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(shí)測(cè)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(shí)時(shí)應(yīng)用的串行通訊協(xié)議總線，它可以使用雙絞線來(lái)傳輸信號(hào)，是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN協(xié)議用于汽車(chē)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(chē)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(dòng)機(jī)控制單元)、TCU(變速器控制單元)、FEPS(無(wú)鑰匙進(jìn)入和無(wú)鑰匙啟動(dòng)系統(tǒng))、組合儀表四個(gè)電控單元通過(guò)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(shí)時(shí)支持、傳輸速率高達(dá)1Mb/s、同時(shí)具有11位的尋址以及檢錯(cuò)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(yùn)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(xì)節(jié)很類似，但也有一些明顯的區(qū)別。當(dāng)CAN總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)(站)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它以報(bào)文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)。對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，無(wú)論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的，都對(duì)其進(jìn)行接收。每組報(bào)文開(kāi)頭的11位字符為標(biāo)識(shí)符，定義了報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，這種報(bào)文格式稱為面向內(nèi)容的編址方案。在同一系統(tǒng)中標(biāo)識(shí)符是唯一的，不可能有兩個(gè)站發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的報(bào)文。當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)總線讀取時(shí)，這種配置十分重要。

當(dāng)一個(gè)站要向其它站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該站的CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標(biāo)識(shí)符傳送給本站的CAN芯片，并處于準(zhǔn)備狀態(tài);當(dāng)它收到總線分配時(shí)，轉(zhuǎn)為發(fā)送報(bào)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(bào)文格式發(fā)出，這時(shí)網(wǎng)上的其它站處于接收狀態(tài)。每個(gè)處于接收狀態(tài)的站對(duì)接收到的報(bào)文進(jìn)行檢測(cè)，判斷這些報(bào)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(zhǔn)的控制系統(tǒng)并靈活地進(jìn)行配置。我們可以很容易地在CAN總線中加進(jìn)一些新站而無(wú)需在硬件或軟件上進(jìn)行修改。當(dāng)所提供的新站是純數(shù)據(jù)接收設(shè)備時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不要求獨(dú)立的部分有物理目的地址。它允許分布過(guò)程同步化，即總線上控制器需要測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，可由網(wǎng)上獲得，而無(wú)須每個(gè)控制器都有自己獨(dú)立的傳感器。

現(xiàn)代汽車(chē)的電控單元主要有主控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、懸架控制系統(tǒng)、制動(dòng)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(mén)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(lái)構(gòu)成1個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，即：指令發(fā)出去之后，必須保證在一定時(shí)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(chē)上的cAN通信網(wǎng)絡(luò)有較高的波特率設(shè)置。另外，汽車(chē)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，眾多節(jié)點(diǎn)之間需要進(jìn)行大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。若整個(gè)汽車(chē)的所有節(jié)點(diǎn)都掛在1個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)上，眾多節(jié)點(diǎn)cAN總線進(jìn)行通信，信息管理配置稍有不當(dāng)，就很容易出現(xiàn)總線負(fù)荷過(guò)大，導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)速度下降。

這在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中是不允許的，因此在對(duì)汽車(chē)上各節(jié)點(diǎn)的實(shí)性進(jìn)行了分析之后，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，設(shè)計(jì)了高、中、低速3個(gè)速率不同的CAN通信網(wǎng)絡(luò)，將實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的節(jié)點(diǎn)組成高速CAN通信網(wǎng)絡(luò)，將其它實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較低的節(jié)點(diǎn)組成中速CAN通信網(wǎng)絡(luò)，將剩下實(shí)時(shí)性要求不是很?chē)?yán)格的節(jié)點(diǎn)組成低速CAN通信網(wǎng)絡(luò)。并架設(shè)網(wǎng)關(guān)將這3個(gè)速率不同的3個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)全部節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)共享。

CAN總線幀組成

CAN總線信號(hào)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(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀、過(guò)載幀、幀間隔。

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

2.遠(yuǎn)程幀：用于接收節(jié)點(diǎn)向具有相同ID的發(fā)送節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)的幀。

3.錯(cuò)誤幀：用于當(dāng)檢測(cè)出錯(cuò)誤時(shí)向其他節(jié)點(diǎn)通知錯(cuò)誤的幀。

4.過(guò)載幀：用于接收節(jié)點(diǎn)通知其尚未做好準(zhǔn)備的幀。

5.幀間隔：用于將數(shù)據(jù)幀及遠(yuǎn)程幀與前面的幀分隔開(kāi)來(lái)。

標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀：

數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀都可以使用標(biāo)準(zhǔn)幀格式或者擴(kuò)展幀格式

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

SRR：代替遠(yuǎn)程請(qǐng)求位(在擴(kuò)展格式中在RTR位置，所以得此名)，該位為隱性位。在這個(gè)地方占個(gè)位以保持標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀IDE對(duì)齊，便可以判斷標(biāo)準(zhǔn)幀優(yōu)先于擴(kuò)展幀。

IDE：標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展位，標(biāo)準(zhǔn)幀為顯性，擴(kuò)展幀為隱性。

R0、R1：保留位。

DLC：數(shù)據(jù)長(zhǎng)度位。

CRC：校驗(yàn)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(gè)隱性位。接收器接收到報(bào)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(gè)隱性位組成。

