上海嘉興(xīng)寧波蘇州(zhōu)汽(qì)車CAN總綫(xiàn)測試

一(yī)，概述

汽車電子(zǐ)設(shè)備(bèi)的不斷增多，對汽(qì)車上的(dí)綫(xiàn)束分布以及信(xìn)息(xī)共享與(yǔ)交流(liú)提出了更(gēng)高的要求。傳統的(dí)電氣係(xì)統往往采用(yòng)單一連(lián)接的方(fāng)式通信(xìn)，這(zhè)必(bì)將帶(dài)來(lái)綫(xiàn)束的(dí)冗餘以及維修(xiū)的成本的提高(gāo)。

汽車(chē)通信(xìn)總綫CAN總(zǒng)綫(xiàn)介紹

傳(chuán)統的單一通(tōng)信的對(duì)接方(fāng)式，已(yǐ)經(jīng)不能滿(mǎn)足(zú)現代汽(qì)車電(diàn)子(zǐ)發(fā)展的需(xū)求(qiú)，采用更(gēng)為先進(jìn)的總綫(xiàn)技術勢(shì)在必行。總(zǒng)綫技(jì)術可以(yǐ)實現信(xìn)息(xī)的實(shí)時(shí)共享，解決(jué)了(liǎo)傳(chuán)統布(bù)綫方(fāng)式中(zhōng)綫(xiàn)束多，布綫難(nán)，成本高(gāo)等(děng)問題(tí)，從而提(tí)高(gāo)整車通(tōng)信(xìn)的質(zhì)量與(yǔ)品質。

CAN 總綫（Controller Area Network，控(kòng)製(zhì)器(qì)局域(yù)網絡）由德國(guó)博世公司於(yú)上世(shì)紀(jì) 80 年(nián)代提出，近 20 年(nián)來，隨著 CAN 總(zǒng)綫在工業測(cè)控(kòng)與汽(qì)車(chē)領(lǐng)域(yù)的普及，CAN 網(wǎng)絡技術不斷優化，取(qǔ)得了(liǎo)長足(zú)發(fā)展。如(rú)今 CAN 總綫(xiàn)已經成為(wéi)了汽車上(shàng)*重(zhòng)要(yào)環節，ECU 內(nèi)部的 CAN 總(zǒng)綫開發(fā)也(yě)占(zhān)到(dào)了(liǎo) ECU 開發(fā)中(zhōng)的很大(dà)分量(liáng)。在汽(qì)車(chē)中為了滿(mǎn)足(zú)車載係統(tǒng)的(dí)不同(tóng)要求(qiú)，主要(yào)采用(yòng)高速 CAN 和低速 CAN。這(zhè)兩者以(yǐ)不同的(dí)總綫速(sù)率(shuài)工(gōng)作以獲(huò)得(dé)最佳(jiā)的性(xìng)價比，在(zài)兩(liǎng)條(tiáo)總(zǒng)綫之(zhī)間(jiān)采(cǎi)用(yòng) CAN 網關(guān)進(jìn)行(háng)連接(jiē)。

高速(sù) CAN（動力(lì)總綫(xiàn)）：高(gāo)速(sù) CAN 總綫的傳(chuán)輸(shū)速(sù)率範圍在(zài) 125kbit/s – 1Mbit/s 之間(jiān)，主(zhǔ)要用於傳動係數(shù)傳(chuán)輸(shū)的實時性(xìng)要求（如發動機(jī)控(kòng)製(zhì)，自動(dòng)變(biàn)速箱控製，行駛穩(wěn)定係統(tǒng)，組(zǔ)合(hé)儀表(biǎo)等(děng)）。

低速 CAN（舒適(shì)總(zǒng)綫(xiàn)）：低(dī)速 CAN 總綫(xiàn)的傳輸速率範圍在 5kbit/s – 125kbit/s 之(zhī)間。主要用(yòng)於舒適係(xì)統(tǒng)和車身係(xì)統的(dí)數據傳(chuán)輸的實時(shí)性(xìng)要(yào)求（如空調控製(zhì)，座(zuò)椅調節，車(chē)窗升(shēng)降(jiàng)等）。

