CAN物理层-CANphysicallayer

CAN物理层-CANphysicallayer
CAN物理层-CAN physical layer
作者：admin 添加时间：2012-05-05 18:53:30 浏览：474
●?位编码
●?位定时和同步
●?数据速率和总线长度的相关性
●?物理介质
●?⽹络拓扑
●?总线访问
●?物理层标准
ISO 11898-2 (⾼速)
ISO 11898-3 (容错)
SAE J2411 (单线)
ISO 11992 (点对点)
其它
控制器局域⽹(CAN)协议在OSI模型(共有七个层)中定义了数据链路层和物理层。

国际标准组织(ISO)定义了包含CAN规范以及部分物理层的标准：物理信令，由位编码和解码(不归零制，简称NRZ)以及位定时和同步组成。

1. 位编码
NRZ与曼彻斯特编码法相⽐较
在选定的不归零制(NRZ)位编码中，信号电平在位时间内保持恒定，因此仅需要⼀个时间间隙来表⽰位M位编码的其它⽅法例如：曼彻斯特编码法或脉冲宽度调制)。

信号电平可以在较长时段内保持恒定；因此必须采取措施以确保不超过两个信号沿之间的最⼤允许时间间隔。

这对于实现同步⾮常重要。

通过在相等值的五位数后⾯插⼊互补位来应⽤位填充。

当然，接收器不能填⼊填充位，这样才能处理原始数据内容。

2. 位定时和同步
在位级(OSI层1，物理层)上，CAN使⽤同步位传输。

这固然加⼤了发送容量，但同时也意味着要求更复杂的位同步⽅法。

⼀旦接收到带有每个字符的起始位，便开始在⾯向字符的传输(⾮同步)中执⾏位同步，这时同步传输协议的帧开头仅有⼀个起始位。

为了能使接收
器正确读取消息，需要连续进⾏再同步。

因此请在位时间间隔内，在标称采样点的前后插⼊相位缓冲段。

CAN是可调节的逐位仲裁总线访问协议。

信号从发送到接收应答必须在⼀个位时间内完成。

为了实现同步，传输延迟环节，需要留出传播延迟段。

传播延迟段考虑了总线上的信号传播以及因发送和接收节点⽽导致的信号延迟。

请区分两种类型的同步：帧起始处的硬同步与帧内的再同步。

硬同步之后，位时间在同步段结束处重新启动。

因此引发硬同步的跳变沿位于重新启动的位时间的同步段内。

再同步缩短或者延长位时间，以便根据检测到的跳变沿移位采样点。

3. 数据速率和总线长度的相关性
根据传播延迟段的⼤⼩，可以确定能保证特定数据速率的最⼤总线长度(或特定总线长度下的最⼤数据速率)。

信号传输的节点内的系统，最⼤限度地彼此分开。

(要算上因发送和接收节点⽽导致的延迟)加上同步以及该信号再从第⼆个节点处返回第⼀个节点所经历的总时间。

只有这样，第⼀个节点才能决定其⾃⾝的信号电平(本例中为隐性电平)是否为总线上的实际电平，或者它是否已经被另⼀个节点的显性电平代替。

这个事实对于总线仲裁⾮常重要。

⼀些新式的收发器不⽀持低数据速率。

因此，在购买收发器时，必须考虑所要求的最⼤⽹络长度。

4. 物理介质
系统设计⼈员对本条内容最感兴趣。

CAN 的信息传送是以显性和隐性值来表⽰。

ISO 11898-2和ISO 11898-3中、在SAE J2411中以及在ISO 11992中均有定义(参见下⽂)。

对于光学介质，隐性电平⽤“暗”表⽰，显性电平⽤“亮”表⽰。

⽤于实现CAN⽹络的最常⽤物理介质是具有公共回路但驱动⽅式不同的线缆对。

对于车⾝电⼦设备，也使⽤单总线线路。

曾经投⼊部分精⼒开发了⼀种解决⽅案，以实现和电源共⽤同⼀线路进⾏CAN信号传输。

随着总线长度的增加，电⽓介质的参数变得很重要。

信号传播、线路电阻和信号线横截⾯都是决定⽹络容量的因素。

在给定长度下，为获得最⼤的⽐特率，需要很⾼的信号速率。

对于较长的总线，整个总线长度上有⼀定的压降。

所需的信号线横截⾯根据系统中两个相距最远的节点之间信号电平的容许压降以及所有相连接收器的全部输⼊电阻计算得出。

容许压降必须确保信号电平能在任意接收节点被可靠解读。

考虑电磁兼容性以及选⽤合适的电缆和连接器也属于系统集成商的职责范畴。

5.080
5.573
6.067
6.562
7.058
5. ⽹络拓扑
除⾮采取了防范措施，否则电⽓线末端会反射总线的电信号。

为使节点正确读取总线电平，避免信号反射很重要。

避免的⽅法就是在总线两端连接终端电阻器，并在总线中避免不必要的短截线。

通过尽可能保持单线结构并通过对线路两端进⾏端接，可获得传输率和总线长度最佳的产品。

针对该主题的特定建议，可参见相应的标准(即ISO 11898-2和11898-3) 。

这是能够克服的局限性，基本拓扑使⽤中继器或⽹关，⽹桥。

中继器将电信号从⼀个物理总线段传送⾄另⼀个物理总线段。

信号只是被刷新，可以将中继器看作是和线缆⼀样的⽆源元件。

中继器将总线分割成两个实际上独⽴的段。

这会导致信号传播时间延长。

然⽽，这在逻辑上只是⼀个总线系统。

⽹桥将数据链路层(OSI层2)上两个逻辑上分割的⽹络连接起来。

这样以来CAN标识符在两个总线系统中是唯⼀的。

⽹桥可实现存储功能，并可以在独⽴的延时传输中转发消息或者消息的部分内容。

⽹桥不同于中继器，因为⽹桥可转发⾮本地的消息，⽽中继器可转发所有的电信号(包括CAN标识符)。

⽹关利⽤不同的⾼层协议提供⽹络连接。

因此，它可在两个通讯系统之间执⾏协议数据转换。

该转换过程发⽣在应⽤层(OSI层7)。

6. 总线访问
在CAN控制器芯⽚和两线制差分总线之间提供连接，同时提供符合不同物理层标准的各种CAN收发器(参见下⾯的ISO 11898-2和11898-3等)。

