1、第2章 CAN總線傳輸原理 一、CAN總線的發展 CAN，全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網。 CAN最初出現在20世紀80年代末的汽車工業中，由德國BOSCH公司最先提出。 1991年9月PHILIPS Semiconductors制定并發布了CAN技術規范(2.0版)。該技術包括A和B兩部分。2.0A給出了CAN報文標準格式；2.0B給出了標準的和擴展的兩種格式。 1993年11月國際標準化組織ISO頒布了道路交通運輸工具數據信息交換高速通信局域網(CAN)國際標準ISO11898 。 美國汽車工程學會(SAE)2000年提出的J1939，成為貨車和客

2、車中控制器局域網的通用標準。 第1頁/共41頁 二、CAN的標準幀和擴展幀第2頁/共41頁第2章 CAN總線傳輸原理二、CAN的標準幀和擴展幀 兩種格式都是由幀起始SOF(Start of Frame)、仲裁域(Arbitration Field)、控制域(Control Field)、數據域(Data Field)、循環冗余檢驗域(CRC Field)、應答域(Acknowledgment Field)和幀結束(End of Frame)七部分組成。 兩種格式的主要區別是，擴展格式將仲裁域由原11位增加了18位，變成了29位。 替代遠程請求SRR(Substitute Remote Requ

3、est)，為隱性位。 標識符擴展位IDE (Identifier Extension)，顯性位表示數據幀為標準格式，隱性位表示數據幀為擴展格式。第3頁/共41頁第2章 CAN總線傳輸原理 三、CAN總線的特點 (1)CAN是到目前為止惟一具有國際標準且成本較低的現場總線。 (2)CAN為多主方式工作。網絡上任一節點均可在任意時刻主動地向網絡上其他節點發送信息，而不分主從，有極高的總線利用率。 (3)在報文標識符上，CAN上的節點分成不同的優先級，可滿足不同的實時要求，優先級高的數據最多可在134s內得到傳輸。 (4)CAN采用非破壞總線仲裁技術。當多個節點同時向總線發送信息出現沖突時，優先級低

4、的節點會主動退出發送，而最高優先級的節點可不受影響地繼續傳輸數據，從而大大節省了總線沖突仲裁時間。尤其是在網絡負載很重的情況下，也不會出現網絡癱瘓的情況。第4頁/共41頁第2章 CAN總線傳輸原理 三、CAN總線的特點 (6)CAN的直接通信距離最遠可達10km(速率5kb/s以下)；通信速率最高可達1Mb/s(此時通信距離最長為40m)。 (7)CAN上的節點數主要取決于總線驅動電路，目前可達110個。在CAN 20A標準幀報文中標識符有11位，而在CAN 20B擴展幀報文中標識符有29位，使節點的個數幾乎不受限制。 (8)報文采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低，使數據的出錯率降低。 (

5、9)CAN的每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，具有極好的檢錯效果。 (10)CAN的通信介質可選擇雙絞線、同軸電纜或光纖。選擇十分靈活。 (11)CAN節點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉輸出的功能，以使總線上其他節點的操作不受影響。而且發送的信息遭到破壞后，可以自動重發。第5頁/共41頁第2章 CAN總線傳輸原理三、CAN總線的特點 CAN總線上的數據可具有兩種互補的邏輯值之一，顯性(主控)和隱性?！帮@性”表示為邏輯“0”，“隱性”表示為邏輯“1”。在ISO的標準中兩條總線上的電平如表3-1所示。如果總線上的兩個控制器同時向總線上發送顯性電平(主控電平)和隱性電平，則總線上始終是顯性電平

6、(線“與”操作)。第6頁/共41頁第2章 CAN總線傳輸原理三、CAN總線的特點 CAN總線上任意兩個節點之間的最大通信距離與位速率有關，表3-2列出了相關的數據。 第7頁/共41頁第2章 CAN總線傳輸原理四、CAN總線的組成 CAN數據總線由一個控制器、一個收發器、兩個數據傳輸終端及兩條數據傳輸線組成。 除數據傳輸線外，其他元件都置于控制單元內部。 第8頁/共41頁第2章 CAN總線傳輸原理四、CAN總線的組成 1 CAN控制器 CAN控制器是用來接收控制單元中微電腦傳來的數據，對這些數據進行處理并將其傳往CAN收發器。同樣，CAN控制器也接收由CAN收發器傳來的數據，對這些數據進行處理并