二(èr)，CAN 總(zǒng)綫(xiàn)特點

CAN 總(zǒng)綫是一(yī)種串行數據通(tōng)訊協(xié)議(yì)，其(qí)中(zhōng)包(bāo)含(hán)了(liǎo) CAN 協(xié)議(yì)的物理(lǐ)層以(yǐ)及數據(jù)鏈(liàn)路層。可以(yǐ)完成(chéng)對數(shù)據的位(wèi)填充，數據塊(kuài)編碼，循(xún)環冗餘效(xiào)驗(yàn)，幀優(yōu)先(xiān)級的判別等(děng)工(gōng)作(zuò)。其主要特點(diǎn)如下(xià)：

多主機方(fāng)式(shì)工(gōng)作，網絡(luò)上任意一個(gè)節點(diǎn)（未脫(tuō)離總綫）均(jūn)可(kě)以隨時向總(zǒng)綫(xiàn)網絡(luò)上(shàng)發布報(bào)文(wén)幀(zhēn)。

節(jié)點(diǎn)發送的報(bào)文幀可(kě)以分(fēn)為不同的優先(xiān)級(jí)，滿足不同實時要(yào)求(qiú)。

采用(yòng)載波偵聽多路(lù)訪問/衝突檢測（CSMA/CD）技(jì)術，當兩(liǎng)個節(jié)點同(tóng)時發(fā)布信息時(shí)，高(gāo)優先(xiān)級(jí)報(bào)文(wén)可不受影響(xiǎng)地(dì)傳(chuán)輸(shū)數據。

節點總數實際可(kě)達(dá) 110 個。

采用短(duǎn)幀結構，每(měi)一幀最多(duō)有(yǒu) 8 個(gè)有(yǒu)效字(zì)節。

當(dāng)某個節點錯誤嚴(yán)重時(shí)，具有自動關(guān)閉功能，切(qiē)斷(duàn)與總綫(xiàn)的(dí)聯係，致(zhì)使總綫上(shàng)的其他操(cāo)作不受影響(xiǎng)。

三，CAN 總綫(xiàn)物理(lǐ)層

3.1 總綫結構

CAN 總綫采(cǎi)用雙綫傳輸(shū)，兩根導(dǎo)綫(xiàn)分(fēn)別作(zuò)為 CANH，CANL，並(bìng)在終(zhōng)端(duān)配備有(yǒu) 120Ω的(dí)電阻。收(shōu)到總(zǒng)綫信(xìn)號(hào)時，CAN 收發器(qì)將(jiāng)信(xìn)號(hào)電(diàn)平轉化為邏(luó)輯狀(zhuàng)態，即(jí) CANH 與 CANL 電平(píng)相減(jiǎn)後(hòu)，得到(dào)一個(gè)插值(zhí)電平。各種(zhǒng)幹擾（如點火係統(tǒng)）在(zài)兩(liǎng)根導綫上(shàng)的(dí)作(zuò)用相(xiāng)同，相(xiāng)減後(hòu)得到的(dí)插(chā)值電平可(kě)以濾過這(zhè)些幹(gān)擾。

3.2 總綫電(diàn)平

CAN 總(zǒng)綫有兩(liǎng)種(zhǒng)邏輯電(diàn)平(píng)狀態，即顯性與(yǔ)隱(yǐn)性。顯(xiǎn)性(xìng)電(diàn)平代表“0”，隱性電(diàn)平(píng)代(dài)表(biǎo)“1”。采(cǎi)用非歸零(líng)碼(mǎ)編碼(mǎ)，即在(zài)兩(liǎng)個(gè)相(xiāng)同電平(píng)之間並不強製(zhì)插入(rù)一個零(líng)狀態電平。高速(sù) CAN 在傳(chuán)輸隱(yǐn)性(xìng)位時，CAN-H 與 CAN-L 上的電平(píng)位均為 2.5V
；在傳輸(shū)顯性(xìng)位(wèi)時分(fēn)別為 3.5V 與(yǔ) 1.5V。低速(sù) CAN 在傳輸(shū)隱性狀態位時，CAN-H 上的電(diàn)平為(wéi) 0V，CAN-L 上的電(diàn)平(píng)位(wèi) 5V。在傳輸(shū)顯性狀(zhuàng)態(tài)位時(shí)，CAN-H 上的電平位(wèi) 3.6V，CAN_L 的位(wèi) 1.4V。

