航芯技術分享 | 一文讀懂汽車CAN總線技術原理（下）

發(fā)布時間:2022-01-25

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車電子控制單元逐漸增多，各電控單元之間的信號交換更為復雜。而CAN總線可將汽車內部各電控單元之間連接成一個局域網絡，實現(xiàn)了信息的共享，大大優(yōu)化了整車的布線。

接下來，我們將繼續(xù)為大家分享CAN相關技術知識。

CAN的分層架構

它由三層組成，即應用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。

? 應用層：該層與操作系統(tǒng)或CAN設備的應用程序交互。

? 數(shù)據(jù)鏈路層：它在發(fā)送、接收和驗證數(shù)據(jù)方面將實際數(shù)據(jù)連接到協(xié)議。

? 物理層：它代表實際的硬件，即CAN控制器和收發(fā)器。

CAN物理層特性

CAN物理層被分為三個部分：在CAN控制器芯片中實現(xiàn)的物理編碼，指定收發(fā)器特性的物理介質附件，物理介質依賴子層，這是特定的應用，沒有標準化。

圖1. CAN總線接線圖

物理編碼子層

PCS包括比特編碼和解碼、比特定時。它為收發(fā)器芯片提供連接單元接口，并包含Tx和Rx引腳，位級錯誤也通過位填充來處理。

位時序

出于時序目的，CAN總線上的每個位都劃分成至少4個時間份額，時間份額邏輯上劃分成4段：

1. 同步段

2. 傳播段

3. 相位緩沖段1

4. 相位緩沖段2

圖2. CAN位時序

同步段

1個時間量子長度，用于多個連接在總線上的單元，通過此段實現(xiàn)時序調整，當總線電壓電平發(fā)生變化（顯性到隱性或隱性到顯性）時，預計該段會出現(xiàn)位沿。

傳播段

用于補償網絡上節(jié)點之間的物理延遲，包括發(fā)送單元的輸出延遲、總線上信號的傳播延遲、接收單元的輸入延遲。

相位緩沖段

相位緩沖段用于補償節(jié)點間的晶振誤差，又分為相位緩沖段1（PS1）和相位緩沖段2（PS2），在這個時間段的末端進行總線狀態(tài)的采樣。兩個相位緩沖段PS1和PS2用于補償總線上的邊沿相位誤差。

采樣點

采樣點是位時間內的一個時間點，在該時間點，讀取總線電平并進行分析。位時間內的采樣點決定CAN總線電壓是隱性還是顯性。以位時間的百分比表示，位置從位時間的起點開始計算，位于階段1和階段2之間。

處理位級錯誤

位數(shù)填充

CAN協(xié)議遵循NRZ編碼進行傳輸。邏輯電平在位間隔之間不發(fā)生變化。CAN需要一個邏輯電平的轉換來進行再同步。因此，在5個相同的連續(xù)比特之后，將發(fā)送1個相反邏輯電平的比特。這就是所謂的東西位，接收器可以識別它。

位錯誤

一個正在發(fā)送比特的節(jié)點總是監(jiān)控總線，如果發(fā)射器發(fā)送的比特與總線上的比特值不同，則會產生一個錯誤幀。

物理介質依賴子層

該層在CAN收發(fā)器芯片中實現(xiàn)，通過Tx和Rx引腳從CAN控制器獲得輸入，輸出驅動CANH和CANL線。收發(fā)器負責不同的比特率，CAN總線速度指的是CAN總線通信速率。最大的CAN總線通信速率是1Mbit/sec。對于特殊的應用，一些CAN控制器將處理更高的速度，超過1Mbit/sec。低速的CAN通信速率是125kbits/sec。

與介質有關的子層

依賴介質的子層是高度特定的應用，不同連接器的引腳分配標準化屬于這一層，各種連接器為DB9、OBD II。

CAN總線DB9引腳布局

CAN總線通常通過連接器訪問。

圖3. CAN總線DB9引腳分配

引腳1：無定義

引腳2：CAN_L

引腳3：CAN GND

引腳4：無定義

引腳5：CAN_SHLD

引腳6：GND

引腳7：CAN_H

引腳8：無定義

引腳9：CAN_V+

各種微控制器中的CAN總線支持

微控制器應具有CAN硬件和軟件，提供CAN驅動程序以實現(xiàn)通信。Python-CAN庫也可用于為微控制器的硬件組件提供抽象的驅動程序，并用于通過CAN網絡發(fā)送和接收消息。Python CAN總線也用于測試硬件和 CAN 總線數(shù)據(jù)記錄。

