车辆CAN总线概述(完整版)

专业资料参考1.can总线概要1. CAN总线的发展历史20世纪80年代初，欧洲汽车工业蓬勃发展，车辆电子信息化程度不断提高。 当时，消费者对汽车功能的要求越来越多，这些功能的实现往往基于电子操作，电子设备之间的通信越来越复杂，同时也意味着需要更多的连接信号线，而传统的线束式汽车电子系统满足了车辆电子信息功能发展的需要为了解决制约现代汽车电子信息化发展的瓶颈，德国Bosch公司设计了单个网络总线，并且所有外围设备都连接至该总线，经过试验，该总线能够有效地解决现代汽车中巨大电子控制器之间的通信，并且减少数量的信号线。 1986年Bosch公司正式发布了这辆巴士，并将其命名为CAN巴士。CAN控制器本地网络(CANController Area Network )属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，具有高度的网络安全性、通信可靠性和实时性，简单易行由于网络成本低，特别是汽车计算机控制系统和环境恶劣，适用于电磁辐射强、振动大的工业环境，CAN总线在众多现场总线中独占顶端，成为汽车总线的代名词，CAN总线开始进入快速发展期1987年，英特尔首次生产CAN控制器(82526 )。 不久，飞利浦公司也推出了CAN控制器82C2001991年，Bosch颁布了CAN 2.0技术规范，CAN 2.0包括a和b两部分为促进CAN和CAN协议的发展，1992年在欧洲成立了国际用户和制造商协会(CAN in Automation，CiA )，在德国的Erlangen注册，CiA总部在Erlangen。 CiA提供的服务公开CAN的各种技术规格，免费下载CAN的文献资料，提供CAN规格DeviceNet规格的CAN产品数据库，提供公开CANopen产品指南的CANopen认证工具，执行CANopen认证测试1993年CAN成为国际标准ISO11898 (高速应用)和ISO11519 (低速应用)1993年，ISO公布了CAN国际标准ISO-118981994年，SAE公布了基于CAN的J1939标准2003年，Maybach发布了配备76个ECU的新型车(CAN、LIN、MOST )2003年，VW发布了配备35个ECU的新型Golf。据CiA组织统计，截止到2002年底，已有约500多家公司参加该协会，共同开发和支持各种CAN高级协议的CAN控制器(独立或内置)生产厂家，包括世界主要的半导体厂家在内，已有20多家，CAN控制器产品种类有110种CAN接口已被公认为微控制器(Microcontroller )的标准串行接口，并应用于多种分布式嵌入式系统中。 该协会已是全球应用CAN技术的权威。2. CAN总线的特点与普通通信总线相比，CAN总线具有更高的可靠性、实时性和灵活性。 其主要特性为：1 )性价比高。 其结构简单，易于购买设备，各节点价格低廉，且在开发过程中能够充分利用当前的单片机开发工具2 )是目前为止唯一具有国际标准的现场总线3 )为了多主方式的工作，能够在网络的任意时刻积极地向网络上的其他节点发送信息，不论主从关系如何，通信方式都灵活，不需要站点地址等节点信息4 )网络上的节点信息可以被划分成不同的优先级且可以满足不同的实时请求，且高优先级数据可以最多134s来传送5 )通过采用非破坏总线仲裁技术，在多个节点同时向总线发送信息的情况下，优先级低的节点积极地停止发送，优先级最高的节点继续不受影响地传送数据，因此能够大幅节省总线冲突仲裁时间。 特别是，即使在网络负荷重的情况下，网络也不会发生下降6 )仅消息过滤就能够以点对点、点多点、全局广播等多种方式收发接收数据，不需要特别的“时间表”7 )直接通信距离最大为10 km (速度5 kb/s以下)，通信速度最大为1 Mkb/s (此时通信距离最大为40 m )8 )节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达到110个9 )采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有优良的检错效果10 )每帧信息有CRC校验和其它检错措施，保证数据差错率很低11 )通信介质是双绞线、同轴电缆或光纤，可以选择灵活性12 )该节点包括当错误严重时自动关闭输出以免影响总线上其他节点的操作的功能。