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Computer Network 6 CAN
本文介绍了CAN（Controller Area Network）协议的概念、消息框架、错误处理和相关的高级应用。CAN协议以其低成本和简单实现而闻名，适用于汽车电子、工业控制和建筑自动化等领域，并具备良好的错误检测和两线容错能力。文中还涉及了协议版本、数据框类型和错误检测机制等技术细节。
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Computer Network 6 CAN
- 1.
- 2. • Overview • Concepts •Message Frame • Error Handling • Discussion • Conclusion
- 3. OSI Model CAN ApplicationLayer Presentation Layer Session Layer Transport Layer Network Layer Data Link Layer Physical Layer CANopen/MilCAN/DeviceNet… NA NA NA NA LLC/MAC ISO11898 Mapping
- 4. • Controller AreaNetwork • Half-Duplex Differential Bus • Broadcast(Multicast) Message • Message-Based communication protocol • Non-Return–to-Zero (NRZ) transmission method • Low cost and Simple implementation • Good error detection capabilities • Excellent two-wire fault tolerance capabilities – Either of the two wires in the bus is broken. – Either of the two wires are shorted to power, to ground, or together.
- 5. • 車用電子裝置(Automotive device) •工業控制 • 樓宇自動化 • 船舶、火車等交通工具 • 醫療設備
- 6. • 1980s 由BoschGmbH發展 • 目標為解決日益複雜的車載電子裝置 • 由ISO(International Standards Organization 與SAE(Society Automotive Engineers)制定 為標準 • 1991 發布 2.0A/B 標準
- 7.
- 8. • ISO 11898Controller Area Network – 1 Data Link and PHY – 2 High-speed medium access unit – 3 Low-speed, fault-tolerant, medium-dependent interface – 4 Time-triggered communication – 5 High-speed medium access unit with low-power mode – 6 High-speed medium access unit with selective wake- up functionality • ISO 11992 p2p • ISO 16845 Conformance test Plan • SAE J2411
- 9. • 2.0A – Sameas 1.2 spec. – Only Support Standard Data Frame (11-bit ID) • 2.0B(passive) – Support Standard(11-bit ID) – Ignore Extended Data Frame(29-bit ID) • 2.0B(active) – Support Standard(11-bit ID) and Extended Data Frame(29-bit ID)
- 10. Bit Rate BitTime Bus Length 1 Mbps 1 µs 25 m 800 kbps 1.25 µs 50 m 500 kbps 2 µs 100 m 250 kbps 4 µs 250 m 125 kbps 8 µs 500 m 62.5 kbps 16 µs 1000 m 20 kbps 50 µs 2500 m 10 kbps 100 µs 5000 m
- 11. • Overview • Concepts •Message Frame • Error Handling • Discussion • Conclusion
- 12. • 訊息具有優先權等級(後詳仲裁) • 訊息間有保證延遲時間 •設置彈性大 • 時間同步的多點接收 • 多重主站(multi-master) • 錯誤檢測機制 • 自動重送機制
- 13. • 以訊息為基礎傳遞，並非以位址為依據由一個節點被 傳送到另一個節點 • 所有節點都會接收到Bus上的任何訊息，並且適時回 應ACK •在傳送的訊息中包含了資料本身以及優先等級等相關 資訊 • 各個Node 自行決定要處理此資訊或置之不理( 可經由 軟體或設定適當的Masks 以及Filters 來達成) • 新的nodes 可隨時被加入系統中, 其他nodes 並不需因 為此新node 的加入而必需更新內部資
