1、汽車CAN總線技術2007年 04月 09日 星期一 14:39本文圍繞“汽車為什么選擇了 CAN總線技術？汽車 CAN總線技術到底是怎么一回事？采用汽車CAN總線技術有哪些優點？汽車總線的發展趨勢”等問題作了一個淺短的介紹：1. 汽車為什么選擇了 CAN總線技術？現在總線技術有很多種。從成本上講，RS-232/485的成本都比CAN氐；速度上講，工業以太網等也都不錯。為什么唯獨CAN在汽車電子中得到親睞？從成本上來說，CAN比UART RS-232/485高，但比以太網低；從實時性來說：CAN的實時性比UART和以太網高，為了保證安全，車用通信協議都是按周期性主動發送，不論是CAN還是LIN

2、，對實時性要求高的消息其發送周期都小于 10ms （每輛車都有好幾條這樣的消息），發動機、ABS和變速器都有幾條這樣的消息；從可靠性來說，CAN有 一系列事故安全措施，這是 UART和以太網都不具備的，多點冗余也是UART（點對點傳輸）和工業以太網（數據傳輸距離短）難于實現的，所以CAN出現后，由于價格的原因，最初應用得最多的地方并不是汽車， 而是對成本不敏感的工業控制和醫療設備， 如：工業上的 DEVICENE、T SDS、 CANOPEN醫療上MRI等。至于工業以太網的產生，其背景與個人PC的普及是分不開的，現在工業控制中的PCBASE就是一個例子，但汽車控制是不能用一臺PC的，要達到汽車

3、控制的要求，成本上也不容許。而LIN的傳輸過程只有20Kbps,顯然不能作為獨立的汽車總線控制要求，一般它只配合CAN在汽車上做輔助之用。其次總線是一個系統，總線上的速度僅僅是系統中的一個因素，ElexRay雖然只有2 0MBPS但它在一個16BIT的MCU上都能跑起來，1 00MHZ以太網雖快，但一個32BIT的MCU很難達 到2 0MBPS 況且還要涉及到系統的安全性，類似冗余，BUS安全等。所以綜合考慮，汽車選擇了 CAN總線技術。2. 汽車CAN總線技術到底是怎么一回事？Can-Bus總線技術是“控制器局域網總線技術（Contler Area Network-BUS ）”的簡稱，它具有

4、極強的抗干擾和糾錯能力，最早被用于飛機、坦克等武器電子系統的通訊聯絡上。通過遍布車身的傳感器，汽車的各種行駛數據會被發送到“總線”上，這些數據不會指定唯一的接 收者，凡是需要這些數據的接收端都可以從“總線”上讀取需要的信息。Can總線的傳輸數據非常快，可以達到每秒傳輸 32bytes 有效數據，這樣可以有效保證數據的實效性和準確性。傳統的轎車在機艙和車身 內需要埋設大量線束以傳遞傳感器采集的信號，而 Can-Bus 總線技術的應用可以大量減少車體內線束的數 量，線束的減少則降氐了故障發生的可能性。Can-Bus 技術在汽車的應用，可以減少了汽車車體內線束和控制器的接口數量，避免了過多線束存在

5、的互相干涉、磨損等隱患，降氐了汽車電氣系統的故障發生率。各種傳感器的信息可以實現共享。另外， 在Can-Bus技術的幫助下，汽車的防盜性、安全性都得到了較大幅度提升。例如：在啟動車輛時，確認鑰 匙合法性的信息會通過 Can-Bus 總線進行傳遞，其校驗的信息比以往的防盜系統更為豐富。車鑰匙、發動 機控制器和防盜控制器互相存儲對方信息，校驗碼中還摻雜了隨即碼，從而大幅提高防盜能力。校驗信息 通過Can-Bus傳遞大幅提高了信息傳遞的可靠性，使防盜系統的工作穩定可靠。就目前而言，Can-Bus總線技術一般使用在科技含量較高的中、高檔轎車上。3. 采用汽車CAN總線技術有哪些優點？現代汽車中所使用的

