凌永成车载网络技术PPT41799-6车载网络技术课件第2章 CAN总线

车载网络技术,沈阳大学凌永成,配套教材信息,教材名称：车载网络技术教材主编：凌永成教材定价：40RMB出版社：机械工业出版社出版时间：2013年6月国际标准书号（ISBN）：978-7-111-41799-6教材所属系列：应用型本科汽车类专业“十二五”规划教材,第2章CAN总线,2.1数据信号及其传输,2.1.1数制,在计算机和数据传输技术中有三种重要数制，即十进制、二进制、十六进制。,1.十进制,十进制是常用的阿拉伯数制。这种数制的基数是10。与此相适应，每个单个数位有十个不同的符号。,图2-1十进制三位数365的结构,2.二进制,二进制是数据处理中最常用的数制之一。在二进制中只有两个数字值：0和1，或接通或关闭，或高电压或低电压，即所谓的二进制符号或位。在通信领域，也把这两个值称为逻辑0和逻辑1。,每个数据信号都由一个二进制符号（位）的排列构成，如10010110。,二进制有两种状态0和1，因此基数为2。十进制记数法中的数字5在二进制中可转换为为0101。,图2-2一个二进制数的结构,3.十六进制,十六进制用作二进制数的简化表示。这种数制包括十六个符号，即0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。,十六进制的基数是16。字母A至F对应十进制中的数字值10至15。用一个一位的十六进制数字可以表示一个四位的二进制数（四位组）。,表2-1十六进制数与二进制数的对应关系,从二进制数值转换成十六进制数值时，把二进制数值的各个四位组转换成十六进制数值，然后连在一起书写即可。,例如，将二进制数值11010111转换成十六进制数值时，第1个四位组（1101）对应于十六进制数值D；第2个四位组（0111）对应于十六进制数值7。把这两个结果合并在一起，就可以得到十六进制数字D7。,2.1.2数据信号的类别,1.模拟信号,“模拟”这个概念来源于希腊语（Analogos），表示“类似于”。模拟显示数据（信息）是指通过直接与数据成比例的连续变化物理量进行表示。,图2-3模拟信号1最大电压值；U电压；t时间,2.数字信号,“数字”这个概念来源于拉丁语“Digitus”，表示手指或脚趾，其本意是指可以用几个手指算清的所有事务，或者更确切第说，“数字”就是可以分解为各自独立的事务。,数字表示方式就是以数字形式表示不断变化的物理量。尤其在计算机内，所有数据都以“0”和“1”的序列形式表示出来（二进制）。因此，“数字”是“模拟”的对立形式。,图2-4数字信号U电压；t时间,3.二进制信号,“Bi”一词来源于希腊语，表示“2”。因此，一个二进制信号只能识别两种状态，即0和1，或高和低。如车灯点亮或车灯未亮；继电器触电断开或继电器触点闭合；供电或未供电；车门打开或车门关闭，等等。,每个符号、图片甚至声音都可由特定顺序的二进制字符来表述，如10010110。通过这些二进制编码，计算机或控制单元可以处理信息或将信息发送给其它控制单元。,图2-5二进制信号1高；2低；U电压；t时间,4.信号电压,为了能够清楚地区分高电压和低电压这两种状态，在汽车网络技术中对信号电压作了明确的规定，高电压为612V，低电压为02V，26V之间属于禁止范围，只用于识别故障。,图2-6信号电压1高电压范围；2禁止使用的范围；3低电压范围；U电压；t时间,5.代码表示,代码就是一组由字符、符号或信号码元以离散形式表示信息的明确的规则体系。莫尔斯电码的每个字母和数字都通过不同长度的信号序列进行加密的。,图2-7莫尔斯发报机,莫尔斯电码为：短短短S；长长长O；短短短S。,SOS（SaveOurSouls拯救我们的生命）,图2-7莫尔斯发报机,6.