航芯技術(shù)分享 | 一文讀懂汽車CAN總線技術(shù)原理（上）

發(fā)布時(shí)間:2022-01-19

CAN總線協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)

? 布線減少，成本低

? 接線簡單，節(jié)省時(shí)間

? 丟失消息的自動重傳

? 支持錯(cuò)誤檢測

? 靈活的數(shù)據(jù)傳輸速率

CAN 定義

CAN代表控制器局域網(wǎng)，專為滿足汽車行業(yè)的需求而設(shè)計(jì)。在引入CAN之前，每個(gè)電子設(shè)備都使用多條電線連接到其他設(shè)備以實(shí)現(xiàn)通信。但是當(dāng)汽車系統(tǒng)中的功能增加時(shí)，由于布線系統(tǒng)繁瑣，維護(hù)起來很困難。在CAN總線系統(tǒng)的幫助下，只需將每個(gè)ECU連接到公共串行總線，即可讓ECU相互通信，而無需太多復(fù)雜性。因此，與汽車系統(tǒng)中使用的其他協(xié)議（即CAN與LIN）相比，CAN由于復(fù)雜性較低而且更加穩(wěn)健。

CAN協(xié)議可以被定義為在一個(gè)通過串行總線連接的電子設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中傳輸和接收信息的一套規(guī)則。CAN網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)電子設(shè)備被稱為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須有硬件和軟件嵌入其中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。一個(gè)CAN總線系統(tǒng)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)主機(jī)微控制器單元、CAN控制器和CAN收發(fā)器。CAN控制器是一個(gè)可以嵌入在主機(jī)控制器內(nèi)或單獨(dú)添加的芯片，它需要管理數(shù)據(jù)并通過收發(fā)器在串行總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，反之亦然。CAN收發(fā)器芯片用于使信號適應(yīng)CAN總線水平。

CAN是一個(gè)基于消息的協(xié)議，每個(gè)消息都由一個(gè)預(yù)先定義的唯一ID來識別。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包被CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)接收，但根據(jù)ID，CAN節(jié)點(diǎn)決定是否接受它。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)試圖同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，CAN總線遵循仲裁過程。

CAN 總線電氣規(guī)格

CAN收發(fā)器處理的CAN信號有單端信號和差分信號（CANH和CANL）。CAN_High和CAN_Low線路在理想狀態(tài)下為2.5V。CAN將邏輯“0”定義為顯性位，將邏輯“1”定義為隱性位。傳輸顯性位時(shí)，CAN_High變?yōu)?3.5V，CAN_Low變?yōu)?.5V，即顯性位的差分電壓為2V。當(dāng)發(fā)送隱性位時(shí)，CAN_High和 CAN_Low線被驅(qū)動到2.5V，表示隱性位的差分電壓為0V。CANH和CANL線的物理端應(yīng)加120歐姆的CAN總線終端電阻，以避免任何信號反射。

圖1. CAN總線差分信號

CAN 的幀類型

幀是一種定義的結(jié)構(gòu)或格式，在網(wǎng)絡(luò)中攜帶有意義的數(shù)據(jù)（字節(jié)）。CAN有四種幀類型：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀、過載幀。

數(shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)幀包含用于傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的幀。數(shù)據(jù)幀由提供信息的附加字段組成，即仲裁字段、控制字段、數(shù)據(jù)字段、CRC字段、2位確認(rèn)字段和幀結(jié)束。

有兩種類型的數(shù)據(jù)幀：標(biāo)準(zhǔn)幀格式、擴(kuò)展幀格式

兩種格式的唯一區(qū)別是標(biāo)準(zhǔn)幀支持11位標(biāo)識符，擴(kuò)展幀支持29位標(biāo)識符，由11位標(biāo)識符和擴(kuò)展18位標(biāo)識符組成。IDE位在標(biāo)準(zhǔn)幀中是顯性的，在擴(kuò)展幀中是隱性的。

標(biāo)準(zhǔn)幀格式：

標(biāo)準(zhǔn)幀主要用于發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖2. 標(biāo)準(zhǔn)幀

