CAN總線的概念/工作原理/組成/結(jié)構(gòu)

文章內(nèi)容：

什么是CAN總線

CAN總線幀組成

CAN總線結(jié)構(gòu)

CAN總線協(xié)議結(jié)構(gòu)

CAN總線解析的實測案例

什么是CAN總線

控制器局域網(wǎng)總線(CAN，Controller Area Network)是一種用于實時應(yīng)用的串行通訊協(xié)議總線，它可以使用雙絞線來傳輸信號，是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN協(xié)議用于汽車中各種不同元件之間的通信，以此取代昂貴而笨重的配電線束。

汽車CAN總線由CAN控制器、CAN收發(fā)器、數(shù)據(jù)傳輸線、數(shù)據(jù)傳輸終端等組成。CB311的ECU(發(fā)動機控制單元)、TCU(變速器控制單元)、FEPS(無鑰匙進入和無鑰匙啟動系統(tǒng))、組合儀表四個電控單元通過CAN總線連接，CAN控制器、CAN收發(fā)器均集成在電控單元中。CAN總線的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CAN總線的總體結(jié)構(gòu)

CAN協(xié)議的特性包括完整性的串行數(shù)據(jù)通訊、提供實時支持、傳輸速率高達1Mb/s、同時具有11位的尋址以及檢錯能力。

CAN總線的工作原理

CAN總線使用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，可以1Mb/s的速率在40m的雙絞線上運行，也可以使用光纜連接，而且在這種總線上總線協(xié)議支持多主控制器。

CAN與I2C總線的許多細節(jié)很類似，但也有一些明顯的區(qū)別。當CAN總線上的一個節(jié)點(站)發(fā)送數(shù)據(jù)時，它以報文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點。對每個節(jié)點來說，無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的，都對其進行接收。每組報文開頭的11位字符為標識符，定義了報文的優(yōu)先級，這種報文格式稱為面向內(nèi)容的編址方案。在同一系統(tǒng)中標識符是唯一的，不可能有兩個站發(fā)送具有相同標識符的報文。當幾個站同時競爭總線讀取時，這種配置十分重要。

當一個站要向其它站發(fā)送數(shù)據(jù)時，該站的CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標識符傳送給本站的CAN芯片，并處于準備狀態(tài);當它收到總線分配時，轉(zhuǎn)為發(fā)送報文狀態(tài)。

CAN芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報文格式發(fā)出，這時網(wǎng)上的其它站處于接收狀態(tài)。每個處于接收狀態(tài)的站對接收到的報文進行檢測，判斷這些報文是否是發(fā)給自己的，以確定是否接收它。由于CAN總線是一種面向內(nèi)容的編址方案，因此很容易建立高水準的控制系統(tǒng)并靈活地進行配置。我們可以很容易地在CAN總線中加進一些新站而無需在硬件或軟件上進行修改。當所提供的新站是純數(shù)據(jù)接收設(shè)備時，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不要求獨立的部分有物理目的地址。它允許分布過程同步化，即總線上控制器需要測量數(shù)據(jù)時，可由網(wǎng)上獲得，而無須每個控制器都有自己獨立的傳感器。

現(xiàn)代汽車的電控單元主要有主控制器、發(fā)動機控制系統(tǒng)、懸架控制系統(tǒng)、制動防抱死控制系統(tǒng)(ABS牽引力控制系統(tǒng)、ASR控制系統(tǒng)、儀表管理系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、中央門鎖系統(tǒng)、座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)等)。

所有這些子控制系統(tǒng)連接起來構(gòu)成1個實時控制系統(tǒng)，即：指令發(fā)出去之后，必須保證在一定時間內(nèi)得到響應(yīng)，否則，就有可能發(fā)生重大事故。這就要求汽車上的cAN通信網(wǎng)絡(luò)有較高的波特率設(shè)置。另外，汽車在實際運行過程中，眾多節(jié)點之間需要進行大量的實時數(shù)據(jù)交換。若整個汽車的所有節(jié)點都掛在1個CAN網(wǎng)絡(luò)上，眾多節(jié)點cAN總線進行通信，信息管理配置稍有不當，就很容易出現(xiàn)總線負荷過大，導(dǎo)致系統(tǒng)實時響應(yīng)速度下降。

這在實時系統(tǒng)中是不允許的，因此在對汽車上各節(jié)點的實性進行了分析之后，根據(jù)各節(jié)點對實時性的要求，設(shè)計了高、中、低速3個速率不同的CAN通信網(wǎng)絡(luò)，將實時性要求嚴格的節(jié)點組成高速CAN通信網(wǎng)絡(luò)，將其它實時性要求相對較低的節(jié)點組成中速CAN通信網(wǎng)絡(luò)，將剩下實時性要求不是很嚴格的節(jié)點組成低速CAN通信網(wǎng)絡(luò)。并架設(shè)網(wǎng)關(guān)將這3個速率不同的3個通信網(wǎng)絡(luò)連接起來，實現(xiàn)全部節(jié)點之間的數(shù)據(jù)共享。

CAN總線幀組成

CAN總線信號就是CAN總線中傳輸?shù)膸?，CAN總線中的幀類型分為5種，分別是數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀、過載幀、幀間隔。

1.數(shù)據(jù)幀：用于發(fā)送節(jié)點向接收節(jié)點傳送數(shù)據(jù)的幀。

2.遠程幀：用于接收節(jié)點向具有相同ID的發(fā)送節(jié)點傳送數(shù)據(jù)的幀。

3.錯誤幀：用于當檢測出錯誤時向其他節(jié)點通知錯誤的幀。

4.過載幀：用于接收節(jié)點通知其尚未做好準備的幀。

5.幀間隔：用于將數(shù)據(jù)幀及遠程幀與前面的幀分隔開來。

標準幀和擴展幀：

數(shù)據(jù)幀和遠程幀都可以使用標準幀格式或者擴展幀格式

RTR：遠程發(fā)送請求位，數(shù)據(jù)幀為顯性，遠程幀為隱性。

SRR：代替遠程請求位(在擴展格式中在RTR位置，所以得此名)，該位為隱性位。在這個地方占個位以保持標準幀和擴展幀IDE對齊，便可以判斷標準幀優(yōu)先于擴展幀。

