1、车载网络技术第2章 CAN总线传输原理第2章 CAN总线传输原理 一、一、CAN总线的发展总线的发展 CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网。CAN最初出现在20世纪80年代末的汽车工业中，由德国BOSCH公司最先提出。1991年9月PHILIPS Semiconductors制定并发布了CAN技术规范(2.0版)。该技术包括A和B两部分。2.0A给出了CAN报文标准格式；2.0B给出了标准的和扩展的两种格式。1993年11月国际标准化组织ISO颁布了道路交通运输工具数据信息交换高速通信局域网(CAN)国际标准ISO11898。美国汽车工程学会(SAE
2、)2000年提出的J1939，成为货车和客车中控制器局域网的通用标准。二、二、CAN的标准帧和扩展帧的标准帧和扩展帧第2章 CAN总线传输原理 二、二、CAN的标准帧和扩展帧的标准帧和扩展帧 两种格式都是由帧起始SOF(Start of Frame)、仲裁域(Arbitration Field)、控制域(Control Field)、数据域(Data Field)、循环冗余检验域(CRC Field)、应答域(Acknowledgment Field)和帧结束(End of Frame)七部分组成。两种格式的主要区别是，扩展格式将仲裁域由原11位增加了18位，变成了29位。替代远程请求SRR(
3、Substitute Remote Request)，为隐性位。标识符扩展位IDE(Identifier Extension)，显性位表示数据帧为标准格式，隐性位表示数据帧为扩展格式。第2章 CAN总线传输原理 三、三、CAN总线的特点总线的特点(1)CAN是到目前为止惟一具有国际标准且成本较低的现场总线。(2)CAN为多主方式工作。网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，有极高的总线利用率。(3)在报文标识符上，CAN上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，优先级高的数据最多可在134s内得到传输。(4)CAN采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总
4、线发送信息出现冲突时，优先级低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪的情况。第2章 CAN总线传输原理 三、三、CAN总线的特点总线的特点(6)CAN的直接通信距离最远可达10km(速率5kb/s以下)；通信速率最高可达1Mb/s(此时通信距离最长为40m)。(7)CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个。在CAN 20A标准帧报文中标识符有11位，而在CAN 20B扩展帧报文中标识符有29位，使节点的个数几乎不受限制。(8)报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，使
5、数据的出错率降低。(9)CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，具有极好的检错效果。(10)CAN的通信介质可选择双绞线、同轴电缆或光纤。选择十分灵活。(11)CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭输出的功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。而且发送的信息遭到破坏后，可以自动重发。第2章 CAN总线传输原理 三、三、CAN总线的特点总线的特点 CAN总线上的数据可具有两种互补的逻辑值之一，显性(主控)和隐性。“显性”表示为逻辑“0”，“隐性”表示为逻辑“1”。在ISO的标准中两条总线上的电平如表3-1所示。如果总线上的两个控制器同时向总线上发送显性电平(主控电平)和隐性电平，则总线
