CAN总线系统信号传输延时分析.pdf

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2006年第3期总第283期MISSⅡ甩AND SP托E VEHCⅡ甩导弹与航天运载技术 No．3 2006 S啪№．283 文章编号：1004．7182(2006)03．0048．04 CAN总线系统信号传输延时分析张向文，许学雷，吴林瑞 (北京航天发射技术研究所，北京，100076) 摘要：通过分析cAN总线对传输信号的延时要求，明确cAN总线系统中信号传输环节的相关延时时间，为总线信号的最大延时提供了设计依据，也为总线线缆的选择提供了依据。关键词：CAN总线；信号传输；总线仲裁机制中图分类号：TP274 文献标识码：A Time Delay of Signal TransIIlission in CAN Bus System Zhang Xiangwen，Xu Xuelei，Wu Linrui (Beijing InstitIlte of Space L姗ch TecIm0109y，Beijing，100076) Abstract： rnle time delay of CAN bus in signal廿ansIIlission is aIlalyzed．ne time delay of eVery phases of t11e缸彻sIllission are co触d and a百st of d匝Iling懈inmm tiⅡle delay is giVen．n is also a gist in choosing tlle cable for CAN． K6y Words：CAN bus； Signal缸孤sIllission； Bus arbi仃ation mechaIlism 0。】‘_。一 1 刖吾控制器局域网络(CAN)是RobeIt Bosch公司 2传输线缆延时理论分析 2．1 CAN总线信号状态在20世纪80年代初为汽车业开发的一种串行数据 CAN总线采用多主通信模式、非破坏式总线仲通信总线，其通信速率可达到1 Mbit／s，通信距离在裁机制，并使用帧内应答方式。通信中总线有显式 1 Mbit，s下为40 m。CAN已有国际标准，即用于高或者隐式两种状态。总线上有一个节点输出的为显速场合的ISO 11898和用于低速场合的ISO 式状态，总线上所有节点均输出的为隐式状态。 11519—3。由于其具有高可靠性和良好的性能价格比， CAN总线有两种帧结构，即标准帧和扩展帧，如图已得到广泛应用。要生产出合格的cAN总线网络 1，2所示。产品，需要彻底摸透CAN总线网络，包括总线线其中CRC场的最后一位是CRC界定符，发送缆特性、总线成本等，本文对CAN总线线缆与通节点输出隐式状态，总线也应呈隐式状态，AcK场信距离的关系进行了分析，给出了详细的测试结为应答场由两位组成，第1位称为应答隙，在输出果，为采用低成本线缆打下了基础。这一位时，发送节点输出隐式状态，每个接收节点收稿时间：2005一04-06 作者简介：葛欣(1970-)，女，高级工程师，主要研究方向为运载器总体设计万方数据