- 15. • CS –Carrier Sense 載波偵測 – 每個網路節點在發送訊息前必須偵測沒有其他封包在 BUS上傳送 • MA – Multiple Access 多重存取 – 每個節點都有相同的訊息傳送優先權 • CD – Collision Detection 碰撞偵測 – 如果兩個節點在同一時間點送出訊息而產生碰撞， 必需 能偵測出此衝突 • CR – Collision Resolution 衝突解決 – 非破壞性逐位元仲裁(Arbitration) (後詳)
- 17. • VCC from4.5 to 5.5V • uC界面的Tx和Rx 皆為數位的輸 出/輸入信號 • CANH和CANL間差動信號的電 壓為0~3.0V – ΔV > 1.0V 稱為dominant(Logic 0) – ΔV < 0.5V 稱為recessive(Logic 1)
- 19. • 兩個以上節點同時發送訊息時造成碰撞 • 利用IDfield 逐一比較 • ID越小優先權越高 • 當發現線路上有其他節點優先權高於自己， 即停止發送 • 一般訊息優先權高於 RTR 訊息
- 21. • Sync Segment –用以進行同步 • Propagation Segment – 用以對於網路延遲進行補償 • Phase Buffer Segment1 • Phase Buffer Segment2 – 用以 • Sample Point – 取樣點
- 22. • 每個Timing Segment可被規劃為由指定數量的 TQ(Time Quanta) 所組成 • 總時間為 8-25 TQ • 單一 TQ 長度可以被設定，以PIC為例 2*(BRP + 1 ) (Tosc) -> (Tosc = 1/Fosc)
- 23. • DB-9 • 5-pinMini Style connector: ANSI/B93.55M-1981 • RJ-45 • 6-pin Deutsch DT04-6P • Eurostyle Terminal block
- 24. 1 - Reserved 2CAN_L CAN_L bus line (dominant low) 3 CAN_GND CAN Ground 4 - Reserved 5 (CAN_SHLD) Optional CAN shield 6 (GND) Optional CAN ground 7 CAN_H CAN_H bus line (dominant high) 8 - Reserved (error line) 9 CAN_V+ Optional power
- 25. Pin Function DeviceNetColor 1 Drain Bare 2 V+ Red 3 V- Black 4 CAN_H White 5 CAN_L Blue
- 26. 1: CAN_H =CAN_H bus line (dominant high) 2: CAN_L = CAN_L bus line (dominant low) 3: CAN_GND = Ground/0 V/V-4: Reserved 5: Reserved 6: (CAN_SHLD) = Optional CAN Shield 7: CAN_GND = Ground/0 V/V- 8 (CAN_V+) = Optional CAN external positive supply
- 27. Pin Function Recommended cable color 1Power negative Black 2 CAN_H White 3 Optional Signal GND Yellow 4 Optional Initiate Gray 5 Power positive Red 6 CAN_L Blue
- 28. 1: CAN_GND =Ground/0 V/V- 2: CAN_L = CAN_L bus line (dominant low) 3: (CAN_SHLD) = Optional CAN Shield 4: CAN_H = CAN_H bus line (dominant high) 5: (CAN_V+) = Optional CAN external positive supply
- 29. • Overview • Concepts •Message Frame • Error Handling • Discussion • Conclusion
- 30. • Data Frame資料訊框， – Standard Data Frame 標準資料訊框 2.0A – Extended Data Frame 擴展資料訊框 2.0B • Remote Frame 遠端訊框 • Error Frame 錯誤訊框 • Overload Frame 超載訊框
- 31. SOF: Start ofFrame RTR: Remote Transmission Request IDE: Identifier Extension DLC: Data Length Code CRC: Cyclic Redundancy Check IFS: Inter-Frame Space
- 32. SOF: Start ofFrame SRR: Substitute Remote Request IDE: Identifier Extension RTR: Remote Transmission Request DLC: Data Length Code CRC: Cyclic Redundancy Check IFS: Inter-Frame Space
- 33. 1 要向遠端節點要求資料時發送 Remote Frame(or RTR)is used by a node when it requires information to be sent to it from another node.
- 34. 偵測到錯誤時發送 When a nodedetects one of the many types of errors defined by the CAN protocol, an Error Frame occurs.
