（光学工程专业论文）基于can总线的汽车车灯控制网络设计与研究.pdf

摘 要 i 论文题目：论文题目：基于 can 总线的汽车车灯控制网络设计与研究 专专 业：业： 车辆工程 研研 究究 生：生： 周三国 指导教师：指导教师： 郭志军 摘 要摘 要 随着现代汽车技术的日益发展，汽车电子设备不断增加，进而带来汽车综合 控制系统中大量的控制信号需要实时交换、数据线布线困难等问题，传统线束已 明显存在不足，汽车局域网应运而生。 本文概述了汽车网络技术，分析了 can 总线网络的基本工作原理，对其分 层结构、报文传送、帧结构及其仲裁进行了详细的介绍，深入分析了 can 总线 的技术规范，并以此为基础设计了一个基于 can 总线的车灯控制网络，它是由 波特率为 125k 的中速双线 can 总线连接车身控制模块的三个节点组成。 本文采用了模块化试验板的软、硬件设计思想，完成了中央节点和两个车灯 节点的试验板硬件电路设计。在文中给出车灯控制网络框图、车灯节点功能框图 及其主要模块的基本连接图及主要代码设计。 通信试验验证了本设计的可行性，实现了基于 can 总线的汽车车灯网络的 控制。 关关 键键 词：词：can 总线，sja1000，tja1050，网络技术 论文类型：论文类型：应用研究 河南科技大学硕士学位论文 ii subject: design and research on automotive light control network based on can-bus specialty: vehicle engineering name: zhou sanguo supervisor: guo zhijun abstract with the development of the modern automobile, the electronic devices of automobile increase rapidly, which brings about the problem that it is necessary for varies of control systems to exchange the signals in the real-time. the traditional wiring harnesses can not satisfy this developmental requirement, people turn to the automobile lan. this thesis begin with the analysis of basic principle of can bus network, its hierarchical structure, message transmission, frame structure and arbitration are introduced detailedly, and then, technical criterion and high-layered protocol of can bus are lucubrated, by which an automotive light control network on can bus is designed.the body control system of homemade automobile is mostly composed of parts that operate unattached. to improve the performance of homemade automobile, the paper brings forward a scheme that three modules connected with can-bus (dual wire, 125 kbps). after presenting a common design module thought for automobile light control network, the central node and the two automobile light nodes experiment circuit design. the node functional sketch maps, its main modular hardware schematic diagrams, map of the essential linking can node,a photo of the true object and main codes are also given in this paper. when this thesis is completed, the can communication has been realized. experiments presented demonstrate that this scheme is right and feasible and realizes automotive light control network based on can-bus. key words：can-bus, sja1000, tja1050, network technology dissertation type: application research 第 1 章 绪论 1 第1章 绪论第1章 绪论 1.1 选题的必要性选题的必要性 随着数字电路及大规模集成电路的出现，微处理器速度的不断提高和存储容 量的增加，使得汽车电子控制系统的功能大大增强，形成了发动机、传动系、行 驶系、制动转向系、安全保证及警报、电源系统、内饰、娱乐通讯等模块化的多 个集中控制系统。