上海嘉興寧波蘇州汽車(chē)CAN總線(xiàn)測試

上海嘉興寧波蘇州汽車(chē)CAN總線(xiàn)測試

一、概述

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

汽車(chē)通信總線(xiàn)CAN總線(xiàn)介紹

傳統的單一通信的對接方式，已經(jīng)不能滿(mǎn)足現代汽車(chē)電子發(fā)展的需求，采用更為先進(jìn)的總線(xiàn)技術(shù)勢在必行?？偩€(xiàn)技術(shù)可以實(shí)現信息的實(shí)時(shí)共享、解決了傳統布線(xiàn)方式中線(xiàn)束多、布線(xiàn)難、成本高等問(wèn)題，從而提高整車(chē)通信的質(zhì)量與品質(zhì)。

CAN 總線(xiàn)（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò )）由德國博世公司于上世紀 80 年代提出，近 20 年來(lái)，隨著(zhù) CAN 總線(xiàn)在工業(yè)測控與汽車(chē)領(lǐng)域的普及，CAN 網(wǎng)絡(luò )技術(shù)不斷優(yōu)化，取得了長(cháng)足發(fā)展。如今 CAN 總線(xiàn)已經(jīng)成為了汽車(chē)上*重要環(huán)節，ECU 內部的 CAN 總線(xiàn)開(kāi)發(fā)也占到了 ECU 開(kāi)發(fā)中的很大分量。在汽車(chē)中為了滿(mǎn)足車(chē)載系統的不同要求，主要采用高速 CAN 和低速 CAN。這兩者以不同的總線(xiàn)速率工作以獲得最佳的性?xún)r(jià)比，在兩條總線(xiàn)之間采用 CAN 網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接。

高速 CAN（動(dòng)力總線(xiàn)）：高速 CAN 總線(xiàn)的傳輸速率范圍在 125kbit/s – 1Mbit/s 之間，主要用于傳動(dòng)系數傳輸的實(shí)時(shí)性要求（如發(fā)動(dòng)機控制、自動(dòng)變速箱控制、行駛穩定系統、組合儀表等）。

低速 CAN（舒適總線(xiàn)）：低速 CAN 總線(xiàn)的傳輸速率范圍在 5kbit/s – 125kbit/s 之間。主要用于舒適系統和車(chē)身系統的數據傳輸的實(shí)時(shí)性要求（如空調控制、座椅調節、車(chē)窗升降等）。

二、CAN 總線(xiàn)特點(diǎn)

CAN 總線(xiàn)是一種串行數據通訊協(xié)議，其中包含了 CAN 協(xié)議的物理層以及數據鏈路層?？梢酝瓿蓪祿奈惶畛?，數據塊編碼，循環(huán)冗余效驗，幀優(yōu)先級的判別等工作。其主要特點(diǎn)如下：

多主機方式工作，網(wǎng)絡(luò )上任意一個(gè)節點(diǎn)（未脫離總線(xiàn)）均可以隨時(shí)向總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上發(fā)布報文幀。

節點(diǎn)發(fā)送的報文幀可以分為不同的優(yōu)先級，滿(mǎn)足不同實(shí)時(shí)要求。

采用載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突檢測（CSMA/CD）技術(shù)，當兩個(gè)節點(diǎn)同時(shí)發(fā)布信息時(shí)，高優(yōu)先級報文可不受影響地傳輸數據。

節點(diǎn)總數實(shí)際可達 110 個(gè)。

采用短幀結構，每一幀最多有 8 個(gè)有效字節。

當某個(gè)節點(diǎn)錯誤嚴重時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉功能，切斷與總線(xiàn)的聯(lián)系，致使總線(xiàn)上的其他操作不受影響。

三、CAN 總線(xiàn)物理層

3.1 總線(xiàn)結構

CAN 總線(xiàn)采用雙線(xiàn)傳輸，兩根導線(xiàn)分別作為 CANH、CANL，并在終端配備有 120Ω的電阻。收到總線(xiàn)信號時(shí)，CAN 收發(fā)器將信號電平轉化為邏輯狀態(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）在兩根導線(xiàn)上的作用相同，相減后得到的插值電平可以濾過(guò)這些干擾。

3.2 總線(xiàn)電平

CAN 總線(xiàn)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(xiàn)信號必須在一定時(shí)間內出現在總線(xiàn)上，并且保證被正確采樣?？偩€(xiàn)信號傳輸有一定的時(shí)間延遲，最大的可靠的總線(xiàn)波特率與總線(xiàn)長(cháng)度有。

ISO11898 中對各種總線(xiàn)長(cháng)度有著(zhù)以下定義：

1Mbit/s 總線(xiàn)長(cháng)度為 40m（規范）。

500kbit/s 總線(xiàn)長(cháng)度最大值為 100m（建議值）。

250kbit/s 總線(xiàn)長(cháng)度最大值為 250m。

125kbit/s 總線(xiàn)長(cháng)度最大值為 500m。

40kbit/s 總線(xiàn)長(cháng)度最大值為 1000m。

四、CAN 總線(xiàn)硬件設備

CAN 通信線(xiàn)纜，實(shí)現節點(diǎn)的互聯(lián)，是傳輸數據的通道。主要有：普通雙絞線(xiàn)，同軸電纜，光纖。

CAN 驅動(dòng)/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、標定并報告節點(diǎn)狀態(tài)。