7、將其傳往控制單元中的微電腦。 2 CAN收發器 CAN收發器將CAN控制器傳來的數據轉化為電信號并將其送入數據傳輸線。它也為CAN控制器接收和轉發數據。第9頁/共41頁第2章 CAN總線傳輸原理 四、CAN總線的組成 3 數據傳輸終端 數據傳輸終端是一個電阻器，其作用是防止數據在線端被反射，并以回聲的形式返回。數據在線端被反射會影響數據的傳輸。 4 數據傳輸線 數據傳輸線是雙向對數據進行傳輸的。兩條傳輸線分別稱為CAN高線（CAN-H）和CAN低線（CAN-L）。為了防止外界電磁波的干擾和向外輻射，CAN總線將兩條線纏繞在一起(雙絞線)。 這兩條線的電位相反，如果一條是5V，另一條就是0V，始

8、終保持電壓總和為一常數。通過這種方法，CAN數據總線得到了保護，使其免受外界的電磁場干擾，同時CAN數據總線向外輻射也保持中性，即無輻射。 第10頁/共41頁第2章 CAN總線傳輸原理21 CAN總線的傳輸原理 數據傳輸總線中的數據傳遞就像一個電話會議。 數據傳輸總線工作時的可靠性很高。 如果數據傳輸總線系統出現故障，故障就會存入相應的控制單元故障存儲器內，可以用診斷儀讀出這些故障。 數據傳輸總線正常的一個重要前提條件是：車在任何工況均不應有數據傳輸總線故障記錄。 基本車載網絡系統由多個控制單元組成，這些控制單元通過收發器(發射一接收放大器)并聯在總線導線上，所有控制單元的地位均相同，沒有哪個

9、控制單元有特權。稱為多主機結構。 數據傳輸總線采用一條導線或二條導線 ，第二條導線上傳輸信號與第一條導線上的傳輸信號成鏡像關系，這樣可有效抑制外部干擾。 第11頁/共41頁第2章 CAN總線傳輸原理211 信息交換 用于交換的數據稱為信息，每個控制單元均可發送和接收信息。二進制數據流也稱為比特流。 在發送過程中，二進制值先被轉換成連續的比特流，該比特流通過TX線(發送線)到達收發器(放大器)，收發器將比特流轉化成相應的電壓值，最后這些電壓值按時間順序依次被傳送到數據傳輸總線的導線上。 在接收過程中，這些電壓值經收發器又轉換成比特流，再經RX線(接收線)傳至控制單元，控制單元將這些二進制連續值轉

10、換成信息。 每個控制單元均可接收發送出的信息。這種原理稱為廣播。 第12頁/共41頁211 信息交換第13頁/共41頁第2章 CAN總線傳輸原理212 功能元件 1控制單元 控制單元中的重要構件：CPU、CAN控制器和CAN收發器，另外帶有輸入輸出存儲器和程序存儲器。第14頁/共41頁 1控制單元 2數據傳輸總線構件 3收發器第15頁/共41頁213 CAN總線的數據傳輸過程1發送過程(1)提供數據(2)發送數據2接收過程(1)信息接收 接收數據(2)信息校驗 檢查數據(3)信息接受 接受數據第16頁/共41頁213 CAN總線的數據傳輸過程1發送過程第17頁/共41頁213 CAN總線的數據

11、傳輸過程1發送過程 1)發動機控制單元的傳感器接收到轉速值。該值以固定的周期到達微控制器的輸入存儲器內。由于該轉速值還用于其他控制單元，如組合儀表，所以該值應通過數據傳輸總線來傳遞。 2)該轉速值就被復制到發動機控制單元的發送存儲器內。 3)該信息從發送存儲器進入數據傳輸總線構件的發送郵箱內。如果發送郵箱內有一個實時值，那么該值會由發送特征位(舉起的小旗示意有傳輸任務)顯示出來。將發送任務委托給數據傳輸總線構件，發動機控制單元就完成了此過程中的任務。 4)發動機轉速值按協議被轉換成數據傳輸總線的特殊格式。 5)數據傳輸總線構件通過RX線來檢查總線是否有源(是否正在交換別的信息)，必要時會等待，

12、直至總線空閑下來為止。如果總線空閑下來，發動機信息就會被發送出去。第18頁/共41頁213 CAN總線的數據傳輸過程2接收過程第19頁/共41頁213 CAN總線的數據傳輸過程2接收過程 (1)信息接收 連接的所有裝置都接收發動機控制單元發送的信息。該信息是通過RX線到達數據傳輸總線構件各自的接收區。 (2)信息校驗 所有連接的裝置都接收發動機控制單元發送的信息，可以通過監控層內的CRC校驗（“循環冗余碼校驗” ）和數來確定是否有傳遞錯誤。如果確定無傳遞錯誤，那么連接的所有裝置會給發射器一個確認回答（ACK ）。 (3)信息接受 己接收到的正確信息會到達相關數據傳輸總線構件的接受區。在那里來決