6、電子控制系統和通訊系統越來越多，如發動機電控系統、自動變速器控制系統、防抱死制動系統（ABS、自動巡航系統（ACC和車載多媒體系統等；這些系統之間、系統和汽車的顯示 儀表之間、系統和汽車故障診斷系統之間均需要進行數據交換，如此巨大的數據交換量，如仍然采用傳統 數據交換的方法，即用導線進行點對點的連接的傳輸方式將是難以想象的，據粗略估計，如采用普通線索， 一個中級轎車就需要線索插頭 300個左右，插針總數將達到 2000個左右，線索總長超過 1.6Km，不但裝 配復雜而且故障率會很高。因此，用串行數據傳輸系統取而代之就成為必然的選擇。數據在串聯總線上可以一個接一個的傳送，所有參加CAN總線的分系

7、統都可以通過其控制單元上的CAN總線接口進行數據的發送和接收，CAN總線是一個多路傳輸系統，當某一單元出現故障時不會影響其他單元的工作，CAN總線對不同數據的傳輸速率不一樣，對發動機電控系統和ABS等實時控制用數據實施高速傳輸，對車身調節系統（如空調）的數據實施低速傳輸，其他如多媒體系統和診斷系統則為中速傳輸， 速率在兩者之間，這樣的區分提高了總線的傳輸效率。數據總線如何能實現多路傳輸的呢？原來數據總線有三部分組成：1）數據傳輸線， 2）地址傳輸線， 3）發送單元和接收單元之間的傳送控制線。數據按CPU的指令以一定的模式傳輸到指定的地址，而傳輸模式則由軟件控制的。這樣，汽車總線與計算機中的“

8、BUS就很類似了，不難理解。4. 汽車CAN總線的發展趨勢傳統的CAN是基于事件觸發的，信息傳輸時間的不確定性和優先級反轉是它固有的缺點。為了滿足汽車控制對實時性和傳輸消息密度不斷增長的需要，改善CAN總線的實時性能非常必要。于是，傳統 CAN與時間觸發機制相結合產生了 TTCAN（Time-Triggered CAN） 。TTCAN 總線和傳統CAN總線系統的區別是：總線上不同的信息定義了不同的時間槽仃imer Slot）。在同一時間槽內，總線上只能有一條信息傳輸，這樣避免了總線仲裁，也保證了信息的實時性。TTCAN系統需要全局時間同步，但采用傳統CAN空制器很難實現TTCAN因此新推出的C

9、AN控制器如Microchip的M CP2515就增加了與TTCAN相關的硬件資源，它們在軟件配合下就能實現 TTCAN什么是CAN總線2008-01-04 17:57 現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一， 被譽為自動化領域的計算機局 域網。它的出現為分布式控制系統實現各節點之間實時、 可靠的數據通信提供了 強有力的技術支持。 CAN（Controller Area Network） 屬于現場總線的范疇，它是 一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。較之目前許多RS-485基于R線構建的分布式控制系統而言，基于CAN總線的分布式控制系統在以下方面具有明顯的優越性：首先，CAN空

10、制器工作于多主方式，網絡中的各節點都可根據總線訪問優 先權（ 取決于報文標識符 ） 采用無損結構的逐位仲裁的方式競爭向總線發送數據， 且CAN協議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數據進行編碼， 這可使不同的節 點同時接收到相同的數據，這些特點使得CAN總線構成的網絡各節點之間的數據 通信實時性強， 并且容易構成冗余結構， 提高系統的可靠性和系統的靈活性。 而 利用 RS-485 只能構成主從式結構系統， 通信方式也只能以主站輪詢的方式進行， 系統的實時性、可靠性較差；其次，CANS、線通過CAN空制器接口芯片82C250的兩個輸出端CAN和 CANL 與物理總線相連，而CANHm的狀態只能是高

