上海嘉興寧波蘇州汽車CAN總線測試

一、概述

汽車電子設備的不斷增多，對汽車上的線束分布以及信息共享與交流提出了更高的要求。傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)往往采用單一連接的方式通信，這必將帶來線束的冗余以及維修的成本的提高。

汽車通信總線CAN總線介紹

傳統(tǒng)的單一通信的對接方式，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代汽車電子發(fā)展的需求，采用更為先進的總線技術(shù)勢在必行?？偩€技術(shù)可以實現(xiàn)信息的實時共享、解決了傳統(tǒng)布線方式中線束多、布線難、成本高等問題，從而提高整車通信的質(zhì)量與品質(zhì)。

CAN 總線（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡）由德國博世公司于上世紀 80 年代提出，近 20 年來，隨著 CAN 總線在工業(yè)測控與汽車領(lǐng)域的普及，CAN 網(wǎng)絡技術(shù)不斷優(yōu)化，取得了長足發(fā)展。如今 CAN 總線已經(jīng)成為了汽車上*重要環(huán)節(jié)，ECU 內(nèi)部的 CAN 總線開發(fā)也占到了 ECU 開發(fā)中的很大分量。在汽車中為了滿足車載系統(tǒng)的不同要求，主要采用高速 CAN 和低速 CAN。這兩者以不同的總線速率工作以獲得最佳的性價比，在兩條總線之間采用 CAN 網(wǎng)關(guān)進行連接。

高速 CAN（動力總線）：高速 CAN 總線的傳輸速率范圍在 125kbit/s – 1Mbit/s 之間，主要用于傳動系數(shù)傳輸?shù)膶崟r性要求（如發(fā)動機控制、自動變速箱控制、行駛穩(wěn)定系統(tǒng)、組合儀表等）。

低速 CAN（舒適總線）：低速 CAN 總線的傳輸速率范圍在 5kbit/s – 125kbit/s 之間。主要用于舒適系統(tǒng)和車身系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求（如空調(diào)控制、座椅調(diào)節(jié)、車窗升降等）。

二、CAN 總線特點

CAN 總線是一種串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，其中包含了 CAN 協(xié)議的物理層以及數(shù)據(jù)鏈路層?？梢酝瓿蓪?shù)據(jù)的位填充，數(shù)據(jù)塊編碼，循環(huán)冗余效驗，幀優(yōu)先級的判別等工作。其主要特點如下：

多主機方式工作，網(wǎng)絡上任意一個節(jié)點（未脫離總線）均可以隨時向總線網(wǎng)絡上發(fā)布報文幀。

節(jié)點發(fā)送的報文幀可以分為不同的優(yōu)先級，滿足不同實時要求。

采用載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）技術(shù)，當兩個節(jié)點同時發(fā)布信息時，高優(yōu)先級報文可不受影響地傳輸數(shù)據(jù)。

節(jié)點總數(shù)實際可達 110 個。

采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀最多有 8 個有效字節(jié)。

當某個節(jié)點錯誤嚴重時，具有自動關(guān)閉功能，切斷與總線的聯(lián)系，致使總線上的其他操作不受影響。

三、CAN 總線物理層

3.1 總線結(jié)構(gòu)

CAN 總線采用雙線傳輸，兩根導線分別作為 CANH、CANL，并在終端配備有 120Ω的電阻。收到總線信號時，CAN 收發(fā)器將信號電平轉(zhuǎn)化為邏輯狀態(tài)，即 CANH 與 CANL 電平相減后，得到一個插值電平。各種干擾（如點火系統(tǒng)）在兩根導線上的作用相同，相減后得到的插值電平可以濾過這些干擾。

3.2 總線電平

CAN 總線有兩種邏輯電平狀態(tài)，即顯性與隱性。顯性電平代表“0”，隱性電平代表“1”。采用非歸零碼編碼，即在兩個相同電平之間并不強制插入一個零狀態(tài)電平。高速 CAN 在傳輸隱性位時，CAN-H 與 CAN-L 上的電平位均為 2.5V；在傳輸顯性位時分別為 3.5V 與 1.5V。低速 CAN 在傳輸隱性狀態(tài)位時，CAN-H 上的電平為 0V，CAN-L 上的電平位 5V。在傳輸顯性狀態(tài)位時，CAN-H 上的電平位 3.6V，CAN_L 的位 1.4V。

為了確保通訊的正確性，總線信號必須在一定時間內(nèi)出現(xiàn)在總線上，并且保證被正確采樣?？偩€信號傳輸有一定的時間延遲，最大的可靠的總線波特率與總線長度有。

ISO11898 中對各種總線長度有著以下定義：

1Mbit/s 總線長度為 40m（規(guī)范）。

500kbit/s 總線長度最大值為 100m（建議值）。

250kbit/s 總線長度最大值為 250m。

125kbit/s 總線長度最大值為 500m。

40kbit/s 總線長度最大值為 1000m。

四、CAN 總線硬件設備

CAN 通信線纜，實現(xiàn)節(jié)點的互聯(lián)，是傳輸數(shù)據(jù)的通道。主要有：普通雙絞線，同軸電纜，光纖。

CAN 驅(qū)動/接收器，將信息封裝為幀后發(fā)送，接收到的幀將其還原為信息、標定并報告節(jié)點狀態(tài)。

CAN 控制器，專按協(xié)議要求設計制造，經(jīng)簡單總線連接即可實現(xiàn) CAN 的全部功能。包括：TJA1042(NXP)、SJA1000(Philips)、82527(Intel)。

CAN 微控制器，嵌有部分或全部 CAN 控制模塊及相關(guān)接口的通用型微控制器現(xiàn)如今很多芯片都配備 CAN 接口。

五、CAN 報文幀結(jié)構(gòu)