比特和字节,计算机中的所有信息都以位（bit，亦称比特，是二进制数字的最小信息单位）为单位进行存储和处理的。,最常用的系统和代码用8个位构成一个字节。因此，可以对256个字节进行设码。1千字节（KB）=210字节，即1024字节1兆字节（MB）=220字节，即1024KB（1048576字节）1千兆字节（GB）=230字节，即1024MB（1073741824字节）,注意：换算系数不是1000，而是1024。,因此，必须将所有数据（字母、数字、声音、图片等）转换成二进制代码，以便在计算机中进行处理。,2.1.3总线与接口,1.总线,总线技术最早应用在计算机内部。电信号在计算机系统组件、微处理器、存储器与输入/输出器件之间以并行方式传输，为此目的而使用的线路称为总线（BUS）。,图2-8计算机系统内总线线路的示意图1地址总线；2数据总线；3控制总线；CPU中央处理器；ROM只读存储器；RAM随机存储器；I输入；O输出,图2-9车用计算机（电子控制单元）电路板1输出模块；2输入模块；3存储器模块；4微处理器；5线圈；6电容器；7二极管；8特殊模块（特定应用）,2.接口,接口负责建立计算机与周围环境（其他设备）之间的连接。,图2-10接口1计算机；2接口；3软件；4硬件,通过接口连接不同设备时有点对点连接和多点连接两种连接方式。,点对点连接。,多点连接。,2.1.4数据传输方式,根据发送装置向接收装置传输信息时各字节的传输方式不同，数据传输方式分为并行传输和串行传输两种形式。,1.并行传输,图2-13并行传输1发送装置；2数据；3接收装置；MSB最高值数位；LSB最低值数位,2.串行传输,图2-14串行传输1-发送装置；2-数据；3-接收装置,数据的传输速率（速度）一般使用位传输速率（亦称比特率）表示，其定义为每秒传输的数据位数（bit），单位为bit/s。,目前汽车上并行数据传输方式多在控制单元内部线路中使用，而在控制单元外部传输信息则大都以串行传输方式进行。,串行数据传输既可以采用同步传输方式，也可以采用异步传输方式。,3.同步数据传输,使用一个共同的时钟脉冲发生器可保持发送装置和接收装置时间管理的同步性。这种方式就是同步传输方式。,图2-15同步传输方式1同步脉冲；2数据；3停止；4起始；5接收装置,4.异步数据传输,发送和接收装置之间最常用的时间管理方式是异步传输方式。进行异步数据传输时，发送和接收装置之间没有共同的系统节拍。,图2-16异步数据传输时数据帧的结构1接收装置；2起始位；3最低值数位；45-8位数据；5最高值数位；6检查位；78停止位；9发送装置,5.数据总线上的信息流方向,单工通信。,双工通信。,图2-18双工通信,图2-17单工通信,6.多路传输,多路传输（MultiplexControlSystems）是指在同一条通信线路上，同时传输多种数据信号的通信技术，又称多路通信（MultiplexCommunication）系统、多路复用(Multiplexing)技术或聪明线路系统（SmartWiringSystem）。,（1）时分多路复用,时分多路复用TDM（TimeDivisionMultiplexing）是指多路数据信号按时间顺序，先后交替利用复用的传输介质进行数据信号传输的技术，即多路数据源的输入复合成一个数据流在同一条通信线路上进行数据传输。,采用时分多路复用技术传输数据信号时，将时间分成窄小的时间段，每一个窄小的时间段由复用的一路数据信号占用。各路数据信号在微观上进行串行传输，在宏观上进行并行传输。,（2）频分多路复用,频分多路复用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）是指先将各路输入信号调制到不同的载波频率上，然后利用同一条通信线路进行数据传输的技术。