CAN 控制器，專(zhuān)按協(xié)議要求設計制造，經(jīng)簡(jiǎn)單總線(xiàn)連接即可實(shí)現 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如今很多芯片都配備 CAN 接口。

五、CAN 報文幀結構

在 CAN 總線(xiàn)上，報文是以“幀”來(lái)發(fā)送的，每一幀都包含以下幾個(gè)部分：

1. 幀起始

在總線(xiàn)空閑時(shí)，總線(xiàn)為隱性狀態(tài)。幀起始由單個(gè)顯性位構成，標志著(zhù)報文的開(kāi)始，并在總線(xiàn)上起著(zhù)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(chēng) ID。在 CAN2.0A 規范中，標識符為 11 位，而在 CAN2.0B 中變?yōu)榱?29 位。這意味著(zhù)在 2.0B 中可以存在更多不同類(lèi)型的報文，但是也降低了總線(xiàn)的利用率。

3. 控制段

主要定義了數據域字節的長(cháng)度。通過(guò)數據長(cháng)度碼，接收節點(diǎn)可以判斷報文數據是否完整。

4. 數據域

包含有 0~8 個(gè)字節數據。

5. CRC 域

CRC 又稱(chēng)循環(huán)冗余碼效驗（Cyclical Redundancy Check），是數據通信中常見(jiàn)的查錯方法。

6. ACK 域

用于接收節點(diǎn)的反饋應答。

7. 幀結束

由一串 7 個(gè)隱性位組成，表示報文幀的結束。

Ps：在 CAN 總線(xiàn)的開(kāi)發(fā)中，核心的關(guān)注點(diǎn)就是CAN 報文 ID 以及其數據域。根據客戶(hù)的要求，ECU 接收自己感興趣的 ID 報文的同時(shí)，也向外發(fā)送別的 ECU 所需要的 ID 報文。一般不同整車(chē)廠(chǎng)在開(kāi)發(fā)自己的 CAN 協(xié)議規范的同時(shí)，也會(huì )有自己的checksum 機制，不滿(mǎn)足 checksum 的報文，數據將不會(huì )被 ECU 所接收。

六、仲裁機制

仲裁是總線(xiàn)應用中一個(gè)相當重要的概念，在 CAN 總線(xiàn)采用載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突檢測(CSMA/CD)技術(shù)。如果總線(xiàn)空閑(隱性位)，有報文準備發(fā)送，那么每一個(gè)節點(diǎn)都可以開(kāi)始發(fā)送報文。報文以顯性位(報文幀開(kāi)始位)開(kāi)始，接著(zhù)是標識符。如果多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)開(kāi)始發(fā)送報文，那么使用“線(xiàn)與”仲裁機制(仲裁用邏輯“與”)來(lái)解決總線(xiàn)沖突，確定優(yōu)先級*高的報文，而不需要損失時(shí)間或數據(非破壞性仲裁)。仲裁機制使用標識符為判斷依據，不僅代表報文幀的內容，還代表報文幀發(fā)送的優(yōu)先級。二進(jìn)制數越小的標識符，優(yōu)先級越高；反之亦然。

如上圖，ECU 單元 1 和 ECU 單元 2 同時(shí)開(kāi)始向總線(xiàn)發(fā)送數據，開(kāi)始部分他們的數據格式是一樣的，故無(wú)法區分優(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(xiàn)使用權，繼續發(fā)送自己的數據。

七、CAN 報文幀種類(lèi)

CAN 總線(xiàn)報文傳輸有以下 4 種不同的格式：

數據幀：由發(fā)送節點(diǎn)發(fā)出，包含 0 – 8 個(gè)數據字節。

遠程幀：發(fā)送遠程幀向網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)請求發(fā)送某一標識符的數據幀。

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

過(guò)載幀：發(fā)送過(guò)載幀，表示當前節點(diǎn)不能處理后續的報文（如幀延遲等）。 Ps：為了保持總線(xiàn)的利用率，在車(chē)載總線(xiàn)上數據幀的報文一般均為 8 字節。

八、CAN 總線(xiàn)錯誤

CAN 總線(xiàn)將錯誤分為臨時(shí)性錯誤和長(cháng)期性錯誤。前者主要由外部因素引起，如總線(xiàn)上驅動(dòng)電壓波形不規整、有尖峰或毛刺時(shí)，其數據傳輸性能會(huì )受到一定程度的短期干擾。長(cháng)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(xiàn)路故障、發(fā)送器或接收器失效等。CAN 中每個(gè)具有數據通信能力的網(wǎng)絡(luò )單元內部都集成有一個(gè)發(fā)送錯誤計數器和接受錯誤計數器，當該單元在數據發(fā)送階段出現一次錯誤時(shí)，其發(fā)送錯誤計數器自加 8；在數據接收階段出現一次錯誤時(shí)，其接收錯誤計數器自加 1。在相應計數器內容非 0 的情況下，網(wǎng)絡(luò )單元每成功發(fā)送一幀，發(fā)送錯誤計數器自減 1；每成功接收一幀，接收錯誤計數內容原本小于 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 )單元的錯誤計數在不斷增長(cháng)，就說(shuō)明該單元的數據通信在頻繁發(fā)生故障。當計數器內容超過(guò)一定閾值時(shí)，可以認為該故障是由長(cháng)期性錯誤引起的。這種機制保證了當某一個(gè)節點(diǎn)出現故障的時(shí)候，不會(huì )造成總線(xiàn)長(cháng)時(shí)間癱瘓。