在 CAN 總線上，報文是以“幀”來發(fā)送的，每一幀都包含以下幾個部分：

1. 幀起始

在總線空閑時，總線為隱性狀態(tài)。幀起始由單個顯性位構(gòu)成，標志著報文的開始，并在總線上起著同步作用。

2. 仲裁段

仲裁的主要是定義了報文的標識符，也俗稱 ID。在 CAN2.0A 規(guī)范中，標識符為 11 位，而在 CAN2.0B 中變?yōu)榱?29 位。這意味著在 2.0B 中可以存在更多不同類型的報文，但是也降低了總線的利用率。

3. 控制段

主要定義了數(shù)據(jù)域字節(jié)的長度。通過數(shù)據(jù)長度碼，接收節(jié)點可以判斷報文數(shù)據(jù)是否完整。

4. 數(shù)據(jù)域

包含有 0~8 個字節(jié)數(shù)據(jù)。

5. CRC 域

CRC 又稱循環(huán)冗余碼效驗（Cyclical Redundancy Check），是數(shù)據(jù)通信中常見的查錯方法。

6. ACK 域

用于接收節(jié)點的反饋應答。

7. 幀結(jié)束

由一串 7 個隱性位組成，表示報文幀的結(jié)束。

Ps：在 CAN 總線的開發(fā)中，核心的關(guān)注點就是CAN 報文 ID 以及其數(shù)據(jù)域。根據(jù)客戶的要求，ECU 接收自己感興趣的 ID 報文的同時，也向外發(fā)送別的 ECU 所需要的 ID 報文。一般不同整車廠在開發(fā)自己的 CAN 協(xié)議規(guī)范的同時，也會有自己的checksum 機制，不滿足 checksum 的報文，數(shù)據(jù)將不會被 ECU 所接收。

六、仲裁機制

仲裁是總線應用中一個相當重要的概念，在 CAN 總線采用載波偵聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD)技術(shù)。如果總線空閑(隱性位)，有報文準備發(fā)送，那么每一個節(jié)點都可以開始發(fā)送報文。報文以顯性位(報文幀開始位)開始，接著是標識符。如果多個節(jié)點同時開始發(fā)送報文，那么使用“線與”仲裁機制(仲裁用邏輯“與”)來解決總線沖突，確定優(yōu)先級*高的報文，而不需要損失時間或數(shù)據(jù)(非破壞性仲裁)。仲裁機制使用標識符為判斷依據(jù)，不僅代表報文幀的內(nèi)容，還代表報文幀發(fā)送的優(yōu)先級。二進制數(shù)越小的標識符，優(yōu)先級越高；反之亦然。

如上圖，ECU 單元 1 和 ECU 單元 2 同時開始向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，開始部分他們的數(shù)據(jù)格式是一樣的，故無法區(qū)分優(yōu)先級，直到 T 時刻，單元 1 輸出隱性電平，而單元 2 輸出顯性電平，此時單元 1 仲裁失利，立刻轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)工作，不再與單元 2 競爭，而單元 2 則順利獲得總線使用權(quán)，繼續(xù)發(fā)送自己的數(shù)據(jù)。

七、CAN 報文幀種類

CAN 總線報文傳輸有以下 4 種不同的格式：

數(shù)據(jù)幀：由發(fā)送節(jié)點發(fā)出，包含 0 – 8 個數(shù)據(jù)字節(jié)。

遠程幀：發(fā)送遠程幀向網(wǎng)絡節(jié)點請求發(fā)送某一標識符的數(shù)據(jù)幀。

錯誤幀：總線節(jié)點發(fā)現(xiàn)錯誤時，以錯誤幀的方式通知網(wǎng)絡上的其他節(jié)點。

過載幀：發(fā)送過載幀，表示當前節(jié)點不能處理后續(xù)的報文（如幀延遲等）。 Ps：為了保持總線的利用率，在車載總線上數(shù)據(jù)幀的報文一般均為 8 字節(jié)。

八、CAN 總線錯誤

CAN 總線將錯誤分為臨時性錯誤和長期性錯誤。前者主要由外部因素引起，如總線上驅(qū)動電壓波形不規(guī)整、有尖峰或毛刺時，其數(shù)據(jù)傳輸性能會受到一定程度的短期干擾。長期性錯誤則主要由網(wǎng)絡組建非正常狀況引起，比如接觸不良、線路故障、發(fā)送器或接收器失效等。CAN 中每個具有數(shù)據(jù)通信能力的網(wǎng)絡單元內(nèi)部都集成有一個發(fā)送錯誤計數(shù)器和接受錯誤計數(shù)器，當該單元在數(shù)據(jù)發(fā)送階段出現(xiàn)一次錯誤時，其發(fā)送錯誤計數(shù)器自加 8；在數(shù)據(jù)接收階段出現(xiàn)一次錯誤時，其接收錯誤計數(shù)器自加 1。在相應計數(shù)器內(nèi)容非 0 的情況下，網(wǎng)絡單元每成功發(fā)送一幀，發(fā)送錯誤計數(shù)器自減 1；每成功接收一幀，接收錯誤計數(shù)內(nèi)容原本小于 127 時自減 1，大于 127 時被置為 119 – 127 之間任意值。這樣，如果某個網(wǎng)絡單元的錯誤計數(shù)在不斷增長，就說明該單元的數(shù)據(jù)通信在頻繁發(fā)生故障。當計數(shù)器內(nèi)容超過一定閾值時，可以認為該故障是由長期性錯誤引起的。這種機制保證了當某一個節(jié)點出現(xiàn)故障的時候，不會造成總線長時間癱瘓。