CAN總線的概念/工作原理/組成/結構

文章內容：

什么是CAN總線

CAN總線的工作原理

CAN總線幀組成

CAN總線結構

CAN總線協議結構

CAN總線解析的實測案例

什么是CAN總線

控制器局域網總線(CAN，Controller Area Network)是一種用于實時應用的串行通訊協議總線，它可以使用雙絞線來傳輸信號，是世界上應用最廣泛的現場總線之一。CAN協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收發器、數據傳輸線、數據傳輸終端等組成。CB311的ECU(發動機控制單元)、TCU(變速器控制單元)、FEPS(無鑰匙進入和無鑰匙啟動系統)、組合儀表四個電控單元通過CAN總線連接，CAN控制器、CAN收發器均集成在電控單元中。CAN總線的結構如圖1所示。

圖1 CAN總線的總體結構

CAN協議的特性包括完整性的串行數據通訊、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總線使用串行數據傳輸方式，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議支持多主控制器。

CAN與I2C總線的許多細節很類似，但也有一些明顯的區別。當CAN總線上的一個節點(站)發送數據時，它以報文形式廣播給網絡中所有節點。對每個節點來說，無論數據是否是發給自己的，都對其進行接收。每組報文開頭的11位字符為標識符，定義了報文的優先級，這種報文格式稱為面向內容的編址方案。在同一系統中標識符是唯一的，不可能有兩個站發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送數據時，該站的CPU將要發送的數據和自己的標識符傳送給本站的CAN芯片，并處于準備狀態;當它收到總線分配時，轉為發送報文狀態。

CAN芯片將數據根據協議組織成一定的報文格式發出，這時網上的其它站處于接收狀態。每個處于接收狀態的站對接收到的報文進行檢測，判斷這些報文是否是發給自己的，以確定是否接收它。由于CAN總線是一種面向內容的編址方案，因此很容易建立高水準的控制系統并靈活地進行配置。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據接收設備時，數據傳輸協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據時，可由網上獲得，而無須每個控制器都有自己獨立的傳感器。

現代汽車的電控單元主要有主控制器、發動機控制系統、懸架控制系統、制動防抱死控制系統(ABS牽引力控制系統、ASR控制系統、儀表管理系統、故障診斷系統、中央門鎖系統、座椅調節系統等)。

所有這些子控制系統連接起來構成1個實時控制系統，即：指令發出去之后，必須保證在一定時間內得到響應，否則，就有可能發生重大事故。這就要求汽車上的cAN通信網絡有較高的波特率設置。另外，汽車在實際運行過程中，眾多節點之間需要進行大量的實時數據交換。若整個汽車的所有節點都掛在1個CAN網絡上，眾多節點cAN總線進行通信，信息管理配置稍有不當，就很容易出現總線負荷過大，導致系統實時響應速度下降。

這在實時系統中是不允許的，因此在對汽車上各節點的實性進行了分析之后，根據各節點對實時性的要求，設計了高、中、低速3個速率不同的CAN通信網絡，將實時性要求嚴格的節點組成高速CAN通信網絡，將其它實時性要求相對較低的節點組成中速CAN通信網絡，將剩下實時性要求不是很嚴格的節點組成低速CAN通信網絡。并架設網關將這3個速率不同的3個通信網絡連接起來，實現全部節點之間的數據共享。

CAN總線幀組成

CAN總線信號就是CAN總線中傳輸的幀，CAN總線中的幀類型分為5種，分別是數據幀、遠程幀、錯誤幀、過載幀、幀間隔。

1.數據幀：用于發送節點向接收節點傳送數據的幀。

2.遠程幀：用于接收節點向具有相同ID的發送節點傳送數據的幀。

3.錯誤幀：用于當檢測出錯誤時向其他節點通知錯誤的幀。

4.過載幀：用于接收節點通知其尚未做好準備的幀。

5.幀間隔：用于將數據幀及遠程幀與前面的幀分隔開來。

標準幀和擴展幀：

數據幀和遠程幀都可以使用標準幀格式或者擴展幀格式

RTR：遠程發送請求位，數據幀為顯性，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：數據長度位。

CRC：校驗位。

CRC分隔符：隱性位

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

幀結束：由7個隱性位組成。

數據幀：

SOF幀起始：數據幀開始的段。

仲裁場：該幀優先級的段。

控制場：數據的字節數以及保留位。

數據場：數據內容。

CRC場：校驗數據。

應答場：確認正常接收的段。

幀結尾：數據幀結束的段。

遠程幀：

通過發送遠程幀，作為數據接收器的節點可以發起各自數據源的數據傳送請求，即向數據發送器請求發送具有相同ID的數據幀。遠程幀沒有數據段。

錯誤幀：

錯誤類型：應答錯誤，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。

錯誤積極節點：如果檢測到一個錯誤條件，就會發送積極錯誤標志。這將引起其它節點檢測到填充錯誤，并開始發送錯誤標志。因此錯誤標志疊加在6~12位之間。節點發送完錯誤標志之后就發送一個隱性位，并監控總線，直到總線上出現一個隱性位，然后再發送7個隱性位。這樣一個錯誤幀就發送完畢了。

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

過載幀：

過載條件：接收器要求延遲下一次數據幀或遠程幀的到達;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，則節點會發送一個過載幀，錯誤計數器不會增加。

幀間空間：

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數據幀和遠程幀的前面必然有幀間空間。對于主動錯誤節點和被動錯誤節點，幀間空間的結構稍有不同。對于主動錯誤節點，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送數據幀和遠程幀?？偩€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點不可以發送數據幀與遠程幀。

CAN總線結構

下圖中，左邊是高速CAN總線的拓撲結構，右邊是低速CAN總線的拓撲結構。

如圖中所示，CAN總線包括CAN_H 和 CAN_L 兩根線。節點通過CAN控制器和CAN收發器連接到CAN總線上。

CAN總線協議結構

CAN標準分為底層標準(物理層和數據鏈路層)和上層標準(應用層)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總線的物理層和數據鏈路層定義基本相同;而上層標準，不同應用領域或制造商會有不同的做法，所以在這一塊沒有統一的國際標準。

根據OSI參照機型，定義數據鏈路層與物理層。

OSI規格化以外，SAE J2284, J2411等規格也有類似分層。

CAN總線解析的實測案例

汽車控制系統測試案例

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)、模數轉換器(A/D)以及整流、驅動等大規模集成電路組成。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，在汽車的開發與檢測中，一般需要進行以下項目的測試：

? 多路ECU控制信號的時序關系? 多路轉速、噴油脈沖、曲軸轉角等傳感器信號? 進行CAN總線的解碼分析

審核編輯：湯梓紅

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