,每路调制后的数据信号占用以载波频率为中心的一定的频带，只要各路信号的载波频率足够分离，信号频带彼此不交叉、重叠，各路数据信号之间就不会互相干扰。,（3）波分多路复用,波分多路复用WDM（Wave-lengthDivisionMultiplexing）是指在光波频率范围内，将不同波长的光波按照一定的时间间隔在同一条光导纤维内进行数据传输的技术。,2.2CAN总线的工作原理,2.2.1CAN总线简介,CAN是ControllerAreaNetwork（控制器局域网）的缩写，是国际标准化的串行通信协议。目前，CAN总线是汽车网络系统中应用最多、也最为普遍的一种总线技术。,1.CAN总线的优点,控制单元间的数据交换都在同一平台上进行。这个平台称为协议，CAN总线起到数据交换“高速公路”的作用。,图2-19控制单元间的数据交换都在同一平台上进行,图2-20CAN总线相当于数据交换的“高速公路”,可以很方便地实现用控制单元来对系统进行控制，如发动机控制、变速器控制、ESP控制等。,可以很方便地加装选装装置，为技术进步创造了条件，为新装备的使用埋下了伏笔。,CAN总线是一个开放系统，可以与各种传输介质进行适配，如铜线和光导纤维（光纤）。,对控制单元的诊断可通过K线来进行，车内的诊断有时通过CAN总线来完成（如安全气囊和车门控制单元），称为“虚拟K线”。随着技术的进步，今后有逐步取消K线的趋势。,可同时通过多个控制单元进行系统诊断。,2.CAN总线的结构特点,可靠性高；使用方便；数据密度大；数据传输快；采用双线传输，抗干扰能力强，数据传输的可靠性高。,3.CAN总线的传输速率,目前，CAN总线系统中的信号是采用数字方式经铜导线传输的，其最大稳定传输速率可达1000Kbit/s（1Mbit/s）。,大众和奥迪公司将最大标准传输速率规定为500Kbit/s，并将CAN总线系统分为三个专门的系统：,驱动CAN总线（高速），亦称动力CAN总线，其标准传输速率为500Kbit/s，可基本满足实时要求，主要用于发动机、变速器、ABS、转向助力等汽车动力系统的数据传输。,舒适CAN总线（低速），其标准传输速率为100Kbit/s，主要用于空调系统、中央门锁（车门）系统、座椅调节系统的数据传输。,信息CAN总线（低速），其标准传输速率为100Kbit/s，主要用于对时间要求不高的领域，如导航系统、组合音响系统、CD转换控制等。,4.CAN总线的自诊断功能,控制单元具有自诊断功能，通过自诊断功能还可识别出与CAN总线相关的故障。,用诊断仪读出CAN总线故障记录之后，即可按这些提示信息按图索骥、顺藤摸瓜，快速、准确地查寻并排除故障。,控制单元内的故障记录用于初步确定故障，还可用于读出排除故障后的无故障说明，即确认故障已经被排除。如果想要更新故障显示内容，必须重新起动发动机。,CAN总线正常工作的前提条件是车辆在任何工况均不应有CAN总线故障记录。,2.2.2CAN总线的组成,1.CAN总线的基本系统,CAN总线的基本系统由多个控制单元和两条数据线组成，这些控制单元通过所谓收发器（发射-接收放大器）并联在总线导线上。,图2-21CAN总线的数据传输与公交车载运乘客相似,CAN总线系统采用双绞线进行数据传输。这两根导线中，一根称为CAN-High导线，另一根导线称为CAN-Low导线。,在双绞线上，信号是按相反相位传输的，这样可有效抑制外部干扰。,图2-22CAN总线的双绞线,2.CAN总线的数据结构,CAN总线所传递的每条完整信息由7个区构成，信息最大长度为108bit。在两条CAN导线上，所传输的数据内容是相同的，但是两条导线的电压状态相反。,图2-23CAN总线的信息结构,开始区。开始区（长度为1bit）标志数据开始，CAN-High导线的电压大约为5V（具体数值视系统而定），CAN-Low导线的电压大约为0V。