6、上始终是显性电平(线“与”操作)。第2章 CAN总线传输原理 三、三、CAN总线的特点总线的特点 CAN总线上任意两个节点之间的最大通信距离与位速率有关，表3-2列出了相关的数据。第2章 CAN总线传输原理 四、四、CAN总线的组成总线的组成 CAN数据总线由一个控制器、一个收发器、两个数据传输终端及两条数据传输线组成。除数据传输线外，其他元件都置于控制单元内部。第2章 CAN总线传输原理 四、四、CAN总线的组成总线的组成 1 CAN控制器 CAN控制器是用来接收控制单元中微电脑传来的数据，对这些数据进行处理并将其传往CAN收发器。同样，CAN控制器也接收由CAN收发器传来的数据，对这些数据
7、进行处理并将其传往控制单元中的微电脑。2 CAN收发器 CAN收发器将CAN控制器传来的数据转化为电信号并将其送入数据传输线。它也为CAN控制器接收和转发数据。第2章 CAN总线传输原理 四、四、CAN总线的组成总线的组成 3 数据传输终端 数据传输终端是一个电阻器，其作用是防止数据在线端被反射，并以回声的形式返回。数据在线端被反射会影响数据的传输。4 数据传输线 数据传输线是双向对数据进行传输的。两条传输线分别称为CAN高线（CAN-H）和CAN低线（CAN-L）。为了防止外界电磁波的干扰和向外辐射，CAN总线将两条线缠绕在一起(双绞线)。这两条线的电位相反，如果一条是5V，另一条就是0V，
8、始终保持电压总和为一常数。通过这种方法，CAN数据总线得到了保护，使其免受外界的电磁场干扰，同时CAN数据总线向外辐射也保持中性，即无辐射。第2章 CAN总线传输原理 21 CAN总线的传输原理总线的传输原理 数据传输总线中的数据传递就像一个电话会议。数据传输总线工作时的可靠性很高。如果数据传输总线系统出现故障，故障就会存入相应的控制单元故障存储器内，可以用诊断仪读出这些故障。数据传输总线正常的一个重要前提条件是：车在任何工况均不应有数据传输总线故障记录。基本车载网络系统由多个控制单元组成，这些控制单元通过收发器(发射一接收放大器)并联在总线导线上，所有控制单元的地位均相同，没有哪个控制单元有
9、特权。称为多主机结构。数据传输总线采用一条导线或二条导线，第二条导线上传输信号与第一条导线上的传输信号成镜像关系，这样可有效抑制外部干扰。第2章 CAN总线传输原理 211 信息交换信息交换 用于交换的数据称为信息，每个控制单元均可发送和接收信息。二进制数据流也称为比特流。在发送过程中，二进制值先被转换成连续的比特流，该比特流通过TX线(发送线)到达收发器(放大器)，收发器将比特流转化成相应的电压值，最后这些电压值按时间顺序依次被传送到数据传输总线的导线上。在接收过程中，这些电压值经收发器又转换成比特流，再经RX线(接收线)传至控制单元，控制单元将这些二进制连续值转换成信息。每个控制单元均可接
10、收发送出的信息。这种原理称为广播。211 信息交换信息交换第2章 CAN总线传输原理 212 功能元件功能元件 1控制单元控制单元 控制单元中的重要构件：CPU、CAN控制器和CAN收发器，另外带有输入输出存储器和程序存储器。1控制控制单元单元 2数据数据传输总线传输总线构件构件 3收发收发器器213 CAN总线的数据传输过程1发送过程发送过程(1)提供数据(2)发送数据2接收过程接收过程(1)信息接收 接收数据(2)信息校验 检查数据(3)信息接受 接受数据213 CAN总线的数据传输过程1发送过程发送过程213 CAN总线的数据传输过程1发送过程发送过程 1)发动机控制单元的传感器接收到转
11、速值。该值以固定的周期到达微控制器的输入存储器内。由于该转速值还用于其他控制单元，如组合仪表，所以该值应通过数据传输总线来传递。2)该转速值就被复制到发动机控制单元的发送存储器内。3)该信息从发送存储器进入数据传输总线构件的发送邮箱内。如果发送邮箱内有一个实时值，那么该值会由发送特征位(举起的小旗示意有传输任务)显示出来。将发送任务委托给数据传输总线构件，发动机控制单元就完成了此过程中的任务。4)发动机转速值按协议被转换成数据传输总线的特殊格式。5)数据传输总线构件通过RX线来检查总线是否有源(是否正在交换别的信息)，必要时会等待，直至总线空闲下来为止。如果总线空闲下来，发动机信息就会被发送出