CAN总线出现以来，一些上层协议相继出现，以满足CAN总线协议的多种应用需要。 当前，许多基于CAN总线的网络采用CAN总线的上层协议。 CANopen、DeviceNet、SDS是一般采用的顶层协议，适用于任何种类的工业控制LAN应用，CAL适用于基于标准应用层通信协议的最佳控制应用，SAEJ1939适用于轨道其总线规范由ISO国际标准化组织在国际标准中制定，被公认为是最有前途的现场总线之一。 CAN总线的应用范围从高速网络到低成本的多线路网络，广泛应用于控制系统中的各检测与致动器之间的数据通信。 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交流领域迅速复盖了从现场设备到控制、管理的各个层面。 信息技术的发展引起了自动化系统结构的变革，形成了基于网络集成自动化系统的企业信息系统。 现场总线(Fieldbus )是根据这一形势发展起来的新技术，成为当前自动化领域技术发展的热点，被称为自动化领域的计算机局域网。 它的出现，标志着自动化领域新时代的开始，对该领域的发展产生重要影响。二、CAN总线的基本原理1、CAN标准1)CAN总线的层次结构开放系统互连(OSI )开放式系统互连参考模型将网络协议划分成7层，从顶部起依次是应用层、呈现层、会话层、传输层、网络层、链路层、物理层等。 国际电气技术委员会将现场总线模型分为应用层、链路层、物理层3层。 CAN的层次定义与OSI模型一致，使用了7层模型的应用层、链路层、物理层。 CAN技术规范定义了如图1所示的模型的最下两层。图1 CAN总线的层次结构2)CAN协议标准CAN总线协议当前有四个版本： CAN1.0、CAN1.2、CAN2.0A和CAN2.0B。 CAN2.0A以后使用标准格式信息帧(11比特)，CAN2.0B使用了扩展格式信息帧(29比特)。 CAN2.0A以下的版本是在接收到扩展帧信息格式时被视为错误的CAN2.0B无源版本时忽略29比特扩展信息帧、不认为错误的CAN2.0B活动版本是标准格式信息帧和扩展格式信息帧3)CAN总线网络的基本结构通常，CAN总线网络构成具有CAN通信功能的多个控制单元(也称为节点)并联构成CAN_H和CAN_L这两条数据线，在CAN_H和CAN_L这两条数据线的两端分别安装120的电阻来构成数据保护器，数据传输在终端汽车CAN总线的网络结构图如图3所示。图2 CAN网络的基本构成图3汽车CAN总线网络结构图4)CAN总线节点的硬件电路框图完整的CAN总线节点应包括三部分：微控制器、CAN控制器和CAN收发器。 其中微控制器负责CAN控制器的初始化，与CAN控制器进行数据传输的CAN控制器以CAN消息的形式传递数据，实现CAN协议数据链路层功能的CAN收发机或CAN控制器和CAN物理总线图4示出了CAN节点的基本配置方框图。 由于某些微控制器集成了CAN控制器，因此有两种节点方式。图4是can节点的基本结构框图5)CAN差分通信CAN总线的信号传输采用差分通信信号，并且差分通信具有较强的抗噪声能力。 在信号处理时，CAN收发机的差分信号放大器从CAN_H数据线的电压中减去CAN_L数据线上的电压，并且两条数据线之间的电势差可对应于两种不同的逻辑状态而被编码。静止状态下，相同的预先设定值作用于这2根导线，这个值称为静电电平。 对于CAN驱动程序数据总线，此值约为2.5V。 静电电平也称为隐性状态，因为所有连接的控制单元都可以修改。 在优越性状态下，CAN_H线的电压值将上升预定值(在CAN驱动数据总线的情况下，该值至少上升1V )。 CAN_L线的电压值下降相同的值(对于CAN驱动的数据总线而言，该值至少为1V )。 在CAN驱动器的数据总线中，CAN_H线路为3.5v以上(2.5v1v=3.5v )激活，CAN_L线路的电压值最大下降到1.5V(2.5V-1V=1.5V )。 因此，在劣性状态下，CAN_H线与CAN_L线的电压差为0V，在优性状态下最低为2V。 