然而，就在功能日趋完善的同时，汽车电子控制系统也遇到了 新的挑战。由于汽车上各种电子控制单元的数目不断增加，采用常规的点到点方 式，即直接把 12v/24v 电源连接到负载设备上，造成了传输线数量增加、车身 布线复杂、安装空间紧缺、运行可靠性降低、故障维修难度增大、成本费用提高 等问题。此外，电控单元不仅仅与负载设备简单地连接，更多的是进行一些复杂 的控制决策运算，从周边设备收集信息，发出控制命令，再根据反馈的信息做下 一步的决策。这就要求大量的数据信息能在不同的电子单元中共享。因此，传统 的通信方式，己经远不能满足上述需求，这已经成为一个迫切需要解决的问题。 为了简化现代汽车中大量智能传感器和执行元件与电子控制单元，以及多个电子 控制单元之间进行的复杂的信息传递和数据交换，汽车网络技术应运而生1。 1.2 汽车网络技术综述 汽车网络技术综述 汽车网络是计算机网络技术和工业现场总线控制技术在汽车中应用的产物。 汽车网络控制是研究如何利用总线数据通信原理，实现现代汽车中各个独立电子 系统和控制装置间控制信息传递通道的简洁互连，实时、可靠的数据交换及综合 协调控制的一门最新技术。它是以科学、合理的数据通信协议及支持这样协议的 大规模集成电路器件为基础的，是汽车行业发展的必然结果2。 1.2.1 汽车网络技术发展史 汽车网络技术发展史 早期的汽车网络中，通用网络标准并未得到广泛的认同和应用，用户通常利 用自己制定的电路和通用异步收发器(uart)设备来实现简单的串行通信。由于 没有统一标准，各汽车制造商都有一套独立定义的接口规范和专用供应商。这 样，供应商虽然纵向紧密地与汽车制造商合作，却缺乏与其他供应商的横向联 系，导致生产的同类产品不能兼容互换。 采用标准化网络技术以后，各供应商按照统一的标准生产部件，提高了同类 河南科技大学硕士学位论文 2 产品的兼容性和互换性。而汽车制造商可以委托任意一家合格的供应商开发符合 标准的模块。 国际著名汽车制造商和零部件供应商于二十世纪八十年代就致力于汽车网络 技术的研究与应用，迄今已推出多种网络标准，如 j1850, van, can, abus 等。在各种汽车网络中，can 以其独特的设计，优异的性能和极高的可靠性得 到了最为广泛的应用。尤其在欧洲，daimler chrysler, bwm, volkswagen 及 volvo 公司等都将 can 作为他们电子系统控制器网络化的手段。美国的制造商 也正逐步将他们的汽车网络系统由 j1850 过渡到 can3。 1.2.2 汽车网络技术的作用 汽车网络技术的作用 汽车中引入网络技术最初是为了解决日益增长的线束问题，后来逐渐演绎出 另外一个重要功能，即优化汽车电子控制。目前，汽车电子控制已经从初期的 “电子机械替代”阶段过渡到“独立系统的精确量化反馈控制”阶段，并朝着“多 目标综合控制和智能化控制”的方向发展，即把整体上相关、功能上相对独立而 位置上分布安装的电子系统或装置组成一个协调控制的综合系统。为了实现多目 标的优化控制，进一步全面提高汽车的整体性能，根据智能化的要求和综合协调 控制的特点，综合控制系统将更多地依赖系统内、外部信息的获取，这要求互相 独立的电子系统和装置间进行数据交换和信息传递。因此，现代汽车采用网络技 术解决分布式控制是一种必然。使用汽车网络不仅可以减少线束，而且能够提高 各控制系统的运行可靠性，减少冗余的传感器及相应的软硬件配置，实现各子系 统之间的资源共享，便于集中实现各子系统的在线故障诊断。汽车电子控制采用 网络化设计可大大降低设计成本，缩短设计周期，其经济效益是十分明显的。为 此最初只属于高档车的网络概念，现已逐步扩展到大批量生产的经济型车上。今 天网络化的电子系统已成为所有级别汽车中至关重要的部件2。 1.2.3 汽车网络的拓扑结构 汽车网络的拓扑结构 拓扑是一个数学概念，它把物理实体抽象成与其大小和形状无关的点，把连 接实体的线路抽象成线，进而研究点、线、面之间的关系。计算机网络采用拓扑 学中的研究方法，将网络中的设备定义为节点，把两个设备之间的连线线路定义 为链路。网络拓扑结构按照几何图形的形状可分为四种类型：总线拓扑、环形拓 扑、星形拓扑和网状拓扑。这些形状也可混合构成混合拓扑结构。按照 can 总 线协议，can 总线可以是任意拓扑结构的，但是一般来说，can 总线主要有以 下四种常见的拓扑结构。 第 1 章 绪论 3 1总线拓扑 总线形拓扑结构由单根电缆组成，该电缆连接网络中所有的节点。单根电缆 称为总线，它仅仅只能支持一种信道，因此，所有节点共享总线的全部带宽。在 总线网络中，当一个节点向另一个节点发送数据时，所有节点都将被动地侦听该 数据，只有目标节点接收并处理发送给它的数据后，其他节点才将忽略该数据。 