上(shang)海嘉(jia)興寧(ning)波蘇(su)州汽車(che)CAN總線(xian)測試(shi)

上(shang)海嘉(jia)興寧(ning)波蘇(su)州汽車(che)CAN總線(xian)測試(shi)

壹、概述

汽車(che)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)的(de)不(bu)斷(duan)增多，對(dui)汽車(che)上(shang)的線(xian)束(shu)分布(bu)以及(ji)信(xin)息共(gong)享(xiang)與交(jiao)流提出(chu)了(le)更(geng)高的(de)要求。傳(chuan)統的電(dian)氣系統往(wang)往采用(yong)單(dan)壹連(lian)接的(de)方(fang)式(shi)通信(xin)，這(zhe)必將帶(dai)來(lai)線束的冗余以及(ji)維(wei)修的成(cheng)本(ben)的提(ti)高。

汽車(che)通信(xin)總線(xian)CAN總線(xian)介(jie)紹(shao)

傳(chuan)統的單(dan)壹通信(xin)的對(dui)接方(fang)式(shi)，已經(jing)不能(neng)滿(man)足(zu)現(xian)代(dai)汽車(che)電(dian)子(zi)發展的(de)需(xu)求，采用(yong)更為(wei)先進的(de)總(zong)線技術(shu)勢(shi)在必(bi)行。總線技術(shu)可以實現信(xin)息的(de)實時共(gong)享(xiang)、解決了(le)傳(chuan)統布(bu)線(xian)方(fang)式(shi)中線(xian)束多、布(bu)線(xian)難、成(cheng)本(ben)高等(deng)問題(ti)，從而(er)提高整(zheng)車(che)通信(xin)的質(zhi)量與(yu)品質(zhi)。

CAN 總線（Controller Area Network，控制(zhi)器局(ju)域網(wang)絡(luo)）由德國(guo)博世(shi)公司(si)於(yu)上(shang)世(shi)紀(ji) 80 年(nian)代提(ti)出，近 20 年(nian)來(lai)，隨著(zhe) CAN 總線(xian)在(zai)工業測控與(yu)汽車(che)領(ling)域的普及，CAN 網(wang)絡(luo)技術(shu)不(bu)斷優化(hua)，取得了(le)長足(zu)發(fa)展。如(ru)今 CAN 總(zong)線已(yi)經(jing)成(cheng)為(wei)了(le)汽(qi)車(che)上(shang)*重要(yao)環節，ECU 內部(bu)的(de) CAN 總線(xian)開發也(ye)占到了(le) ECU 開(kai)發(fa)中的很(hen)大(da)分(fen)量。在(zai)汽車(che)中為(wei)了(le)滿(man)足(zu)車(che)載(zai)系統的(de)不同(tong)要求，主(zhu)要(yao)采用(yong)高速(su) CAN 和(he)低(di)速(su) CAN。這(zhe)兩者(zhe)以不(bu)同(tong)的總(zong)線(xian)速(su)率工作(zuo)以獲(huo)得(de)最(zui)佳(jia)的性價比(bi)，在兩(liang)條總(zong)線之間(jian)采用(yong) CAN 網(wang)關(guan)進行(xing)連(lian)接。

高速(su) CAN（動(dong)力(li)總線）：高速(su) CAN 總(zong)線(xian)的(de)傳(chuan)輸速(su)率範(fan)圍在(zai) 125kbit/s – 1Mbit/s 之(zhi)間(jian)，主(zhu)要用(yong)於(yu)傳(chuan)動系數傳(chuan)輸的實時性要求（如(ru)發(fa)動機控制、自動變(bian)速(su)箱(xiang)控(kong)制(zhi)、行(xing)駛(shi)穩(wen)定(ding)系統、組(zu)合儀(yi)表(biao)等(deng)）。

低(di)速(su) CAN（舒(shu)適(shi)總(zong)線(xian)）：低(di)速(su) CAN 總(zong)線(xian)的(de)傳(chuan)輸速(su)率範(fan)圍在(zai) 5kbit/s – 125kbit/s 之(zhi)間(jian)。主(zhu)要用(yong)於(yu)舒適(shi)系統和(he)車(che)身(shen)系統的(de)數據(ju)傳(chuan)輸的實時性要求（如(ru)空調控(kong)制、座椅(yi)調(tiao)節、車(che)窗升(sheng)降(jiang)等(deng)）。

