CAN的概述及發(fā)展歷史

一、CAN的概述及發(fā)展歷史

CAN總線的概述及發(fā)展歷史

CAN發(fā)展的時間線：

1983年，Bosch開始研究汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1986年，Bosch在SAE大會正式公布CAN的協(xié)議

1987年，Intel和philips公司先后推出CAN控制器芯片

1991年，Bosch頒布CAN2.0技術(shù)規(guī)范

1991年，CAN總線最新在Benz S系列轎車上實現(xiàn)

1993年，ISO頒布CAN國際標準ISO-11898

1994年，由CiA組織舉辦第一屆國際CAN大會（iCC）

2015年，CAN FD的ISO標準化

2021年，CAN XL第三代使用的規(guī)范CIA-610

CAN概述

CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）是一種串行通信技術(shù)，專門用于在汽車電子控制單元（ECU）之間實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)交換。

CAN通信特點

1）節(jié)點間采樣多主通訊的方式

2）采用短幀結(jié)構(gòu)，報文幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，可達汽車到實時響應(yīng)的要求

3）報文ID越小，優(yōu)先級別越高。報文ID可分成不同的優(yōu)先級，進一步滿足汽車網(wǎng)絡(luò)報文的實時性要求

4）非破壞性總線仲裁處理機制

5）可靠的CRC校驗方式，傳輸數(shù)據(jù)出錯率極低，滿足汽車數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸?/p>

6）報文幀仲裁失敗或傳輸期間被破壞有自動重發(fā)機制

7）節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動脫離總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，不影響總線的正常工作。

8）通訊距離最遠達10KM

9）通訊速率最高1MB/S(此時距離最長40m)

10)節(jié)點數(shù)實際可達110個

11）CAN節(jié)點設(shè)計成本較低，通訊介質(zhì)采用雙絞線

通信網(wǎng)絡(luò)參考模型OSI

應(yīng)用層：人家交互

表示層：壓縮解壓、加密解密、編碼解碼

會話層：會話建立、維護中止會話隔離

傳輸層：可靠的連接，傳輸端口號---區(qū)分不同的應(yīng)用程序

網(wǎng)絡(luò)層：為了數(shù)據(jù)提供地址信息 ----IP地址（軟件地址）

數(shù)據(jù)鏈路層：為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)提供地址MAC地址（硬件地址）

物理層：提供電氣規(guī)格，數(shù)據(jù)bit的傳輸100101011

二、CAN的物理層

CAN使用總線傳輸方式

早期汽車使用點對點的通訊方式，現(xiàn)在使用總線式的線束連接，減少了通訊線的數(shù)量、通過多個網(wǎng)絡(luò)進行大量數(shù)據(jù)的高速傳輸、診斷和做線纜簡單。

CAN物理電平說明

容錯CAN優(yōu)缺點：通訊速率低，承載的節(jié)點少，但具有更高的抗干擾能力。

CAN的編碼規(guī)則

CAN編碼采用的NRZ非歸零編碼（5個相同電平加入一個填充位），相同帶寬的情況下，NRZ編碼方式的信息量更大。

NRZI編碼：當電平狀態(tài)發(fā)生變化時，表示數(shù)據(jù)0，信號電平不變表示1（7個1變換一次0USB2.0通訊使用的編碼方式就是NRZI編碼。

RZ編碼

NRZ編碼

NRZI編碼

CAN的傳輸介質(zhì)

傳輸介質(zhì)：非屏蔽雙絞線

終端電阻：120Ω

雙絞線的作用：外部干擾在兩根導線上產(chǎn)生的噪聲（在專業(yè)領(lǐng)域里，把無用的信號叫做噪聲）相同，以便后續(xù)的差分電路提取出有用信號，差分電路是一個減法電路，兩個輸入端同相的信號（共模信號）相互抵消（m-n），反相的信號相當于x-（-y），得到增強。

CAN的終端電阻

CAN總線終端電阻的作用有3個：

1.提高抗干擾能力，讓高頻低能量的信號迅速走掉

2.確?？偩€快速進入隱性狀態(tài)，讓寄生電容的能量更快走掉

3.提高信號質(zhì)量，放置在總線的兩端，讓反射能量降低

寄生電容進行充電和放電

高速信號傳輸，阻抗變化，引起的反射，“振鈴”現(xiàn)象

CAN終端電阻選擇

如圖所示是CAN總線的經(jīng)典拓撲圖。終端電阻一般選擇放在最遠的兩個節(jié)點上。如果其中一個放在中間位置，終端電阻外面的CAN收發(fā)器處于支路上，這將大大增加該節(jié)點的信號反射，進而影響總線通訊。

