汽車電子中常用的通信協議—控制器局部網介紹

01 首語

隨著人們對汽車功能需求越來越多樣化、智能化，汽車的零部件（ECU，Electronic Control Unit）的數量也越來越多、越來越復雜，像自動駕駛、主動安全等功能加入，普通汽車搭載ECU數量大約為50-100個，而豪華智能汽車的ECU數量平均可達到300個以上。在如此龐大數量的ECU的汽車中，各個ECU之間是如何進行信息交換、共同協作，以及ECU是如何完成在線升級（OTA，On The Air）的呢？本文將介紹汽車電子中常用的通信協議——控制器局部網（CAN，Controller Area Network）。

02 CAN基礎概念介紹

CAN通信技術是由博世（BOSCH）公司于1986 年開發出面向汽車的一種通信協議，隨后通過ISO-11898和ISO-11519對其進行標準化：

1、ISO-11898：定義了通信速率為 125 kbps～1 Mbps 的高速 CAN 通信標準，屬于閉環總線，傳輸速率可達1Mbps，總線長度 ≤ 40米。

2、ISO-11519：定義了通信速率為 10～125 kbps 的低速 CAN 通信標準，屬于開環總線，傳輸速率為40kbps時，總線長度可達1000米。

CAN通信網絡是歐洲汽車網絡的標準協議，在發展過程中，其高性能和可靠性被廣泛認可，所以也會被使用在工業自動化、船舶、醫療設備、工業設備中。

CAN是異步通信，與I2C、SPI這類具有時鐘信號線的同步通信協議不同，CAN通信只有兩根信號線CAN_HIGH和CAN_LOW來組成一對差分信號線，下圖是在汽車電子中常見的ECU在CAN網絡的連接圖：

圖1 ECU連接圖

差分信號

差分信號又稱差模信號，與傳統使用單根信號線電壓表示邏輯的方式有區別，晶體管-晶體管邏輯電平（TTL）信號就是用的單根信號線的電壓值來表示邏輯值，其電平信號規定：+5V等價于邏輯1，0V等價于邏輯0。而使用差分信號傳輸時，需要兩根信號線，這兩個信號線的振幅相等，相位相反，通過兩根信號線的電壓差值（Vdiff，Voltage Difference）來表示邏輯0和邏輯1，Vdiff=CAN_H-CAN_L。CAN差分信號如下圖所示。

圖2 差分信號

CAN總線為隱性電平時代表邏輯1，CAN_H和CAN_L的電平為2.5V（電位差Vdiff為0V）；

CAN總線為顯性電平時代表邏輯0，CAN_H和CAN_L的電平分別是3.5V和1.5V（電位差Vdiff為2.0V左右）。

位時序

前面提到CAN是一種異步通信，沒有時鐘信號線，其通信過程類似串口通信（Serial Communications），CAN控制器之間通過事先約定好的時序進行通信，但CAN通信還會采用位同步（Bit Synchronization）的方式來抗干擾、吸收誤差，從而使得CAN控制器可以對總線信號進行正確采樣，保證正常通信。

CAN 協議把每一個數據位的時序分解成如圖3所示的 Sync_Seg 段、Prop_Seg 段、Phase_Seg1 段、Phase_Seg2 段，這四段的長度加起來為一個 CAN 數據位的長度。最小的時間單位是 Tq（Time Quantum），一個完整的位由 8-25 個 Tq 組成。

圖3 位時間

Sync_Seg（同步段）

若通訊節點檢測到總線上信號的跳變沿被包含在 Sync_Seg段的范圍之內，則表示節點與總線的時序是同步的，當節點與總線同步時，采樣點（Sampling Point）采集到的總線電平可被認為該位的電平。Sync_Seg的大小固定為 1Tq。

Prop_Seg（傳播時間段）

這個時間段是用于補償網絡的物理延時時間。是總線上輸入比較器延時和輸出驅動器延時總和的兩倍。Prop_Seg段的大小可以為 1-8Tq。

Phase_Seg1（相位緩沖段1）

這個時間段主要用來補償邊沿階段的誤差，它的時間長度在重新同步的時候可以加長。Phase_Seg1段的初始大小可以為 1-8Tq。

Phase_Seg2（相位緩沖段2）

這個時間段也是用來補償邊沿階段誤差的，它的時間長度在重新同步時可以縮短。Phase_Seg2段的初始大小可以為 2-8Tq。

CAN收發器

ECU需要從總線中獲取CAN幀中的信號電平，轉化為邏輯電平，也就是將圖2 差分信號中的顯性電平和隱性電平轉換為對應的邏輯電平0和邏輯電平1，這樣在總線中的CAN幀就被轉換成程序中使用的CAN報文了。