,图2-23CAN总线的信息结构,状态区。状态区（长度为11bit）用于确定所传数据的优先级。如果在同一时刻有两个控制单元都想发送数据，则优先级高的数据先行发出。,检验区。检验区（长度为6bit）用于显示数据区中的数据数量，以便让接收器（接收数据的控制单元）检验自己接收到的、来自发送器（发送数据的控制单元）的数据是否完整。,数据区。数据区（长度不确定，视具体情况而定，最大长度为64bit）是信息的实质内容。,图2-23CAN总线的信息结构,安全区。安全区（长度为16bit）用于检验数据在传输中是否出现错误。,确认区。确认区（长度为2bit）是数据接收器发给数据发送器的确认信号，表示接收器已经正确、完整地收到了发送器发送的数据。如果检测到在数据传输中出现错误，则接收器会迅速通知发送器，以便发送器重新发送该数据。,结束区。结束区（长度为7bit）标志着数据的结束。,3.信息的发送与接收,CAN数据总线在发送信息时，每个控制单元均可接收其他控制单元发送出的信息。在通信技术领域，也把该原理称为广播。,图2-26单线CAN总线数据传输示意图,图2-27CAN总线上的信息交换（广播原理）,2.2.3CAN总线系统元件的功能,图2-28按时间顺序的电信号传输,CAN总线系统元件主要由K-线、控制单元、CAN构件、收发器等组成。,1.K-线,K-线用于在CAN总线系统自诊断时连接汽车故障检测仪（如VAS5051），属于诊断用的通讯线。,2.控制单元,控制单元接收来自传感器的信号，将其处理后再发送到执行元件上。,图2-29CAN总线系统元件,3.CAN构件,CAN构件用于数据交换，为两个区，一个是接收区，一个是发送区。CAN构件通过接收邮箱或发送邮箱与控制单元相连。,图2-30邮局收发邮件,4.收发器,收发器就是一个发送-接收放大器，在接收数据时，收发器把CAN构件连续的比特流（亦称逻辑电平）转换成电压值（线路传输电平）；当发送数据时，收发器把电压值（线路传输电平）转换成连续的比特流。线路传输电平非常适合在铜质导线上进行数据传输。,收发器通过TX-线（发送导线）或RX-线（接收导线）与CAN构件相连。RX-线通过一个放大器直接与CAN总线相连，并总是在监听总线信号。,1）收发器的特点,表2-2收发器内晶体三极管的状态与总线电平之间的对应关系,图2-31收发器的TX-线与总线的耦合,2）多个收发器与总线导线的耦合,当有多个收发器与总线导线耦合时，总线的电平状态将取决于各个收发器开关状态的逻辑组合。,表2-3收发器开关的状态与总线电平的逻辑关系,图2-323个收发器接到一根总线导线上,2.2.4CAN总线的数据传输过程,1.信息格式的转换,首先是发动机控制单元的传感器接收到发动机转速信息（转速值）。该值以固定的周期（循环往复地）到达微控制器的输入存储器内。,发动机转速值按协议被转换成标准的CAN信息格式。,状态区（标识符）=发动机_1，数据区（信息内容）=发动机转速（即发动机转速为xxxr/min）。当然，CAN总线上传输的数据也可以是其他信息（如节气门开度、冷却液温度、发动机转矩等），具体内容取决于系统软件的设定。,图2-33发动机转速值按协议被转换成标准的CAN信息格式,2.请求发送信息总线状态查询,如果发送邮箱内有一个发动机转速实时值，那么该值会由发送特征位（举起的小旗）显示出来请求发送信息。,只有总线处于空闲状态时，控制单元才能向总线上发送信息。CAN构件通过RX-线来检查总线是否有源（是否正在交换其他信息），必要时会等待，直至总线空闲下来为止。,如果在某一时间段内，总线电平一直为1（总线一直处于无源状态），则说明总线处于空闲状态。,图2-34总线状态查询,3.发送信息,如果总线空闲下来，发动机信息就会被发送出去。,图2-35信息发送过程,4.