數(shù)據(jù)幀：

SOF幀起始：數(shù)據(jù)幀開(kāi)始的段。

仲裁場(chǎng)：該幀優(yōu)先級(jí)的段。

控制場(chǎng)：數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)以及保留位。

數(shù)據(jù)場(chǎng)：數(shù)據(jù)內(nèi)容。

CRC場(chǎng)：校驗(yàn)數(shù)據(jù)。

應(yīng)答場(chǎng)：確認(rèn)正常接收的段。

幀結(jié)尾：數(shù)據(jù)幀結(jié)束的段。

遠(yuǎn)程幀：

通過(guò)發(fā)送遠(yuǎn)程幀，作為數(shù)據(jù)接收器的節(jié)點(diǎn)可以發(fā)起各自數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)傳送請(qǐng)求，即向數(shù)據(jù)發(fā)送器請(qǐng)求發(fā)送具有相同ID的數(shù)據(jù)幀。遠(yuǎn)程幀沒(méi)有數(shù)據(jù)段。

錯(cuò)誤幀：

錯(cuò)誤類型：應(yīng)答錯(cuò)誤，填充錯(cuò)誤，CRC錯(cuò)誤，格式錯(cuò)誤

錯(cuò)誤幀由錯(cuò)誤標(biāo)志的疊加和結(jié)束符組成。錯(cuò)誤標(biāo)志有主動(dòng)(積極)錯(cuò)誤標(biāo)志和被動(dòng)(消極)錯(cuò)誤標(biāo)志。主動(dòng)(積極)錯(cuò)誤標(biāo)志為6個(gè)顯性位，被動(dòng)(消極)錯(cuò)誤標(biāo)志為6個(gè)隱性位。

錯(cuò)誤積極節(jié)點(diǎn)：如果檢測(cè)到一個(gè)錯(cuò)誤條件，就會(huì)發(fā)送積極錯(cuò)誤標(biāo)志。這將引起其它節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到填充錯(cuò)誤，并開(kāi)始發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志。因此錯(cuò)誤標(biāo)志疊加在6~12位之間。節(jié)點(diǎn)發(fā)送完錯(cuò)誤標(biāo)志之后就發(fā)送一個(gè)隱性位，并監(jiān)控總線，直到總線上出現(xiàn)一個(gè)隱性位，然后再發(fā)送7個(gè)隱性位。這樣一個(gè)錯(cuò)誤幀就發(fā)送完畢了。

消極錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)：如果檢測(cè)到一個(gè)錯(cuò)誤條件，會(huì)試圖發(fā)送一個(gè)消極錯(cuò)誤標(biāo)志進(jìn)行指示。這個(gè)消極錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)會(huì)一直等待6個(gè)具有相同極性的連續(xù)位，等待從消極錯(cuò)誤標(biāo)志起始開(kāi)始，當(dāng)檢測(cè)到6個(gè)相同極性的連續(xù)位時(shí)，消極錯(cuò)誤標(biāo)志發(fā)送完成。

過(guò)載幀：

過(guò)載條件：接收器要求延遲下一次數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀的到達(dá);在幀間隔間歇場(chǎng)的第一位和第二位檢測(cè)到顯性位;如果CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤界定符或過(guò)載界定符的第8位采樣到一個(gè)顯性位，則節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)送一個(gè)過(guò)載幀，錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器不會(huì)增加。

幀間空間：

數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的前面必然有幀間空間。對(duì)于主動(dòng)錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)和被動(dòng)錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)，幀間空間的結(jié)構(gòu)稍有不同。對(duì)于主動(dòng)錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)，幀空間由3個(gè)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(yuǎn)程幀。總線空閑的長(zhǎng)度任意，當(dāng)有顯性位時(shí)就被認(rèn)為是幀起始。被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志除了上邊兩部分外，在間歇字段后還有8個(gè)顯性位的掛起傳輸。在掛起傳輸階段被動(dòng)錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)不可以發(fā)送數(shù)據(jù)幀與遠(yuǎn)程幀。

CAN總線結(jié)構(gòu)

下圖中，左邊是高速CAN總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，右邊是低速CAN總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

如圖中所示，CAN總線包括CAN_H 和 CAN_L 兩根線。節(jié)點(diǎn)通過(guò)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(biāo)準(zhǔn)分為底層標(biāo)準(zhǔn)(物理層和數(shù)據(jù)鏈路層)和上層標(biāo)準(zhǔn)(應(yīng)用層)兩大類。CAN底層標(biāo)準(zhǔn)主要是ISO 11898系列的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，也就是說(shuō)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(biāo)準(zhǔn)，不同應(yīng)用領(lǐng)域或制造商會(huì)有不同的做法，所以在這一塊沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)OSI參照機(jī)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(shí)測(cè)案例

汽車(chē)控制系統(tǒng)測(cè)試案例

ECU(Electronic Control Unit)電子控制單元，又稱“行車(chē)電腦”、“車(chē)載電腦”等。從用途上講則是汽車(chē)專用微機(jī)控制器。它和普通的電腦一樣，由微處理器(MCU)、存儲(chǔ)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(dòng)等大規(guī)模集成電路組成。用一句簡(jiǎn)單的話來(lái)形容“ECU就是汽車(chē)的大腦”。為保證車(chē)輛運(yùn)行通暢，在汽車(chē)的開(kāi)發(fā)與檢測(cè)中，一般需要進(jìn)行以下項(xiàng)目的測(cè)試：