航芯技術(shù)分享 | 一文讀懂汽車(chē)CAN總線(xiàn)技術(shù)原理（上）

發(fā)布時(shí)間:2022-01-19

CAN總線(xiàn)協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)

? 布線(xiàn)減少，成本低

? 接線(xiàn)簡(jiǎn)單，節省時(shí)間

? 丟失消息的自動(dòng)重傳

? 支持錯誤檢測

? 靈活的數據傳輸速率

CAN 定義

CAN代表控制器局域網(wǎng)，專(zhuān)為滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)的需求而設計。在引入CAN之前，每個(gè)電子設備都使用多條電線(xiàn)連接到其他設備以實(shí)現通信。但是當汽車(chē)系統中的功能增加時(shí)，由于布線(xiàn)系統繁瑣，維護起來(lái)很困難。在CAN總線(xiàn)系統的幫助下，只需將每個(gè)ECU連接到公共串行總線(xiàn)，即可讓ECU相互通信，而無(wú)需太多復雜性。因此，與汽車(chē)系統中使用的其他協(xié)議（即CAN與LIN）相比，CAN由于復雜性較低而且更加穩健。

CAN協(xié)議可以被定義為在一個(gè)通過(guò)串行總線(xiàn)連接的電子設備網(wǎng)絡(luò )中傳輸和接收信息的一套規則。CAN網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)電子設備被稱(chēng)為一個(gè)節點(diǎn)。每個(gè)節點(diǎn)都必須有硬件和軟件嵌入其中進(jìn)行數據交換。一個(gè)CAN總線(xiàn)系統的每個(gè)節點(diǎn)都有一個(gè)主機微控制器單元、CAN控制器和CAN收發(fā)器。CAN控制器是一個(gè)可以嵌入在主機控制器內或單獨添加的芯片，它需要管理數據并通過(guò)收發(fā)器在串行總線(xiàn)上發(fā)送數據，反之亦然。CAN收發(fā)器芯片用于使信號適應CAN總線(xiàn)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)預先定義的唯一ID來(lái)識別。傳輸的數據包被CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的所有節點(diǎn)接收，但根據ID，CAN節點(diǎn)決定是否接受它。當多個(gè)節點(diǎn)試圖同時(shí)發(fā)送數據時(shí)，CAN總線(xiàn)遵循仲裁過(guò)程。

CAN 總線(xiàn)電氣規格

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(xiàn)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。當發(fā)送隱性位時(shí)，CAN_High和 CAN_Low線(xiàn)被驅動(dòng)到2.5V，表示隱性位的差分電壓為0V。CANH和CANL線(xiàn)的物理端應加120歐姆的CAN總線(xiàn)終端電阻，以避免任何信號反射。

圖1. CAN總線(xiàn)差分信號

CAN 的幀類(lèi)型

幀是一種定義的結構或格式，在網(wǎng)絡(luò )中攜帶有意義的數據（字節）。CAN有四種幀類(lèi)型：數據幀、遠程幀、錯誤幀、過(guò)載幀。

數據幀

數據幀包含用于傳輸的節點(diǎn)數據的幀。數據幀由提供信息的附加字段組成，即仲裁字段、控制字段、數據字段、CRC字段、2位確認字段和幀結束。

有兩種類(lèi)型的數據幀：標準幀格式、擴展幀格式

兩種格式的唯一區別是標準幀支持11位標識符，擴展幀支持29位標識符，由11位標識符和擴展18位標識符組成。IDE位在標準幀中是顯性的，在擴展幀中是隱性的。

標準幀格式：

標準幀主要用于發(fā)送數據。

圖2. 標準幀

術(shù)語(yǔ)

? SOF - 幀的開(kāi)始，表示幀傳輸的開(kāi)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 - 遠程傳輸請求，它對數據幀是顯性的，對遠程幀是隱性的。

? IDE - 單一識別擴展，它對標準幀是顯性的，對擴展幀是隱性的。

? R0 - 保留位。

? DLC - 數據長(cháng)度代碼，定義了正在發(fā)送的數據的長(cháng)度，它的大小為4位。

? 數據——要傳輸的數據和長(cháng)度由DLC決定。

? CRC——循環(huán)冗余校驗，它包含前面應用程序數據的校驗和，用于錯誤檢測。

? ACK——確認，它的長(cháng)度為2位，如果接收到準確的消息，則占主導地位。

? 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(dòng)到正確位置所需的時(shí)間。

擴展幀：

圖3. 擴展幀

它與標準幀相同，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?；緮祿c擴展數據幀相比具有較高的優(yōu)先權，如果兩個(gè)信息具有相同的11位標識符，它還包含一個(gè)11位標識符以外的18位標識符。

r1- 保留位。

遠程幀

遠程幀與數據幀相似，但有兩點(diǎn)不同。遠程幀是由接收方發(fā)送的，用于請求發(fā)送方提供數據，所以遠程幀和數據幀之間的區別是遠程幀不包含任何數據字段，因為它不用于數據傳輸。第二個(gè)區別是遠程幀的RTR 位為隱性狀態(tài)，當總線(xiàn)上具有相同標識符的數據幀和遠程幀同時(shí)發(fā)送時(shí)，由于數據幀RTR位是顯性的，數據幀將在仲裁中贏(yíng)得總線(xiàn)控制權。