術(shù)語

? SOF - 幀的開始，表示幀傳輸?shù)拈_始。

? Identifier - 11位唯一的ID，也代表信息的優(yōu)先級值越低，優(yōu)先級越高。

? RTR - 遠(yuǎn)程傳輸請求，它對數(shù)據(jù)幀是顯性的，對遠(yuǎn)程幀是隱性的。

? IDE - 單一識別擴(kuò)展，它對標(biāo)準(zhǔn)幀是顯性的，對擴(kuò)展幀是隱性的。

? R0 - 保留位。

? DLC - 數(shù)據(jù)長度代碼，定義了正在發(fā)送的數(shù)據(jù)的長度，它的大小為4位。

? 數(shù)據(jù)——要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和長度由DLC決定。

? CRC——循環(huán)冗余校驗(yàn)，它包含前面應(yīng)用程序數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和，用于錯(cuò)誤檢測。

? ACK——確認(rèn)，它的長度為2位，如果接收到準(zhǔn)確的消息，則占主導(dǎo)地位。

? EOF——幀的末端，必須是隱性的。

? IFS——幀間空間，它包含控制器將正確接收的幀移動到正確位置所需的時(shí)間。

擴(kuò)展幀：

圖3. 擴(kuò)展幀

它與標(biāo)準(zhǔn)幀相同，但有一些額外的字段。

SRR替代反向請求。SRR位總是作為隱性位傳輸，以確?；緮?shù)據(jù)幀與擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀相比具有較高的優(yōu)先權(quán)，如果兩個(gè)信息具有相同的11位標(biāo)識符，它還包含一個(gè)11位標(biāo)識符以外的18位標(biāo)識符。

r1- 保留位。

遠(yuǎn)程幀

遠(yuǎn)程幀與數(shù)據(jù)幀相似，但有兩點(diǎn)不同。遠(yuǎn)程幀是由接收方發(fā)送的，用于請求發(fā)送方提供數(shù)據(jù)，所以遠(yuǎn)程幀和數(shù)據(jù)幀之間的區(qū)別是遠(yuǎn)程幀不包含任何數(shù)據(jù)字段，因?yàn)樗挥糜跀?shù)據(jù)傳輸。第二個(gè)區(qū)別是遠(yuǎn)程幀的RTR 位為隱性狀態(tài)，當(dāng)總線上具有相同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀同時(shí)發(fā)送時(shí)，由于數(shù)據(jù)幀RTR位是顯性的，數(shù)據(jù)幀將在仲裁中贏得總線控制權(quán)。

錯(cuò)誤幀

錯(cuò)誤幀是用于接收和發(fā)送消息時(shí)檢測出錯(cuò)誤時(shí)，通知錯(cuò)誤的幀。錯(cuò)誤幀由六個(gè)顯性位組成的錯(cuò)誤標(biāo)志和由八個(gè)隱性位組成的錯(cuò)誤界定符構(gòu)成。

錯(cuò)誤標(biāo)志分為：主動錯(cuò)誤標(biāo)志、被動錯(cuò)誤標(biāo)志

主動錯(cuò)誤標(biāo)志：當(dāng)錯(cuò)誤主動節(jié)點(diǎn)檢測到一個(gè)總線錯(cuò)誤時(shí)輸出的一個(gè)主動錯(cuò)誤標(biāo)志，來中斷當(dāng)前的數(shù)據(jù)發(fā)送。其中主動錯(cuò)誤標(biāo)志由6個(gè)連續(xù)的顯性位構(gòu)成。

被動錯(cuò)誤標(biāo)志：當(dāng)錯(cuò)誤被動節(jié)點(diǎn)檢測到一個(gè)總線錯(cuò)誤時(shí)輸出的一個(gè)被動錯(cuò)誤標(biāo)志，并緊接著發(fā)送錯(cuò)誤定界字段。其中錯(cuò)誤被動標(biāo)志由6個(gè)連續(xù)的隱性位構(gòu)成。

錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器：如果在總線上檢測到一個(gè)錯(cuò)誤，那么TEC或REC計(jì)數(shù)就會增加。

1. 發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器（TEC）

2. 接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器（REC）

? 當(dāng) TEC 和 REC 小于 128 時(shí)，發(fā)送活動錯(cuò)誤幀

? 當(dāng) TEC 或 REC 大于 127 且小于 255 時(shí)，傳輸被動幀

? 當(dāng)TEC大于255時(shí)，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入總線關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)不能發(fā)送幀

圖4. 錯(cuò)誤轉(zhuǎn)換狀態(tài)圖

過載幀

過載幀是用于接收單元通知發(fā)送單元它尚未完成接收準(zhǔn)備的幀。過載幀中包含兩個(gè)字段，過載標(biāo)志和過載界定符。過載標(biāo)志由6個(gè)顯性位和緊隨其后的其他節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的過載標(biāo)志構(gòu)成，過載界定符由8個(gè)隱性位組成，在以下兩種情況下，節(jié)點(diǎn)會發(fā)送過載幀：

1. 當(dāng)接收單元需要發(fā)送節(jié)點(diǎn)延緩下一幀傳輸

2. 節(jié)點(diǎn)在幀間間隔檢測到非法顯性位

仲裁

仲裁是一種解決沖突的機(jī)制，當(dāng)一個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)準(zhǔn)備傳輸信息時(shí)。只要總線是空閑的，任何節(jié)點(diǎn)都可以傳輸數(shù)據(jù)。如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)準(zhǔn)備傳輸數(shù)據(jù)，對總線的訪問就會發(fā)生沖突，可以通過使用標(biāo)識符的仲裁來解決。在仲裁過程中，每個(gè)發(fā)射器都會將傳輸?shù)谋忍刂蹬c總線上的比特值進(jìn)行比較。如果比特值是相同的，節(jié)點(diǎn)繼續(xù)傳輸比特。如果傳輸?shù)谋忍刂蹬c總線上的比特值不一樣，那么，優(yōu)勢比特就會覆蓋劣勢比特。

CAN報(bào)文的仲裁字段由1位或29位標(biāo)識符和RTR位組成。具有最低值的標(biāo)識符具有最高的優(yōu)先權(quán)。如果數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀都有相同的標(biāo)識符，并準(zhǔn)備在同一時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)，那么數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級就高，因?yàn)檫h(yuǎn)程傳輸位（RTR）在數(shù)據(jù)幀中是主導(dǎo)位，在遠(yuǎn)程幀中是隱性位。

消息級CAN總線錯(cuò)誤控制機(jī)制

與其他協(xié)議相比，即CAN與LIN、CAN與MOD總線相比，CAN協(xié)議是穩(wěn)健的，錯(cuò)誤檢查使CAN協(xié)議達(dá)到穩(wěn)健。通過這些機(jī)制，如果檢測到錯(cuò)誤，節(jié)點(diǎn)就會傳送一個(gè)錯(cuò)誤幀并銷毀傳送的幀。

CRC校驗(yàn)

循環(huán)冗余校驗(yàn)值由發(fā)送節(jié)點(diǎn)計(jì)算并通過CRC字段發(fā)送，該值被所有節(jié)點(diǎn)接收。然后所有接收節(jié)點(diǎn)計(jì)算CRC值并將該值與發(fā)送值匹配。如果值不同，則生成錯(cuò)誤幀。

ACK時(shí)隙

當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息時(shí)，在確認(rèn)時(shí)隙中發(fā)送一個(gè)隱性位。如果接收到一條消息，則確認(rèn)槽由顯性位替換，該位將確認(rèn)至少一個(gè)節(jié)點(diǎn)正確接收到該消息。如果該位是隱性的，則沒有節(jié)點(diǎn)正確接收到消息。

形式錯(cuò)誤

當(dāng)一個(gè)固定形式的位場含有1個(gè)或多個(gè)非法位，則檢測到一個(gè)形式錯(cuò)誤，如幀結(jié)尾固定為隱性位，卻檢測到了顯性位。

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