第3期张向文等cAN总线系统信号传输延时分析 49 在接收完该帧数据并判断为有效帧后，均输出显式正常的，否则就认为帧没有被有效发送出去，从而状态，发送节点检测到总线呈显式状态时，就认为有节点进行了有效的应答并且自己所发出的帧是激活故障界定部分动作。犟|_竺苎望．I苎型望}．鍪塑望十!!!望十童．如配竺坠年塑P塑群芦牾 ]匝圃IⅡ二口几_]T一甾．堡塑．{坐}型塑P堕兽掣牾 ]匡画丑Ⅲ工二口口_]T一图1标准帧格式謇凿蠢图2扩展帧格式 2．2 CAN总线通信时间组成 CAN总线通信中每一位的时间由4部分组成，即同步段、传播段、相位段1、相位段2。其中同步段用于总线诸节点之间的同步；传播段用于补偿信号的物理传播延时，它是线路延时加收发接口电路延时之和的两倍；相位段1和相位段2用于补偿沿的相位误差。在实际控制器设计中，位速率的设定正是通过调整这几个段的时间长度来达到改变速率的目的，并且将传播段与相位段1整合，统称时间段1，相位段2为时间段2，所以通过调整时间段1、时间段2的值可以改变对总线传播延时的补偿时问。图3为CAN总线一位时间组成图。位周期 2．3 CAN总线的采样模式及时间分布 cAN总线控制器在接收过程中有两种采样模式，即单点采样和3点采样，图3中所示为单点采样模式，采样点依据同步段、时间段l、时间段2 等的设置可以前后变化，在3点采样模式中，控制器将连续采样3次，并采用表决方式，决定最终结果，3点之中第3点依据同步段、时间段1、时间段2等的设置可以前后变化，前两点到第3点保持等差间距，各点间间距约为位宽度的12．5％。由于总线信号最好与控制器信号隔离，在总线控制器与总线驱动器之间加入了高速光耦(见图 4)，其中自～九3为信号传播各阶段信号的传播延时。墨A 垂B ～。^“ 垂。图3 CAN总线一位时间组成图4 cAN总线信号传播延时图3中f，一&。为同步段时间，f嘲，为时间段1，图4中f1，f13，珞，瑰为光耦传播延时；如，f12， f哗为时间段2，即CAN总线一位的传播延时为 (1) f6=f∞一％+f啦!+f嘲2 岛，幻为总线驱动器82C250传播延时；如，“，flo， f11为线缆传播延时(图示为控制器A发送C接收，万方数据

50 导弹与航天运载技术 2006年如果是A发送B接收，则线缆传播延时仅包括珞， 3 f11)，幻为接收方控制器内部处理延时。由图3可以 CAN总线系统实测延时分析清楚了CAN总线信号原理和系统中存在延时看出，总线节点应答回路总延时应为的环节，下面就各个环节的延时时间进行分析。 (2) 3．1光耦延时 CAN总线信号传播延时图见图4。在图4所示在元器件、印制板确定的情况下，除了匀，“，的CAN总线信号传播延时组成中，光耦传播延时 flo，f11跟随线缆长度、结点布局等变化外，其余的 fl，f13，f6，珞主要依赖于元器件的具体选型。当使延时时间基本不再发生变化。CAN总线的传播延迟用光耦为6N137时，从数据手册中可以看出，其典时间与总线的时间常数有关，时间常数等于整个网型传播延时为42 ns，最大传播延时为75 ns，最大络的电容值和等效放电电阻值(60Q)的乘积，与值与最小值差别较大。为了便于准确计算，针对总总线采用的线缆特性有关。 2．4 CAN总线传播延时理论值线系统中的光耦进行传播延时测试试验。图5为实测的6N137输入输出信号波形，鉴于由图1，2可知，发送节点在发完CRC场之后，上升沿、下降沿传播延时相当，这里仅列出上升沿会发出一位应答隙，在这一位的时间内，接收节点输入输出波形。其中线A(上面的线)表示6N137 应该输出显式位作为回应，发送节点如果在应答隙的输入信号，线B表示6N137的输出信号波形，由内没有检测到有效的显式位，则会判定总线错误，图5可以看出实测光耦延时约为60 ns，得到所以限制CAN总线系统信号传播延时上限的根本条件就是必须确保发送节点在应答隙内接收到有效的应答信号。为了满足这一根本条件，现以1 Mbi佻下通信为例(其他速率计算过程相同)，对单点采样和3 点采样分别进行分析，依据采样点在同步段、时间段1、时间段2内的设置的前后变化，如在1 Mbit／s 下时间段1、时间段2内采样点的设置，单点采样为采样点位于距位起始的75％位宽度，为750 ns， 3点采样为采样点位于距位起始的62．