13、定該信息是否用于完成各控制單元的功能。如果不是，該信息就被拒收。如果是，該信息就會進入相應的接收郵箱。 組合儀表調出該信息并將相應的值復制到它的輸入存儲器內。在組合儀表內，轉速經微控制器處理后控制轉速表顯示相應的轉速。 第20頁/共41頁213 CAN總線的數據傳輸過程3CAN總線的傳輸仲裁 1)每個控制單元在發送信息時通過發送標識符來識別。 2)所有的控制單元都是通過各自的RX線來跟蹤總線上的一舉一動并獲知總線的狀態。 3)每個發射器將TX線和RX線的狀態逐位進行比較。 4)數據傳輸總線的調整規則：用標識符中位于前部的“0”的個數代表信息的重要程度，從而保證按重要程度的順序來發送信息。 第2

14、1頁/共41頁22 CAN數據總線的應用實例u1具體分類1)動力CAN數據總線(高速)，速率為500Kbps，用于將驅動線束上的控制單元聯成網。2)舒適CAN數據總線(低速)，速率為100Kbps，用于將舒適系統中的控制單元聯成網。3)信息CAN總線(低速)，速率為100Kbps用于將收音機、電話和導航系統聯成網。2.2.1 大眾奧迪車上的CAN數據總線簡介第22頁/共41頁22 CAN數據總線的應用實例2.2.1 大眾奧迪車上的CAN數據總線簡介u2所有系統的共性 各系統在數據高速公路上采用同樣的 “傳輸協議”。為了保證有很高的抗干擾性(如來自發動機艙)，CAN數據總線都采用雙線式系統。 將

15、要發送的信號在發送控制單元的收發器內轉換成不同的信號電平，并輸送到兩條CAN導線上，只有在接收控制單元的差動信號放大器內才能建立兩個信號電平的差值，并將其作為唯一經過校正的信號繼續傳至控制單元的CAN接收區。 信息CAN數據總線與舒適CAN數據總線的特性是一致的。第23頁/共41頁22 CAN數據總線的應用實例2.2.1 大眾奧迪車上的CAN數據總線簡介u3各系統的區別 1)動力CAN數據總線通過15號接線柱切斷，或經過短時無載運行后切斷。而舒適CAN數據總線由30號接線柱供電且必須保持隨時可用狀態。 2)為了盡可能降低對供電電網產生的負荷，在“15號接線柱關閉”后，若總線系統不再需要舒適數據

16、總線，那么舒適數據總線就進入所謂“休眠模式”。 3)舒適/信息CAN數據總線在一條數據線短路，或一條CAN線斷路時，可以用另一條線繼續工作，這時會自動切換到“單線工作模式”。 4)動力CAN數據總線的電信號與舒適/信息CAN數據總線的電信號不同。第24頁/共41頁22 CAN數據總線的應用實例l222大眾/奧迪車CAN總線的鏈路u1雙絞線的顏色lCAN導線的基色為橙色。 l對于動力CAN數據總線來說，CAN-High線上還多加了黑色作為標志色； l對于舒適CAN數據總線來說，CAN-High線上的標志色為綠色； l對于信息CAN數據總線來說，CAN-High線上的標志色為紫色。lCAN-Low

17、線的標志色都是棕色。 第25頁/共41頁22 CAN數據總線的應用實例l 222大眾/奧迪車CAN總線的鏈路u2雙絞線的鉸接式連接l對于設備配置相對比較低端的車型，舒適CAN數據總線和動力CAN數據總線連接的電控單元相對較少，CAN雙絞線一般采用鉸接式連接 。u3雙絞線的插座式連接l對于設備配置相對比較高端的車型，舒適CAN數據總線和動力CAN數據總線連接的電控單元比較多，CAN雙絞線一般采用插座式連接。第26頁/共41頁第27頁/共41頁22 CAN數據總線的應用實例l223動力CAN數據總線u1動力CAN數據總線的主要聯網單元l發動機控制單元； ABS控制單元；lESP控制單元； 變速器控

18、制單元：l安全氣囊控制單元； 組合儀表。u2動力CAN數據總線上的信號電壓變化l在靜止狀態時，這兩條導線上作用有靜電平。對于動力CAN數據總線來說，這個靜電平大約為2.5V。靜電平也稱為隱性狀態。 l在顯性狀態時，CAN-High線上的電壓值會升高一個預定值，這個值至少為1V。而CAN-Low線上的電壓值會降低一個同樣值，這個值至少為1V。于是在動力CAN數據總線上 ， C A N - H i g h 線 就 處 于 激 活 狀 態 ， 其 電 壓 不 低 于3.5V(2.5V+lV=3.5V)，而CAN-Low線上的電壓值最多可降至1.5V(2.5V1V1.5V)。因此在隱性狀態時，CAN-