- 35. • CRC Error –X15 + X14 + X10 + X8 + X7 + X4 + X3 + 1 • Acknowledgement Error – 沒有其他節點回應dominant(0) 在 Ack. Slot • Form Error – 必須為”1”的 bit 讀取到 “dominant”(0) • Stuff Error – Due to NRZ，每連續五個同電位必續加入一個反向的 Stuff Bit訊號，若實體線路上發生連續六個同電位，則 產生Stuff Error • Bit Error – 發送訊息的節點在訊息送出時，讀取到與發送不符的準 位。除了Arbitration filed 與 Ack. filed
- 36. 當節點有已收到訊息 尚未處理完成時發送 Overload frames aregenerated by nodes that require more time to process messages already received.
- 37. • Overview • Concepts •Message Frame • Error Handling • Discussion • Conclusion
- 38. • 每一個 CANnode 都有各自獨立的傳送以及接收錯 誤計數器( transmit/receive error counters) TEC 與 REC • CAN 協定根據 Error Counters 的內容將錯誤狀態分 為三種 – Error Active – Error Passive – Bus Off • 據 CAN node 的狀態不同，其控制 CAN bus 的能力 也跟著調整(Active > Passive > Bus-Off) • 如果到達 Bus-Off 的條件，CAN node 須將自身設定 為完全離線狀態
- 40.
- 41. • CAN node可以主動地傳送或接收訊息(messages) 和 Error-Frames (正常工作模式) • 當偵測到錯誤發生時將送出一個用Active Error Flag ( 6 個dominate位元)組成的Error Frame，強制中斷正在傳 送中的訊息 • 這樣的做法同時觸發了 Stuff Error，所以其他的CAN node 也將產生它們自己的 Error Frames (稱為錯誤回應 旗標Error Echo Flags) • 每當偵測到有錯誤發生，適當的錯誤計數器(TEC/REC)將 依當時的狀態累加 • 一旦Error Frame 完成後，bus 的活動又回到正常狀態 – 訊息將會被重新傳送!
- 42. • 當TEC 或REC 計數器超過了127, CAN node 變進入 Error-Passive 的狀態(採用較消極的錯誤回應) • 當一個處於 Error-Passive 狀態的node 偵測到錯誤發 生時將送出一個用Passive Error Flag ( 6個recessive 位元)組成的Error Frame • 使用Passive Error Flags 的Error Frames 將不會影響 傳送中的訊息 • 適當的錯誤計數器(TEC/REC) 將被加累加 • 當Error Frame 完成後，處於Error-Passive 的node 會等到以下的條件符合後才會被致能傳送 – 在dominate位元之後有3個 intermission 的位元加上8 個位元的時間長度
- 43. • 當TEC 超過255CAN node 將進入Bus-Off 狀態 • 此時的CAN node 將無法傳送或接收任何的 message 或錯誤狀態 • 透過以下的程序，可使 CAN node 再度回到 Error Active 的狀態 – 接收到正確的“bus recovery”程序(11個連續的 recessive 位元發生128 次!!) – 經由硬體或軟體的重置動作 – 將控制器設定成“Configuration mode”
- 45. • Overview • Concepts •Message Frame • Error Handling • Discussion • Conclusion
- 46. • HLP –Higher Layer Protocols • Application Layer in CAN? – CANopen – CanKingdom – CCP/XCP – DeviceNet – J1939 – MilCAN – NMEA 2000 – OSEK/VDX – SDS
- 51. • Overview • Concepts •Message Frame • Error Handling • Discussion • Conclusion
- 52. • CAN為底層(L1, L2)協定，上層須搭配其他協定 •簡單易用，使用四條線進行差動半雙工傳輸 • 傳輸距離長、低速、短訊框 • 主要應用於自動化載具與工業領域 • 適應性與容錯能力強，打不死的蟑螂 • 老兵不死，適得其所
- 53. • BOSCH, “CANSpecification version 2.0”, 1991 • Marco Di Natale, “Understanding and using the Controller Area Network”, October 30, 2008 • Microchip, “AN713 – Controller Area Network(CAN) Basics”, Sep. 2005 • Microchip, "CAN Workshop 202” • Freescale, “Analog Bus Communication and Products” • Wikipedia – CAN bus