二(er)、CAN 總(zong)線特點(dian)

CAN 總線是壹種串行數據通(tong)訊(xun)協議(yi)，其中(zhong)包含了(le) CAN 協議(yi)的物(wu)理層以及(ji)數(shu)據鏈(lian)路(lu)層。可以完成(cheng)對(dui)數據(ju)的位(wei)填(tian)充(chong)，數(shu)據(ju)塊(kuai)編碼(ma)，循環冗(rong)余效(xiao)驗(yan)，幀優(you)先級的判(pan)別等(deng)工作(zuo)。其主要特點(dian)如下：

多主機方(fang)式(shi)工作(zuo)，網(wang)絡(luo)上(shang)任意壹個節點(dian)（未脫(tuo)離總線(xian)）均可以隨(sui)時向總(zong)線(xian)網(wang)絡(luo)上(shang)發布(bu)報文(wen)幀。

節點(dian)發送(song)的(de)報文(wen)幀可以分(fen)為(wei)不同(tong)的優(you)先級，滿足(zu)不同(tong)實時要(yao)求。

采用(yong)載(zai)波偵(zhen)聽多路訪(fang)問/沖(chong)突(tu)檢測（CSMA/CD）技術(shu)，當兩(liang)個節點(dian)同(tong)時發(fa)布(bu)信(xin)息時，高優(you)先級報文(wen)可不受(shou)影(ying)響地(di)傳(chuan)輸數據(ju)。

節點(dian)總數(shu)實際可達 110 個。

采用(yong)短幀結(jie)構，每(mei)壹幀最(zui)多有 8 個有效(xiao)字(zi)節。

當某(mou)個節點(dian)錯(cuo)誤嚴(yan)重時，具有自動關(guan)閉功(gong)能(neng)，切斷與總線的(de)聯系，致使總線(xian)上(shang)的其(qi)他操作(zuo)不受影(ying)響。

三、CAN 總(zong)線物(wu)理層

3.1 總線結構

CAN 總線采用(yong)雙線(xian)傳(chuan)輸，兩根(gen)導線分別(bie)作(zuo)為 CANH、CANL，並在(zai)終端(duan)配備(bei)有 120Ω的電(dian)阻。收(shou)到總(zong)線(xian)信(xin)號(hao)時，CAN 收(shou)發器將(jiang)信(xin)號(hao)電(dian)平轉化(hua)為(wei)邏輯(ji)狀(zhuang)態(tai)，即(ji) CANH 與(yu) CANL 電(dian)平相(xiang)減後(hou)，得到(dao)壹個插值電(dian)平。各種幹擾(rao)（如(ru)點(dian)火系統）在(zai)兩根(gen)導(dao)線(xian)上(shang)的作(zuo)用(yong)相(xiang)同(tong)，相(xiang)減後(hou)得到(dao)的插值電(dian)平可以濾(lv)過這(zhe)些幹擾(rao)。

3.2 總線電(dian)平

CAN 總線有兩種邏輯(ji)電(dian)平狀態，即顯(xian)性與隱(yin)性。顯性電(dian)平代表“0”，隱(yin)性電(dian)平代表“1”。采用(yong)非(fei)歸零(ling)碼(ma)編碼(ma)，即在(zai)兩個相(xiang)同(tong)電(dian)平之間(jian)並不(bu)強制插(cha)入壹個零狀(zhuang)態電(dian)平。高速(su) CAN 在(zai)傳(chuan)輸隱(yin)性位(wei)時，CAN-H 與(yu) CAN-L 上(shang)的電(dian)平位(wei)均為(wei) 2.5V；在(zai)傳(chuan)輸顯性位(wei)時分(fen)別(bie)為(wei) 3.5V 與 1.5V。低(di)速(su) CAN 在(zai)傳(chuan)輸隱(yin)性狀態(tai)位(wei)時，CAN-H 上(shang)的電(dian)平為 0V，CAN-L 上(shang)的電(dian)平位(wei) 5V。在傳(chuan)輸顯性狀態(tai)位(wei)時，CAN-H 上(shang)的電(dian)平位(wei) 3.6V，CAN_L 的位(wei) 1.4V。

