车辆CAN总线概述

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1、一 CAN 总线简介1. CAN总线的发展历史20 世纪 80 年代初期，欧洲汽车工业的蓬勃发展，车辆电子信息化程度的也 不断提高。当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现 大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着 需要更多的连接信号线，但是传统的线束式汽车电子系统已经不能满足车辆电子 信息功能发展的需求。为了解决这一制约现代汽车电子信息化发展的瓶颈，德国 Bosch公司设计了一个单一的网络总线,所有的外围器件可以被挂接在该总线上， 经过试验，这一总线能够有效解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯， 并且能够减少不断增加的信号线。所以在 1

2、986 年 Bosch 公司正式公布了这一总 线，且命名为CAN总线。CAN控制器局部网（CANController Area Network）属于现场总线的范畴， 它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络，它具有很高的网络安 全性、通信可靠性和实时性，简单实用，网络成本低，特别适用于汽车计算机控 制系统和环境恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境，因此 CAN 总线在诸多现 场总线中独占鳌头，成为汽车总线的代名词，CAN总线开始进入快速发展时期：1987年Intel公司生产出了首枚CAN控制器（82526）。不久，Philips公司也 推出了 CAN控制器82C200；1991年，Bo

3、sch颁布CAN 2.0技术规范，CAN2.0包括A和B两个部分为促进CAN以及CAN协议的发展，1992在欧洲成立了国际用户和厂商协 会（CAN in Automation，简称 CiA），在德国 Erlangen 注册，CiA 总部位于 Erlangen。 CiA提供服务包括：发布CAN的各类技术规范，免费下载CAN文献资料，提 供CANopen规范DeviceNet规范；发布CAN产品数据库，CANopen产品指南； 提供 CANopen 验证工具执行 CANopen 认证测试；开发 CAN 规范并发布为 CiA 标准。1993年CAN成为国际标准ISO11898 （高速应用）和ISO1

4、1519（低速应用）；1993年，ISO颁布CAN国际标准ISO-11898；1994年，SAE颁布基于CAN的J1939标准；2003 年，Maybach 发布带 76 个 ECU 的新车型（CAN，LIN，MOST）;2003年，VW发布带35个ECU的新型Golf。根据CiA组织统计，截止到2002年底，约有500多家公司加入了这个协会， 协作开发和支持各类CAN高层协议；生产CAN控制器（独立或内嵌）厂家， 包括世界上主要半导体生产厂家在内，已有20多家，CAN控制器产品的品种已 达110多种，CAN控制器的数量已达210,000,000枚。CAN接口已经被公认为微 控制器（Micro

5、controller）的标准串行接口，应用在各种分布式内嵌系统。该协会 已经为全球应用CAN技术的权威。2. CAN总线的特点CAN 总线与一般的通信总线相比 ,它的数据通信具有突出的可靠性、实时性 和灵活性。其主要特性如下:1）具有较高的性价比。它结构简单,器件容易购置 ,每个节点的价格较低 ,而且开 发过程中能充分利用现在的单片机开发工具;2）是目前为止唯一有国际标准的现场总线;3) 为多主方式工作 ,网络上任一节点均可在任意时刻主动向网络上其他节点发 送信息而不分主从 ,通信方式灵活 ,且无需站地址等节点信息4) 网络上的节点信息分成不同的优先级 ,可满足不同的实时要求 ,高优先级的 数

6、据最多可在134阴内得到传输；5) 采用非破坏性总线仲裁技术 ,当多个节点同时向总线发送信息时,优先级较低 的节点会主动地退出发送 ,而最高优先级的节点不受影响地继续传输数据 , 从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下也不会 出现网络瘫痪情况；6) 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送 接收数据 ,无需专门的“调度”；7) 直接通信距离最远可达10 km (速率5 kb/s以下)，通信速率最高可达1 Mkb / s (此时通信距离最长为 40 m) ；8) 节点数主要取决于总线驱动电路,目前可达成110个；9) 采用短帧结构 ,传输时间短 ,

7、受干扰概率低 ,具有极好的检错效果；10) 每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据出错率低；11) 通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤,选择灵活；12) 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能 ,以使总线上其他节点的操 作不受影响。自 CAN 总线问世以来，为满足 CAN 总线协议的多种应用需求，相继出现了几种高层协议。目前大多数基于CAN总线的网络都采用CAN总线的高层协 议。CANopen、DeviceNet和SDS是通常采用的高层协议，适用于任何类型的工 业控制局域网应用场合，而CAL则应用于基于标准应用层通信协议的优化控制场合，SAEJ1939 则应用于卡车和重型汽车计算

8、机控制系统。其总线规范已被 ISO国际标准化组织制定为国际标准，并被公认为是最有前途的现场总线之一。CAN 总线的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络，广泛应用于控制系统中 的各检测和执行机构之间的数据通信。随着控制 、计算机、通信、网络等技术 的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从现场设备到控制、管理的各个层次。 信息技术的发展引起自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为 基础的企业信息系统。现场总线(Fieldbus)就是顺应这一形势发展起来的新技术， 成为当今自动化领域技术发展的热点，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的 出现，标志着自动化领域的又一个新时代的开始，并

9、对该领域的发展产生重要影 响。二、CAN总线基本原理1、CAN 标准1) CAN 总线的分层结构OSI (Open System Interconnection)开放系统互连参考模型将网络协议分为7 层，由上至下分别为：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、链路层和物 理层。国际电工技术委员会定义现场总线模型分为三层：应用层、链路层和物理 层。CAN的分层定义与OSI模型一致，使用了七层模型中的应用层、链路层和 物理层CAN技术规范定义了模型最下面的两层：数据链路层和物理层，如图1 所示。ISO/OSI# 模取CAN分层纟占构物理层位编解啊 位迄时 同步 骡动器/接收jsnn数搦链路层 逻辑