為了確保(bǎo)通訊的(dí)正(zhèng)確(què)性(xìng)，總(zǒng)綫(xiàn)信號必須在(zài)一(yī)定時間內出現在(zài)總綫上，並且保(bǎo)證(zhèng)被(bèi)正確采樣。總綫(xiàn)信號(hào)傳輸有一定的時(shí)間延遲(chí)，最(zuì)大(dà)的可靠的(dí)總(zǒng)綫波特率(shuài)與總(zǒng)綫(xiàn)長度有。

ISO11898 中對(duì)各種總(zǒng)綫長度有著(zhuó)以(yǐ)下(xià)定義：

1Mbit/s 總綫長度(dù)為(wéi) 40m（規(guī)範）。

500kbit/s 總(zǒng)綫長(cháng)度最(zuì)大值(zhí)為(wéi) 100m（建議值）。

250kbit/s 總綫長度最大值為 250m。

125kbit/s 總綫(xiàn)長度最(zuì)大值為 500m。

40kbit/s 總(zǒng)綫長(cháng)度(dù)最(zuì)大(dà)值為 1000m。

四(sì)，CAN 總綫硬件(jiàn)設備

CAN 通信(xìn)綫(xiàn)纜，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的互聯，是傳(chuán)輸數據的(dí)通道。主(zhǔ)要有：普通雙絞綫，同(tóng)軸電纜，光纖。

CAN 驅(qū)動(dòng)/接收器，將信息(xī)封(fēng)裝(zhuāng)為幀後發送(sòng)，接收(shōu)到(dào)的幀(zhēn)將其還(huán)原為信息(xī)，標(biāo)定並報告(gào)節點狀態。

CAN 控(kòng)製(zhì)器，專(zhuān)按(àn)協議(yì)要(yào)求設(shè)計(jì)製造，經(jīng)簡單總綫(xiàn)連接即可(kě)實現 CAN 的(dí)全部(bù)功(gōng)能(néng)。包(bāo)括：TJA1042(NXP)，SJA1000(Philips)，82527(Intel)。

CAN 微控(kòng)製器，嵌有部(bù)分(fēn)或(huò)全部 CAN 控製模塊及相(xiāng)關接口(kǒu)的通用(yòng)型(xíng)微控製(zhì)器現(xiàn)如(rú)今很(hěn)多(duō)芯片都(dū)配備 CAN 接口(kǒu)。

五(wǔ)，CAN 報文(wén)幀結(jié)構

在 CAN 總綫上，報文(wén)是(shì)以“幀”來發送的，每(měi)一幀都包(bāo)含以(yǐ)下幾(jī)個部(bù)分(fēn)：

1. 幀起始

在總綫空(kōng)閒(xián)時(shí)，總綫為(wéi)隱性狀(zhuàng)態。幀起始(shǐ)由(yóu)單個(gè)顯性位構成(chéng)，標(biāo)誌(zhì)著(zhuó)報文的(dí)開始(shǐ)，並在(zài)總綫上(shàng)起著同步作用。

2. 仲裁段

仲裁(cái)的主要(yào)是(shì)定(dìng)義了(liǎo)報文(wén)的(dí)標識符(fú)，也(yě)俗(sú)稱 ID。在 CAN2.0A 規範(fàn)中(zhōng)，標(biāo)識(shí)符為(wéi) 11 位，而(ér)在 CAN2.0B 中(zhōng)變為(wéi)了(liǎo) 29 位。這意(yì)味著(zhuó)在(zài) 2.0B 中可(kě)以(yǐ)存在(zài)更多(duō)不(bù)同(tóng)類型(xíng)的(dí)報文(wén)，但(dàn)是也降(jiàng)低了(liǎo)總(zǒng)綫(xiàn)的利(lì)用(yòng)率(shuài)。

3. 控(kòng)製(zhì)段

主(zhǔ)要定(dìng)義了(liǎo)數(shù)據域(yù)字節的長(cháng)度。通(tōng)過(guò)數據長度碼，接收節點(diǎn)可以判斷(duàn)報文數據是否完(wán)整。

4. 數據(jù)域(yù)