11、電平或懸浮狀態，CANL端只能是低 電平或懸浮狀態。這就保證不會出現象在 RS-485網絡中，當系統有錯誤，出現 多節點同時向總線發送數據時，導致總線呈現短路，從而損壞某些節點的現象。 而且CAN節點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上其他節點的操作不受影響， 從而保證不會出現象在網絡中， 因個別節點出現問題， 使得總 線處于“死鎖”狀態。而且，CAN具有的完善的通信協議可由 CAN空制器芯片及其接口芯片來實 現，從而大大降低系統開發難度，縮短了開發周期，這些是只僅僅有電氣協議的 RS-485所無法比擬的。另外，與其它現場總線比較而言，CAN總線是具有通信速 率高、容易實現、且性

12、價比高等諸多特點的一種已形成國際標準的現場總線。這些也是目前CAN總線應用于眾多領域，具有強勁的市場競爭力的重要原因。CAN (Controller Area Network)即控制器局域網絡，屬于工業現場總線的 范疇。與一般的通信總線相比，CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性 和靈活性。由于其良好的性能及獨特的設計，CAN總線越來越受到人們的重視。它在汽車領域上的應用是最廣泛的，世界上一些著名的汽車制造廠商，如 BENZ奔馳)、BMW寶馬)、PORSCH保時捷)、ROLLS-ROYC勞斯萊斯)和 JAGUAR美洲豹)等都采用了 CAN總線來實現汽車內部控制系統與各檢測和執行 機構間的

13、數據通信。同時，由于CAN總線本身的特點，其應用范圍目前已不再局 限于汽車行業，而向自動控制、航空航天、航海、過程工業、機械工業、紡織機 械、農用機械、機器人、數控機床、醫療器械及傳感器等領域發展。CAN已經形成國際標準，并已被公認為幾種最有前途的現場總線之一。 其典型的應用協議有： SAE J1939/ISO11783、CANOpen CANaerospace DeviceNet、NMEA 200(等。 CAN即控制器局域網，最初是德國 BOSC公司為汽車的監測與控制而設計的， 以解決汽車眾多控制設備與儀器儀表之間的大量數據交換用硬件接線帶來的問 題。當今CAN勺應用已不再局限于汽車行業，而

14、向過程工業、機械工業、機器人、 數控機床、醫療器械和傳感器等領域發展。1 CAN總線基本概念依據國際標準化組織/開放系統互連 (In ternatio nal Sta ndardi-zatio n Organization /OpenSystemlnterconnection ，ISO/OSI)參考模型，CAN勺 ISO /OSI參考模型的層結構如圖7-6所示。下面對CAN*議的媒體訪問控制子層的 一些概念和特征做如下說明：fHMi m 7-n應答垠(1) 報文(Message)總線上的報文以不同報文格式發送，但長度受到限制。 當總線空閑時，任何一個網絡上的節點都可以發送報文。(2) 信息路由

15、(Information Routing)在CAN中，節點不使用任何關于系統配置的報文，比如站地址，由接收節點根據報文本身特征判斷是否接收這幀信息。 因此系統擴展時，不用對應用層以及任何節點的軟件和硬件作改變，可以直接在CAN中增加節點。(3) 標識符(Identifier)要傳送的報文有特征標識符(是數據幀和遠程幀的一個域)，它給出的不是目標節點地址，而是這個報文本身的特征。信息以廣播 方式在網絡上發送，所有節點都可以接收到。節點通過標識符判定是否接收這幀 信息。(4) 數據一致性應確保報文在CAN里同時被所有節點接收或同時不接收，這 是配合錯誤處理和再同步功能實現的。(5) 位傳輸速率不同

16、的CAN系統速度不同，但在一個給定的系統里，位傳輸 速率是唯一的，并且是固定的。 優先權 由發送數據的報文中的標識符決定報文占用總線的優先權。標識符越小，優先權越高。(7) 遠程數據請求(Remote Data Request)通過發送遠程幀，需要數據的節 點請求另一節點發送相應的數據。回應節點傳送的數據幀與請求數據的遠程幀由 相同的標識符命名。(8) 仲裁(Arbitration)只要總線空閑，任何節點都可以向總線發送報文。如果有兩個或兩個以上的節點同時發送報文，就會引起總線訪問碰撞。通過使用標識符的逐位仲裁可以解決這個碰撞。仲裁的機制確保了報文和時間均不損失。當具有相同標識符的數據幀和遠程

