CANFD的幀結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)CAN有所不同，擴展了數(shù)據(jù)場和控制場，支持更長的數(shù)據(jù)長度和更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。數(shù)據(jù)場CANFD的數(shù)據(jù)場可以擴展到64字節(jié)，可以傳輸更多的數(shù)據(jù)信息?？刂茍鯟ANFD的控制場擴展了數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)長度信息。CANFD：應(yīng)用前景1汽車電子CANFD可以用于下一代汽車電子系統(tǒng)，例如，自動駕駛、車聯(lián)網(wǎng)、電動汽車等，滿足這些應(yīng)用場景對數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)長度的需求。2工業(yè)自動化CANFD可以用于工業(yè)自動化領(lǐng)域，例如，機器人控制、過程控制、工廠自動化等，提高工業(yè)設(shè)備的效率和可靠性。未來發(fā)展趨勢：CANXLCANXL標(biāo)準(zhǔn)CANXL是CAN總線的最新標(biāo)準(zhǔn)，進一步提升帶寬和功能，適用于下一代汽車和工業(yè)應(yīng)用。帶寬提升CANXL支持更高的帶寬，最高可達10Mbps。功能擴展CANXL支持更多的功能，例如，時間同步、安全機制等，滿足未來應(yīng)用場景的需求。未來發(fā)展趨勢：其他技術(shù)融合以太網(wǎng)融合將CAN總線與以太網(wǎng)技術(shù)融合，可以實現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)傳輸，滿足未來應(yīng)用場景的需求。人工智能融合將CAN總線與人工智能技術(shù)融合，可以實現(xiàn)更智能化的設(shè)備控制和數(shù)據(jù)分析。云計算融合將CAN總線與云計算技術(shù)融合，可以實現(xiàn)更強大的數(shù)據(jù)存儲和處理能力，滿足未來應(yīng)用場景的需求。學(xué)習(xí)資源推薦：書籍CAN總線技術(shù)介紹CAN總線的基本原理、應(yīng)用場景和開發(fā)技術(shù)。CAN總線應(yīng)用介紹CAN總線在不同領(lǐng)域的