包(bāo)含(hán)有 0~8 個字節數據。

5. CRC 域

CRC 又(yòu)稱(chēng)循環(huán)冗餘(yú)碼(mǎ)效(xiào)驗(yàn)（Cyclical Redundancy Check），是(shì)數據通信(xìn)中常見的查(chá)錯(cuò)方法(fǎ)。

6. ACK 域(yù)

用於接收(shōu)節點(diǎn)的(dí)反(fǎn)饋應答。

7. 幀(zhēn)結束

由(yóu)一(yī)串 7 個隱(yǐn)性位組成，表示(shì)報文(wén)幀的結(jié)束。

Ps：在 CAN 總綫的開發(fā)中，核心的(dí)關注點(diǎn)就是(shì)CAN 報文(wén) ID 以(yǐ)及其數據域。根(gēn)據客(kè)戶的要(yào)求，ECU 接收(shōu)自(zì)己感興(xīng)趣的(dí) ID 報(bào)文的(dí)同(tóng)時，也向(xiàng)外(wài)發(fā)送(sòng)別的(dí) ECU 所需(xū)要的 ID 報(bào)文。一般不(bù)同整(zhěng)車(chē)廠(chǎng)在(zài)開發自(zì)己的 CAN 協議規範(fàn)的同時，也(yě)會(huì)有自(zì)己的(dí)checksum 機(jī)製，不滿足 checksum 的報(bào)文，數(shù)據(jù)將(jiāng)不(bù)會被 ECU 所(suǒ)接(jiē)收。

六，仲(zhòng)裁(cái)機製

仲裁(cái)是總綫應用(yòng)中(zhōng)一(yī)個相當(dāng)重要(yào)的概念，在 CAN 總綫采(cǎi)用(yòng)載波偵聽多路(lù)訪(fǎng)問(wèn)/衝(chōng)突(tū)檢(jiǎn)測(CSMA/CD)技(jì)術。如果總(zǒng)綫(xiàn)空閒(xián)(隱性位)，有報文準(zhǔn)備發(fā)送(sòng)，那(nà)麼每(měi)一個節點都(dū)可(kě)以開始(shǐ)發送報(bào)文。報(bào)文以顯性位(wèi)(報(bào)文幀開始(shǐ)位)開(kāi)始(shǐ)，接著(zhuó)是(shì)標(biāo)識符。如(rú)果多(duō)個(gè)節(jié)點同(tóng)時(shí)開始發(fā)送(sòng)報文，那(nà)麼(mó)使用(yòng)“綫(xiàn)與(yǔ)”仲(zhòng)裁(cái)機製(仲裁用邏輯“與”)來(lái)解決總綫衝突(tū)，確定優(yōu)先(xiān)級(jí)*高(gāo)的報(bào)文(wén)，而不需要(yào)損失時間或(huò)數據(jù)(非(fēi)破(pò)壞性(xìng)仲裁)。仲(zhòng)裁(cái)機製(zhì)使用標(biāo)識(shí)符(fú)為判斷(duàn)依據(jù)，不僅代表報(bào)文幀的內容，還代表報(bào)文(wén)幀(zhēn)發送的優(yōu)先(xiān)級。二進(jìn)製(zhì)數越(yuè)小(xiǎo)的標識(shí)符(fú)，優先級越高(gāo)
；反之(zhī)亦然。

如上圖(tú)，ECU 單元 1 和 ECU 單元 2 同(tóng)時開始向(xiàng)總(zǒng)綫發(fā)送數(shù)據(jù)，開(kāi)始(shǐ)部分他們的(dí)數(shù)據(jù)格式是一樣的(dí)，故無法區(qū)分優(yōu)先(xiān)級(jí)，直到(dào) T 時(shí)刻(kè)，單(dān)元 1 輸(shū)出隱性電平(píng)，而(ér)單(dān)元 2 輸出顯性(xìng)電(diàn)平，此(cǐ)時單(dān)元 1 仲(zhòng)裁(cái)失利(lì)，立(lì)刻轉(zhuǎn)入(rù)接收(shōu)狀(zhuàng)態工作(zuò)，不再與單(dān)元 2 競(jìng)爭(zhēng)，而(ér)單元 2 則順利獲得(dé)總綫使用(yòng)權，繼(jì)續發(fā)送自己的數(shù)據。