接收过程,连接在CAN总线上的所有控制单元都接收发动机控制单元发送的信息，该信息通过RX-线到达CAN构件各自的接收区。,图2-36接收过程,接收过程分两步，首先检查信息是否正确（在监控层），然后检查信息是否可用（在接收层）。,1）检查信息是否正确（在监控层）,接收器接收发动机的所有信息，并且在相应的监控层检查这些信息是否正确。这样就可以识别出在某种情况下某一控制单元上出现的局部故障。,数据传输是否正确，可以通过监控层内的CRC校验和数来进行校验。CRC校验即为循环冗余码校验（CyclingRedundancyCheck，略作CRC）。,如图2-38所示，经监控层监控、确认无误后，已接收到的正确信息会到达相关CAN构件的接收区。,图2-37确认信息已经妥收,图2-38监控层对信息进行监控,2）检查信息是否可用（在接收层）,CAN构件的接收层判断该信息是否可用。如果该信息对本控制单元来说是有用的，则举起接收旗，予以放行，该信息就会进入相应的接收邮箱；如果该信息对本控制单元来说是无用的，则可以拒绝接收。,5.冲突仲裁,如果多个控制单元同时发送信息，那么数据总线上就必然会发生数据冲突。为了避免发生这种情况，CAN总线具有冲突仲裁机制。,按照信息的重要程度分配优先权，确保优先权高的信息能够优先发送。,（1）每个控制单元在发送信息时通过发送标识符来标识信息类别，信息优先权包含在标识符中。,（2）所有控制单元都通过各自的RX-线来跟踪总线上的一举一动并获知总线状态。,（3）每个控制单元的发射器都将TX-线和RX-线的状态一位一位地进行比较（它们可以不一致）。,图2-40避免数据冲突的仲裁过程,2.3CAN总线的应用,2.3.1CAN总线的分类,1.大众集团的CAN总线,（1）驱动CAN数据总线。CAN驱动数据总线属于高速CAN总线，数据传输速率为500Kbit/s，用于将驱动系统中的控制单元联成网络。,（2）舒适CAN数据总线。舒适CAN数据总线属于低速CAN总线，数据传输速率为100Kbit/s，用于将舒适系统中的控制单元联成网络。,（3）信息CAN数据总线。信息CAN数据总线属于低速CAN总线，数据传输速率为100Kbit/s，用于将收音机、电话和导航系统联成网络。,舒适CAN数据总线和信息CAN数据总线可以通过带网关的组合仪表与驱动CAN数据总线进行数据交换。,2.不同CAN总线的共性,（1）不同类别的CAN总线采用同样的数据传输协议进行数据传输。,（2）为了保证信息传输的高抗干扰性，所有CAN数据总线都采用双线系统，个别公司还采用三线系统。,（3）将要发送的信号在发送控制单元的收发器内转换成不同的信号电平，并输送到两条CAN导线上，只有在接收控制单元的差动信号放大器内才能建立两个信号电平的差值，并将其作为唯一经过校正的信号继续传至控制单元的CAN接收区。,（4）信息CAN数据总线与舒适CAN数据总线的特性是一致的。,在Polo(自2002年起)和GolfIV汽车上，信息CAN数据总线和舒适CAN数据总线采用同一组数据导线。,3.不同CAN总线的区别,（1）驱动CAN数据总线通过15号接线柱切断，或经过短时无载运行后自行切断。,（2）舒适CAN数据总线由30号接线柱供电且必须保持随时可用状态。在“15号接线柱关闭”后，若汽车网络系统不再需要舒适CAN数据总线工作，则舒适CAN总线进入“休眠模式”。,（3）舒适CAN数据总线和信息CAN数据总线具有“单线工作模式”，可以单线工作（俗称“瘸腿”工作）。,（4）驱动CAN数据总线的电信号与舒适CAN数据总线、信息CAN数据总线的电信号是不同的。,驱动CAN数据总线无法与舒适/信息CAN数据总线直接进行电气连接，但可以通过网关联接在一起，够成一个更大的网络。,4.CAN导线,CAN数据总线是一种双线式数据总线，称为双绞线。,在大众车系中，CAN导线的基色为橙色。