用于Arduino的CAN總線屏蔽

? CANbus Shield采用帶有SPI接口和CAN收發(fā)器的CAN總線控制器，為Arduino提供CAN總線能力。

? 帶有CAN總線的Arduino有助于從ECU獲取車速、油耗、溫度等信息。

? Arduino CAN庫用于通過CAN總線發(fā)送和接收CAN消息。

樹莓派CAN總線：

樹莓派沒有特定的硬件，即CAN控制器和CAN收發(fā)器來支持CAN協(xié)議。樹莓派軟件不支持CAN總線，樹莓派支持通過 SPI 接口進行 CAN 通信。

樹莓派通過SPI接口連接到板子支持的外部CAN控制器，CAN控制器通過Rx和Tx線連接到CAN收發(fā)器。

CAN控制器示例：SJA100、MCP2515

CAN收發(fā)器示例：TJA1040、MCP2551

ACM32 CAN總線：

ACM32-F0/F4芯片內置1路~2路CAN控制器，并提供對應的CAN總線接口驅動庫，搭配外部的CAN收發(fā)器，保證CAN總線數(shù)據(jù)通訊的安全可靠。

如何讀取CAN總線數(shù)據(jù)？

當CAN總線與Microchip CAN總線分析儀、CAN總線Wire Shark等外部工具連接時，可以通過CAN USB適配器訪問CAN總線數(shù)據(jù)，該適配器提供與計算機或PC的USB端口的即時連接。CAN USB適配器也可以通過以太網、互聯(lián)網、內聯(lián)網從任何地方進行控制。CAN總線Wireshark是一種用于Linux系統(tǒng)的工具，尤其以以太網網絡分析而聞名，它通過使用SocketCAN來顯示CAN消息，SocketCAN是一組驅動程序和網絡堆棧，因此被稱為Linux CAN總線。CAN to USB幫助外部工具從CAN網絡獲取消息，然后用于監(jiān)控和調試接收或傳輸信息的工具。

但是這些消息是原始格式的。因此，從這些數(shù)據(jù)記錄器收集的數(shù)據(jù)使用CAN總線解碼器轉換為按比例縮放的工程值。從數(shù)據(jù)記錄器收集的數(shù)據(jù)也可以存儲在SD卡中，這有助于控制車輛設置以提高效率。收集的CAN總線數(shù)據(jù)可用于車隊管理、研發(fā)、診斷等。

用萬用表測試CAN總線

測試是必要的，以檢查任何發(fā)生的CAN總線故障，如布線、ECU、CAN網絡中的任何一個組件的電壓供應故障。CAN總線的故障排除，如在CAN總線線路的物理端添加120歐姆的終端電阻，可以診斷出問題。通過用萬用表測試，確保終端電阻是120歐姆，而且電阻是合適的，沒有斷裂，還可以通過將萬用表切換到交流電壓來測試傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

如何判斷汽車是否有CAN總線？

配備CAN總線的車輛包含CAN總線LED和CAN-BUS HID 套件。CAN總線LED與汽車高級系統(tǒng)通信，當此LED關閉時，車輛會發(fā)出警告。CAN BUS HID KIT充當DC到AC轉換器，并有助于在最初使用高壓電流打開燈。一旦燈啟動，它需要較低的電壓電流。但是當HID使用低功率時，CAN總線系統(tǒng)會假定燈已關閉并發(fā)出警告。為了避免這種情況，使用了HID轉換套件，它與CAN總線系統(tǒng)通信以告知有一個工作燈泡。這些警告告訴我們汽車配備了CAN總線。

CAN總線黑客攻擊

CAN總線黑客攻擊是對消費者的威脅。CAN總線車輛采用了許多無線技術，例如藍牙，用于接聽電話或播放音樂。當車載系統(tǒng)接入車內的CAN總線并具備 Wi-Fi連接能力時，黑客很容易獲得CAN總線接入并能夠控制汽車。Wi-Fi熱點在汽車中很流行，這使得知道汽車IP地址的人可以跟蹤汽車。這導致汽車制造商對CAN總線網絡上的傳輸數(shù)據(jù)進行保護。

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