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CAN物理层-CAN physical layer

 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OSI模型(共有七个层)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(OSI1,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 11898-2ISO 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,隐性电平用表示,显性电平用表示。
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。

假设线长为100 m
特定的信号传播时间(ns/m)
最大比特率(kbit/s)
5.0
80
5.5
73
6.0
67
6.5
62
7.0
58

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(ISO 11898-211898-3)
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(OSI2)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(OSI7)
6. 总线访问
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 11898-211898-3)
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
7.1 ISO 11898-2高速
ISO 11898-2CAN网络中最常用的物理层标准。它描述了总线访问单元(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_LCAN_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/s1 Mbit/s的位定时。它还对总线、连接器和针脚分配提出了建议。
7.2 ISO 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+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。
7.3 SAE 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。
7.4 ISO 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 V24 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。
 
资料来源:
       (转载请注明)研煌自动化译自CAN-CIA网站:http://www.can-cia.org/index.php?id=systemdesign-can-physicallayer
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