基于总线拓扑结构的网络很容易实现，且组建成本很低，但其扩展性较差。 当网络中的节点数量增加时，网络的性能将下降。此外，总线网络的容错能力较 差，总线上的某个中断或故障将会影响整个网络的数据传输。 2星形拓扑 在星型拓扑结构中，每个节点通过点对点的方式连接到中央设备，因此任何 两个节点之间的通信都必须通过中央设备。这类拓扑结构的主要优点是：每个节 点具有自己的通信通道；新节点的加入较为容易；由于该类网络拓扑结构不需要 总线访问机制，所以使用该拓扑结构可以简化通信协议；若使用光纤作为传输介 质，网络的实现较为容易。缺点是：连接线总长较长。如果有 n 个节点，那么 中央控制节点就需要有 n 个接口；由于任何两个节点的通信必须经过中央设 备，一旦中央设备出故障，整个网络系统就会处于瘫痪状态，无法实现通信。 3环形拓扑 在环型拓扑结构中，每个节点与两个最近的节点相连接以使整个网络形成一 个环，数据沿着环向一个方向发送。环中的每个节点如同一个能再生和发送信号 的中继器，它们接收环中传输的数据，再将其转发到下一个节点。 与总线拓扑结构相同，当环中的节点不断增加时，响应时间也就变得越长。 因此，单纯的环形拓扑结构非常不灵活且不易于扩展。在一个简单环形拓扑结构 中，单个节点或一处线缆发生故障将造成整个网络的瘫痪。 4网状拓扑 在网络拓扑结构中，每两个节点之间都是直接互联的。网状拓扑常用于广域 网，在这种情况下，节点是指地理场所。由于每个节点都是互联的，数据能够从 发送地直接传输到目的地。如果一个连接出了问题，将能轻易、迅速地更改数据 传输路径。由于对两节点之间的数据传输提供了多条链路，因此，网状拓扑是最 具有容错性的网络拓扑结构。 网状拓扑结构的一个缺点就是成本问题。将 can 网络中的每个节点与其他 节点相连需要大量的专用线。为了缩减开支，可以选择半网状结构。在半网状结 构中，直接连接网络中关键的节点，通过星形或环形拓扑结构连接次要节点4。 河南科技大学硕士学位论文 4 1.2.4 汽车网络发展的趋势 汽车网络发展的趋势 1汽车网络控制技术迅速普及 从目前情况看，世界各大汽车公司的车身网络控制和动力系统网络控制技术 平台均已基本建立，在新推出的车型中，全面采用网络控制技术已成为可能。可 以断言，近几年内网络技术在汽车中的应用将会迅速普及。 2高速、实时、容错网络控制技术 线控概念(x-by-wire)是一种新的汽车工程概念5-7，目前已有使用线控系统 的概念车出现。2002 年 1 月初在底特律举行的北美国际车展上，展出的跑车 autonomy 就首次在汽车中使用了 x-by-wire 技术。x-by-wire 技术在未来将是十 分重要的技术，该技术极大改善了汽车的可操纵性、安全性、设计的灵活度及总 体结构。驾驶员和方向盘之间将没有任何机械部分的连接，使用这种技术使汽车 的操纵系统、制动系统及其它辅助系统能够通过电子方式进行控制，这就是说， 像汽车内的刚性传动件将会被基于网络控制的各种传感器、控制器和电液式电动 执行器所组成的线控系统取而代之。x-by-wire 技术必将促进高速、实时、容错 网络通信技术的发展。 3多媒体、高带宽的汽车网络 未来汽车网络同时将是一个多媒体、高带宽的网络。它能使车主生活更轻 松，并在某种程度上将办公室移入车内。若从长远来看，汽车甚至可以成为一个 网站，人们可以下载软件以提高汽车的性能。目前，此类技术尚处研发阶段，与 蜂窝移动电话技术相结合，如全球卫星定位系统(gps)和导航系统等少数技术已 在高档汽车中得到应用。 4汽车专用设计软件向专业化发展 未来汽车将成为软件产品，此断言可能是一种幻想。然而，这在未来的汽车 中软件主导硬件的趋势是不可避免的，软件在汽车设计中已无处不见，可以说未 来汽车市场竞争的热点之一就是软件的竞争。 将来，汽车制造商将必须与配件制造商、芯片供应商紧密协作，三方各尽所 能以确保汽车工程项目的成功。在汽车设计过程中，软件开发正变得与发动机或 者车身设计一样重要。 5网络协议趋于统一 目前在汽车行业中存在的许多网络通信协议，由于缺乏全世界统一的标准， 反而提高了汽车的制造成本。虽然建立一个统一的汽车网络协议体系是一件十分 复杂和困难的工作，但在汽车制造商和供应商之间已逐渐对这一问题达成一致。 目前，大多数汽车公司和零配件厂商对统一的开发环境 osek/vdx 8-13非 第 1 章 绪论 5 常感兴趣。 1.2.5 国内汽车网络发展的状况 国内汽车网络发展的状况 网络技术在汽车上的应用是汽车行业发展的必然趋势，特别是在网络协议的 制定，车用统一软件平台下的软件开发及协议芯片的开发制造上。总线技术在汽 车上的应用也仅处于刚起步阶段，目前国内的上海大众、一汽大众和上海通用、 上汽制造等汽车公司的新一代汽车中都在采用总线技术。虽然在国内生产的一些 中、高档轿车和一些卡车、客车中都采用了总线技术，但这些总线技术和产品的 知识产权都在国外，国内目前还没有具有自主知识产权的汽车网络技术及产品。 1.3 汽车网络的分类及主流协议 汽车网络的分类及主流协议 汽车网络技术从二十世纪八十年代提出以来，至今存在许多侧重功能不同的 汽车网络标准。