為了(le)確(que)保(bao)通訊(xun)的正(zheng)確(que)性，總線(xian)信(xin)號(hao)必須(xu)在壹定(ding)時間(jian)內出(chu)現(xian)在總(zong)線上(shang)，並且(qie)保證(zheng)被正(zheng)確(que)采樣(yang)。總線信(xin)號(hao)傳(chuan)輸有壹定(ding)的時間(jian)延遲(chi)，最(zui)大(da)的(de)可靠的(de)總(zong)線(xian)波特率與總(zong)線(xian)長度(du)有。

ISO11898 中對(dui)各種總線(xian)長度(du)有著(zhe)以下定(ding)義：

1Mbit/s 總線長度(du)為(wei) 40m（規範(fan)）。

500kbit/s 總線長度(du)最(zui)大(da)值為(wei) 100m（建(jian)議(yi)值）。

250kbit/s 總線長度(du)最(zui)大(da)值為(wei) 250m。

125kbit/s 總線長度(du)最(zui)大(da)值為(wei) 500m。

40kbit/s 總線長度(du)最(zui)大(da)值為(wei) 1000m。

四、CAN 總線硬(ying)件(jian)設(she)備(bei)

CAN 通信(xin)線纜，實現節點(dian)的互(hu)聯(lian)，是傳(chuan)輸數據(ju)的通道。主(zhu)要(yao)有：普通雙(shuang)絞(jiao)線，同(tong)軸電(dian)纜，光纖。

CAN 驅(qu)動/接收(shou)器，將(jiang)信(xin)息封(feng)裝為(wei)幀後(hou)發送(song)，接收(shou)到的(de)幀將(jiang)其還原(yuan)為(wei)信(xin)息、標(biao)定(ding)並報告節點(dian)狀態(tai)。

CAN 控制器，專(zhuan)按協議(yi)要求設(she)計(ji)制(zhi)造，經簡(jian)單(dan)總(zong)線連(lian)接即(ji)可實現 CAN 的(de)全部(bu)功(gong)能(neng)。包括：TJA1042(NXP)、SJA1000(Philips)、82527(Intel)。

CAN 微控制器，嵌(qian)有部分或全部(bu) CAN 控(kong)制模(mo)塊(kuai)及相(xiang)關(guan)接口(kou)的(de)通(tong)用(yong)型微(wei)控制(zhi)器現(xian)如今很(hen)多芯片(pian)都(dou)配(pei)備 CAN 接口(kou)。

五、CAN 報文(wen)幀結(jie)構

在 CAN 總線上(shang)，報文(wen)是以“幀”來(lai)發送(song)的(de)，每(mei)壹幀都(dou)包含以下幾個部分(fen)：

1. 幀起(qi)始

在總線空閑時，總(zong)線(xian)為(wei)隱(yin)性狀態(tai)。幀起(qi)始由單(dan)個顯性位(wei)構成(cheng)，標(biao)誌著(zhe)報文(wen)的開(kai)始(shi)，並在(zai)總線上(shang)起著(zhe)同(tong)步作(zuo)用(yong)。

2. 仲裁(cai)段(duan)

仲裁(cai)的(de)主(zhu)要(yao)是定(ding)義了(le)報文(wen)的標(biao)識(shi)符，也(ye)俗(su)稱(cheng) ID。在 CAN2.0A 規範(fan)中，標(biao)識(shi)符為(wei) 11 位(wei)，而(er)在 CAN2.0B 中變為了(le) 29 位(wei)。這(zhe)意味著(zhe)在 2.0B 中(zhong)可以存(cun)在(zai)更多不同(tong)類型(xing)的(de)報文(wen)，但是也(ye)降(jiang)低(di)了(le)總(zong)線(xian)的利用(yong)率。

3. 控制段

主要定(ding)義了(le)數(shu)據(ju)域字節的長度(du)。通(tong)過數據(ju)長度(du)碼(ma)，接收(shou)節點(dian)可以判(pan)斷(duan)報文(wen)數據(ju)是否完整。

