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CAN总线网络是如何工作的

数据传输规则

利用CAN来传输数据时,是没有寻址步骤，但每个信息内容都被分配了一个全网通用的特殊标识符。这个标识符不仅仅可以界定数据的内容还可以定义数据的优先级。对于总线而言，当几个站点同时竞争权限时,这种配置十分重要。

如果一个给定的站的中央处理器希望发送一个消息到一个或多个站点时，它会把内容与它的标识符发送到指定的CAN芯片,并使之进入准备状态;为了传输数据所有处理器都需要完成这一步骤。CAN芯片构建并解读完成制定数据。一旦CAN芯片接收到中线分配指令（“发送信息”），其他所有的站就会成为这个消息的接收者（“接收信息”）。每一个接受正确指令的站点,会成为一个测试点并确定接受的消息跟自己是否有关联。如果接受的数据对此站点有用，他就会接受这个消息，否则忽略跳过。面向内容的解决方案是系统配置灵活性的高度体现。假如新的站点是单纯的接收器。

在CAN当中加入新的站不需要对已存在的站进行任何软件或硬件上的改动。因为数据传输协议不会要求单个组件的物理地址，所以它支持模块化电子的概念，也允许多个接收（广播，多播）和同步的分布式过程：而且几个控制器测量得到的数据都通过网络传输。这样就不需要每个控制器都安装一个传感器。

1 利用CAN站点的信号传输与接受过滤

图2非破坏性主委仲裁原理图

非破坏性的逐位仲裁

对于要进行实时处理的数据，数据的传输速度要非常迅速。这不仅需要一个到达1 Mbit / s的物理数据传输路径，还需要总线快速对几个站点同时发送信息的传输申请进行处理。

当处理实时信息的过程中，网络信息传输的前后迫切性是有不同需求的：高速变换的数据比起慢速变换的数据需要更快更频繁且低延迟的传输效率。一个数据的优先级比另外一个数据高是由它的标识符来决定的。用二进制来设定系统的时候优先级就已经被确定且不会改变。拥有最低二进制值得标识符对应最高的优先级，以此类推。

发生总线冲突时会根据逐位仲裁原则对每个标识符进行逐位观察来解决优先级问题。按照有线的机制（他可以让逻辑电平0来覆盖掉逻辑电平1），当所有站的数据被传输并观察后总线冲突的问题得到解决。所有被覆盖的站将优先成为消息接收器，且在总线恢复之前一直保持此状态。

总线分配效率

总线分配的效率主要由串行总线的合理运用来决定。为了确定哪个哪个总线系统跟哪个运用申请更为匹配，本文介绍一个总线分配程序的方法。一般我们非为下面几类：

• 分配一个固定的时间表

无论一个站是否需要在一个时刻使用总线（例如：令牌的插槽或令牌传递），系统都会按照循序来给每一个站分配总线且直到他持续时间结束。

• 根据需求来分配总线

总线被分配到一个有未被完成传输的请求的站上面，也就是只有传输请求的站点才可以分配到到总线资源（CSMA，CSMA/CD，飞行高手，轮转或逐位仲裁）。在CAN来说，总线分配是让所有待处理的信息完成一次整定，因此CAN规定就是根据需求来分类随后总线分配到有需求的站点之上。

• 另一种评估总线仲裁系统效率的方法是总线访问方法：
• 无损总线访问

这个方式下总线在单一总线（可由多个站来完成）接入后的特定时间内被分配到唯一的一个站上。这会保证每个站得到一个清晰的总线分配时间）（例子：令牌插槽，令牌，轮转，逐位仲裁。）

• 有损的总线分配

同时由多个站来分享总线资源可能导致传输终止，从而导致无法分配总线。为了分配总线让多个总线接入是必要的，而且总线分配之前的尝试次数可作为一个统计量来看。

为了在尽量低的传输速率下完成CAN网络的所有传输请求，并且有尽量小的延迟约束，CAN协议必须实现一个总线分配的方法，保证即使在有来自不同站的总线访问同时发生时，始终有明确的总线分配，

逐位仲裁借助开始部分的标识符优先级低的站点主动停止发送消息。而且它在最近的13（标准格式）或33（扩展格式）位周期为任何总线访问期间。不像由CSMA/CD那种消息明智的仲裁，逐位仲裁可以确保所传输信息的有效性。

跟CSMA/CD、令牌协议比较起来CAN也毫不逊色。即使在总线过载的情况下，总线访问优先级消息的内容被证明是有价值的系统。尽管它的传输容量不是很大，但它会根据信息的重要程度对所有未完成的传输请求做出完整处理（由消息优先级确定）。