为方便研究和设计应用，二十世纪九十年代中期 sae(society of automotive engineer)把车用网络分为 a、b、c、d、e 五类，其中，a 类网为面 向执行器、传感器的低速网络14-15，lin、ttp/a 将成为其主流协议；b 类网为 面向数据共享的中速网络 16-19，其主流协议将是 can(iso11891-3)、sae j1850、van 等协议；c 类网为面向实时控制的高速网络20，其主流协议为 can(iso11891-2)、ttptm/c(time-triggered protocol)、flexray 等协议；d 类 网主要面向多媒体、导航系统等，目前该类网络的主流协议为：d2b(domestic digital bus) 、 most(media oriented systems) 网 络 21 ， 其 主 流 协 议 为 can(iso11891-2) 、ttptm/c(time-triggered transport)；e 类网是面向乘员安 全系统的网络，主要应用于车辆被动性的安全领域，该类网络的协议有 byteflight 等2-3,22-23。如表 1-1 所示。 表 1-1 sae 的汽车网络分类 tab. 1-1 category automotive-net of sae 网络分类 位传输速率 应用场合 a 类 低速，1mpbs 应用于更严格的适时控制场 合和多媒体控制 e 类 高速，5mpbs 应用于车辆被动安全性领 域，如安全系统 河南科技大学硕士学位论文 6 1.3.1 ttp/a 协议 ttp/a 协议 ttp/a 协议最初是在维也纳技术大学制定的。它是 ttp 协议家族成员之 一，是应用于 a 类网络中基于时间触发的一种协议，主要应用于集成智能变换 器的实时现场总线中，用来连接嵌入式实时系统中的智能传感器/执行器。 主要具有以下特点： 1能自动识别出主节点与从节点； 2能提供时间的预测性但不具备内部容错功能； 3ttp/a 以最小的信号时间抖动来传输数据； 4有标准的 uart 接口和即插即用能力，能在系统上电或正常运行时自动 配置传感器参数； 5有远端在线诊断和维护功能，提供实时服务，接口灵活，可靠性高。 1.3.2 j1850 协议 j1850 协议 在 sae 1994 年 2 月正式将 j1850 作为汽车网络 b 类标准之前，它作为 sae 的推荐协议已经被使用了 10 多年。如今，j1850 协议广泛应用于汽车电子产品 中作为诊断和数据共享。sae j1850 标准有两个基础部分构成，一个是以单根总 线连接 10.4kbps vpw(variable pulse width)方式，另一种是以两根差分总线连接 的 41.6kbps pwm(pulse width modulation)方式。网络中最大的通信距离为 40 米。j1850 定义了两种寻址方式：物理寻址和逻辑寻址，这两种寻址方式可以同 时应用在网络中，执行不同类型的任务。因此可以在网络中任何地方使用这两种 寻址方式。j1850 的介质访问方式采用 csma/cr。在 j1850 总线上显性位的优 先级比隐性位的优先级高。当总线被优先级高的节点占用时，优先级低的节点停 止发送，直到总线空闲时，再次重发，避免了总线上信息的碰撞。j1850 采用全 帧比较的方式，即从帧起始位开始一位位进行比较，直到帧信息结束为止。这种 非破坏性的冲突解决方法是 j1850 协议的核心。sae 在 j1850 标准中没有对错误 进行严格的定义和分类。错误检测采用 crc 校验方式，当发送节点检测到自己 发送的帧信息错误时，它会自动中断发送过程。接收节点收到一个错误帧时，这 个帧信息将被忽略。j1850 应用层的设置主要是满足汽车中操作信息和故障诊断 的需要24。 1.3.3 van 协议van 协议 1994 年 6 月 iso 推出的 van(vehicle area network)标准是在原 iso115193 基础上制定的。除了应用在汽车领域，这个标准还可用在其它领域中，van 协 第 1 章 绪论 7 议是公开的，也是免费的。 它具有下列主要特征： 1多主、多从或者混合结构； 2采用广播或带应答的点对点传输的通信方式； 3支持多种拓扑结构(树型、星型和环型)； 4帧接入总线时采用非破坏性位仲裁的方式，响应和应答可能会引起短时 间传播延时； 5位于帧开头的符号即表示一帧开始，也可作为暂时的时钟频率参考值； 6传输数据的介质由两根线组成，一根携带原始数据，另一根线带有同步 的保留数据。这种方式就是通常所说的冗余方式，可减少电磁干扰和电磁辐射； 7故障发生时有自动重发功能，并可将通信故障的标识符传递给上一层； 8对从节点元件进行有效监控(watchdog)； 9对协议进行软件仿真； 10支持多种通信介质，如双绞线、扁平线、光纤、红外线等25。 1.3.4 flexray 和 ttp 协议 flexray 和 ttp 协议 flexray26是 bmw、daimler chrysler 以及 motorola 和 philips 等公司制定的 功能更强大的通信网络协议。该协议满足高级汽车控制的高速率通信，满足未来 汽车应用的要求，具有容错功能，而且通信消息传输时间是确定的。