17、幀同時發送時，數據幀優先于遠程幀。在仲裁 期間，每一個發送器都對發送位的電平與被監控的總線電平進行比較。如果電平相同，則這個單元可以繼續發送，如果發送的是“隱性”電平而監視到的是“顯 性”電平，那么這個單元就失去了仲裁，必須退出發送狀態。(9) 總線狀態總線有“顯性”和“隱性”兩個狀態，“顯性”對應邏輯 “0”，“隱性”對應邏輯“ 1”。“顯性”狀態和“隱性”狀態與為“顯性”狀態，所以兩個節點同時分別發送“ 0”和“ 1”時，總線上呈現“ 0”。CAN總線 采用二進制不歸零(NRZ)編碼方式，所以總線上不是“ 0”，就是“ 1”。但是CAN 協議并沒有具體定義這兩種狀態的具體實現方式，如圖7-

18、7所示。ffl 7-7 根據SOI 1X98的額定總線電平10)故障界定(Confinement) CAN節點能區分瞬時擾動引起的故障和永久性故障。 故障節點會被關閉。(11)應答接收節點對正確接收的報文給出應答，對不一致報文進行標記。2 CAN總線協議內容CAN總線的物理層是將ECUS接至總線的驅動電路。ECU勺總數將受限于總 線上的電氣負荷。物理層定義了物理數據在總線上各節點間的傳輸過程，主要是連接介質、線路電氣特性、數據的編碼/解碼、位定時和同步的實施標準。BOSCHCAN基本上沒有對物理層進行定義，但基于CAN的ISO標準對物理層進行了定義。 設計一個CAN系統時，物理層具有很大的選擇

19、余地，但必須保證CAN協議中媒體 訪問層非破壞性位仲裁的要求，即出現總線競爭時，具有較高優先權的報文獲取 總線競爭的原則，所以要求物理層必須支持CAN總線中隱性位和顯性位的狀態特 征。在沒有發送顯性位時，總線處于隱性狀態，空閑時，總線處于隱性狀態；當 有一個或多個節點發送顯性位，顯性位覆蓋隱性位，使總線處于顯性狀態。在此基礎上，物理層主要取決于傳輸速度的要求。從物理結構上看，CAN節點的構成如圖7-8所示。在CAN中，物理層從結構上可分為三層：分別是物理層信令 (Physical Layer Signaling ，PLS)、物理介質附件(Physical MediaAttachment， PM

20、A層和介質從屬接口(Media Dependent: Inter-face ，MDI)層。其中 PLS連同 數據鏈路層功能由CAN控制器完成，PMAg功能由CAN收發器完成，MDI層定義 了電纜和連接器的特性。目前也有支持CAN的微處理器內部集成了 CAN控制器和收發器電路，如 MC68HC908GZJ6PMA和 MDI兩層有很多不同的國際或國家或行 業標準，也可自行定義，比較流行的是 ISOll898定義的高速CAN發送/接收器標準。理論上，CAN總線上的節點數幾乎不受限制，可達到 2000個，實際上受 電氣特性的限制，最多只能接100多個節點。I o呵兇綁i 2(CAN .VCAN H.C

21、N LCAN的數據鏈路層是其核心內容，其中邏輯鏈路控制(Logical Link control ， LLC )完成過濾、過載通知和管理恢復等功能，媒體訪問控制(Medium Aeeesscontrol ，MAC子層完成數據打包/解包、幀編碼、媒體訪問管理、錯誤檢測、 錯誤信令、應答、串并轉換等功能。這些功能都是圍繞信息幀傳送過程展開的。3 CAN總線的報文傳輸和結構1 報文類型在CAN2 0B的版本協議中有兩種不同的幀格式，不同之處為標識符域的長 度不同，含有ll位標識符的幀稱之為標準幀，而含有29位標識符的幀稱為擴展 幀。如CAN1 2版本協議所描述，兩個版本的標準數據幀格式和遠程幀格式分