這個步驟就是由CAN收發器（CAN Transceiver）來完成的，如圖1 ECU連接圖所示，其位于MCU和CAN Network之間，接收CAN總線上的CAN幀相關的信號電平并將其轉化為邏輯信息電平轉發給CAN控制器，并且也接收從CAN控制器傳輸過來的邏輯電平信息并將其轉化為信號電平傳從到CAN總線上。

03 CAN幀

CAN有五種幀的類型：數據幀（Data Frame）、遠程幀（Remote Frame）、錯誤幀（Error Frame）、間隔幀（Can Interval Frame）和過載幀（Overload Frame） ，其中最復雜的幀類型為數據幀，其作用是傳輸數據，數據長度是可變的，一個經典CAN（Classical CAN）數據幀可傳輸0-8個字節的數據（數據內容長度，不含CAN幀的控制信息），而一個CAN FD（CAN with Flexible Data rate）的可傳輸的數據長度可達64個字節，后文提到的CAN為經典CAN。CAN幀會因其ID位數的不同而不同，以ID位數分為兩類：標準幀（11位CAN Identifier）和擴展幀（29位CAN Identifier）。

標準幀

如圖4所示，一個帶有11位CAN Identifier的幀以SOF（Start Of Frame）開始，以EOF（End Of Frame）結束，其中包含五個區域，分別為仲裁區（Arbitration Field）、控制區（Control Field）、數據區（Data Field）、校驗區（CRC Field）、應答區（ACK Field）。

圖4 標準數據幀

仲裁區

這個區域包含CAN Identifier的[28:18]，總共11位，其范圍為0x000-0x7FF，CAN Identifier的值越小會在CAN總線仲裁時擁有更高的優先級（Priority）。RTR位用來指示該幀是否位遠程幀（用來區分沒有數據的數據幀和遠程幀）。

控制區

IDE位用來指示該幀是否為擴展幀；r0為保留位；DLC指示該幀數據區的長度。

數據區

這里放著0-8個字節需要傳輸的數據。

校驗區

CRC（Cyclic Redundancy Check）：循環冗余校驗；Delimiter：分隔符。

應答區

ACK SLOT：應答槽，發送方會將此位作為隱性電平發送，接收方成功接收后會將此位重寫，以此來讓發送方知道此幀是否被成功發送。

擴展幀

設計擴展幀的目的是為了完成對更長的CAN Identifier的傳輸，所以擴展幀中的CAN Identifier使用到了ID[28:0]，一共是29位，如圖5所示，擴展幀和標準幀大致相同，只有幾個地方有一些小的區別。

圖5 擴展數據幀

SRR位（Substitute Remote Request）：替代遠程請求位

r0/r1位：保留位

04 CAN控制器

雖然有相應的標準來規范CAN通信，但是不同的芯片廠商對其功能的具體實現卻各不相同，不同點主要在CAN外設在芯片中的寄存器設計，各自驅動程序自然也有區別，但在CAN總線上發出和接收的CAN幀都和標準規定的一致。下面是一些具體的例子來描述CAN控制器的大致工作機制。

Cypress Traveo II系列芯片是英飛凌專為汽車應用設計的32位MCU，其CAN控制器支持經典CAN和CAN FD（ISO 11898-1:2015）。收發CAN幀時支持多種模式，給應用帶來更多可能，方便實現不同的場景需要。

消息區

Traveo II系列MCU的CAN控制器具有一塊消息區（MRAM，Message RAM），其地址范圍與程序運行時使用的RAM地址范圍是隔離的，也就是說CAN控制器用來存儲接收/發送的CAN幀以及自身的配置信息的MRAM和程序規定的堆、棧等RAM區域是不沖突的，這樣也可以有效避免程序的可能存在的錯誤導致CAN幀的數據被篡改。圖6是Trave II MRAM中關于CAN的配置。

圖6 MRAM包含的區域

從圖中可以看出，Traveo II 的CAN控制器的MRAM的地址是以32位對齊的，從上向下看，首先是CAN ID的配置信息，根據配置CAN控制器中相關寄存器，可將CAN ID初始化為11位或29位，并將不同的CAN ID寫入不同的區域。

接下來是存儲CAN幀的關鍵區域，這里存著CAN控制器從總線接收到符合上面已經配置好的CAN ID的CAN幀、即將要發送的CAN幀，從圖中可以看出接收/發送時可以使用FIFO（實際也有Queue）模式和Buffer模式，后面會詳細介紹不同的模式的工作方式以及CAN幀的內部構造。