flexray 支 持同步和异步通信，传输时不需要仲裁，数据传输率达到 10mbit/s，净传输率也 达到 5mbit/s。可以通过数据传输速率确定信息传输延迟和抖动。flexray 协议制 定了快速错误监测和错误通知机制，通过独立的总线监管来抑制错误，除此之 外，flexray 协议还支持冗余传输通道。提供以全局时间为基准的容错时钟同 步。flexray 最多可有 64 个网络节点。物理层支持总线、星型及多星型拓扑结 构。flexray 网络主要用于下一代汽车的底盘控制、动力系统控制及 x-by-wire 控 制等。目前该协议还处于发展阶段。 ttp 协议是维也纳工业大学在 20 年前就开始开发的。该协议目前不仅仅集 中在汽车行业中，在其它行业中如航天业和铁道工业均采用了该技术。ttp/c 是 ttp 协议中基本组成部分，它的介质访问是以 tmda 为基础的。该协议满足 sae c 类网络的要求。ttp/c 允许使用双绞线或光纤作为传输介质。可以支持 时间和事件触发的数据传输，因此不得不为每个节点的事件触发数据分配专用带 宽。这样就可以保证事件或诊断数据不会影响对安全性和实时性要求较高的数据 27-28。 河南科技大学硕士学位论文 8 1.3.5 lin 协议 lin 协议 1998 年由 audi、motorola、bmw、vct 等公司成立了一个协会，在潜心 研究 a 类网已有协议的基础上，于 1997 年 7 月提出了称之为 lin 的协议标准。 该协议目前最新的版本是 2000 年 11 月发布的 1.2 版。 lin(local interconnect network)30-31协议是一种建立在通用的 sci/uart 硬 件接口上并将分布在车辆不同位置的智能传感器和执行器连接到车内主体网络的 单总线、局部互连的串行通信协议32-34。它采用总线型拓扑结构、单主多从介 质访问方式，是一种面向底层的控制协议。lin 的实现比较简单，只要具有 sci 的单片机都可以用作 lin 网络的从节点。除此之外 lin 网络中必须有一个主节 点将该网络连接到主网上，比如 can 网络，所以 lin 网络不是 can 的替代品 而是它的补充。lin 网络提高了汽车分层多路复用网络的性能，降低汽车电子控 制装置的开发、生产及诊断的服务成本。 它具有如下特点： 1成本低、具有标准的 sci/uart 接口； 2采用单主节点、多从节点的主从结构，无需总线仲裁机制； 3通信时能监测传输响应时间，通信速率最高可达 20kbps； 4数据帧长度可变(2 字节、4 字节或者 8 字节)，配置灵活； 5多点广播接收方式，从节点无须高精度的振荡器，可实现自同步； 6无须改变 lin 从节点的软硬件就可增加网络从节点； 7具有数据校验和错误检测机制； 8lin 网络上节点数目一般不超过 12 个29。 1.3.6 can 协议 can 协议 控制器局域网 can(controller area network)是 80 年代初 bosch 公司为解决 现代汽车中众多控制单元、测试仪器之间的实时数据交换而开发的一种串行通信 协议。该规范包括 2.0a 和 2.0b 两部分。2.0a 给出了曾在 can 技术规范版本 1.2 中定义的 can 报文格式，而 2.0b 给出了标准(11 位)和扩展(29 位)两种报文 格式。1993 年 11 月 iso 正式颁布了道路交通运输工具数据信息交换高速通 信控制器局域网(can)国际标准 iso 11898 为控制器的标准化、规范化铺平了道 路。此后，越来越多的美国汽车公司采用 can 网络。can 总线通信接口集成了 can 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理。can 协 议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编 码。数据帧的标识码可以由 11 位或 29 位组成，can2.0b 规定在标识符的前七 第 1 章 绪论 9 位不能同时为逻辑零，这种按数据帧编码的方式，还可使不同的节点同时接收到 相同的数据。数据段长度最多为 8 个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工 作状态及测试数据的一般要求。同时，8 个字节不会占用过长的总线时间，从而 保证了通信的实时性。can 协议采用 crc 检验并可提供相应的错误处理功能， 保证数据通信的可靠性。 它具有下列主要特性： 1can 为多主方式工作，不分主从，通信方式灵活，通过报文标识符通 信，不需要站地址等节点信息； 2can 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； 3can 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可不受影响地继续传 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； 4can 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”； 5can 的直接通信距离最远可达 10km(速率 5kbps 以下)； 6can 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达 110 个。