CAN總線應用

CAN總線有兩個ISO國際標準：ISO11898 和 ISO11519。其中：

• ISO11898 定義了通信速率為 125 kbps～1 Mbps 的高速 CAN 通信標準，屬于閉環(huán)總線，傳輸速率可達1Mbps，總線長度 ≤ 40米。
• ISO11519 定義了通信速率為 10～125 kbps 的低速 CAN 通信標準，屬于開環(huán)總線，傳輸速率為40kbps時，總線長度可達1000米。

Tips: 總線的傳輸速率，又稱為總線的通信速率，指的是位速率，或稱為比特率（和波特率不是一回事），表示單位時間內，通信線路上傳輸的二進制位的數量，其基本單位是 bps 或者 b/s (bit per second)。波特率強調的是傳送數據的同步載波信號的速率。

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網關進行連接。

• 高速CAN總線（動力總線）的傳輸速率范圍在125kbit/s - 1Mbit/s之間，主要用于傳動系數傳輸的實時性要求（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總線（舒適總線）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)的數據傳輸的實時性要求（如空調控制、座椅調節(jié)、車窗升降等）。

圖x 整車CAN網絡示意圖

CAN總線是一種串行數據通訊協議，其中包含了CAN協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。其主要特點如下：

• 多主機方式工作，網絡上任意一個節(jié)點（未脫離總線）均可以隨時向總線網絡上發(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，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據。
• 節(jié)點總數實際可達110個。
• 采用短幀結構，每一幀最多有8個有效字節(jié)的數據負載。短幀的優(yōu)勢在于，發(fā)送和接收速度快，實時性好，被干擾的概率小，抗干擾能力強。
• 當某個節(jié)點錯誤嚴重時，具有自動關閉功能，切斷與總線的聯系，致使總線上的其他操作不受影響。

CAN總線信號與拓撲結構（物理層）

CAN總線采用雙線差分傳輸，兩根導線分別作為CAN_H、CAN_L，并在終端配備有120Ω的電阻。CAN收發(fā)器收到總線信號時，將信號電平轉化為邏輯狀態(tài)，即CAN_H與CAN_L電平相減后，得到一個差分電平。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（共模抑制）。

圖x CAN總線連接

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在傳輸隱性狀態(tài)位時，CAN_H與CAN_L上的電平位均為2.5V；在傳輸顯性狀態(tài)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上的電平為5V；在傳輸顯性狀態(tài)位時，CAN_H上的電平為3.6V，CAN_L為1.4V。

圖x 高速CAN總線上的信號電平

圖x 低速CAN總線上的信號電平

為了確保通訊的正確性，總線信號必須在一定時間內出現在總線上，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關。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。

接入CAN總線的設備需要滿足一定的條件：

• CAN通信線纜，實現節(jié)點的互聯，是傳輸數據的通道。主要有：普通雙絞線，同軸電纜，光纖。
• CAN微控制器，嵌有部分或全部CAN控制模塊及相關接口的通用型微控制器現如今很多芯片都配備CAN接口。
• CAN收發(fā)器，將絕對電平信號表示的數據幀與差分信號表示的通信幀相互轉換。

集成CAN外設模塊的微控制器接入CAN總線，如圖x所示。

圖x 微控制器通過CAN收發(fā)器接入CAN總線

在這塊電路中，CAN外設同CAN收發(fā)器之間的兩根信號線CAN_TX和CAN_RX是單方向的位數據流，分別對應發(fā)送數據和接收數據，用絕對電平表示數據位；CAN收發(fā)器同總線之間的兩根信號線CAN_H和CAN_L的數據方向是雙向的，走的是差分電平信號。用邏輯分析儀可以觀察CAN_TX和CAN_RX上的數據幀，如圖x所示。至于CAN_H和CAN_L上的差分信號，可以通過示波器直接觀察，或者通常會使用“CAN分析儀”，一種可以抓CAN通信幀的抓包工具，將在后續(xù)文章中介紹。

圖x CAN_TX線上的信號波形

CAN通信幀格式

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：

• SOF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成，標志著報文的開始，并在總線上起著同步作用。
• 仲裁段：仲裁段定義了報文的標識符，俗稱ID。在CAN2.0A規(guī)范中，標識符為11位，而在CAN2.0B中擴展到了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。仲裁段還包含RTR遠程幀/數據幀控制位。
• DLC控制段：定義了數據域字節(jié)的長度。通過數據長度碼，接收節(jié)點可以判斷報文數據是否完整。
• DATA數據域：包含有0~8個字節(jié)數據。實際有效的數據負載。此處僅是基本CAN協議的定義，在CAN FD協議的通信幀中，有效數據負載可以達到64字節(jié)，在更高速的CAN XL協議中，定義有效數據負載可達2048字節(jié)。
• CRC域：CRC又稱循環(huán)冗余碼校驗（Cyclical Redundancy Check），是數據通信中常見的查錯方法。
• ACK域：用于接收節(jié)點的反饋應答。
• EOF幀結束：由一串7個隱性位組成，表示報文幀的結束。

