工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 課件 03 CAN通信及應(yīng)用

CAN通信及應(yīng)用一、CAN通信原理二、CAN報(bào)文的種類及幀格式三、CAN通信應(yīng)用一、CAN通信原理1.CAN總線定義CAN總線協(xié)議（ControllerAreaNetwork），控制器局域網(wǎng)總線，是德國(guó)BOSCH公司研發(fā)的一種串行通訊協(xié)議總線，它可以使用雙絞線來(lái)傳輸信號(hào)，是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN網(wǎng)絡(luò)中至少需要兩個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備才可進(jìn)行通信，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)所有節(jié)點(diǎn)都能接收到所有信息，無(wú)法僅向某一個(gè)特定節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)送消息，對(duì)于節(jié)點(diǎn)接收到的無(wú)關(guān)的信息，可通過(guò)設(shè)置CAN總線硬件的本地過(guò)濾功能，對(duì)有效的消息做出反應(yīng)。CAN由于其高性能和可靠性，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面。一、CAN通信原理2.CAN總線結(jié)構(gòu)CAN總線是一種廣播類型的總線，可支持線形拓?fù)?、星形拓?fù)洹?shù)形拓?fù)浜铜h(huán)形拓?fù)涞?。?）線形拓?fù)渚€形拓?fù)涫窃谝粭l主干總線分出各個(gè)節(jié)點(diǎn)支線，其優(yōu)點(diǎn)在于布線施工簡(jiǎn)單，接線方便，阻抗匹配規(guī)則固定，缺點(diǎn)是拓?fù)洳粔蜢`活，在一定程度上影響通訊距離，如圖1所示：圖1線性拓?fù)湟?、CAN通信原理雖然CAN總線可以支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，但在?shí)際應(yīng)用中比較推薦使用線形拓?fù)?，且在IOS11898-2中高速CAN物理層規(guī)范推薦也是線形拓?fù)洹Ｔ贗SO11898-2和ISO11898-3中分別規(guī)定了兩種CAN總線結(jié)構(gòu)。ISO11898-2中定義了通信速率為125Kbps～1Mbps的高速閉環(huán)CAN通信標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)通信總線長(zhǎng)度≤40米，最大通信速率可達(dá)到1Mbps，高速閉環(huán)CAN（高速CAN）通信如圖1-3所示，ISO11898-3中定義了通信速率為10～125Kbps的低速開(kāi)環(huán)CAN通信標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)傳輸速率為40Kbps時(shí)，總線距離可達(dá)到1000米。低速開(kāi)環(huán)CAN（低速容錯(cuò)CAN）通信如圖2所示：圖2(a)高速閉環(huán)CAN(b)低速閉環(huán)CAN一、CAN通信原理（2）星形拓?fù)湫切瓮負(fù)涫敲總€(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)中央設(shè)備連到一起，其優(yōu)點(diǎn)是容易擴(kuò)展，缺點(diǎn)是一旦中央設(shè)備出故障會(huì)導(dǎo)致總線集體故障，而且分支線長(zhǎng)不同，阻抗匹配復(fù)雜，可能需要通過(guò)一些中繼器或集線器進(jìn)行擴(kuò)展，如圖3所示：圖3星形拓?fù)湟弧AN通信原理（3）樹(shù)形拓?fù)錁?shù)形拓?fù)涫枪?jié)點(diǎn)分支比較多，且分支長(zhǎng)度不同，其優(yōu)點(diǎn)是布線方便，缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜，阻抗匹配困難，通訊中極易出現(xiàn)問(wèn)題，必須加一些集線器設(shè)備，如圖4所示：圖4樹(shù)形拓?fù)湟?、CAN通信原理（4）環(huán)形拓?fù)洵h(huán)形拓?fù)涫菍AN總線頭尾相連，形成環(huán)狀，其優(yōu)點(diǎn)是線纜任意位置斷開(kāi)，總線都不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，缺點(diǎn)是信號(hào)反射嚴(yán)重，無(wú)法用于高波特率和遠(yuǎn)距離傳輸，如圖5所示：圖5環(huán)形拓?fù)湟?、CAN通信原理3.CAN節(jié)點(diǎn)組成CAN節(jié)點(diǎn)通常由三部分組成：CAN收發(fā)器、CAN控制器和MCU。