12、去。213 CAN总线的数据传输过程2接收过程接收过程213 CAN总线的数据传输过程2接收过程接收过程(1)信息接收信息接收 连接的所有装置都接收发动机控制单元发送的信息。该信息是通过RX线到达数据传输总线构件各自的接收区。(2)信息校验信息校验 所有连接的装置都接收发动机控制单元发送的信息，可以通过监控层内的CRC校验（“循环冗余码校验”）和数来确定是否有传递错误。如果确定无传递错误，那么连接的所有装置会给发射器一个确认回答（ACK）。(3)信息接受信息接受 己接收到的正确信息会到达相关数据传输总线构件的接受区。在那里来决定该信息是否用于完成各控制单元的功能。如果不是，该信息就被拒收。如果
13、是，该信息就会进入相应的接收邮箱。组合仪表调出该信息并将相应的值复制到它的输入存储器内。在组合仪表内，转速经微控制器处理后控制转速表显示相应的转速。213 CAN总线的数据传输过程3CAN总线的传输仲裁总线的传输仲裁 1)每个控制单元在发送信息时通过发送标识符来识别。2)所有的控制单元都是通过各自的RX线来跟踪总线上的一举一动并获知总线的状态。3)每个发射器将TX线和RX线的状态逐位进行比较。4)数据传输总线的调整规则：用标识符中位于前部的“0”的个数代表信息的重要程度，从而保证按重要程度的顺序来发送信息。22 CAN数据总线的应用实例数据总线的应用实例u1具体分类具体分类1)动力CAN数据总
14、线(高速)，速率为500Kbps，用于将驱动线束上的控制单元联成网。2)舒适CAN数据总线(低速)，速率为100Kbps，用于将舒适系统中的控制单元联成网。3)信息CAN总线(低速)，速率为100Kbps用于将收音机、电话和导航系统联成网。2.2.1 大众奥迪车上的大众奥迪车上的CAN数据总线简介数据总线简介22 CAN数据总线的应用实例数据总线的应用实例2.2.1 大众奥迪车上的大众奥迪车上的CAN数据总线简介数据总线简介u2所有系统的共性所有系统的共性 各系统在数据高速公路上采用同样的“传输协议”。为了保证有很高的抗干扰性(如来自发动机舱)，CAN数据总线都采用双线式系统。将要发送的信号在
15、发送控制单元的收发器内转换成不同的信号电平，并输送到两条CAN导线上，只有在接收控制单元的差动信号放大器内才能建立两个信号电平的差值，并将其作为唯一经过校正的信号继续传至控制单元的CAN接收区。信息CAN数据总线与舒适CAN数据总线的特性是一致的。22 CAN数据总线的应用实例数据总线的应用实例2.2.1 大众奥迪车上的大众奥迪车上的CAN数据总线简介数据总线简介u3各系统的区别各系统的区别 1)动力CAN数据总线通过15号接线柱切断，或经过短时无载运行后切断。而舒适CAN数据总线由30号接线柱供电且必须保持随时可用状态。2)为了尽可能降低对供电电网产生的负荷，在“15号接线柱关闭”后，若总线
16、系统不再需要舒适数据总线，那么舒适数据总线就进入所谓“休眠模式”。3)舒适/信息CAN数据总线在一条数据线短路，或一条CAN线断路时，可以用另一条线继续工作，这时会自动切换到“单线工作模式”。4)动力CAN数据总线的电信号与舒适/信息CAN数据总线的电信号不同。22 CAN数据总线的应用实例数据总线的应用实例l222大众大众/奥迪车奥迪车CAN总线的链路总线的链路u1双绞线的颜色双绞线的颜色lCAN导线的基色为橙色橙色。l对于动力CAN数据总线来说，CAN-High线上还多加了黑色黑色作为标志色；l对于舒适CAN数据总线来说，CAN-High线上的标志色为绿色绿色；l对于信息CAN数据总线来说