在can _ hcan _ l 2的情况下，该比特数是0，并且如果该比特数是优先级can _ hcan _ l=0，则该比特数被隐藏为1。图can数据线的电平2、CAN总线通信原理如果CAN总线上的节点(站)传送数据，则其作为消息被广播至网络上的所有节点。 每个节点接收数据，无论数据是否发往自己。 每组消息的前11位字符是标识符，定义了消息的优先级。 这种消息格式被称为面向内容的寻址方式。 在同一系统中，标识符唯一，且两个站不可能发送具有相同标识符的消息。 某个站向其他站发送数据时，该站的CPU发送的数据和自己的识别符被传送到本站的CAN控制器芯片，接收到处于准备状态的总线的分配后，变为发送消息的状态。 CAN控制器芯片将数据以特定消息格式基于协议组织并发送，而因特网上的其他站则处于已接收状态。 处于接收状态的每个站检测所接收的消息，确定这些消息是否是发给它们，并确定它们是否被接收。如果多个站点同时发送消息，则需要总线仲裁，其中每个控制单元通过在发送消息时发送发送标识符来标识该消息。 所有控制单元跟踪总线上的每条RX射线的一举一动，并知道总线状态。 每个发射机将TX射线与RX射线的状态逐一进行比较，并采用“线和”机制，“优势”位可以复盖“劣势”位的总线只有在所有节点都发送了“劣势”位时才会进入“劣势”状态。 CAN被调整为TX信号被加“0”的控制单元的控制单元必须从总线退出。 可以通过标识符中位于开头的“0”个数来调整信息的重要度，保证按重要度的顺序发送信息。 标识符的编号越小，表示该信息越重要，优先级越高。 发送低优先级消息的节点在退出仲裁后，在下一个总线空闲时重发消息。 三个节点总线仲裁图如图6所示。图6总线仲裁图3、CAN消息帧结构CAN总线消息将在以下四种不同帧类型中表示和控制数据帧：数据帧将数据从发射机运送到接收机。远程帧：总线单元发出远程帧并请求发射具有相同标识符的数据帧。错误帧：当任何单元检测到总线错误时，将发出错误帧。过载帧：使用过载帧在先前数据帧和后续数据帧(或远程帧)之间提供附加延迟。通过帧间空间将数据帧(或远程帧)与前面所述的每个帧分开。1 )数据帧包括帧开始、仲裁、控制、数据、CRC、响应和帧终止的七个不同的比特字段。 数据字段的长度可以是0。2 )远程帧包括帧起始、仲裁、控制、CRC、响应和帧尾部的六个不同的比特字段。 通过发射远程帧，站作为一个数据接收机通过其资源节点初始化不同的数据传输。 与数据帧相反，远程帧的RTR比特“隐藏”。 没有数据字段，数据长度代码的数值不受限制(可以表示为允许范围内的0.8的数值)。 此数字是与数据帧相对应的数据长度代码。3 )错误帧由两个不同的字段构成。 第一个字段用作作为不同站点提供的错误标志的复盖。 第二个字段是错误定义符。4 )过载帧包括两个比特字段：过载标记和过载定界符。4 .错误检测与其他总线不同，CAN协议不能使用响应信息。 事实上，我们可以用信号发出发生的错误。 CAN协议可以使用五种检查错误的方法，其中前三种根据消息内容进行检查。1 )循环冗馀校验(CRC )CR序列包括发射机的CRC计算结果。 接收机计算CRC的方法与发射机的方法相同。 如果计算结果与所接收到的CRC序列的结果不匹配，则检测CRC错误。2 )帧检查该方法在比特字段中检查帧的格式和大小以确定消息的正确性，并检查该格式上的错误。3 )响应错误接收的帧由接收站以明确的响应来确认。 如果发射站未接收到响应，则接收站发现帧有错误，即ACK字段已被破坏或未接收到网络消息。4 )巴士测试CAN的节点可以监测其发出的信号。 因此，发送消息的站能够观测总线水平并检测发送比特与接收比特之间的差异。5 )位填充一帧信息中的每个比特都用不为零的代码表示，以确保比特代码的最大效率。 然而，如果同一级别的比特在一帧消息中过多，则有可能失去同步。 为了确保同步，在连续5个比特之后，发射站自动插入互补补比特。 一旦收到，这个填充位就会自动丢弃。 例如，在五个连续的低级比特之后，CAN将自动插入高级比特。 CAN用这样的编码规则检查错误，如果1帧的信息中有6个相同的比特，CAN就会知道发生了错误。三.车辆CAN总线与关键技术国内外发展