5％位宽度，为625 ns，可见，当设置为75％位宽度时，在应答隙要使得发送节点采集到有效的显式位，理论上来讲，必须满足整个信号传播延时小于750 ns，而设置为62．5％位宽度时，整个传播延时要小于625 ns。将位定时设置中时间段1、时间段2定为75％位宽度对信号的传播延时要求要宽松一些。这样理论上式(2)应满足： ∑‘<750 ns 在3点采样模式下应满足： ∑f，<625 ns (3) (4) 万方数据 f．≈f13≈气≈f8≈60ns (5) 图5光耦6N137输入输出波形 3．2总线驱动器延时图4中龟，f12，如，幻为驱动器传播延时。对于驱动器82C250，从数据手册中可以看出，82C250 的典型传播延时为4叽50 ns，最大传播延时为80 ns，最大值与最小值差别较大。同样对系统中的总线驱动器82C250进行传播延时测试试验，结果见图6。图6为实测82C250输入输出波形，线B表示 82C250 TXD输入脚的信号波形图，线A表示差分输出信号的波形图，由图上可以看出82C250的传播延时约为23 ns，得到：岛zfl2 zf5=f9 z 23ns (6)

第3期张向文等CAN总线系统信号传输延时分析对于3点采样模式，同上可知：如+“+flo+f11<293 ns 51 (8) 单程线缆传播延时如+“必须小于147 ns。 3．4线缆传播延时实测结果结合以上分析、测试的结果，规定线缆通信距离为l(以m为单位)、通信速率为曰(以Mbi佻为单位，l Mbit／s时B=1)、采样位置为P(如75％， 62．5％)、光耦传播延时为岛(以ns为单位，如f1， f13，玷，瑰)、总线驱动器传播延时为乙(以ns为单位，如如，f12，fs，幻)、线缆传播延时为岛(以ns／m 为单位)，可以得到线缆通信长度的估算公式： J=[(1000，8)·P—4(乓+岛)】，2岛 (9) 试验中选择了国内几种有代表性的通信线缆，实测延时率分别为7．82 ns，m，7．86 ns／m，7．54 ns，m， 7．69 ns，m，7．43 ns／m。同时选择了一种德国产的线缆，标称参数为66％，实测延时率为4．35 ns，m，利用式(9)，可以得到满足l Mbi体通信速率下各线缆的最大长度(见表1)。图6驱动器82C250隐式位输出波形 3．3总线信号延时计算在CAN总线信号传播延时回路中，在元器件、印制板确定的情况下，除了线缆传播延时如，“，flo， fll随线缆长度、布局等变化而变化外，其余的延时时间基本不再发生变化。考虑到总线控制器在设计时已经考虑到内部处理时间，所以幻应该在纳秒级以下，在此可以不计。由式(3)和式(4)，对于单点采样，线缆传播延时理论上限值为 f3+f4+flo+f11<418 ns 单程线缆传播延时如+f4必须小于209 ns。 (7) 表1各种延时率的线缆在1 Mbit，s通信速率下可以传输CAN信号的最大长度比较项目延时率，ns·m_1 1Mbi低下线缆 1点采样最大长度，m 3点采样线缆编号 1 2 7．82 26．7 18．8 7．86 26．6 18．7 3 7．54 27．7 19．5 4 7．69 27．2 19．1 5 7．43 28．1 19．8 6 4．35 48 33．8 以上为采用10 M光耦即6N137的情形下估算为线缆的选择提供了理论依据。要降低线缆的性能的各种线缆最大通信长度，在试验中实测值与估算需求、减少总线线缆开支，就必须提高驱动板上光值相近。实际上使用更高速的光耦，如100 M的光耦和总线驱动器的性能。耦，其典型的传播延时为15 ns，即将式(5)中的值改为15 ns，同样计算线缆长度，在1 Mbit／s通信参考文献速率下各线缆的最大长度可大大增加。 