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关于CAN物理层协议的探讨(远方译)

时间:2005-03-16 阅读7542次

 

 

本文由远方译自CIA(CAN in Automation)

在OSI七层模型里,区域控制网络(CAN)协议定义了数据链路层和部分物理层。国际标准化组织(ISO)将CAN规范合并为一个物理层标准:由位编码和译码(NRZ) ,及位时钟和同步组成的物理信号。



位编码
在选择非归零(NRZ)编码时,信号电平在一个bit时间上保持连续,因而表示一个bit只需要一个时间槽(time slot),信号电平可以保持较长时间,因此,在测量时必须保证不能超越两个信号沿的最大允许间隔时间,这对于达成同步来说,非常重要。在传输中,使用了位填充(bit stuffing)机制,即在连续5个相同信号后面,插入一个反相的信号,当然,接收者必须在接收时去除填充的信号,以取得原始的数据。

NRZ与Manchester位表示法的比较


位时钟和同步
在位层(OSI第一层,物理层),CAN使用同步位传送。这增强了传输的能力但也必须要有一个有效的位同步的方法,当在以字符导向传送(异步传送)时,位同步可以由接收到每一个字符的开始位来实现,而同步传送协议中,只有一帧数据的开始部分才会有一个可用的开始位。为了让接收者能正确的接收消息,就需要连续的重同步,因此,在一个位时间内,在采样点的前后都加入了相位缓冲段(Phase buffer segments)。
CAN协议使用位仲裁来控制对总线的访问,信号从发送者传到接收者,并又回到发送者都必须在一个位时间内完成。为了达到同步的目的,除了留给同步和相位缓冲段的时间外,还需要留出传输延迟(propagation)的时间,因此,由于节点传送和接收而导致的延迟,都考虑为传输延迟段(propagation delay segment)。

Nominal bit-time位时间

两种同步类型之间的区别:帧开始时的硬同步和帧间重同步
** 在一个硬同步之后,位时间会从同步段的结束处重新开始,因此,在同步段和重新开始的位之间,会引起一个跳变沿。
** 帧间重同步缩短和延长位时间,因此会根据检测边沿而移动。


速率与总线长度之间的关系
根据传输延迟段的长度,可以确定在一定速率下总线的最大容许长度(或一定总线长度时最大容许的通讯速率)。信号的传输取决于系统里两个节点间的最长距离,也就是信号从一个节点,传输到最远节点的时间(包括节点发送和接收数据的时间),同步时间及信号从第二个节点返回到第一个节点的时间,第一个节点判断自己的信号电平是否与总线实际电平相同,或者已经被另外一个节点的显性电平所替代,这对于总线仲裁非常重要。


物理媒介
传送CAN消息及总线访问竞争的基础可以表示为显性和隐性两种位值,目前都可以使用电子及光纤进行传输,当然,也可以使用电力线及无线传输。
对于电子传输媒介,ISO 11898-2,ISO 11898-3 ,SAE J2411,和ISO 11992定义了差分输出总线电压。在光纤传送中,隐性电平表示为暗(dark),显性电平表示为亮(light)。
用于CAN网络的物理媒介,通常是带公共回路的差分驱动双绞线,也可以用于交通工具的车体电子信号线。一些研究成果,已经开发了在相同的线上传输电力和信号的解决方案。
当总线长度增加的时候,电子媒介的一些参数就变得很重要。当对网络进行计算时,要考虑信号传输,在线电阻及十字线区域等因素,在给定的长度下,为了得到高的数据通讯,则必须要高的信号传送速率。对于长的总线,总线的电压会衰减。在计算两个最远节点间的电压衰减时,必须计算十字线区的电阻和所有的连接接收节点的输入电阻,最大的电压衰减容许度,必须保证信号可以被接收节点正确识别。



网络拓扑
电子信号在总线上会被信号线终端反射回来,避免信号的反射对节点正确读取总线电压非常重要。在总线的两个终端加上终端电阻以终结总线,可以避免信号反射,且不要在总线的两端留出较长的不用的总线。传输速率及总线长度的最大可能是终结总线两个终端和尽量使用与单线结构相近的结构,这部分可以在标准中找到,如ISO 11898-2 和 ISO 11898-3
使用重发器(Repeater),网桥(Bridge)和网关(Gateway)可以克服线长的限制,重发器将信号从一个物理总线段发送到另一个总线段,信号只是被刷新,而重发器可以被看成一个像总线电缆一样的无源组件,重发器将总线分成两个独立的物理段,这会产生额外的信号传送时间,然而,在逻辑上,等同于一个总线系统。
网桥从数据链路层(OSI 第二层)连接两个逻辑上独立的网络。因而两个总线系统中,每一个总线系统都可以有唯一的CAN标识符。网桥有储存的功能,并把信息向前发送,或是将其中的一部分延迟一段时间发送,网桥与重发器不同,因为他们可以向前发送消息,而不是在本地,而重发器只传送所有的电子信号包括CAN标识区。
网关提供两个不同的高层网络协议之间的连接,因此它执行两个通讯系统间的协议数据传输,这些数据传输发生在应用层(OSI第七层)。


总线访问
根据不同的物理层标准,有多种CAN收发器(Transceiver)可以连接CAN控制器和双线差分总线。收发器由一个发送放大器和一个接收放大器组成(收发器=接收器+发送器),除适配芯片与总线媒介之间的信号电平外,收发器还必须满足一系列的要求,作为一个发送器,它提供足够的驱动输出能力,并在过载时保护集成CAN控制器的芯片驱动器,它也要降低电磁干扰。作为接收器,收发器提供定义的电平信号,并在过压时保护集成CAN控制器的芯片的输入比较器,它也扩展输入比较器的通用模式范围,并提供足够的输入灵敏度。此外,收发器检测总线错误如总线破损,短路,接地等等。将来的收发器也能够将CAN节点与总线进行电流隔离。

 

 

 

 zhanghy 

 [00037] 

发表于2010-06-25 17:42 

 

"位时钟和同步"看了好几遍也没弄明白。不知道与CAN的数据传输有什么关系,和一帧CAN数据又有什么关系呢?这里“位”应该不是一个比特位吧。

 

 

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