19、High線與CAN-Low線上的電壓差為0V，在顯性狀態時該差值最低為2V，如圖2-24所示。第28頁/共41頁22 CAN數據總線的應用實例l 223動力CAN數據總線u3動力CAN的收發器l差動信號放大器用CAN-High線上的電壓減去CAN-Low線上的電壓，就得出了輸出電壓，用這種方法可以消除靜電平或其他任何重疊的電壓(如干擾)。u4動力CAN數據總線差動信號放大器內的干擾過濾l由于CAN-High線和CAN-Low線是扭絞在一起的，所以干擾脈沖X就總是有規律地作用在兩條線上。由于差動信號放大器總是用CAN-High線上的電壓(3.5VX)減去CAN-Low線上的電壓(1.5VX)，因

20、此在經過差動處理后，(3.5VX)(1.5VX)=2V，差動信號中就不再有干擾脈沖了。第29頁/共41頁22 CAN數據總線的應用實例l224 舒適/信息CAN數據總線u1舒適/信息CAN數據總線的聯網單元 l全自動空調/空調控制單元；l車門控制單元；l舒適控制單元：l收音機和導航顯示單元控制單元。u2舒適信息CAN數據總線上的信號電壓變化 首先，由于使用了單獨的驅動器(功率放大器)，這兩個CAN信號就不再有彼此依賴的關系了。與動力CAN數據總線不同，舒適/信息CAN數據總線的CAN-High線和CAN-Low線不是通過電阻相連的。也就是說，CAN-High線和CAN-Low線不再彼此相互影響

21、，而是彼此獨立作為電壓源來工作。 另外還放棄了共同的中壓，在隱性狀態(靜電平)時，CAN-High信號為0V，在顯性狀態時36V。對于CAN-Low信號來說，隱性電平為5V，顯性電平 14V，如圖2-28所示。 第30頁/共41頁22 CAN數據總線的應用實例l 224 舒適/信息CAN數據總線u3舒適信息CAN數據總線的CAN收發器l舒適/信息CAN數據總線的收發器，如圖2-29所示，其工作原理與動力CAN數據總線收發器基本是一樣的，只是輸出的電壓電平和出現故障時切換到CAN-High線或CAN-Low線(單線工作模式)的方法不同。另外CAN-High線和CAN-Low線之間的短路會被識別出

22、來，并且在出現故障時會關閉CAN-Low驅動器，在這種情況下，CAN-High和CAN-Low信號是相同的。lCAN-High線和CAN-Low線上的數據傳遞由安裝在收發器內的故障邏輯電路監控，故障邏輯電路檢驗兩條CAN導線上的信號，如果出現故障，如某條CAN導線斷路，那么故障邏輯電路會識別出該故障，從而使用完好的另一條導線(單線工作模式)。l在正常的工作模式下，使用的是CAN-High“減去”CAN-Low所得的信號(差動數據傳遞)，這樣就可將干擾對舒適信息CAN數據總線的兩條導線的影響降至最低(與動力CAN數據總線一樣)。u4單線工作模式下的舒適信息GAN數據總線l如果因斷路、短路或與蓄電

23、池電壓相連而導致兩條CAN導線中的一條不工作了，那么就會切換到單線工作模式。在單線工作模式下，只使用完好的CAN導線中的信號，這樣就使得舒適/信息CAN數據總線仍可工作。同時，控制單元記錄一個故障信息：系統工作在單線模式。第31頁/共41頁22 CAN數據總線的應用實例l225 CAN數據總線上的阻抗匹配l數據傳輸終端是一個終端電阻，防止數據在導線終端被反射產生反射波，反射波會破壞數據。在驅動系統中，它接在CAN高線和CAN低線之間。標準CAN-Bus的原始形式中，在總線的兩端接有兩個終端電阻，如圖2-30所示。大眾車型將負載電阻分布在各個控制單元內，其中在發動機控制單元中裝有“中央終端電阻”

24、，其他控制單元中安裝大電阻。l驅動系統中CAN高線和CAN低線之間的總電阻為5070。如15號線(點火開關)斷開，可以用電阻表測量CAN高線和CAN低線之間的電阻。舒適系統和信息系統CAN總線的特點是，控制單元的負載電阻不是在CAN高線和CAN低線之間，而是在導線與地之間。電源電壓斷開時，CAN低線(舒適系統和信息系統)上的電阻也斷開，因此不能用電阻表進行測量。大眾車型中設置有兩種終端電阻，包括66和 2.6k，如圖2-31所示。第32頁/共41頁22 CAN數據總線的應用實例226 CAN總線的電磁兼容原理lEMC(Electro Magnetic Compatibility,電磁兼容)包括EMI(電磁干擾)及EMS(電磁耐受性)兩部份。l1 抗 干 擾 （ E M S , E l e c t r o M a g n e t i c Susceptibility）l如圖2-32所示，雙絞線保證外界干擾對CAN總線的兩根數據線的干擾影響基本相同，由于CAN收發器利用差動放大器對兩路信號進行差運算，差動運算