驱动总线的CAN-High导线上还多加了黑色作为标志色；舒适总线的CAN-High导线上的标志色为绿色；信息总线的CAN-High导线上的标志色为紫色，而CAN-Low导线的标志色都是棕色。,为易于识别，并与大众车系维修手册及VAS5051系列检测仪相适应，在本书中，CAN导线分别用黄色和绿色来表示，CAN-High导线为黄色，CAN-Low导线为绿色。,图2-42双绞线（CAN-High导线和CAN-Low导线）,5.CAN导线布线图,大众集团使用的CAN数据总线有一个特点，控制单元之间呈树形连接，这在CAN标准中是没有的。这个特点使得控制单元布线更为完美。,图2-43Phaeton汽车驱动CAN数据总线的拓扑结构图,2.3.2驱动CAN总线,1.CAN导线上的电压,CAN总线的静止状态亦称隐性状态，静止状态下CAN-High导线和CAN-Low导线的对地电压称为静止电平（亦称隐性电平），简称静电平。,图2-44CAN导线上的电压,2.CAN收发器,控制单元是通过收发器联接到驱动CAN总线上的。在收发器内部的接收器一侧设有差动信号放大器。差动信号放大器用于处理来自CAN-High导线和CAN-Low导线的信号。,图2-45驱动CAN数据总线的差动信号放大器,收发器的差动信号放大器在处理信号时，会用CAN-High导线上作用的电压减去CAN-Low导线上作用的电压，具体的处理过程如图2-46所示。,图2-46差动信号放大器内的信号处理,3.干扰信号的消除,CAN-High信号和CAN-Low信号经过差动信号放大器处理后（就是所谓的差动传输技术），可最大限度地消除干扰的影响。即使车上的供电电压有波动（如起动发动机时），也不会影响各个控制单元的数据传输，这就大大提高了数据传输的可靠性。,图2-48CAN总线对外界干扰信号的消除过程,4.终端电阻（负载电阻）,从信号传输的角度看，联接在CAN总线上的控制单元相当于CAN导线上的一个负载电阻（只是控制单元内部装有电子元件），其阻抗取决于联接的控制单元数量及电阻阻值。,图2-49CAN数据总线上的负载电阻,5.驱动CAN总线的电压波形,图2-50驱动CAN总线的实测电压波形,2.3.3舒适/信息CAN总线,1.舒适/信息CAN总线的应用,舒适/信息CAN总线用于将舒适CAN总线和信息CAN总线所控制的控制单元（如全自动空调/空调控制单元、车门控制单元、舒适控制单元、收音机和导航显示单元控制单元等）连成网络。,2.舒适/信息CAN导线上的电压,图2-51舒适/信息CAN总线的理论电压,舒适/信息CAN放弃了CAN-High导线和CAN-Low导线共同的中压。如图2-52所示，在隐性状态（静电平）时，CAN-High信号为0V，在显性状态时3.6V。对于CAN-Low信号来说，隐性电平为5V，显性电平1.4V。,于是，在差动信号放大器内相减后，隐性电平为-5V，显性电平为2.2V，隐性电平和显性电平之间的电压变化（电压提升）就提高到7.2V。,图2-52舒适/信息CAN总线的实测电压波形,3.舒适/信息CAN总线的收发器,舒适/信息CAN总线收发器的工作原理与驱动CAN总线收发器基本是一样的，只是输出电压和出现故障时切换到单线工作模式的方法不同。,图2-53舒适/信息CAN总线的收发器,4.舒适/信息CAN总线的单线工作模式,舒适/信息CAN总线具有单线工作能力。如果因断路、短路或与蓄电池电压相连而导致两条CAN导线中的一条不工作了，那么舒适/信息CAN总线就会切换到单线工作模式。,图2-54舒适/信息CAN总线处于单线工作模式下的电压波形图,2.4CAN总线的检测,2.4.1CAN总线检测插座,1.检测插座的作用,图2-55AudiA803年型汽车的驱动CAN总线和舒适CAN总线检测插座,2.检测