为了有效地利用现有的传输容量来传输有用的数据，因为超载会导致整个传输系统的崩溃，总线分配要保持非常小。系统崩溃导致CAN与CSMA/CD协议不能够同时出现。因此，可以实现快速、交通相关的总线访问，无损逐位仲裁基于消息优先采用。

• 无损的总线接入可以进一步分类：
• 集中总线访问控制
• 分散总线访问控制

这取决于在系统中存在几次控制机制

只有一次（集中）

一次以上（分散）

为完成与指定站之间的通信系统（除其他外的集中总线访问控制）我们必须提供一种策略，以在主站故障时能够发挥作用。但它的的缺点是，故障管理的策略的实施非常困难和昂贵，且让一个多余的站来回收总线资源是非常耗时的。

因为这些原因，为了绕过主站的可靠性问题（以及整个通信系统的可靠性），可以采用分散的总线控制。因为只有唯一的方式，所有主要的通信机制，包括总线访问控制，在系统中实现了好几次，以满足高要求的通信系统的可用性。

可以说，CAN通过一个无损总线接入控制跟分散式总线接入控制实现了根据各个站的优先级来拟定最少的总线分配来完成更多的数据传输的总线分配系统。总线仲裁程序的效率提高是因为总线总是在被那些等待发送请求的站来使用。

这些请求的处理顺序取决于它对整个系统的重要性（优先级）。所以在过载情况下它的性能更加优秀。因为总线分配是由信息重要程度分配的。这解决了实时系统中高优先级个体的延迟。

图3数据帧格式示意图

消息帧格式

CAN协议支持两个消息帧格式，它们唯一的区别是标识符长度上的区别。在标准格式的标识符的长度是11位，而在扩展格式的长度是29位。在总线上发送消息的是消息帧。它有七个位域范围。

在标准格式的消息从起始比特“帧起始”开始，紧接着是“仲裁域”

仲裁域:由11位标识符ID10-ID0)和远程发送请求位(RTR)组成，RTR为显性表示该帧为数据帧，隐性表示该帧为远程帧;标识符由高至低按次序发送，且前7位(ID10-ID4)不能全为显性位。标识符ID用来描述数据的含义而不用于通信寻址，CAN总线的帧是没有寻址功能的。标识符还用于决定报文的优先权，ID值越低优先权越高，在竞争总线时，优先权高的报文优先发送，优先权低报文退出总线竞争。CAN总线竞争的算法效率很高，是一种非破坏性竞争。

“控制域”领域包含IDE（标识符扩展）位（IDE分辨标准格式和扩展格式）一位保留为将来的扩展，最后的4位确定数据字段中的数据的字节数。

“数据域”的范围从0到8字节的长度，其次是“循环冗余码校验域

”。用于帧校验。

应答域:由应答间隙和应答界定符组成，共两位;发送站发送两个隐性位，接收站在应答间隙中发送显性位。应答界定符必须是隐性位。

帧结束:由7位隐性位组成。

“暂停帧”是位周期的最小数目的连续信息分离。如果没有任何一站的巴士，总线仍然闲置（“闲置”）。

霍尔电流传感器及其应用

在现代社会中，信息化的需求越来越庞大，传感器在信息采集中发挥了重要作用。他们可以把各种物理信息，按照一定的规则，转化可测量的电信号。根据我们所测量的电信号，在相关的物理信息的关系的变化的基础上，我们可以得到所测量的物理信息的变化或大小。

根据该传感器的工作原理，我们可以划分成多种类型的传感器，如光电传感器，电荷传感器，电位型传感器，半导体传感器，电传感器，磁传感器，谐振式传感器，电动化学式传感器等。

霍尔传感器是利用霍尔元件的霍尔效应原理，可以将测量所需的物理信息，如电流，磁场，位移，压力等，转化为电动势输出。它属于电位型传感器。目前，这种传感器的霍尔集成电路的主要核心单元是基于霍尔效应的集成电路技术。因此，它不仅是一种集成电路，也是一种磁传感器。

本文根据实际的应用，主要介绍霍尔电流传感器。

霍尔效应

当我们的金属或半导体晶片放置在一个磁场，并且如果有一个通过它的电流，它会产生电动势，在垂直方向上的电场和磁场，此种物理现象称为霍尔效应。

图1霍尔效应原理图

在电子磁场中产生的洛伦兹力的作用下，通电的半导体芯片的载流子，（电子或者空穴）分别偏转和积累在芯片的两侧，从而形成一个电场，称为霍尔电场。霍尔电场产生的电场力，与洛伦兹力方向相反，阻碍了载流子的继续堆积，直到霍尔电场的大小等于洛仑兹力。芯片的两侧上，此时，将得到一个稳定的电压，这是霍尔电压。