4. 數據域

包含有 0~8 個字節數據(ju)。

5. CRC 域

CRC 又稱(cheng)循環冗(rong)余碼(ma)效(xiao)驗(yan)（Cyclical Redundancy Check），是數據通信(xin)中常(chang)見的查(zha)錯(cuo)方(fang)法(fa)。

6. ACK 域

用(yong)於(yu)接收(shou)節點(dian)的反(fan)饋應答。

7. 幀結(jie)束

由壹串 7 個隱(yin)性位(wei)組成(cheng)，表(biao)示報文(wen)幀的(de)結束。

Ps：在 CAN 總線的(de)開發(fa)中(zhong)，核(he)心的(de)關(guan)註點(dian)就是CAN 報文(wen) ID 以及(ji)其(qi)數據域。根據客(ke)戶(hu)的(de)要求，ECU 接收(shou)自己感興趣(qu)的 ID 報文(wen)的同(tong)時，也(ye)向外(wai)發(fa)送(song)別(bie)的 ECU 所(suo)需(xu)要的 ID 報文(wen)。壹般不(bu)同(tong)整車(che)廠在(zai)開發(fa)自己的 CAN 協議(yi)規範(fan)的同(tong)時，也(ye)會(hui)有自己的checksum 機制，不滿(man)足 checksum 的報文(wen)，數據(ju)將(jiang)不(bu)會(hui)被 ECU 所(suo)接收(shou)。

六(liu)、仲(zhong)裁(cai)機制

仲裁(cai)是總線應用(yong)中壹個相(xiang)當重要(yao)的(de)概念，在(zai) CAN 總線采用(yong)載(zai)波偵(zhen)聽多路訪(fang)問/沖(chong)突(tu)檢測(CSMA/CD)技術(shu)。如(ru)果(guo)總(zong)線(xian)空閑(隱(yin)性位(wei))，有報文(wen)準備(bei)發(fa)送(song)，那(na)麽每(mei)壹個節點(dian)都(dou)可以開(kai)始(shi)發送(song)報文(wen)。報文(wen)以顯(xian)性位(wei)(報文(wen)幀開(kai)始位(wei))開始(shi)，接著(zhe)是標識符。如(ru)果(guo)多個節點(dian)同(tong)時開(kai)始(shi)發(fa)送(song)報文(wen)，那麽(me)使用(yong)“線與(yu)”仲裁(cai)機制(仲裁(cai)用(yong)邏輯(ji)“與(yu)”)來(lai)解決總線(xian)沖突(tu)，確(que)定(ding)優先級*高的(de)報文(wen)，而(er)不需(xu)要損(sun)失(shi)時間(jian)或(huo)數據(ju)(非(fei)破壞性仲裁(cai))。仲(zhong)裁(cai)機制使用(yong)標識(shi)符為(wei)判(pan)斷依(yi)據，不僅(jin)代表(biao)報文(wen)幀的(de)內容，還代(dai)表(biao)報文(wen)幀發(fa)送(song)的(de)優先級。二(er)進(jin)制數越小的標(biao)識符，優(you)先級越高；反(fan)之亦(yi)然(ran)。

如上(shang)圖，ECU 單(dan)元(yuan) 1 和(he) ECU 單(dan)元(yuan) 2 同(tong)時開(kai)始(shi)向總(zong)線(xian)發送(song)數(shu)據，開(kai)始部分他們的(de)數據(ju)格式(shi)是壹樣的(de)，故(gu)無法(fa)區(qu)分優(you)先級，直到(dao) T 時刻(ke)，單(dan)元(yuan) 1 輸出隱(yin)性電(dian)平，而(er)單(dan)元(yuan) 2 輸出顯(xian)性電(dian)平，此時單(dan)元(yuan) 1 仲裁(cai)失(shi)利(li)，立刻轉入接收(shou)狀態(tai)工作(zuo)，不再(zai)與(yu)單(dan)元(yuan) 2 競爭，而(er)單(dan)元(yuan) 2 則(ze)順(shun)利獲得(de)總線使用(yong)權(quan)，繼(ji)續(xu)發(fa)送(song)自己的數(shu)據。