17、，CAN-High线上的标志色为紫色紫色。lCAN-Low线的标志色都是棕色棕色。22 CAN数据总线的应用实例数据总线的应用实例l222大众大众/奥迪奥迪车车CAN总线的链路总线的链路u2双绞线的双绞线的铰接式连接铰接式连接l 对于设备配置相对比较低端的车型，舒适CAN数据总线和动力CAN数据总线连接的电控单元相对较少，CAN双绞线一般采用铰接式连接。u3双绞线的双绞线的插座式连接插座式连接l 对于设备配置相对比较高端的车型，舒适CAN数据总线和动力CAN数据总线连接的电控单元比较多，CAN双绞线一般采用插座式连接。22 CAN数据总线的应用实例数据总线的应用实例l 223动力动力CAN数据
18、总线数据总线u1动力动力CAN数据总线的主要联网单元数据总线的主要联网单元l 发动机控制单元；ABS控制单元；l ESP控制单元；变速器控制单元：l 安全气囊控制单元；组合仪表。u2动力动力CAN数据总线上的信号电压变化数据总线上的信号电压变化l 在静止状态时，这两条导线上作用有静电平。对于动力CAN数据总线来说，这个静电平大约为2.5V。静电平也称为隐性状态。l 在显性状态时，CAN-High线上的电压值会升高一个预定值，这个值至少为1V。而CAN-Low线上的电压值会降低一个同样值，这个值至少为1V。于是在动力CAN数据总线上，CAN-High线就处于激活状态，其电压不低于3.5V(2.5
19、V+lV=3.5V)，而CAN-Low线上的电压值最多可降至1.5V(2.5V1V1.5V)。因此在隐性状态时，CAN-High线与CAN-Low线上的电压差为0V，在显性状态时该差值最低为2V，如图2-24所示。22 CAN数据总线的应用实例数据总线的应用实例l223动力动力CAN数据总线数据总线u3动力动力CAN的收发器的收发器l 差动信号放大器用CAN-High线上的电压减去CAN-Low线上的电压，就得出了输出电压，用这种方法可以消除静电平或其他任何重叠的电压(如干扰)。u4动力动力CAN数据总线差动信号放大器内的干扰过滤数据总线差动信号放大器内的干扰过滤l 由于CAN-High线和C
20、AN-Low线是扭绞在一起的，所以干扰脉冲X就总是有规律地作用在两条线上。由于差动信号放大器总是用CAN-High线上的电压(3.5VX)减去CAN-Low线上的电压(1.5VX)，因此在经过差动处理后，(3.5VX)(1.5VX)=2V，差动信号中就不再有干扰脉冲了。22 CAN数据总线的应用实例数据总线的应用实例l224 舒适舒适/信息信息CAN数据总线数据总线u1舒适舒适/信息信息CAN数据总线的联网单元数据总线的联网单元 l 全自动空调/空调控制单元；l 车门控制单元；l 舒适控制单元：l 收音机和导航显示单元控制单元。u2舒适信息舒适信息CAN数据总线上的信号电压变化数据总线上的信号
21、电压变化 首先，由于使用了单独的驱动器(功率放大器)，这两个CAN信号就不再有彼此依赖的关系了。与动力CAN数据总线不同，舒适/信息CAN数据总线的CAN-High线和CAN-Low线不是通过电阻相连的。也就是说，CAN-High线和CAN-Low线不再彼此相互影响，而是彼此独立作为电压源来工作。另外还放弃了共同的中压，在隐性状态(静电平)时，CAN-High信号为0V，在显性状态时36V。对于CAN-Low信号来说，隐性电平为5V，显性电平 14V，如图2-28所示。22 CAN数据总线的应用实例数据总线的应用实例l224 舒适舒适/信息信息CAN数据总线数据总线u 3舒适信息舒适信息CAN
22、数据总线的数据总线的CAN收发器收发器l 舒适/信息CAN数据总线的收发器，如图2-29所示，其工作原理与动力CAN数据总线收发器基本是一样的，只是输出的电压电平和出现故障时切换到CAN-High线或CAN-Low线(单线工作模式)的方法不同。另外CAN-High线和CAN-Low线之间的短路会被识别出来，并且在出现故障时会关闭CAN-Low驱动器，在这种情况下，CAN-High和CAN-Low信号是相同的。l CAN-High线和CAN-Low线上的数据传递由安装在收发器内的故障逻辑电路监控，故障逻辑电路检验两条CAN导线上的信号，如果出现故障，如某条CAN导线断路，那么故障逻辑电路会识别出