在CAN總線中使用的典型線纜，將它們扭制成雙絞線，就可根據(jù)上述方法得到特征阻抗大約為120Ω，這也是CAN標準推薦的終端電阻阻值，所以這個120Ω是測出來的，不是算出來的，都是根據(jù)實際的線束特性進行計算得到的。

根據(jù)標準需要考慮短路到18V的情況，假設(shè)CANH短路到18V，電流會通過終端電阻流到CANL上，而CANL內(nèi)部由于限流的原因，最大注入電流為50mA（TJA1145的規(guī)格書上標注），這時候120Ω電阻的功率就是50mA*50mA*120Ω=0.3W。

CAN總線的電平邏輯

CAN的數(shù)據(jù)采樣點

采樣點：是總線數(shù)據(jù)被讀取并被解釋為相應(yīng)位值的時間點。

三、數(shù)據(jù)鏈路層

幀類型類型

數(shù)據(jù)幀

分類：標準幀和擴展幀

SOF：1bit，起始位，顯性

Identifier：11bit/29bit, ID位

RTR：遠程幀和數(shù)據(jù)幀位，遠程幀“1”，數(shù)據(jù)幀“0”

SRR：替代遠程幀位，“1”

IDE：擴展幀和標準幀，擴展幀“1”，標準幀“0”

r：預留

DLC：4bit，數(shù)據(jù)長度位

Data Field：0-8 Byte，數(shù)據(jù)位

CRC：15bit，數(shù)據(jù)CRC校驗SOF----CRC前

DEL：校驗和應(yīng)答界定符

ACK：1bit，確認數(shù)據(jù)是否正常接收，所謂正常接收是指不含填充錯誤、格式錯誤、 CRC 錯誤。發(fā)送節(jié)點將此位為1，接收節(jié)點正常接收數(shù)據(jù)后將此位置為”0”；（1 bit）

DEL：校驗和應(yīng)答界定符，隱形“1”

EOF：7bit，結(jié)束標志位，連續(xù)7bit隱形位表示幀結(jié)束

CRC和ACK位

EOF結(jié)束位

遠程幀

錯誤幀

錯誤幀：錯誤幀可用于指示通信期間檢測到的錯誤。錯誤幀將強行中止正在進行的錯誤數(shù)據(jù)傳輸。

錯誤幀的結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)幀或遠程幀明顯不同，僅由兩部分構(gòu)成：錯誤標志（error flag）和錯誤界定符。

錯誤幀分類：

位錯誤：發(fā)送節(jié)點檢查，發(fā)送數(shù)據(jù)后回讀數(shù)據(jù)，檢查發(fā)送是否錯誤

填充錯誤：接收節(jié)點檢測。CRC之前，連續(xù)6個顯性或隱形位

ACK錯誤：發(fā)送節(jié)點檢測。發(fā)送數(shù)據(jù)后ACK位沒有置低

格式錯誤：CRC之后11bit固定的格式位，

CRC錯誤：接收節(jié)點檢測

位填充

位填充從以SOF的傳輸為開始，以CRC序列的最后一位的傳輸為結(jié)束。因此在傳輸包含8個數(shù)據(jù)字節(jié)的標準格式的數(shù)據(jù)幀時，在極限情況下，應(yīng)有24個填充位。所以，理論上標準格式數(shù)據(jù)幀最多包含132位。

錯誤檢測

錯誤跟蹤

錯誤處理流程

過載幀和幀間隙

過載幀：接收節(jié)點向總線上其它節(jié)點報告自身接收能力達到極限的幀。

幀間隔：是用來隔離數(shù)據(jù)幀（或者遠程幀）的，也就是說，數(shù)據(jù)幀（或者遠程幀）經(jīng)過插入幀間隔能夠?qū)⒈編c先行幀

（數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀、過載幀）分隔開來。

主動錯誤狀態(tài)下的間隙幀

被動錯誤狀態(tài)下的間隙幀

發(fā)送仲裁機制

特點：

1.仲裁發(fā)送在仲裁段

2.采用“線與”機制

3.ID值越小，優(yōu)先級越高

4.仲裁失敗進入“只聽”模式，等待空閑發(fā)送

上圖在多個節(jié)點同時發(fā)送報文時，首次出現(xiàn)不同，且發(fā)送顯性位的節(jié)點占用總線。由于CAN報文首先發(fā)送的為ID段且顯性位為邏輯“0”，因此ID越小該幀的優(yōu)先級越高。

