上海嘉興寧波蘇州汽車CAN總線測試

一,、概述

汽車電子設(shè)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(jìn)的總線技術(shù)勢在必行,。總線技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)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(luò)）由德國博世公司于上世紀(jì) 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(luò)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(jià)比,，在兩條總線之間采用 CAN 網(wǎng)關(guān)進(jìn)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?shí)時(shí)性要求（如發(fā)動機(jī)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?shí)時(shí)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(diǎn)

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(yàn),，幀優(yōu)先級的判別等工作。其主要特點(diǎn)如下：

多主機(jī)方式工作,，網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)（未脫離總線）均可以隨時(shí)向總線網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布報(bào)文幀,。

節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文幀可以分為不同的優(yōu)先級，滿足不同實(shí)時(shí)要求,。

采用載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）技術(shù),，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)布信息時(shí)，高優(yōu)先級報(bào)文可不受影響地傳輸數(shù)據(jù),。

節(jié)點(diǎn)總數(shù)實(shí)際可達(dá) 110 個(gè),。

采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀最多有 8 個(gè)有效字節(jié),。

當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)錯誤嚴(yán)重時(shí),，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(dǎo)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(shí)，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(gè)插值電平,。各種干擾（如點(diǎn)火系統(tǒng)）在兩根導(dǎo)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(gè)相同電平之間并不強(qiáng)制插入一個(gè)零狀態(tài)電平,。高速 CAN 在傳輸隱性位時(shí),，CAN-H 與 CAN-L 上的電平位均為 2.5V；在傳輸顯性位時(shí)分別為 3.5V 與 1.5V,。低速 CAN 在傳輸隱性狀態(tài)位時(shí),，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(shí),，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(shí)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(shí)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(shè)備

CAN 通信線纜,，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)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(biāo)定并報(bào)告節(jié)點(diǎn)狀態(tài),。

CAN 控制器,，專按協(xié)議要求設(shè)計(jì)制造，經(jīng)簡單總線連接即可實(shí)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(bào)文幀結(jié)構(gòu)

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

1. 幀起始

在總線空閑時(shí),，總線為隱性狀態(tài),。幀起始由單個(gè)顯性位構(gòu)成，標(biāo)志著報(bào)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(bào)文的標(biāo)識符，也俗稱 ID,。在 CAN2.0A 規(guī)范中,，標(biāo)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(bào)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(diǎn)可以判斷報(bào)文數(shù)據(jù)是否完整。

4. 數(shù)據(jù)域

包含有 0~8 個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù),。

5. CRC 域

CRC 又稱循環(huán)冗余碼效驗(yàn)（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(diǎn)的反饋應(yīng)答,。

7. 幀結(jié)束

由一串 7 個(gè)隱性位組成,，表示報(bào)文幀的結(jié)束。

Ps：在 CAN 總線的開發(fā)中,，核心的關(guān)注點(diǎn)就是CAN 報(bào)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(bào)文的同時(shí),，也向外發(fā)送別的 ECU 所需要的 ID 報(bào)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(shí),，也會有自己的checksum 機(jī)制,，不滿足 checksum 的報(bào)文,，數(shù)據(jù)將不會被 ECU 所接收。

六,、仲裁機(jī)制

仲裁是總線應(yīng)用中一個(gè)相當(dāng)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(bào)文準(zhǔn)備發(fā)送,，那么每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以開始發(fā)送報(bào)文。報(bào)文以顯性位(報(bào)文幀開始位)開始,，接著是標(biāo)識符,。如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)開始發(fā)送報(bào)文，那么使用“線與”仲裁機(jī)制(仲裁用邏輯“與”)來解決總線沖突,，確定優(yōu)先級*高的報(bào)文,，而不需要損失時(shí)間或數(shù)據(jù)(非破壞性仲裁)。仲裁機(jī)制使用標(biāo)識符為判斷依據(jù),，不僅代表報(bào)文幀的內(nèi)容,，還代表報(bào)文幀發(fā)送的優(yōu)先級。二進(jìn)制數(shù)越小的標(biāo)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(shí)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(shí)刻,，單元 1 輸出隱性電平，而單元 2 輸出顯性電平,，此時(shí)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(bào)文幀種類

CAN 總線報(bào)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(diǎn)發(fā)出,，包含 0 – 8 個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。

遠(yuǎn)程幀：發(fā)送遠(yuǎn)程幀向網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)請求發(fā)送某一標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀,。

錯誤幀：總線節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)錯誤時(shí),，以錯誤幀的方式通知網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)。

過載幀：發(fā)送過載幀，表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)不能處理后續(xù)的報(bào)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(bào)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(shí)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(shí),，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(luò)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(gè)具有數(shù)據(jù)通信能力的網(wǎng)絡(luò)單元內(nèi)部都集成有一個(gè)發(fā)送錯誤計(jì)數(shù)器和接受錯誤計(jì)數(shù)器,，當(dāng)該單元在數(shù)據(jù)發(fā)送階段出現(xiàn)一次錯誤時(shí)，其發(fā)送錯誤計(jì)數(shù)器自加 8,；在數(shù)據(jù)接收階段出現(xiàn)一次錯誤時(shí),，其接收錯誤計(jì)數(shù)器自加 1。在相應(yīng)計(jì)數(shù)器內(nèi)容非 0 的情況下,，網(wǎng)絡(luò)單元每成功發(fā)送一幀,，發(fā)送錯誤計(jì)數(shù)器自減 1；每成功接收一幀,，接收錯誤計(jì)數(shù)內(nèi)容原本小于 127 時(shí)自減 1,，大于 127 時(shí)被置為 119 – 127 之間任意值。這樣,，如果某個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元的錯誤計(jì)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(dāng)計(jì)數(shù)器內(nèi)容超過一定閾值時(shí),，可以認(rèn)為該故障是由長期性錯誤引起的,。這種機(jī)制保證了當(dāng)某一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障的時(shí)候，不會造成總線長時(shí)間癱瘓,。