錯誤幀

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

錯誤標志分為：主動(dòng)錯誤標志、被動(dòng)錯誤標志

主動(dòng)錯誤標志：當錯誤主動(dòng)節點(diǎn)檢測到一個(gè)總線(xiàn)錯誤時(shí)輸出的一個(gè)主動(dòng)錯誤標志，來(lái)中斷當前的數據發(fā)送。其中主動(dòng)錯誤標志由6個(gè)連續的顯性位構成。

被動(dòng)錯誤標志：當錯誤被動(dòng)節點(diǎn)檢測到一個(gè)總線(xiàn)錯誤時(shí)輸出的一個(gè)被動(dòng)錯誤標志，并緊接著(zhù)發(fā)送錯誤定界字段。其中錯誤被動(dòng)標志由6個(gè)連續的隱性位構成。

錯誤計數器：如果在總線(xiàn)上檢測到一個(gè)錯誤，那么TEC或REC計數就會(huì )增加。

1. 發(fā)送錯誤計數器（TEC）

2. 接收錯誤計數器（REC）

? 當 TEC 和 REC 小于 128 時(shí)，發(fā)送活動(dòng)錯誤幀

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

? 當TEC大于255時(shí)，節點(diǎn)進(jìn)入總線(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)不能發(fā)送幀

圖4. 錯誤轉換狀態(tài)圖

過(guò)載幀

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

1. 當接收單元需要發(fā)送節點(diǎn)延緩下一幀傳輸

2. 節點(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制，當一個(gè)以上的節點(diǎn)同時(shí)準備傳輸信息時(shí)。只要總線(xiàn)是空閑的，任何節點(diǎn)都可以傳輸數據。如果多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)準備傳輸數據，對總線(xiàn)的訪(fǎng)問(wèn)就會(huì )發(fā)生沖突，可以通過(guò)使用標識符的仲裁來(lái)解決。在仲裁過(guò)程中，每個(gè)發(fā)射器都會(huì )將傳輸的比特值與總線(xiàn)上的比特值進(jìn)行比較。如果比特值是相同的，節點(diǎn)繼續傳輸比特。如果傳輸的比特值與總線(xiàn)上的比特值不一樣，那么，優(yōu)勢比特就會(huì )覆蓋劣勢比特。

CAN報文的仲裁字段由1位或29位標識符和RTR位組成。具有最低值的標識符具有最高的優(yōu)先權。如果數據幀和遠程幀都有相同的標識符，并準備在同一時(shí)間發(fā)送數據，那么數據幀的優(yōu)先級就高，因為遠程傳輸位（RTR）在數據幀中是主導位，在遠程幀中是隱性位。

消息級CAN總線(xiàn)錯誤控制機制

與其他協(xié)議相比，即CAN與LIN、CAN與MOD總線(xiàn)相比，CAN協(xié)議是穩健的，錯誤檢查使CAN協(xié)議達到穩健。通過(guò)這些機制，如果檢測到錯誤，節點(diǎn)就會(huì )傳送一個(gè)錯誤幀并銷(xiāo)毀傳送的幀。

CRC校驗

循環(huán)冗余校驗值由發(fā)送節點(diǎn)計算并通過(guò)CRC字段發(fā)送，該值被所有節點(diǎn)接收。然后所有接收節點(diǎn)計算CRC值并將該值與發(fā)送值匹配。如果值不同，則生成錯誤幀。

ACK時(shí)隙

當發(fā)送節點(diǎn)發(fā)送消息時(shí)，在確認時(shí)隙中發(fā)送一個(gè)隱性位。如果接收到一條消息，則確認槽由顯性位替換，該位將確認至少一個(gè)節點(diǎn)正確接收到該消息。如果該位是隱性的，則沒(méi)有節點(diǎn)正確接收到消息。

形式錯誤

當一個(gè)固定形式的位場(chǎng)含有1個(gè)或多個(gè)非法位，則檢測到一個(gè)形式錯誤，如幀結尾固定為隱性位，卻檢測到了顯性位。

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