霍尔电流传感器

随着城市人口和城市建设规模的扩大，​​以及各种电气设备的增加，功耗也越做越大。城市的供电设备经常超载，而电源环境变得越来越坏，电气的检测变得尤为重要。因此，电源的问题越来越多的显然出来。现在，小功率电源设备已经越来越多的新技术相结合。例如，开关电源，硬切换，软切换，参数稳压器，线性反馈稳压器，磁放大器技术，数控压力调节，PWM，SPWM，电磁兼容等实际需求直接推动电源技术的发展和进步。为了自动检测并显示当前供电状况，当发生过电流，过电压的危害时，需要更先进的自动保护功能的智能控制。电源技术与传感检测，传感采样，传感保护已成为一种趋势。传感器检测电流或电压，所谓的霍尔电流传感器应运而生，并迅速受到我国的供电行业中设计师的喜爱。

2.1霍尔电流传感器的性能特性

霍尔电流传感器具有优越的性能，并且它是一种先进的电检测元件，它可以隔离的主回路和电子控制电路。它有变压器和分流器的所有优点，并且在同一时间，克服了它们的缺点（变压器只有在施加的电源频率为50赫兹的时候进行测量，分流器是无法做隔离测量）。使用同一个霍尔电流传感器模块检测所需参数，不仅可以测试AC，也可以检测直流，甚至可以检测瞬时峰值。它具有下列性能特点。

●测量任意波形的电流，如DC，AC，乃至瞬态峰值的测量参数;

●精度高。在工作区中的一般霍尔电流传感器模块的精度高于1％，并且是适用于任何波形测量精度;

●线性度高于0.5％;

●良好的动态性能。一般的霍尔传感器模块的动态响应时间小于为7mu;s，跟踪速度di / dt高于50A/mu;s;

●工作频段宽。它可以非常好的工作在频率范围从0到20 KHZ之内;

●过载能力强。测量范围宽（0〜plusmn;10000A）;

●高可靠性。平均无故障工作小时超过5times;10000;

●体积小，重量轻，易于安装，不会给系统带来任何损失。

鉴于上述的高性能特性，霍尔电流传感器获得了广泛的应用。

2.2霍尔电流传感器的原理

霍尔电流传感器可以测量各种电流，从DC到AC几十千赫兹。工作的基本原理主要是霍尔效应。

2.2.1开环电流传感器

当原边电流Ip流通过一个长的导线，它会在导线周围产生一个磁场，并且磁场的大小与通过电线的电流的大小成比例，磁性环内聚集了主要的磁场。通过霍尔元件之间的磁性环间隙，它可以测量和输出的放大的结果，精确地反映的原边电流Ip的输出电压Vs。一般的额定输出为4V。

图2开环电流传感器的原理图

此方式具有许多优点。它具有结构简单，可测量直流，交流和各种波形的电流。此外，较高的测量结果的精度和线性。但是，它的测量范围和带宽被限制到一定程度。在此应用中，霍尔器件的磁检测器检测铁心磁路的气隙中的磁感应强度。电流增大后，芯可以达到饱和，随着频率的增加，涡流损耗和磁滞损耗的核心也将增加。这些会影响测量精度。

通过这种方法，结果将输出的电压信号的形式，并可以很容易地在附加装置中显示出来。

2.2.2闭环电流传感器

图3闭环电流传感器的原理图

磁平衡式电流传感器也称补偿式传感器．即主回路被测电流Ip在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈电流所产生的磁场进行补偿．从而使霍尔器件处于检测零磁通的工作状态。

根据安培定律．流过导体的 电流I会在该导体周围产生一个磁场。磁平衡式电流传感器的具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被聚磁环聚集并感应到霍尔器件上， 所产生的信号输出用于驱动相应的功率管并使其导通，从而获得一个补偿电流Is。 这一电流再通过多匝绕组产生磁场 ，该磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场， 使霍尔器件的输出逐渐减小。当与Ip与匝数相乘 所产生的磁场相等时，Is不再增加，这时的霍尔器件起指示零磁通的作用 ，此时可以通过Is来平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。 一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不到1mu;s，这是一个动态平衡的过程。磁平衡式霍尔检零电流传感器的主要特点是磁路铁心不会饱和邻近电流传感器的导电母线排所产生的外部磁场会对磁平衡式霍尔检零电流传感器的准确测量有一定影响。LEM公司所采取的办法是用补偿线圈进行补偿，消除其影响。

2.3霍尔电流传感器在智

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