22、別 是等效的，而擴展格式是CAN2 0B協議新增加的特性。為使控制器設計相對簡 單，并不要求執行完全的擴展格式，對于新型控制器而言，必須不加任何限制的 支持標準格式。但無論是哪種幀格式，在報文 傳輸時都有以下四種不同類型的幀：(1) 數據幀(Data )數據幀將數據從發送器傳輸到接收器。 遠程幀(Remote )總線單元發出遠程幀，請求發送具有同一標識符的數 據幀。(3)錯誤幀(Error )任何單元檢測到總線錯誤就發出錯誤幀。 過載幀(Overload ) 過載幀用在相鄰數據幀或遠程幀之間提供附加的延數據幀或遠程幀與刖一個幀之間都會有一個隔離域，即幀間間隔。數據幀和遠程幀可以使用標準幀及擴展

23、幀兩種格式。2. 報文幀結構形式在報文傳輸時，不同的幀具有不同的傳輸結構，下面將分別介紹四種傳輸幀 的結構，只有嚴格按照該結構進行幀的傳輸，才能被節點正確接收和發送。(1)數據幀數據幀格式如圖7-9所示。數據幀由七種不同的位域(Bit Field) 組成：幀起始(Start of )、仲裁域(Arbitration Field)、控制域(Control Field)、 數據域(DataField)、CRC域(CRCField)、應答域(ACKField)和幀結尾(End of )。 數據域的長度可以為08個字節。J If側釧就: fl醐豪文幀蹣朋1) 幀起始(SOF):幀起始(SOF)標志著數

24、據幀和遠程幀的起始， 僅由一個“顯 性”位組成。在CAN勺同步規則中，當總線空閑時(處于隱性狀態)，才允許站點 開始發送(信號)。所有的站點必須同步于首先開始發送報文的站點的幀起始前沿 (該方式稱為“硬同步”)。2) 仲裁域：仲裁域如圖7-10所示，仲裁域由標識符和 RTR位組成，標準幀格式與擴展幀格式的仲裁域格式不同。 標準格式里，仲裁域由11位標識符和RTR 位組成。標識符位有ID28IDI8。擴展幀格式里，仲裁域包括29位標識符、SRR 位、IDE(ldentifier Extension，標志符擴展)位、RTR位。其標識符有ID28IDO。為了區別標準幀格式和擴展幀格式，CANI. 0

25、1. 2版本協議的保留位r1現表示為IDE位。IDE位為顯性，表示數據幀為標準格式；IDE位為隱性，表示 數據幀為擴展幀格式。在擴展幀中，替代遠程請求(Substitute RemoteRequest， SRR位為隱性。仲裁域傳輸順序為從最高位到最低位，其中最高7位不能全為零。 RTR的全稱為“遠程發送請求(Remote TransmissionReques t) ”。RTR位在數據 幀里必須為“顯性”，而在遠程幀里必須為“隱性”。它是區別數據幀和遠程幀I 11 LJfeinfiKTRE | I3LC控*1城徉一 一 惶擋M的標志。31 (SWiHRil：itl”1 DLL*SOF甦館談中的樸

26、蘊域3) 控制域：控制域由6位組成，包括2個保留位(r0、r1同于CAN協議擴展) 及4位數據長度碼，允許的數據長度值為 08字節。4）數據域：發送緩沖區中的數據按照長度代碼指示長度發送。 對于接收的數 據，同樣如此。它可為08字節，每個字節包含8位，首先發送的是MSB最高 位）。5）CRC校驗碼域：它由CRC域（15位）及CRC邊界符（一個隱性位）組成。CRC計算中，被除的多項式包括幀的起始域、仲裁域、控制域、數據域及15位為0的解除填充的位流給定。此多項式被下列多項式 X15+X14+X10+X8+X7+X4+X3+1 除（系數按模2計算），相除的余數即為發至總線的 CRC序列。發送時，C