该接⼝基本上由发送放⼤器和接收放⼤器构成(收发器 = 发送和接收)。

除了对芯⽚与总线介质之间的信号表⽰法进⾏修改外，收发器还必须满⾜⼀系列的附加要求。

作为发送器，它可提供⾜够的驱动输出能⼒并能防⽌控制器上的芯⽚驱动器出现过载。

它还能降低电磁辐射。

作为接收器的CAN收发器可提供已定义的隐性信号电平，并能避免控制器上的芯⽚输⼊⽐较器受总线上过压的影响。

它还扩展了共模输⼊范围⽐较器在控制器和提供⾜够的输⼊灵敏度。

此外，它检测到总线错误如线断裂，短路，接地短路，等进⼀步功能的收发器也可以是电隔离的节点和总线。

7. 物理层标准
7.1ISO 11898-2⾼速
ISO 11898-2是CAN⽹络中最常⽤的物理层标准。

它描述了总线访问单元(如CAN⾼速
收发器)的功能以及某些取决于介质的接⼝特性。

在该标准中，数据速率被定义为1 Mbit/s，⽽理论上该速率时的总线长度可达40 m。

⾼速标准指定两线制差分总线，其中的节
点数量受限于电⽓总线负载。

传输线特性阻抗为120 欧姆共模电压范围从?2伏到7伏在CAN_L对CAN_H。

两线制总线的标称特定传播延迟规定为5 ns/m。

所有这些数字仅对传送速率为1 Mbit/s和最⼤长度为40 m的⽹络有效。

为了获得物理兼容性，⽹络中的所有节点必须使⽤相同或者类似的位定时。

针对在汽车上的应⽤，SAE出版了SAE J2284规范。

对于⼯业上和其它⾮汽车⽅⾯的应⽤，系统设计⼈员可能采⽤CiA 102的建议。

该规范定义速率为10 kbit/s⾄1 Mbit/s的位定时。

它还对总线、连接器和针脚分配提出了建议。

7.2ISO 11898-3容错
ISO 11898-3 (容错CAN)中指定了另⼀种形式的总线接⼝和总线安排。

该标准主要⽤于汽车制造业中的车⾝电⼦设备。

由于该规范假定⽹络很短，因此信号反射问题并不像长总线那么重要。

这让开放式总线的使⽤变得可⾏。

这意味着低总线驱动器可⽤于功率损耗极低的⽹络，且总线拓扑不再受限于线性结构。

如果众多总线线路中有⼀个出现电⽓故障，可以仅在⼀根总线上进⾏⾮对称数据传送。

国际标准化组织11898-3定义数据速率⾼达125 kbit/s，最⼤总线长度取决于所使⽤
的数据速率和总线负载。

规定每个⽹络最多32个节点。

共模电压范围在-2 V到+7 V之间。

电源定义为5 V。

⽀持该标准的收发器芯⽚可以从多家⼚商处采购。

容错收发器⽀持完善的错误管理机制，包括检测总线错误和⾃动切换到⾮对称信号传输。

7.3SAE J2411单线
SAE J2411也适⽤于对⽐特率和总线长度要求较低的CAN⽹络应⽤。

仅通过⼀根标称数据速率为33.3 kbit/s(在⽤于诊断⾼速模式下，该速率为83.3 kbit/s)的总线进⾏通讯。

标准定义每个⽹络最多32个节点。

该标准的主要应⽤领域是机动车上的舒适电⼦⽹络。

规定总线介质为⾮屏蔽的单线。

不需要线性总线拓扑结构。

该标准包括选择性的节点睡眠功能，该功能允许在⼏个节点间进⾏正常通讯，同时其它节点处于睡眠状态。

也提供⽤于该标准的收发器。

7.4ISO 11992点对点
11992标准中指定另外⼀种使⽤带容错功能的CAN低速⽹络的⽅法。

它定义了在牵引车及其拖车上使⽤的点对点连接。

对于带有拖车的车辆，定义点对点连接。

对于带有两个拖车的车辆，定义雏菊链连接。

最⼤总线长度为40 m时，标称数据速率是125 kbit/s。

该标准定义了总线错误管理机制及电源电压(12 V或24 V)。

规定⾮屏蔽的双绞线作为总线介质。

7.5其它
CAN信号的光纤传输没有经过标准化。

由于直接耦合到光学介质中，必须单独提供发送线和接收线。

另外，每根接收线必须在外部与每根发送线耦合以确保位监视。

采⽤星形耦合器可达到这种效果。

对于数量较少的节点，可以使⽤⽆源星形耦合器，但这种⽹络在⼤⼩上受限制。

使⽤光学介质的CAN⽹络的延长受到光功率的限制，因为功率会沿着线路和星形耦合器衰减，这⼀点不像电⽓线路上的信号传播。

光学介质的优势在于⽆辐射、⽆⼲扰的传输和彻底的电流解耦。

对于爆炸性或易受电磁⼲扰环境中的⽹络应⽤，这种⾮电特性很重要。