CAN總線通過(guò)差分信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，CAN收發(fā)器用于差分信號(hào)與TTL電平信號(hào)的正向或反向轉(zhuǎn)換，CAN控制器用于接收TTL電平信號(hào)或?qū)CU處獲取的數(shù)據(jù)以TTL電平信號(hào)的形式輸出，如圖6所示：圖6CAN節(jié)點(diǎn)組成一、CAN通信原理CAN總線分高速CAN和低速CAN，收發(fā)器也分為高速CAN收發(fā)器（1Mbps）和低速CAN收發(fā)器（125Kbps）。低速CAN也叫容錯(cuò)CAN（FaultToleranceCAN），指的是即使總線上一根線失效，總線依然可以通信。如同串口中的MAX3232用作電平轉(zhuǎn)換，CAN收發(fā)器的作用則是把邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。二、CAN報(bào)文的種類和幀格式1.報(bào)文種類CAN協(xié)議的報(bào)文傳輸過(guò)程中有：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀、過(guò)載幀和幀間隔5種形式。其中，數(shù)據(jù)幀和遙控幀有標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式兩種格式。數(shù)據(jù)幀：用于發(fā)送節(jié)點(diǎn)向接受節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)（最常用）。遠(yuǎn)程幀：用于接收節(jié)點(diǎn)向某個(gè)發(fā)送節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求數(shù)據(jù)。錯(cuò)誤幀：用于當(dāng)某節(jié)點(diǎn)檢測(cè)出錯(cuò)誤時(shí)向其他節(jié)點(diǎn)通知錯(cuò)誤幀。過(guò)載幀：用于接收節(jié)點(diǎn)向發(fā)送節(jié)點(diǎn)通知自身接收能力的幀。幀間隔：將數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀與前面的幀分離的幀。二、CAN報(bào)文的種類和幀格式2.數(shù)據(jù)幀組成標(biāo)準(zhǔn)格式有11個(gè)位的標(biāo)識(shí)符（ID），擴(kuò)展格式有29個(gè)位的ID。如圖7。最主要的數(shù)據(jù)幀組成：①起始段。表示數(shù)據(jù)幀開(kāi)始的段。②仲裁段。表示該幀優(yōu)先級(jí)的段。③控制段。表示數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)及保留位的段。④數(shù)據(jù)段。數(shù)據(jù)的內(nèi)容，一幀可發(fā)送0~8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。⑤CRC段。檢查幀的傳輸錯(cuò)誤的段。⑥ACK段。表示確認(rèn)正常接收的段。⑦結(jié)束段。表示數(shù)據(jù)幀結(jié)束的段。右圖中D為顯性電平，R為隱性電平。圖7數(shù)據(jù)幀組成二、CAN報(bào)文的種類和幀格式3.數(shù)據(jù)幀解析①幀起始。標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀都是由1個(gè)位的顯性電平表示幀起始。②仲裁段。表示數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)的段，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀格式在本段有所區(qū)別，如下所示：ID：高位在前，低位在后?；綢D，禁止高7位都為隱性，即不能：ID=1111111XXXX。RTR，遠(yuǎn)程請(qǐng)求位。0，數(shù)據(jù)幀；1，遠(yuǎn)程幀。SRR，替代遠(yuǎn)程請(qǐng)求位。設(shè)置為1（隱性電平）。IDE，標(biāo)識(shí)符選擇位。0，標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符；1，擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符。③控制段。由6個(gè)位構(gòu)成，表示數(shù)據(jù)段的字節(jié)數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀的控制段稍有不同，如下所示：r0，r1：保留位。必須以顯現(xiàn)電平發(fā)送，但是接收可以是隱性電平。DLC：數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼。0~8，表示發(fā)送/接收的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（字節(jié)）。IDE，標(biāo)識(shí)符選擇位。