IDE：標識符擴展位，標準幀為顯性，擴展幀為隱性。

R0、R1：保留位。

DLC：數(shù)據(jù)長度位。

CRC：校驗位。

CRC分隔符：隱性位

ACK：應(yīng)答位和應(yīng)答界定位。在應(yīng)答域中，發(fā)送器發(fā)出兩個隱性位。接收器接收到報文后，在應(yīng)答位期間，用顯性位填充應(yīng)答位作為回應(yīng)，應(yīng)答界定則為保持隱性。

幀結(jié)束：由7個隱性位組成。

數(shù)據(jù)幀：

SOF幀起始：數(shù)據(jù)幀開始的段。

仲裁場：該幀優(yōu)先級的段。

控制場：數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)以及保留位。

數(shù)據(jù)場：數(shù)據(jù)內(nèi)容。

CRC場：校驗數(shù)據(jù)。

應(yīng)答場：確認正常接收的段。

幀結(jié)尾：數(shù)據(jù)幀結(jié)束的段。

遠程幀：

通過發(fā)送遠程幀，作為數(shù)據(jù)接收器的節(jié)點可以發(fā)起各自數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)傳送請求，即向數(shù)據(jù)發(fā)送器請求發(fā)送具有相同ID的數(shù)據(jù)幀。遠程幀沒有數(shù)據(jù)段。

錯誤幀：

錯誤類型：應(yīng)答錯誤，填充錯誤，CRC錯誤，格式錯誤

錯誤幀由錯誤標志的疊加和結(jié)束符組成。錯誤標志有主動(積極)錯誤標志和被動(消極)錯誤標志。主動(積極)錯誤標志為6個顯性位，被動(消極)錯誤標志為6個隱性位。

錯誤積極節(jié)點：如果檢測到一個錯誤條件，就會發(fā)送積極錯誤標志。這將引起其它節(jié)點檢測到填充錯誤，并開始發(fā)送錯誤標志。因此錯誤標志疊加在6~12位之間。節(jié)點發(fā)送完錯誤標志之后就發(fā)送一個隱性位，并監(jiān)控總線，直到總線上出現(xiàn)一個隱性位，然后再發(fā)送7個隱性位。這樣一個錯誤幀就發(fā)送完畢了。

消極錯誤節(jié)點：如果檢測到一個錯誤條件，會試圖發(fā)送一個消極錯誤標志進行指示。這個消極錯誤節(jié)點會一直等待6個具有相同極性的連續(xù)位，等待從消極錯誤標志起始開始，當檢測到6個相同極性的連續(xù)位時，消極錯誤標志發(fā)送完成。

過載幀：

過載條件：接收器要求延遲下一次數(shù)據(jù)幀或遠程幀的到達;在幀間隔間歇場的第一位和第二位檢測到顯性位;如果CAN節(jié)點在錯誤界定符或過載界定符的第8位采樣到一個顯性位，則節(jié)點會發(fā)送一個過載幀，錯誤計數(shù)器不會增加。

幀間空間：

數(shù)據(jù)幀和遠程幀的前面必然有幀間空間。對于主動錯誤節(jié)點和被動錯誤節(jié)點，幀間空間的結(jié)構(gòu)稍有不同。對于主動錯誤節(jié)點，幀空間由3個顯性位的間歇字段和總線空閑組成。在間歇字段不允許發(fā)送數(shù)據(jù)幀和遠程幀。總線空閑的長度任意，當有顯性位時就被認為是幀起始。被動錯誤標志除了上邊兩部分外，在間歇字段后還有8個顯性位的掛起傳輸。在掛起傳輸階段被動錯誤節(jié)點不可以發(fā)送數(shù)據(jù)幀與遠程幀。

CAN總線結(jié)構(gòu)

下圖中，左邊是高速CAN總線的拓撲結(jié)構(gòu)，右邊是低速CAN總線的拓撲結(jié)構(gòu)。

如圖中所示，CAN總線包括CAN_H 和 CAN_L 兩根線。節(jié)點通過CAN控制器和CAN收發(fā)器連接到CAN總線上。

CAN總線協(xié)議結(jié)構(gòu)

CAN標準分為底層標準(物理層和數(shù)據(jù)鏈路層)和上層標準(應(yīng)用層)兩大類。CAN底層標準主要是ISO 11898系列的國際標準，也就是說不同廠商在CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層定義基本相同;而上層標準，不同應(yīng)用領(lǐng)域或制造商會有不同的做法，所以在這一塊沒有統(tǒng)一的國際標準。

根據(jù)OSI參照機型，定義數(shù)據(jù)鏈路層與物理層。

OSI規(guī)格化以外，SAE J2284, J2411等規(guī)格也有類似分層。

CAN總線解析的實測案例

汽車控制系統(tǒng)測試案例

ECU(Electronic Control Unit)電子控制單元，又稱“行車電腦”、“車載電腦”等。從用途上講則是汽車專用微機控制器。它和普通的電腦一樣，由微處理器(MCU)、存儲器(ROM、RAM)、輸入/輸出接口(I/O)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)以及整流、驅(qū)動等大規(guī)模集成電路組成。用一句簡單的話來形容“ECU就是汽車的大腦”。為保證車輛運行通暢，在汽車的開發(fā)與檢測中，一般需要進行以下項目的測試：