發(fā)送仲裁機制

上圖：數(shù)據(jù)幀A的優(yōu)先級高于數(shù)據(jù)幀B的優(yōu)先級，總線空閑時，數(shù)據(jù)A先發(fā)。

仲裁場

仲裁流程

幾種狀態(tài)仲裁錯誤

仲裁場相同，數(shù)據(jù)場不一致

相同幀無應(yīng)答，產(chǎn)生應(yīng)答錯誤

相同幀有應(yīng)答，隱藏了錯誤

位同步機制

同步的目的其實就是保證采樣點采集時，采集的位數(shù)不會錯亂，并且都是接收端同步。發(fā)送端發(fā)送一個幀，如果接收端有延時，并不做同步，那么就可能會出現(xiàn)，發(fā)送端發(fā)送第2位時，接收端還是按照第1位的時序來采樣，導致接收端認為采集的到是第1位。顯然就出錯了。

1）同步段（Synchronization Segment）：長度固定，1個時間量子Tq；一個位的傳輸從同步段開始；同步段用于同步總線上的各個節(jié)點，一個位的跳邊沿在此時間段內(nèi)。

2）傳播段（Propagation Segment）：傳播段用于補償報文在總線和節(jié)點上傳輸時所產(chǎn)生的時間延遲；傳播段時長 ≥ 2 × 報文在總線和節(jié)點上傳輸時產(chǎn)生的時間延遲 ；傳播段時長可編程（1~8個時間量子Tq）。

3）相位緩沖段1（Phase Buffer Segment1）：用于補償節(jié)點間的晶振誤差；允許通過重同步對該段加長；在這個時間段的末端進行總線狀態(tài)的采樣；長度可編程（1~8個時間量子Tq）。

4）相位緩沖段2（Phase Buffer Segment2）：用于補償節(jié)點間的晶振誤差；允許通過重同步對該段縮短；長度可編程（1~8個時間量子Tq）。

同步段時鐘機制

系統(tǒng)時鐘→CAN時鐘→CAN位時間

波特率 = 1 / CAN位時間

位同步特點

一個位時間內(nèi)只允許一種同步方式，要么硬同步要么重同步；

任何一個從“隱性”到“顯性”的下降沿 都可以用于同步；

硬同步發(fā)生在報文的SOF位，所有接收節(jié)點調(diào)整各自當前位的同步段，使其位于發(fā)送的SOF位內(nèi)；

重同步發(fā)生在一個報文SOF位之外的其它段，當下降沿落在了同步段之外時發(fā)生重同步；

在SOF到仲裁場發(fā)送的時間段內(nèi)，如果有多個節(jié)點同時發(fā)送報文，那么這些發(fā)送節(jié)點對跳變沿不進行重同步。

硬同步

重同步

重同步，PBS1延長

重同步，PBS2縮短

同步跳轉(zhuǎn)寬度

在重同步時，有個同步跳轉(zhuǎn)寬度（SJW，Synchro Jump Width）的概念，表示的是PBS1和PBS2重同步時允許跳轉(zhuǎn)的最大寬度。

同步跳轉(zhuǎn)寬度必須滿足以下幾個條件：

SJW必須小于PBS1和PBS2的最小值

SJW最大值不能超過4

同步段規(guī)則

CAN報文在CAN總線上的傳輸時，物理延遲包含兩個部分：

在CAN-BUS上傳輸造成的延遲

在節(jié)點內(nèi)部傳輸造成延遲

按照CAN通信協(xié)議的規(guī)定，補償給傳播延遲的時間長度要至少等于實際實際傳播延遲時長的2被，

即：tPTS≥2×tdel=2×(tdel+tBus)

四、CAN應(yīng)用層

定義ID的規(guī)則

定義控制命令和節(jié)點

定義索引對象

分段報文寫---起始幀

分段報文寫---傳輸幀和結(jié)束幀

分段報文讀-----起始幀

分段報文讀----傳輸過程

審核編輯 ：李倩