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CAN总线(控制器区域网络)是一个中央网络系统连接不同的电子控制单元(ECU)以及车辆中的其他设备。现在的汽车可以有100个ECU因此CAN总线通信变得非常重要。 1.CAN总线流行的背景 集中式:CAN总线系统允许对连接到网络的ECU进行集中控制使控制ECU变得容易。 鲁棒性:CAN总线协议具有内置的故障检测机制因此它具有较好的鲁棒性。当检测到错误时网络中的所有节点(ECU)都被告知此错误所有节点丢弃此消息以保证数据的一致性。CAN总线系统还具有抗电磁干扰的鲁棒性。 低成本和高效率:CAN不需要复杂的布线因为通信不是通过直接的模拟信号。相反通过单个CAN接口进行通信并且是一种非常有效的基于消息的协议。 灵活性:由于CAN使用基于消息的协议总线上的ECU没有关联的id因此很容易添加或删除ECU。 速度:数据的传输速度很重要。因此根据电缆的长度高速可以支持40 kbps到1 Mbps之间的数据传输速率。
2.CAN总线的历史
Robert Bosch GmbH于1983年开始开发CAN总线协议但CAN总线协议于1986年在密歇根州底特律汽车工程师协会(SAE)会议上才予以正式发布。
1993年国际标准化组织(ISO)发布了CAN标准ISO 11898该标准后来被重组为两个部分: ISO 11898-1应用于数据链路层 ISO 11898-2为CAN物理层用于高速CAN 如上所示从1983年开始至今CAN发生了很多的发展变化。博世仍在致力于扩展CAN标准并于2012年发布了CAN FD或CAN with Flexible Data-Rate。
3.CAN总线的应用
其最常见的应用是车载电子网络因为CAN是为汽车使用而创建的。然而多年来CAN已用于许多其他领域如铁路工业自动化电梯自动扶梯等。
说到汽车行业由于现代汽车对安全性和舒适性的重视大多数现代汽车都可以拥有100个电子控制单元(ECU)。ECU主要用于以下方面 发动机控制 燃油喷射系统 安全气囊、传动系统 防抱死制动系统(ABS) 电子动力转向音响系统 电动车窗、车门和座椅 电动、混合动力汽车的电池管理系统 其他领域
其中一些ECU与传感器和执行器交互以执行各种操作。下面是一些具体的例子。 燃油喷射系统:ECU计算油门踏板角度并通过CAN发送信号以便其他ECU可以在需要时使用它。控制燃油喷射的ECU读取信号进行计算并向执行器发送燃油喷射信号。因此CAN总线系统在其中起着重要的作用。 防抱死制动系统(ABS) ECU通过CAN与传感器、执行器和其他ECU相互作用从而实现有效制动防止车轮在制动过程中锁死。 4.CAN总线层
想知道CAN协议是如何工作的?作为第一步首先需了解CAN层次结构。ISO/OS参考模型指定了以下七个层。 标准的CAN总线实现忽略了数据链路层与应用层之间的连接。
CAN总线物理层
这一层定义了电平、CAN总线上的信号方案、电缆阻抗等。以下是物理层的主要特点 双线平衡信令方案由CAN标准(ISO 11898部分)定义又称高速CAN。 基于ISO标准的低总线速度的双线平衡信令方案11898-3又称低速CAN。 单线接地符合SAE J2411标准。
CAN总线拓扑
下面是一个示例CAN网络其中节点由两条线连接CAN High (CAN- h)和CAN Low (CAN- l)。CAN总线端接120欧姆电阻。总线两端的终端电阻是必要的以消除总线上的任何电反射并保证正确的直流电平。通常情况下物理传输采用双绞线共地铜缆。 最大CAN总线速度
根据标准最大CAN总线速度为1mbit /s并通过CAN高速收发器实现。对于低速CAN速度可达125 kbit/s。在标准模式下单线最高可达50 kbit/s。
电缆长度
对于仲裁方案信号的波前必须到达最远的节点并在采样之前返回因此可以在1mbit /s的can速度下使用最大40m的长度。
5.CAN总线协议基础—CAN消息