0，標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符；1，擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符。二、CAN報(bào)文的種類和幀格式④數(shù)據(jù)段。該段可包含0~8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，從最高位（MSB）開(kāi)始輸出。標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀在這個(gè)段的格式完全一樣。⑤CRC段。該段用于檢查幀傳輸錯(cuò)誤。由15個(gè)位的CRC順序和1個(gè)位的CRC界定符（用于分隔的位）組成，標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀在這個(gè)段的格式也是相同的。CRC的值計(jì)算范圍包括：幀起始、仲裁段、控制段、數(shù)據(jù)段。接收方以同樣的算法計(jì)算CRC值并進(jìn)行比較，不一致時(shí)會(huì)通報(bào)錯(cuò)誤。⑥ACK段。此段用來(lái)確認(rèn)是否正常接收。由ACK槽(ACKSlot)和ACK界定符2個(gè)位組成。標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀在這個(gè)段的格式也是相同的。二、CAN報(bào)文的種類和幀格式1）發(fā)送單元ACK段：發(fā)送2個(gè)隱性位。2）接收單元ACK段：接收到正確消息的單元，在ACK槽發(fā)送顯性位，通知發(fā)送單元，正常接收結(jié)束。稱之為發(fā)送ACK/返回ACK。注意：發(fā)送ACK的是既不處于總線關(guān)閉態(tài)也不處于休眠態(tài)的所有接收單元中，接收到正常消息的單元（發(fā)送單元不發(fā)送ACK）。正常消息是指：不含填充錯(cuò)誤、格式錯(cuò)誤、CRC錯(cuò)誤的消息。⑦幀結(jié)束。由7個(gè)位的隱性位組成。標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀在這個(gè)段格式完全一樣。三、CAN通信應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中存在著一些不安全或危險(xiǎn)的因素，危害著工人的身體健康和生命安全，同時(shí)也會(huì)造成生產(chǎn)被動(dòng)或發(fā)生各種事故。為了預(yù)防或消除對(duì)工人健康的有害影響和各類事故的發(fā)生，就需要采取各種技術(shù)措施和組織措施，防患于未然。在這里，語(yǔ)音提示器在這里達(dá)到了一定的預(yù)防作用。三、CAN通信應(yīng)用某工廠為了提高當(dāng)前自動(dòng)化生產(chǎn)線的安全指數(shù)，并優(yōu)化日常生產(chǎn)活動(dòng)的管理，特在生產(chǎn)線中接入語(yǔ)音提示器，來(lái)標(biāo)識(shí)當(dāng)前生產(chǎn)線的狀態(tài)。接下來(lái)，需要對(duì)語(yǔ)音提示器進(jìn)行通信及編程處理，使其能夠根據(jù)生產(chǎn)線控制器的不同狀態(tài)，作出如下反應(yīng)?？刂破餍盘?hào)語(yǔ)音類型語(yǔ)音音調(diào)音量信號(hào)1警告語(yǔ)音180dB信號(hào)2音樂(lè)語(yǔ)音260dB信號(hào)3提示語(yǔ)音340dB三、CAN通信應(yīng)用1.任務(wù)準(zhǔn)備（1）硬件/軟件系統(tǒng)：硬件：語(yǔ)音報(bào)警器，CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)服務(wù)器，PLC控制器，PC機(jī)軟件：windows操作系統(tǒng)，博圖PLC編程軟件，CANET200設(shè)置軟件硬件軟件三、CAN通信應(yīng)用（2）工具/輔件準(zhǔn)備網(wǎng)線，Micro-USB數(shù)據(jù)線網(wǎng)線Micro-USB數(shù)據(jù)線拷貝音頻文件使用三、CAN通信應(yīng)用2.電氣準(zhǔn)備（1）如圖，檢查電源線、通信線連接情況；（2）將音樂(lè)文件按照文件夾一一拷貝進(jìn)去；接線示意圖拷貝音頻文件時(shí)，需要斷開(kāi)喇叭電源注意：三、CAN通信應(yīng)用3.CAN以太網(wǎng)服務(wù)器設(shè)置（1）修改PC機(jī)IP地址為192.168.0網(wǎng)段非服務(wù)器地址三、CAN通信應(yīng)用（2）設(shè)置服務(wù)器通信參數(shù)方式一：調(diào)試助手改IP地址確認(rèn)端口號(hào)，PLC的TCP連接需要使用；波特率，需要參考手冊(cè)，改為125000三、CAN通信應(yīng)用方式二：網(wǎng)頁(yè)修改輸入CAN以太網(wǎng)服務(wù)器IP地址192.168.0.7備注：設(shè)置后，重啟服務(wù)器三、CAN通信應(yīng)用4.PLC編程（1）建