1夏德海主编．现场总线技术【M】．北京：中国电力出版社， 4结论 2004．05． 2邬宽明主编．cAN总线原理与应用系统设计[M】．北京：综上可见，系统中CAN总线的通信距离与通北京航空航天大学出版社，19994．01．信线缆的种类、板上器件的选用都是密切相关的。 3史久根主编．CAN现场总线系统设计技术[M】．北京：国明确了总线系统中线缆性能和驱动板性能的关系，防工业出版社，2004．10．万方数据

CAN总线系统信号传输延时分析作者：张向文，许学雷，吴林瑞， Zhang Xiangwen， Xu Xuelei， Wu Linrui 作者单位：刊名：北京航天发射技术研究所,北京,100076 导弹与航天运载技术英文刊名： MISSILES AND SPACE VEHICLES 年，卷(期)： 2006，""(3) 5次被引用次数：参考文献(3条) 1.夏德海现场总线技术 2004 2.邬宽明 CAN总线原理与应用系统设计 1999 3.史久根 CAN现场总线系统设计技术 2004 相似文献(10条) 1.学位论文肖龙龙一体化飞行器CAN总线控制系统数据传输方案设计与仿真验证 2008 数据总线技术是飞行器控制系统中广泛采用的一种通讯方式。CAN总线以其高性能和低成本等特点成为国内外研究的热点，但其运用于航空航天领域有两方面核心问题，一是如何保证系统通信的实时性，二是如何提高系统的可靠性。本文以一体化飞行器控制系统为研究对象，围绕上述两个问题，开展了CAN总线实时性和可靠性研究以及控制系统仿真平台设计与验证。首先分析了一体化飞行器控制系统组成和信号传输特点，对总线网络的实时性和可靠性进行了深入分析研究，得出了基本CAN总线难以满足一体化飞行器数据传输的实时性和可靠性要求。接着针对基本CAN协议的不足，结合国内外学者在CAN实时性和可靠性方面的研究成果，研究了一种缺省标识符分配和时间触发机制相结合的方案来解决总线的实时性问题。对于可靠性问题，选择了常用的冗余技术，对比分析了不同程度冗余方式的优缺点，得出了采用CAN总线控制器冗余能提高系统的可靠性而不影响系统的实时性。最后，完成了控制系统仿真平台的设计和验证，并利用CANoe软件对仿真结果进行了分析和评估。仿真结果表明，采用缺省标识符分配和时间触发机制相结合的方案能有效地解决总线在高负载情况下网络通信的实时性问题，CAN总线控制器冗余方式能够及时地检测错误并进行总线切换，极大地提高了系统的可靠性。 2.学位论文肖敬义电动汽车整车电子控制系统 2007 当今世界各国对电动汽车的开发越来越关注。随着能源危机和环境污染的日益严重，发展一种高性能的电动汽车取代燃油汽车已经成为一种必然的趋势。现代汽车功能节点复杂多样，开发一套适合于电动汽车的车内网络系统成为电动汽车的关键技术之一，是研制电动汽车必不可少的基本环节。本文的主要工作是研制用于电动汽车的整车电子控制系统。首先概述了电动汽车研究的背景和意义、发展现状、关键技术等，并讨论了电动汽车电子控制系统的一些基本要求，比较了不同种类汽车网络的主要特点。考虑到本课题的开关磁阻电机驱动的电动汽车开发现状，认为采用CAN总线特别适合于这一应用场合，并在结构、稳定性和可靠性等方面有着突出的优点。其次讨论了电动汽车CAN总线不同结构的特点，完成了整车电子控制系统设计方案的制定，主要工作包括CAN网络结构的制定，车内各个控制信号及控制节点单元的归纳总结，各个控制单元硬件电路的搭建和调试，各个控制单元软件程序的编写和调试，各个控制单元接入CAN网络以及CAN网络的通信实现。研制完成的电动汽车整车电子控制系统在完成各个控制单元基本功能的实验测试之后，将其组网安装于改装后的电动汽车上。