由于CAN总线是一种广播类型的总线因此CAN总线上的所有节点都可以获得所有的传输信息。因此我们无法将特定消息发送到特定节点。
CAN使用短消息。具体来说CAN有以下消息或帧类型 数据帧:包含要传输的节点数据 远程帧:获取相应数据帧的传输信息 错误帧:节点检测到错误时发送 过载帧:节点过载时发送
CAN协议帧格式
数据帧
数据帧由以下部分组成: 标准CAN 扩展CAN
仲裁域
这决定了当两个节点争用总线时哪个消息获得优先级。具体来说 包含了11位标识符和1位远程传输(RTR)位该位用于数据帧起主导作用称为标准CAN。 29位标识符(包括两个隐性位:替代远程请求(SRR)和标识符扩展(IDE)以及RTR位)这被称为扩展CAN。 具有0到8字节数据的数据字段循环冗余校验(CRC)字段它包含一个用于错误校验的15位校验和. CRC 分隔符 ACK位 ACK 分隔符 End-of-frame (EOF)
远程帧
远程帧获取相应数据帧的传输信息它没有任何数据字段。因此对于请求-响应类型的总线通信远程帧是有用的。
错误帧
错误帧消息就是不符合CAN消息格式规则的消息帧。当节点检测到错误时发送错误帧。错误帧包括 ERROR标志(6位相同的值) 错误分隔符(8位隐性分隔符)
过载帧
顾名思义当节点过于繁忙时传输过载帧。通常不使用过载帧。
消息仲裁和优先级
仲裁是决定哪个控制器将使用总线的过程。当两个或多个控制器同时开始传输消息时总线仲裁变得很重要。
如果发送隐性级别的节点找到了主导级别那么它将停止仲裁并成为接收方。这个过程确保没有延迟到高优先级消息发送较低优先级消息的节点将在主导消息结束后尝试重传6位时钟。
6.位时钟 CAN上的每个位至少分为4个quanta。quanta具体分为以下几种类型。 同步段——用于时钟同步是一个quanta 传播段—— 补偿总线上的延迟 相位段1——缩短以保持时钟同步 相位段2——延长以保持时钟同步
时钟同步
CAN控制器可以通过一定的量程缩短或延长一个比特从而调整片上总线时钟。这被称为同步跳跃宽度(SJW)。
7.错误处理
CAN协议有一个内置的错误处理机制可以检测CAN消息中的错误以便尽快检测到错误。
节点一旦检测到错误就发送错误标志。其他节点一旦检测到错误标志就丢弃当前消息。
每个节点有两个错误计数器具体而言 传输错误计数器(TEC) 接收错误计数器(REC)
通过这些错误计数器CAN节点可以检测故障并限制错误。下面是CAN协议中提到的错误检测方法。 一些监控 位填充 帧检查 确认检查 循环冗余校验
一些监控
比特监控确保传输数据的完整性。CAN总线上的每个发送器回读传输的数据如果传输的数据和实际读取的数据存在差异则会产生误码。
位填充
比特填充是节点在接收到连续的5个相同极性的比特后插入相反极性的比特的过程。接收器移除插入的额外比特。当CAN总线上出现超过5个连续的极性位时会引发填充错误。
帧检查
有些部分在CAN消息中有固定的格式。如果节点检测到CRC分隔符、ACK分隔符、帧结束、间隔中的无效值则引发表单错误信号。
确认检查
当节点接收到消息时期望在消息的确认槽中发送一个主导位。如果ACK槽中缺少主导位则会引发确认错误。当节点检测到消息中的CRC与它自己计算的CRC不同时会引发循环冗余校验和(CRC)。
8.CAN总线更高层协议
CAN标准定义了物理层(硬件)和数据链路层(基本通信层)。需要一个更高层的协议来管理系统中的通信。有许多高层协议其中一些最常用的是卡诺J1939CAN通信协议MilCAN加拿大王国林克 9.CAN interface and CAN analyzer
想知道如何读取can总线数据?读取CAN总线需要查看硬件信号。需要CAN接口和CAN分析仪。CAN接口是将CAN总线连接到笔记本电脑或PC进行分析的硬件。它将有一个CAN收发器。CAN分析需要使用CAN分析仪软件通过CAN接口采集CAN数据。
10.结论
本文回顾了CAN总线的历史/由来及应用场景。