27、RC序列 的最高有效位被首先發送/接收。之所以選用這種幀校驗方式，是由于這種CRC校驗碼對于少于127位的幀是最佳的。6）應答域：應答域由發送方發出的兩個（應答間隙及應答界定）隱性位組成， 所有接收到正確的CRC序列的節點將在發送節點的應答間隙上將發送的這一隱 性位改寫為顯性位。因此，發送節點將一直監視總線信號已確認網絡中至少一個 節點正確地接收到所發信息。應答界定符是應答域中第二個隱性位，由此可見，應答間隙兩邊有兩個隱性位：CRC域和應答界定位，如圖7-11所示esc1玄橙邑輔恰蟲左害WBt回F興電悴min 應冒捷7）幀結束域：每一個數據幀或遠程幀均由一串七個隱性位的幀結束域結尾。 這樣，接

28、收節點可以正確檢測到一個幀的傳輸結束。（2）錯誤幀錯誤幀由兩個不同的域組成：第一個域是來自控制器的錯誤標志;第二個域為錯誤分界符。其結構如圖 7-12所示。睚醐迪1翳閉11樂出 一. 口嗥際占的髯$甜卍卄再訐1）錯誤標志：有兩種形式的錯誤標志。激活（Active）錯誤標志。它由6個連續顯性位組成。認可（Passive）錯誤標志。它由6個連續隱性位組成。它可由其他CAN空制器的顯性位改寫。2）錯誤界定：錯誤界定符由8個隱性位組成。傳送了錯誤標志以后，每一站 就發送一個隱性位，并一直監視總線直到檢測出1個隱性位為止，然后就開始發 送其余7個隱性位。（3）遠程幀 遠程幀也有標準格式和擴展格式，而且都

29、由6個不同的位域組成： 幀起始、仲裁域、控制域、CRC域、應答域、幀結尾。與數據幀相比，遠程幀的 RTR位為隱性，沒有數據域，數據長度編碼域可以是08個字節的任何值，這個值是遠程幀請求發送的數據幀的數據域長度。當具有相同仲裁域的數據幀和遠 程幀同時發送時，由于數據幀的RTR位為顯性，所以數據幀獲得優先。發送遠程 幀的節點可以直接接收數據。遠程幀結構如圖7-13所示。UH-1-HFIKI n種袖站曲（4）過載幀 過載幀由兩個區域組成：過載標識域及過載界定符域。下述三種 狀態將導致過載幀發送：1）接收方在接收一幀之前需要過多的時間處理當前的數據（接收尚未準備好）；2）在幀空隙域檢測到顯性位信號；3

30、）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節點 會發送一個過載幀。過載幀的具體結構如圖7-14所示。禪怙亶叩III傑界定-過軌杯*i1II-1fl間空間或3. 位定時要求標稱位速率是指理想發送器在沒有重新同步的情況下每秒發送的位數量。標稱位速率的倒數即為標稱位時間。不同的 CAN系統中，CAN勺位速率不同。但在 一個給定的CAN系統中，位速率是一定的，其最大值受所選用的CAN控制器類型、 收發器和物理介質等因素的影響，可在一定范圍內自由設定。CAN總線的數據傳輸速率最高可達1Mbit / s，通常用石英晶體振蕩器作為時鐘發生器，可以獨立 地進行位定時的參數設置，這樣即使網絡中節點之間的時鐘周期不一樣，仍可獲得相同的位速率。可以把標稱位時間劃分成為幾個不重疊的時間片段，它們是同步段、傳播段、 相位緩沖段1和相位緩沖段2,如圖7-15所示。抵鄲桓榊間一IM,Illilflf-15垃定吋菱啦4 CAN總線特點的分析CAN