对不同CAN控制器之间的通信进行实验，较好地达到了车内总线对于信号传输的实时性与稳定性的要求。最后对该系统的工作性能进行总结，对下一步用于电动汽车整车电子控制系统的研究与开发具有一定的参考价值。 3.期刊论文苏岱安.Su Daian 实验设备管理系统设计与实现 -山西电子技术2006,""(1) 对于具有99间实验室,每间实验室有127台实验设备的实验楼,基于CAN总线,研究对其进行自动管理的方法.重点讨论每间实验室管理单元电路、接口电路的设计,硬件给出了具体电路参数,软件给出了相应软件流程,总结了注意事项及扩展功能. 4.学位论文杨黄河基于冗余CAN总线的火炮信号模拟系统研究 2009 为满足未来数字化战场的需求，火炮技术正向自主化、信息化、智能化方向发展。本文以高性能32位嵌入式双冗余CAN接口卡为主要硬件平台，以 LabVIEW为软件平台研究开发了数字化火炮信号模拟系统。该系统在计算机上通过软件的控制完成火炮工作状态信号的模拟生成，信号传输与接收，数据分析处理等功能，能够满足数字化火炮信息系统的开发和调试的需要。本文首先介绍了CAN总线、虚拟仪器技术及LabVIEW软件各自的特点和功能，然后合理选用.ARM内核LPC2132处理器和独立CAN控制器SJA1000，完成了 CAN总线模块硬件PCI-CAN通信适配接口卡的设计，并开发了在虚拟仪器软件开发平台LabVIEW环境下PCI-CAN通信适配接口卡的驱动程序。在硬件平台基础上，根据系统通信的特点和要求，在标准CAN协议的基础上制定了通信数据格式，设计了基于本硬件的双冗余调度算法，开发了以LabVIEW为软件平台的系统应用程序软件。并按照信号产生、信号传输与接收、信号分析处理的顺序依次对每一模块的功能进行了介绍。整个系统主要由两台接有CAN通信适配接口卡的PC机组成，采用主从结构，通过CAN通信适配接口卡来实现双向通讯，CAN总线上的数据可通过CAN接口卡收发，从而完成PC机与下面CAN控制网络的通信，由此可以及时得知火炮工作状态信号的各种数据和运行参数。论文以基于ARM7微控制器的双冗余PCI-CAN通信适配接口卡进行双CAN冗余通信，完成了双CAN冗余通信软件开发，详细阐述了软件设计思想及关键技术。该系统的研制真正实现了数字化火炮的基础架构，并对其它传统武器装备数字化改造有很好的借鉴作用。 5.期刊论文郭富东.冯晓东.GUO Fu-dong.FENG Xiao-dong 基于CAN总线的钻井参数监测系统 -仪器仪表用户 2007,14(6) 本文介绍的钻井参数监测系统实现了扭矩和钻压的直接测量,可准确地得到扭矩真实值;测量方式与钻机类型无关.整个钻井监测采用网络化.模块化设计,而且信号传输基于CAN总线技术,简化了系统连线,提高了信号传输的可靠性和安全性. 6.学位论文陆朝红基于CAN总线的模块化AGV测试平台的设计 2003 本文根据国内外自动导向车(AGV,Automated Guided Vehicle)技术发展状况,结合相关的控制电子技术的应用,提出并设计了一种功能模块化的AGV控制系统测试平台.该测试平台,将现场总线CAN(Controller Area Network)技术应用于系统的控制信号传输.通过该测试平台,可验证各种总线信号传输控制方式,并据此提出了一种较为合理的导引信号传输协议方案.该AGV试验平台采用电磁导引方式的舵轮型结构,车载主控制模块采用了PC104的CPU模块,配置了PC104总线的双CAN模块,主控模块通过CAN总线与其他车载模块系统进行通信并执行运行控制.在设计该测试平台中主要涉及两个主要任务,一为硬件设计,二为软件编程.