10、链路控制子层 滤波过裁通知恢便蕾理媒体血间控制子层数揺剝柴71W包 帕迓检测r标進 串井转换 应咎应用広表示层会话层传输层刚络层数拯就路层物理层图 1 CAN 总线分层结构2）CAN 协议标准CAN 总线协议现有 CAN1.0、CAN1.2、CAN2.0A 和 CAN2.0B 四个版本。CAN2.0A以及以下版本使用标准格式信息帧（11位），CAN2.0B使用扩展格式信 息帧（29位）。CAN2.0A及以下版本在接收到扩展帧信息格式时认为出错； CAN2.0B被动版本接收时忽略29位扩展信息帧，不认为出错；CAN2.0B主动版 本能够接收和发送标准格式信息帧和扩展格式信息帧。3）CAN 总线网

11、络基本结构一般而言，CAN总线网络由若干个具有CAN通信功能的控制单元（又称节 点）通过CAN_H和CAN_L两条数据线并联组成，CAN_H和CAN_L两条数据 线的两端各安装一个1200电阻构成数据保护器，避免数据传输到终端被反射回 来而产生反射波，影响数据的传送，如图2所示。汽车CAN总线网络结构示意 图如图3所示电藍ECLFECU1电阻图 2 CAN 网络基本结构图 3 汽车 CAN 总线网络结构示意图4) CAN 总线节点硬件电路框图一个完整的CAN总线节点应该包含微控制器、CAN控制器和CAN收发器三部分。其中微控制器负责完成 CAN 控制器的初始化，与 CAN 控制器的进行 数据传

12、递；CAN控制器负责将数据以CAN报文的形式传递，实现CAN协议数 据链路层的功能；CAN收发器是CAN控制器与CAN物理总线的接口，为总线 提供差动发送功能，也为控制器提供差动接收功能。CAN节点的基本结构框图 如图4所示。部分微控制器集成有 CAN 控制器，因此，节点方案有两种图 4 CAN 节点基本结构框图5) CAN 差分通信CAN 总线的信号传输采用差分通信信号，差分通信具有较强的抗干扰能力。 CAN 收发器的差动信号放大器在处理信号时，会用 CAN_H 数据线的电压减去 CAN_L 数据上的电压，这两个数据线的电位差可对应两种不同逻辑状态进行编 码。在静止状态时，这两条导线上作用有

13、相同预先设定值，该值称为静电平。对 于CAN驱动数据总线来说，这个值大约为2.5V。静电平也称为隐性状态，因为 连接的所有控制单元均可修改它。在显性状态时，CAN_H线上的电压值会升高 一个预定值(对CAN驱动数据总线来说，这个值至少为1V)。而CAN_L线上 的电压值会降低一个同样值(对 CAN 驱动数据总线来说，这个值至少为 1V)。 于是在CAN驱动数据总线上，CAN_H线就处于激活状态，其电压不低于3.5V (2.5V+1V=3.5V)，而CAN_L线上的电压值最多可降至1.5V(2.5V-1V=1.5V)。因 此在隐性状态时，CAN_H线与CAN_L线上的电压差为0V,在显性状态时该

14、差 值最低为2V,如图5所示。如果CAN_H-CAN_L 2,那么比特为0,为显性；如果CAN_H-CAN_L = 0,那么比特为1,为隐性3,5V2,5V1,5VOV在显性扶态时.CAN-H i gh线的电圧 升至约3.5V在隐性狀态时.陀两条线电压均 为约2 5M（静电零在显性状态时，CAN-Low线的电玉 降至约1.別图 5 CAN 数据线的电平2、CAN 总线通信原理当 CAN 总线上的一个节点（站）发送数据时,它以报文形式广播给网络中所有 节点。对每个节点来说,无论数据是否是发给自己的,都对其进行接收。每组报 文开头的1 1 位字符为标识符,定义了报文的优先级,这种报文格式称为面向内

15、容 的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的,不可能有两个站发送具有相同标识 符的报文。当一个站要向其它站发送数据时,该站 CPU 将要发送的数据和自己 的标识符传送给本站的 CAN 控制器芯片,并处于准备状态；当它收到总线分配 时，转为发送报文状态。CAN控制器芯片将数据根据协议组织成一定的报文格 式发出,这时网上的其它站处于接收状态。每个处于接收状态的站对接收到的报 文进行检测,判断这些报文是否是发给自己的,以确定是否接收它。当多个站点同时发送消息时,需要进行总线仲裁,每个控制单元在发送信息 时通过发送发送标识符来识别。所有的控制单元都是通过各自的RX线来跟踪总 线上的一举一动并获知总线的状态。每个发射器将TX线和RX线的状态一位一 位地进行比较,采用“线与”机制,“显性”位可以覆盖“隐性”位；只有所有节点都发送“隐性”位，总线才处于“隐性”状态CAN是这样来进行调整的：TX信号上 加有一个“0”的控制单元的控制单元必须退出总线。用标识符中位于前部的“0” 的个数就可调整信息的重要程度，从而就可保证按重要程度的顺序来发送信息。 标识符中的号码越小，表示该信息越重要，优先级越高。发送低优先级报文的节 点退出仲裁后，在下次总线空闲时重发报文。三个节点总线仲裁示意图如图 6图6 总线仲裁示意图所示。1 11f1lose |1