CAN標準幀結構如圖x所示。

圖x CAN標準幀格式

CAN2.0B中新增了擴展幀，擴展幀相對于標準幀，ID標識符字段從11位擴展到29位，可以容納更多的消息種類。如圖x所示。

圖x CAN擴展幀格式

注意，擴展幀的29位ID不是連續(xù)的，其中前11位同標準幀相同，之后緊跟著SRR和IDE位（均為1），然后才是接下來的18位ID。

開發(fā)CAN總線的過程中，主要關注CAN報文ID和數據域。根據客戶的要求，ECU接收自己需要的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協議規(guī)范的同時，也會有自己的校驗機制，不滿足校驗規(guī)則的報文，數據將被ECU所遺棄。

CAN網絡通信

CAN網絡將多個CAN節(jié)點設備通過總線連接在一起，在通信過程中傳遞報文消息。通信過程以幀為基本通信單元?？偩€上節(jié)點之間的通信過程大體有節(jié)點向總線發(fā)送消息，和節(jié)點向總線請求消息。

CAN報文幀種類

CAN總線報文傳輸有4種不同的格式：

• 數據幀：由發(fā)送節(jié)點發(fā)出，包含0 - 8個數據字節(jié)。主要用于本節(jié)點向總線主動發(fā)送數據。
• 遠程幀：發(fā)送遠程幀向網絡節(jié)點請求發(fā)送某一標識符的數據幀。主要用于本節(jié)點向總線發(fā)出數據請求，被能夠提供數據的節(jié)點捕獲到后，再通過數據幀把消息發(fā)送到總線上。
• 錯誤幀：總線節(jié)點發(fā)現錯誤時，以錯誤幀的方式通知網絡上的其他節(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CAN總線上數據幀的報文一般均為8字節(jié)。

其中關于錯誤幀監(jiān)測的錯誤情況詳加說明。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，如總線上驅動電壓波形不規(guī)整、有尖峰或毛刺時，其數據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中每個具有數據通信能力的網絡單元內部都集成有一個發(fā)送錯誤計數器和接收錯誤計數器，當該單元在數據發(fā)送階段出現一次錯誤時，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，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，網絡單元每成功發(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時自減1，大于127時被置為119 - 127之間任意值。這樣，如果某個網絡單元的錯誤計數在不斷增長，就說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)點出現故障的時候，不會造成總線長時間癱瘓。

仲裁機制

仲裁是CAN總線應用中一個重要的概念。在CAN總線采用載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）技術。如果總線空閑（隱性位），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，那么將使用“線與”仲裁機制（仲裁用邏輯“與”）來解決總線沖突，低電平（顯性位）將獲得仲裁，從而確定優(yōu)先級最高的報文，而不需要損失高優(yōu)先級報文的通信時間或數據（非破壞性仲裁）。仲裁機制使用標識符ID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。二進制數越小的標識符，優(yōu)先級越高；反之亦然。

關于報文的標識符ID，這里要強調一個特別有用的知識點。CAN總線仲裁的是報文消息的優(yōu)先級，而不是節(jié)點的優(yōu)先級（CAN總線上的節(jié)點沒有優(yōu)先級）。例如，某個CAN總線節(jié)點發(fā)送低優(yōu)先級的報文時，可能被正在進行的高優(yōu)先級報文通信搶占，但同一個節(jié)點發(fā)送更高優(yōu)先級的報文時，就可以獲得總線的使用權。報文的優(yōu)先級，也就是報文的標識符ID，是由消息的表示的內容決定的。這里面體現了一個“公平”合作的系統(tǒng)，合作的開發(fā)者人人不分貴賤，只以任務的重要性獲取更多的資源，并且多個開發(fā)者可以共同做一個任務，一個開發(fā)者也可以做多個不同的任務。整個總線上所有節(jié)點構成的系統(tǒng)作為整體調度多任務。

總結

本文試圖用最簡約的描述總結出CAN總線通信協議的要點。CAN總線是一個共享介質的總線結構，因此具備典型的總線型通信方式，例如通信過程建立在總線與節(jié)點之間（而不是點對點直連的通信），存在沖突檢測和仲裁等。需要注意的是，CAN總線通信的幀結構，包括各個字段的位置以及含義，這些數據位將以位流的方式出現在總線上，后續(xù)使用微控制器上的CAN外設模塊，也是在芯片內部的緩沖區(qū)按照這些字段組織好數據，交由外設收發(fā)引擎將位流轉變成電平信號接入總線。

關于CAN總線協議，仍有很多細節(jié)尚未在本文中記錄，例如CAN總線為了確保電平信號是“中和”的，會將超過連續(xù)5個相同的位流電平信號翻轉，或是更詳細的錯誤檢測判定機制，這些電路系統(tǒng)中的設計，通常已經固化在常規(guī)的集成電路中了，對于開發(fā)者來說，不需要直接操作。但如果仍有興趣繼續(xù)探究，可以參見標準化文檔ISO11989和ISO11519，通讀協議有注意讀者了解CAN總線通信的全貌，便于理解設定一些規(guī)則的來由，對于調試環(huán)節(jié)也大有裨益。