7.学位论文肖冬明 CAN总线+无线传输在煤矿集成监测中的应用研究 2008 传统的煤矿安全监测系统通信方式主要采用非总线式电缆传输,近年来,基于RS485总线的煤矿监测监控设备在煤矿得到了应用,传输介质有电缆和光缆,论文在总结国内研究外煤矿监测监控技术的基础上,提出了合适我国煤矿的基于CAN总线技术+无线数传技术的矿井监测信号传输方法。并设计了相应的监测系统,系统具备采集井下瓦斯浓度和机械运行状态信息的功能,设计了带信号采集的CAN智能节点卡,同时亦提供RS232的串口,也可以直接接现场仪表的输出信号,经CAN总线网络传输到与井上CAN-232接口卡。调度室中心站和矿区监测分站之间的通信,本论文采用了把频率在220MHz-240MHz的无线数传模块MDS2710,构建一套井上无线传输网络。设计其传输速率为19.2Kbps,采用时分多址轮循的方式实现一点到多点的控制与数据传输。使用MDS 2710无线数传模块来实现控制中心一点对矿井多个远端的各类数据的采集、监控和控制。应用了最新的设计技术来提高用于多址系统中特许的窄带数据遥测无线设备的性能和容量。利用数字信号处理(DSP)和防爆安装技术,提供了优良的无线电性能及可靠性。地面到井下的传输我们采用CAN总线来实现,CAN智能节点的设计上,本论文采用微控制器89C52,CAN控制器芯片采用SJA1000,总线驱动芯片采用 82C250,设计并开发了CAN智能节点接口电路,设计了基于无网传输的振动加速度传感器和瓦斯传感器调理电路和AD转换电路。它主要实现井下数据采集和利用CAN总线传输的功能。本论文采用VC++软件设计了友好的监测系统上位机人机界面,并设计了串口读写程序。下位机软件用单片机C语言设计,主要用于实现CAN报文发送和接收。 8.期刊论文张鑫.文怀兴.ZHANG Xin.WEN Huai-xing CAN总线光纤通信接口设计 -西北大学学报（自然科学版） 2008,38(2) 目的研究在CAN总线网络中使用光纤替代双绞线作为传输介质的可行性及其实现方式.方法提出一种CAN总线光纤通信接口方案并用实验加以验证 .结果在各种通行波特率下对该通信接口进行测试均达到要求.该方案可在维持CAN总线系统总体结构不变的情况下实现光纤通信,基本解决了对某个或某几个CAN节点使用光纤进行信号传输的问题.结论虽然大大拓宽了CAN总线的应用领域,但因光纤与双绞线两种传输不匹配,尚待进一步研究. 9.学位论文康峰基于CAN总线的电动汽车空调检测系统研究与设计 2007 电动汽车空调较之以往的汽车空调系统无论在驱动方式还是控制策略上都产生了巨大的变化，其工作状态更为复杂，控制方式更为多样，需要建立精准的检测系统对其控制过程中涉及的关键量进行检测，以获得透明、直观的控制效果；此外，在针对系统的测试中，由于测试点增多，信号传输环境复杂，布线工作量大，一旦线路出现故障，诊断工作十分困难，同时由于数据传输线很长，导致出现数据传输速率下降，可靠性、实时性均难以保证，原本的基于串口的检测系统已经很难满足要求。根据以上背景，本文开发了基于CAN总线的电动空调检测系统，结合DSP在智能传感方面的应用，将CAN总线技术、虚拟仪器技术应用到在线检测系统中，使得测试系统的抗干扰能力、可靠性、准确性得到了保障，同时由于应用了拥有丰富外设资源的DSP处理单元，在运算速度、工作效率、节点设计小型化等方面都得到了很大的提高。此外，还针对常规应用设计了压缩机噪声声强测量系统，可以在简单的硬件配置下满足声强测量需求。 10.期刊论文黄小波.Huang Xiaobo 基于CAN总线的温度测量节点设计 -电脑与电信2010,""(2) 介绍了CAN现场总线技术及特点,提出了一种基于CAN现场总线的单个温度测量节点的设计,给出了测量节点的硬件实现框图、软件设计.系统运行结果证明:CAN总线提高了信号传输的实时性、可靠性,增加了传输距离,测量精度也得到了显著的提高. 引证文献(5条) 1.黄涛.易波基于发动机网络系统的控制方法研究[期刊论文]-测控技术 2009(4) 2.姜重然.徐斌山.张琳一种CAN总线报文优先级产生与检测方法[期刊论文]-单片机与嵌入式系统应用 2009(3) 3.王洪义.李坚.陶涛基于CP2102高速USB2.0-CAN适配卡的设计[期刊论文]-电子产品世界 2009(2) 4.姜重然.陈文平.单琳娜基于现场总线一种报文优先级产生与检测方法[期刊论文]-测控技术 2008(9) 5.佟为明.金显吉.林景波基于C8051F023微控制器的CAN总线实验系统设计与实现[期刊论文]-低压电器 2007(23) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_ddyhtyzjs200603009.aspx 授权使用：黑龙江工程学院(hljgcxy)，授权号：ff8ddcaf-df2c-4a51-991f-9e3901312f12 下载时间：2010年11月25日

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