接收

前面提到接收有兩種工作模式，分別是FIFO（Queue）和Buffer，Buffer模式工作過程簡單，一旦有CAN幀被CAN控制器存入Buffer內，相應的中斷處理函數就會被觸發來處理對應的CAN幀。而FIFO和Queue模式就復雜一些，如圖7所示，這是一個擁有8個Rx CAN幀塊（英飛凌Traveo II官方手冊中稱為Rx Element）的FIFO區域，不難看出，有兩個關鍵的標志Get Pos和Put Pos，分別用來指示當前CAN幀獲取位置和下一個CAN幀存放位置。此時FIFO區域中已經存在了3個CAN幀等待讀取，當驅動程序將CAN幀從MRAM中讀取完畢時，會設置對應寄存器來通知CAN控制器，然后Get Pos和Put Pos會指向同一個CAN幀塊（為空狀態）。

圖7RxFIFO

如圖8所示，這是一個由CAN控制器從CAN收發器上傳來的CAN幀的內部構造，這里還是把它稱作Rx CAN幀塊，其內容包含了一些前面講到的CAN數據幀的一些控制位、數據位，還有一些是為了兼容CAN FD所預留的，這里只介紹和經典CAN的相關內容，CAN FD的大同小異。

圖8 Rx CAN幀塊

XTD位：指示該幀為標準幀還是擴展幀，若此位為0則該幀是標準幀，ID中[28:18]是有效CAN ID，即該幀CAN ID為11位；若此位為1則該幀是擴展幀，ID中[28:0]全部是有效CAN ID內容，即該幀CAN ID為29位。

RTR位：用來區分該幀為遠程請求幀還是數據幀，若此位為0則該幀是數據幀，若此位為1則該幀是遠程請求幀。

DLC[3:0]：此4位數據用來指示該幀含有的數據的字節數，本文只討論經典CAN，所以DLC規定的范圍應該在0-8字節。

R2-R3：這兩行數據就是數據幀中的數據域中的內容，經典CAN最多傳輸8個字節數據，從圖中可以看出，這樣一個CAN幀塊最大支持8個字節的數據，DB0-DB7。

發送

CAN控制發送過程就相對復雜一些，因為上層應用可能需要發多種CAN ID報文，其報文優先級有高有低，高優先級需要盡快發出，低優先級則可以在緩沖區中等待優先級更高的CAN幀發送完，再發出。

圖9 同時使用Tx Buffer和Tx FIFO

如圖9所示，當同時使用Tx Buffer和Tx FIFO時，CAN控制器每次都會掃描這些區域，當前狀態下，Tx Buffer中一個CAN ID為2的CAN幀等待發送，因為它是Tx Buffer區域中CAN ID最小的，并且比Tx FIFO中處于Get Pos的這一幀（CAN ID為4）小，所以它擁有最高優先級，這一幀將會最先被發出去，第二次CAN控制器再次掃描這些區域，發現處于Tx FIFO中Get Pos的這一幀（CAN ID為4）是這些區域中最小的（包括Tx Buffer），所以第二次將會發送CAN ID為4的這一幀，如此往復，直到這些區域內的所有Tx CAN幀塊被全部通過CAN收發器轉換為信號電平發送到總線上。

圖10 Tx Element

如圖10所示，與Rx Element類似，XTD、RTR、ID、DLC以及DB0-DB7的用法與Rx Element一致，只有部分內容有不同。

MM[7:0]：Message Marker，這是一個與發送事件（Tx Event）相關的信息。

EFC（Event FIFO Control）位：該位表示該幀是否有將發送事件存在對應的MRAM中。

FDF位：此位用來標識該幀是否為一個CAN FD幀。

BRS（Bit Rate Switching）位：當該幀位CAN FD幀（即FDF為1時），此位才有效，決定該幀在發送時是否啟用速率切換（Rate Switching），以更高的速度傳輸。

更多與Traveo II發送和接收CAN幀相關的細節，大家可以去查閱英飛凌提供的技術手冊TRM。

05 總結

CAN通信已經存在了相當長的時間了，其強大的性能和相對高的穩定性讓其不僅在汽車領域大顯身手，還被廣泛用在各種有性能和穩定性有要求的領域，但在人民日益增長的需求下，其缺點被逐漸放大，例如其每一幀的數據負載量較?。恳粠夹枰獛в蠧ANID和一些控制信息）、速率有限，好在CANFD的出現，將每一幀可傳輸的字節數增加至64字節，并增加了波特率，極大的改進了經典CAN通信。

隨著時代的變化，大家對新能源車的要求越來越高，更復雜的娛樂功能、高級輔助駕駛、自動駕駛功能等等，CAN通信在這些功能的就有點力不從心了，現在出現FlexRay、車載以太網等一些新的通信技術，隨著這些有趣的技術快速發展，讓我們來看看會發生什么。