七，CAN 報文幀(zhēn)種類(lèi)

CAN 總綫(xiàn)報文傳輸(shū)有以下(xià) 4 種(zhǒng)不(bù)同(tóng)的格式(shì)：

數據幀：由發送節(jié)點(diǎn)發出，包含(hán) 0 – 8 個數據(jù)字(zì)節(jié)。

遠程幀：發送(sòng)遠程(chéng)幀(zhēn)向網絡(luò)節點請求(qiú)發(fā)送(sòng)某一標識符的(dí)數(shù)據幀。

錯(cuò)誤幀(zhēn)：總綫節點發(fā)現(xiàn)錯誤時，以錯誤幀的方式(shì)通知(zhī)網絡上的其他節(jié)點(diǎn)。

過載幀(zhēn)：發送(sòng)過(guò)載幀(zhēn)，表示當前節點(diǎn)不(bù)能(néng)處(chǔ)理(lǐ)後續的報文（如幀延遲等）。 Ps：為了(liǎo)保持總綫的利用率(shuài)，在車(chē)載總綫(xiàn)上數(shù)據(jù)幀(zhēn)的(dí)報(bào)文一(yī)般均為(wéi) 8 字節(jié)。

八(bā)，CAN 總(zǒng)綫錯誤

CAN 總綫將(jiāng)錯誤分(fēn)為臨時性錯誤和(hé)長(cháng)期性錯(cuò)誤。前者(zhě)主(zhǔ)要由外部因素(sù)引(yǐn)起，如總綫上(shàng)驅(qū)動電(diàn)壓波(bō)形(xíng)不規整，有尖峰或毛刺時，其數據(jù)傳(chuán)輸性(xìng)能(néng)會(huì)受(shòu)到一(yī)定程(chéng)度(dù)的短(duǎn)期幹擾。長期性錯誤則主要由(yóu)網絡組建非正(zhèng)常(cháng)狀況(kuàng)引(yǐn)起，比(bǐ)如(rú)接觸(chù)不良，綫路故(gù)障，發送(sòng)器或(huò)接收(shōu)器失(shī)效等。CAN 中每個(gè)具(jù)有數據通信能力(lì)的(dí)網絡(luò)單元內部(bù)都集(jí)成有一(yī)個(gè)發送錯(cuò)誤計數器(qì)和接受(shòu)錯誤計(jì)數(shù)器(qì)，當該單元在數(shù)據發送(sòng)階段(duàn)出(chū)現一次(cì)錯誤(wù)時，其(qí)發送(sòng)錯誤(wù)計(jì)數器自(zì)加(jiā) 8
；在(zài)數(shù)據(jù)接收(shōu)階段出現(xiàn)一次錯誤時，其接收錯(cuò)誤(wù)計數(shù)器自加 1。在(zài)相(xiāng)應計數器內(nèi)容非 0 的情況下，網絡單元(yuán)每(měi)成(chéng)功發送(sòng)一幀(zhēn)，發(fā)送(sòng)錯(cuò)誤計數器自減(jiǎn) 1
；每(měi)成功接收一(yī)幀(zhēn)，接(jiē)收錯(cuò)誤計數內容原本(běn)小於 127 時(shí)自減 1，大(dà)於 127 時(shí)被置為 119 – 127 之間任意(yì)值。這樣(yàng)，如(rú)果某個(gè)網絡(luò)單(dān)元的(dí)錯(cuò)誤計(jì)數在不(bù)斷增長，就說明(míng)該單(dān)元的(dí)數據通(tōng)信在(zài)頻繁發(fā)生(shēng)故障。當(dāng)計(jì)數(shù)器內(nèi)容超過一定閾值時(shí)，可(kě)以認為(wéi)該故障(zhàng)是由長(cháng)期(qī)性錯誤(wù)引(yǐn)起(qǐ)的。這(zhè)種(zhǒng)機製保(bǎo)證(zhèng)了(liǎo)當某一個(gè)節(jié)點(diǎn)出(chū)現故(gù)障(zhàng)的(dí)時(shí)候，不會造成總(zǒng)綫長(cháng)時(shí)間(jiān)癱癱(huàn)。