报文标识 符可达 2032 种(can2.0a)，而扩展标准(can2.0b)的报文标识符几乎不受限制； 7采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。 can 的每帧信息都有 crc 校验及其它检错措施，降低了数据出错概率。can 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其它节点的操作不 受影响； 8can 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活35。 1.4 主要工作 主要工作 1深入研究 can 总线网络协议及其技术规范； 2完成模块化节点试验电路板的硬件设计，构建基于 can 总线的汽车车 灯控制的试验网络； 3在 can 总线数据传输波特率达到 125kb/s 的情况下，完成软件调试， 实现基于 can 总线的汽车车灯控制网络的通信。 第 2 章 can 总线协议及通信原理 10 第2章 第2章 can 总线协议及通信原理总线协议及通信原理 2.1 can 总线的一些基本概念 can 总线的一些基本概念 can 总线是一种串行数据通信协议，在 can 总线通信接口中集成了 can 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的处理。can 最大的特点 是废除了传统的站地址编码，而代之对通信数据块进行编码。详细说明 can 的 有关技术规范前，先简单介绍一下 can 的一些基本概念。 1报文：总线上的信息以不同格式报文发送，但长度有限制。当总线开放 时，任何连接单元都可以开始发送一个新的报文。 2信息路由：在 can 系统中，一个 can 节点不使用有关系统结构的任何 信息。这里包含一些重要的概念： 系统灵活性：节点可在不要求所有节点及其应用层改变任何软件或硬件的情 况下被接入 can 网络。 报文通信：一个报文的内容由其标识符 id 命名。id 并不指出报文的目的， 但描述数据的含义，以便网络中的所有节点有可能借助报文滤波决定该数据是否 使他们激活。 成组：由于采用了报文滤波，所有节点均可接收报文，并同时被相同的报文 激活。 数据相容性：在 can 网络内，可以确保同时被所有节点或者没有节点接 收，因此，系统的数据相容性是借助于成组和出错处理达到的。 3位速率：can 的数据传输率在不同系统中是可以各不相同的，但是，在 一个给定系统中，此速率是唯一的，并且是固定的。 4优先权：在总线访问期间，标识符定义了一个报文静态优先权。 5远程数据请求：通过发送一个远程帧，需要数据的节点可以请求另一个 节点发送相应的数据帧，该数据帧与对应的远程帧以相同标识符 id 命名。 6多主站：当总线开放时，任何单元均可以开始发送报文，发送具有最高 优先权报文单元赢得总线访问权。 7仲裁：当总线开放时，任何一个单元均可开始发送报文，若同时有两个 或更多单元开始发送，总线访问冲突运用逐位仲裁规则，借助标识符 id 解决。 这种仲裁规则可以使信息和时间均无损失。若具有相同标识符的一个数据帧和一 个远程帧同时发送，数据帧优先于远程帧。仲裁期间，每一个发送器都对发送位 河南科技大学硕士学位论文 11 电平与总线上检测到的电平进行比较，若相同，则该单元可继续发送。当发送一 个“隐性”电平，而在总线上检测为“显性”电平时，该单元退出仲裁，并不再传送 后续位。 8安全性：为了获得尽可能高的数据传输安全性，在每个 can 节点中均 没有错误检测、标定和自检的强有力措施。检测错误的措施包括：发送自检、循 环冗于校验、位填充和报文格式检查。 9出错标注和恢复时间：已损报文由校验出错误的节点进行标注。这样的 报文将失效，并自动进行重发送。如果不存在新的错误，从检出错误到下一个报 文开始发送的恢复时间最多为 29 个位时间。 10总线数值表示：总线上具有两种互补逻辑数值：显性电平或隐性电平。 在显位与隐位同时发送期间，总线上数值将是显位。例如，在总线的“线与”操作 情况下，显位由逻辑“0”表示，隐位由逻辑“1”表示。 11故障界定：can 节点有能力识别永远性故障和暂时扰动，可自动关闭 故障节点。 12连接：can 串行通信链路是一条众多单元均可以被连接的总线，理论 上讲，单元数目是可以无限的，实际上，单元总数受限于延迟时间和总线的电器 负载。 13应答：所有接收器均对接收报文相容性进行检查。回答一个相容报文， 并标注一个不相容报文。 2.2 can 分层结构 can 分层结构 为使设计透明和执行灵活，根据 iso/osi 参考模型，can 分为数据链路层 和物理层，其中，数据链路层又划分为逻辑链路控制子层(llc)和媒体访问控制 子层(mac)；在 can 技术规范 2.0 的版本中，数据链路层的 llc 和 mac 子层 的服务和功能又被描述为“目标层”和“传送层”。物理层又可划分为物理信令子层 (pls)、物理媒体附属装置子层(pma)和媒体相关接口子层(mdi)。