23、该故障，从而使用完好的另一条导线(单线工作模式)。l 在正常的工作模式下，使用的是CAN-High“减去”CAN-Low所得的信号(差动数据传递)，这样就可将干扰对舒适信息CAN数据总线的两条导线的影响降至最低(与动力CAN数据总线一样)。u 4单线工作模式下的舒适信息单线工作模式下的舒适信息GAN数据总线数据总线l 如果因断路、短路或与蓄电池电压相连而导致两条CAN导线中的一条不工作了，那么就会切换到单线工作模式。在单线工作模式下，只使用完好的CAN导线中的信号，这样就使得舒适/信息CAN数据总线仍可工作。同时，控制单元记录一个故障信息：系统工作在单线模式。22 CAN数据总线的应用实例数据
24、总线的应用实例l225 CAN数据总线上的阻抗匹配数据总线上的阻抗匹配l 数据传输终端是一个终端电阻，防止数据在导线终端被反射产生反射波，反射波会破坏数据。在驱动系统中，它接在CAN高线和CAN低线之间。标准CAN-Bus的原始形式中，在总线的两端接有两个终端电阻，如图2-30所示。大众车型将负载电阻分布在各个控制单元内，其中在发动机控制单元中装有“中央终端电阻”，其他控制单元中安装大电阻。l 驱动系统中CAN高线和CAN低线之间的总电阻为5070。如15号线(点火开关)断开，可以用电阻表测量CAN高线和CAN低线之间的电阻。舒适系统和信息系统CAN总线的特点是，控制单元的负载电阻不是在CAN
25、高线和CAN低线之间，而是在导线与地之间。电源电压断开时，CAN低线(舒适系统和信息系统)上的电阻也断开，因此不能用电阻表进行测量。大众车型中设置有两种终端电阻，包括66和 2.6k，如图2-31所示。22 CAN数据总线的应用实例数据总线的应用实例226 CAN总线的电磁兼容原理总线的电磁兼容原理l EMC(Electro Magnetic Compatibility,电磁兼容)包括EMI(电磁干扰)及EMS(电磁耐受性)两部份。l 1抗干扰抗干扰（EMS,Electro Magnetic Susceptibility）l 如图2-32所示，双绞线保证外界干扰对CAN总线的两根数据线的干扰影
26、响基本相同，由于CAN收发器利用差动放大器对两路信号进行差运算，差动运算能够使得外界对CAN总线的两根数据线的干扰影响自行运算抵消，如图2-33所示，因此消除了外界的干扰影响。l 2不干扰外界不干扰外界（EMI，Electro Magnetic Interference）l 如图2-34所示，双绞线保证CAN总线的两根数据线距离外界任意一点的距离基本相同。由于CAN收发器发送到两根数据线上的信号成镜像关系，因此，CAN总线的H线对外辐射和L线的对外辐射具有幅值相同、方向相反的特点。综合以上两点，使得CAN总线的两根数据线对外界任意一点的干扰影响自行运算抵消。23 宝来轿车车载网络系统实例宝来轿
27、车车载网络系统实例231 舒适舒适CAN网络网络23 宝来轿车车载网络系统实例宝来轿车车载网络系统实例4舒适舒适CAN的自诊断的自诊断l检测仪解码器VAG1552、VAS 5051 l只有统计上的故障被考虑：l1)中央门锁不动作。l2)后视镜电动机不动作。l3)电动车窗电动机不动作。l4)CAN通信系统不工作。23 宝来轿车车载网络系统实例宝来轿车车载网络系统实例4舒适舒适CAN的自诊断的自诊断l (1)故障码01328：舒适系统数据总线故障l (2)故障码01329：舒适系统数据总线处于紧急模式l (3)故障码01330：舒适系统的中央控制模块(J393)损坏、供电电压过高过低l (4)故障码01331：驾驶员侧车门控制模块(J386)损坏、无通信、供电电压过高过低l (5)故障码01332：前乘客车门控制模块损坏、无通信、供电电压过高过低l (6)故障码01333：左后车门控制模块(J388)损坏、无通信、供电电压过高过低l (7)故障码01334：右后车门控制模块(J389)损坏、无通信、供电电压过高过低l (8)故障码01335：驾驶员座椅后视位置控制模块不确定信号、无通信