七(qi)、CAN 報文(wen)幀種類

CAN 總線報文(wen)傳(chuan)輸有以下 4 種不同(tong)的格式(shi)：

數據幀：由(you)發送(song)節點(dian)發出(chu)，包含 0 – 8 個數據(ju)字節。

遠(yuan)程幀：發(fa)送(song)遠(yuan)程幀向網(wang)絡(luo)節點(dian)請求發(fa)送(song)某(mou)壹標識(shi)符的(de)數(shu)據幀。

錯(cuo)誤幀：總(zong)線節點(dian)發現(xian)錯(cuo)誤時，以錯(cuo)誤幀的(de)方(fang)式(shi)通知(zhi)網(wang)絡(luo)上(shang)的其(qi)他節點(dian)。

過載(zai)幀：發(fa)送(song)過載(zai)幀，表(biao)示當前(qian)節點(dian)不能(neng)處理(li)後(hou)續(xu)的(de)報文(wen)（如幀延遲(chi)等）。 Ps：為了(le)保(bao)持總線的(de)利用(yong)率，在車(che)載(zai)總線(xian)上(shang)數據(ju)幀的(de)報文(wen)壹般均為(wei) 8 字(zi)節。

八、CAN 總線錯(cuo)誤

CAN 總線將錯(cuo)誤分(fen)為臨時性錯(cuo)誤和(he)長期性錯(cuo)誤。前(qian)者(zhe)主(zhu)要(yao)由(you)外部因(yin)素引起(qi)，如(ru)總線上(shang)驅(qu)動電(dian)壓(ya)波形(xing)不規整、有尖峰或毛刺時，其(qi)數(shu)據(ju)傳(chuan)輸性能(neng)會(hui)受到(dao)壹定(ding)程度(du)的(de)短(duan)期幹擾(rao)。長期性錯(cuo)誤則(ze)主(zhu)要由網(wang)絡(luo)組建非(fei)正常(chang)狀(zhuang)況(kuang)引起，比(bi)如接觸不良、線(xian)路(lu)故障(zhang)、發送(song)器或(huo)接收(shou)器失(shi)效(xiao)等(deng)。CAN 中(zhong)每(mei)個具有數據通信(xin)能(neng)力(li)的網(wang)絡(luo)單(dan)元(yuan)內部(bu)都(dou)集(ji)成(cheng)有壹個發送(song)錯(cuo)誤計(ji)數(shu)器和(he)接受(shou)錯(cuo)誤計(ji)數(shu)器，當該(gai)單(dan)元(yuan)在數據(ju)發送(song)階(jie)段出(chu)現壹次錯(cuo)誤時，其(qi)發(fa)送(song)錯(cuo)誤計(ji)數(shu)器自加 8；在(zai)數據(ju)接收(shou)階段(duan)出(chu)現壹次錯(cuo)誤時，其(qi)接收(shou)錯(cuo)誤計(ji)數(shu)器自加 1。在(zai)相(xiang)應計(ji)數(shu)器內容非(fei) 0 的情(qing)況下，網(wang)絡(luo)單(dan)元(yuan)每(mei)成(cheng)功(gong)發(fa)送(song)壹幀，發(fa)送(song)錯(cuo)誤計(ji)數(shu)器自減 1；每(mei)成(cheng)功(gong)接收(shou)壹幀，接收(shou)錯(cuo)誤計(ji)數(shu)內容原本(ben)小於(yu) 127 時自減 1，大(da)於(yu) 127 時被置為 119 – 127 之間(jian)任意值。這(zhe)樣，如果(guo)某(mou)個網(wang)絡(luo)單(dan)元(yuan)的錯(cuo)誤計(ji)數(shu)在不斷增長，就說(shuo)明該(gai)單(dan)元(yuan)的數據(ju)通信(xin)在頻(pin)繁發(fa)生(sheng)故障。當計(ji)數(shu)器內容超過壹定(ding)閾值時，可以認為(wei)該(gai)故障(zhang)是由長期性錯(cuo)誤引(yin)起的。這(zhe)種機制保證(zheng)了(le)當某(mou)壹個節點(dian)出現(xian)故障(zhang)的時候(hou)，不(bu)會(hui)造成(cheng)總(zong)線(xian)長時間(jian)癱瘓(huan)。