can 的分层 结构和功能如图 2-1 所示。 第 2 章 can 总线协议及通信原理 12 数据链路层 逻辑链控制子层llc 验收滤波 过载通知 恢复管理 介质访问控制子层 mac 数据包装 帧编码（填充，消除填充） 介质访问管理 错误检测 错误标定 应答 并行转换为串行 /串行转换为并行 物理层 位编码/解码 位定时 同步 驱动器/接收器特征 故障界定 总线故障管理 监督器 图2-1 can 的分层结构 fig. 2-1 layered architecture of can 1数据链路层 (1) 逻辑链路控制子层(llc) llc 子层涉及报文滤波、过载通知、以及恢复管理。作用范围如下： 为远程数据请求以及数据传输提供服务。 确定由实际要使用的 llc 子层接收哪一个报文。 为恢复管理和过载通知提供手段。 (2) 媒体访问控制子层(mac) mac 子层的作用主要是传送规则，也就是控制帧结构、执行仲裁、错误检 测、出错标定、故障界定。 mac 子层是 can 协议的核心。它把接收到的报文提供给 llc 子层，并接 收来自 llc 子层的报文。mac 子层负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标 定。mac 子层也被称作故障界定的管理实体监管。此故障界定为自检机制，以 便把永久故障和短时扰动区别开来。 2物理层 物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位的实际传输。同 河南科技大学硕士学位论文 13 一网络的物理层对于所有的节点当然是相同的。尽管如此，在选择物理层方面还 是很自由的。物理层定义信号是如何实际地传输的，因此涉及到位时间、位编 码、同步的解释。本技术规范没有定义物理层的驱动器/接收器特性，以便允许 根据它们的应用，对发送媒体和信号电平进行优化4。 2.3 can 报文的传输 can 报文的传输 2.3.1 帧的类型 帧的类型 can 采用基于广播的通讯机制，广播通讯依靠报文的传送来实现。报文依 靠报文确认区来进行识别，在一个网络中，一个消息报文确认区必须是唯一的， 它不但描述了某一报文的意义，而且还定义了报文的优先级，当很多站都在访问 总线时优先级是很重要的。在进行数据传送时，发出报文的单元称为该报文的发 送器，发送器借助于位填充规则进行编码，当在被发送位流中检测到 5 位连续相 同数值时，将自动在实际发送位流中插入一个补码位，如果一个单元不是报文发 送器，并且总线不是处于空闲状态，则该单元为接收器。 报文传送由 4 种不同类型的帧表示和控制：数据帧携带数据由发送器至接收 器；远程帧通过总线单元发送，以请求具有相同标识符的数据帧；错误帧由通过 检测发现总线错误的任何单元发送；超载帧用于提供当前和后续数据帧或远程帧 之间的附加延迟。以下的内容将针对不同的帧类型，分别详细介绍其帧结构。 1数据帧 数据帧由 7 个不同位域组成，即帧起始标志位、仲裁域、控制域、数据域、 crc 域、应答域和帧结束标志位。数据帧组成结构如图 2-2 所示。 帧间空间 数据域 帧间空间 帧起始 仲裁域 控制域 数据域 crc域 应答域 帧结尾 或 过载帧 图 2-2 数据帧组成结构 fig. 2-2 data frame ftructure chart 第 2 章 can 总线协议及通信原理 14 在 can2.0b 中有两种不同帧格式，其主要区别在于标识符的长度，具有 11 位标识符格式的帧称之为标准帧；而包括 29 位标识符格式的帧，则称之为扩展 帧。 标准帧和扩展帧的结构对比如图 2-3 所示。 标准格式 仲裁域 数据域 sof 11位标识符rtride r0 dlc 控制域 扩展格式 仲裁域 数据域 sof 11位标识符 rtr r1 dlc 控制域 srride 18位标识符r0 图 2-3 标准帧和扩展帧的对比结构 fig. 2-3 structure chart between standard format and extended format frame (1) 帧起始(sof) 标志数据帧起始，它以一个比特的显位出现，只有总线处于空闲状态时，才 允许站开始发送，这个状态将结束总线空闲转台，表明有某个节点设备开始发送 信息，并且所有站必须同步于首先开始发送的那个站的帧起始前沿。 (2) 仲裁域(arbitration field) 由标识符和远程发送请求位(rtr)组成。对于 can2.0a 标准，标识符长度 为 11 位，这些位以从高位到低位的顺序发送，最低位为 id.0,其中最高 7 位不能 全为隐位。对于 can2.0b，标准格式和扩展格式的仲裁域格式不同。在标准格 式中，仲裁域由 11 位标识符和远程发送请求位 rtr 组成，标识符位为 id.28 id.18，而在扩展格式中，仲裁域由 29 位标识符和替代远程请求 srr 位、标识 位和远程发送请求组成，标识符位为 id.28id.0。为区别标准格式和扩展格 式，将 can2.0a 标准中的 rl 改记为 ide 位。扩展格式中，先发送基本 id，其 后是 ide 和 srr 位。扩展 id 在 srr 位后发送。srr 位为隐位，在扩展格式 中，它在标准格式中的 rtr 位上被发送，并替代标准格式中的 rtr 位。 (3) 控制域包括数据长度码和两个保留位，这两个保留位必须发送显性位。 数据长度码(dlc)为 4 位，它指出了数据域的字节数目。 河南科技大学硕士学位论文 15 (4) 数据域由数据帧中被发送的数据组成，它可包括 08 个字节。 (5) crc 场包括 crc 序列，后随 crc 界定符，如图 2-4 所示。 数据 域或 控制 域 crc域 应答域 crc序列crc界定符 图2-4 crc场结构图 fig 2-4 crc field structure chart (6) 应答域(ack)为两位，包括应答间隙和应答界定符，如图 2-5 所示。 crc域 应答域 帧结尾 应答界定符 应答间隙 图2-5 应答场结构图 fig. 2-5 ack field structure chart 在应答域中，发送器送出两个隐位。一个正确接收到有效报文的接收器，在 应答间隙，将此信息通过发送一个显位报告给发送器。所有接收到匹配 crc 序 列的站，通过在应答间隙内把显位写入发送器的隐位来报告。应答界定符是应答 域的第二位，且必须是隐位。因此，应答间隙被两个隐位包围。 (7) 结束帧：每个数据帧由 7 个隐位组成的标志序列界定。 2远程帧 远程帧是用来请求总线上某个远程节点发送自己想要接收的某种数据，具有 发出这种远地消息能力的节点收到这个远程帧后，就尽力响应这个远地传送要 求。远程帧由 6 个不同位域组成：帧起始、仲裁域、控制域、crc 域、应答域 和帧结束。同数据帧相反，远程帧的 rtr 位是隐位。远程帧没有数据域，dlc 的数据值是独立的，它可以是 08 中任意数值，这一数值对应数据帧的 dlc。 第 2 章 can 总线协议及通信原理 16 远程帧组成结构如图 2-6 所示。 帧间空间 远程帧 帧间空间 帧起始 仲裁域 控制域 crc域 应答域 帧结尾 或 过载帧 图2-6 远程帧结构图 fig. 2-6 remote frame structure chart 3错误帧 错误帧是由两个不同域组成，第一个场由来自各站的错误标志叠加得到，后 随第二个域是出错界定符。 错误标志有两种具体形式，一种是活动错误标志，一种是认可错误标志，活 动错误标志由 6 个连续的显位组成，而认可标志是由 6 个连续隐位组成，可由其 它节点的显位改写。 出错界定符包括 8 个隐性位。错误标志发送后，每个站都送出隐位，并监视 总线，直到检测到隐位。此后开始发送剩余的 7 个隐位。 4超载帧 超载帧包括两个位域：超载标志和超载界定符。有 3 种超载的情况，这 3 种 情况都会引发超载标志的传送，即： 接收器的内部原因，它需要延迟下一个数据帧或远程帧。 在间歇的第一位和第二位检测到一个显性位。 如果 can 在错误界定符或者超载界定符的第 8 位（最后一位）采样到一个 显性位，节点会发送一个超载帧。错误计数器不会增加。 由于超载情况 1 而引发的超载帧，只允许起始于所期望的间隙的第一位时 间，而由于情况 2 和情况 3 引发的超载帧起始于所检测到显位之后的一个位。通 常为了延迟下一个数据帧或者远程帧，两种超载帧均可以产生。 (1) 超载标志 超载标志由 6 个显性位组成。超载标志的所有形式和“激活错误”标志的一 样。由于超载标志的格式破坏了间歇域的固定格式，因此，所有其他的站都检测 河南科技大学硕士学位论文 17 到超载条件，并与此同时发出超载标志。如果在间隙的第 3 个位期间检测到显性 位，则这个位将被解释为帧的起始。 (2) 超载界定符 超载界定符包括 8 个隐性位。超载界定符的形式和错误界定符的形式一样。 超载标志被传送后，站就一直监视总线，直到检测到一个从显性位到隐性位的跳 变为止。在这一时刻，总线上的每一个站完成了各自超载标志的发送，并开始同 时发送其余 7 个隐性位。 5帧间空间 数据帧或远程帧与它前面帧的分割式通过帧间空间来实现的，无论前面的帧 是何种类型(如数据帧、远程帧、错误帧、超载帧)。而超载帧与错误帧之前没有 帧间空间，多个超载帧之间也不是由帧间空间隔离的。 帧间空间包括“间歇”、“总线空闲”的位域。如果是发送前一报文的“错误认 可”站，则还包括称做“挂起传送”的位域。 对于不是“错误认可”的站，或作为前一报文的接收器的站，其帧间空间如图 2-7 所示。 帧 帧间空间 帧 总线空闲 间歇 图2-7 帧间空间结构 (1) fig. 2-7 interframe space structure chart (1) 对于已作为前一报文发送器的“错误认可”的站，其帧间空间如图 2-8 所示。 (1) 间歇 间歇由 3 个隐性位组成。在间歇期间，所有的站均不允许传送数据帧或远程 帧，唯一可做的是标示一个超载条件。 (2) 总线空闲 总线空闲的时间是任意的。只要总线被认定为空闲，任何等待发送报文的站 就会访问总线。在发送其他报文期间，一个等待发送的报文，其传送开始于间歇 第 2 章 can 总线协议及通信原理 18 之后的第一个位。总线上检测到的显性位可被解释为帧的起始。 (3) 挂起传送 挂起传送是指“错误认可”的站发送报文后，在下一报文开始传送之前或确认 总线空闲之前发出 8 个隐位跟随在间歇的后面，如果与此同时一个报文由另一站 开始发送，则此站