车载网络技术(精简版)

1、 课程章节及学时分配课程章节及学时分配 1. 秦贵和，车上网络技术秦贵和，车上网络技术 机械工业出版社 2003.62. 胡思德，汽车车载网络技术详解胡思德，汽车车载网络技术详解 机械工业出版社 2006.6 3. 付百学，胡胜海，汽车车载网络技术付百学，胡胜海，汽车车载网络技术 机械工业出版社 2012.3 参参 考考 书书 主要内容主要内容1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识 1.2 1.2 总线网络结构与原理总线网络结构与原理1.3 1.3 汽车网络技术概述汽车网络技术概述 汽车上应用网络技术的必要性汽车上应用网络技术的必要性 F汽车上电控装置的增多，使连接这些装置的线路

2、越来越复杂，造成线束庞大，布线困难；F线路和接头的增加成为安全问题的巨大隐患；F难于维护。 在这种情况下，减少线束成为一个必须要解决的问题。因此网络通信技术成为必然的选择。 汽车上应用网络技术的必要性汽车上应用网络技术的必要性F在汽车上将越来越多地使用线控技术（XBW)，线控系统在人机接口、执行机构和传感机构之间以及其他系统之间要进行大量信息传输，即线控技术是以网络通信为基础的，而基于串行通信的网络技术是实现这种通信功能的最佳结构。 汽车上应用网络技术的必要性汽车上应用网络技术的必要性F未来汽车上应能提供任何办公室或家庭中的网络信息服务，在智能交通系统中，一个汽车应具有接收和提供相关信息的功能

3、，完成这些功能需要很强的通信能力和数据共享能力，因此要用到汽车网络技术。 汽车上应用网络技术的必要性汽车上应用网络技术的必要性u 计算机网络的定义计算机网络的定义 计算机网络定义为“以相互共享资源(硬件、软件和数据等方式)和计算机间传输信息为目的而连接起来、且各自具备独立功能的计算机系统之集合”。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识 “广义的广义的”计算机网络计算机网络 在协议控制下由两台或两台以上计算机计算机、若干台终端设备终端设备、数据传输设备数据传输设备以及便于终端终端和计算机之间或者若干台计算机之间数据流动的通信控通信控制处理机制处理机等所组成的系统之集合。这个定义表

4、明计算机网是在协议控制下在协议控制下通过通信系统通信系统来实现计算机之间的连接。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识u计算机网络的类型计算机网络的类型按跨度分类按跨度分类l局域网（局域网（Local Area Network, LAN） 局域网是在一个有限区域内连接的计算机网络，是最常见、应用最广的一种网络，特点是连接范围窄、用户数少、配置容易、连接速率高。汽车上的网络是多个局部网络的互联结构。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识l 城域网（城域网（Metropolitan Area Network，MA

5、N） 是在一个城市，但不在同一地理小区范围内的计算机互联。连接距离可以在10-100公里。与LAN相比扩展的距离更长，连接的计算机数量更多，在地理范围上可以说是LAN网络的延伸。在一个大型城市或都市地区，一个MAN网络通常连接着多个LAN网。如连接政府机构、医院、电信、公司企业的LAN等。l 广域网（广域网（Wide Area Network, WAN）：）： 广域网也称为远程网，可以覆盖一个国家、一个地区或横跨几个洲，形成国际性的计算机网络。广域网通常可以利用公用网络（如公用数据网、公用电话网、卫星通信等）进行组建，将分布在不同国家和地区的计算机系统连接起来，达到资源共享的目的。广域网的连线

6、距离极长，因此信息衰减比较严重，连接速度通常低于局域网或城域网，使用的设备也相当昂贵。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识 按用途分类按用途分类l 公共网络：是向社会开放的网络体系l 专用网络：是由学校、机关、政府部门或公司等组建， 不允许其他部门和单位使用的网络。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识 按按拓扑结构拓扑结构分类分类l 星型网星型网 在星型拓扑构型中，节点通过点到点通信线路与中心节点连接。任何两节点之间的通信都要通过中心节点。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识特点：特点：结构简单，易于实现，便于管理；通信功能简单，可以根据需

7、要由中心处理机分时或按优先权排队进行处理；中心处理机负载过重，扩充困难； 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识每台入网计算机均需与中心处理机有线路直接互连，因此线路利用率低，信道容量浪费较大；可靠性对中心机敏感，中心节点的故障可能造成全网瘫痪； 由于应用汽车网络的目的之一就是简化线束，所以这种结构不可能成为整车网络的结构，但有可能在一个部件或总成上使用。l 总线型网总线型网 是从计算机的总线访问控制发展而来的。采用称为公共总线的传输介质，将各计算机直接与总线连接，信息沿总线介质逐个节点广播传送。 1.1 1.1 计算机网络基

8、础知识计算机网络基础知识 特点：特点：由一条总线连接入网计算机，所以信道利用率较高；网络长度和网络节点数受传输延时、驱动能力及访问机制的限制；适合于传输距离较短、节点数不是很多的情况； 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识由于所有的入网计算机共用一条传输信道，因此总线型网的一个特殊问题就是信道的访问控制权的分配，并由此产生一系列处理机制；分时访问总线； 目前，局域网多采用此种方式,汽车上的网络多采用这种结构，尤其是低端网络。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识l 环型网环型网 环形网络是指入网节点通过网络部件连到一个环形物理链路中。整个网络发送的信息就是在这个

9、环中传递，通常把这类网络称之为令牌环网。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识 特点：特点：由于一次通信信息在网中传输最大时间是固定的，因此实时性较高；每个网上节点只与其他相邻两个节点有物理链路直接互连，因此传输控制机制较为简单；一个节点出故障可能会终止全网运行，因此可靠性较差； 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识由于汽车上线控技术要求实时性好的网络系统，有一些车载网络系统支持这种结构。环型网由于其点一点通信路由的唯一性，因此，不宜在广域范围内组建计算机网络。它是一种较为实用的局域网拓扑结构，尤其是在实时性要求较高的环境。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计

10、算机网络基础知识l 树型网树型网 由多个星型网络构成的网络称为多级星型网络，多级星型网络按层次方式排列即形成树型网络。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识 特点：特点：树型结构网是分级的集中控制式网络；与星型网络相比，其通信线路总长度短，成本较低，节点易于扩充，除叶节点及其相连的线路外，任一节点及其相连的线路故障都会使系统受到影响。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识u计算机网络的功能计算机网络的功能资源共享资源共享 网络中的计算机不仅可以使用本机的资源，还可以使用网络中其他计算机的资源。资源共享提高了网络中软、硬件的利用率，增强了网络中计算机的处理能力，这

11、是计算机网络最主要的功能。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识 数据通信数据通信 通过网络可以实现终端、计算机与计算机之间的高速可靠地传送数据并进行信息处理，利用这一特点，可将分散在各个地区的单位或部门用计算机网络联系起来，进行统一的调配、控制和管理。这是计算机网络最基本的功能。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识均衡负载互相协作均衡负载互相协作 当某台计算机负担过重时，或该计算机正在处理某项工作时，网络可将新任务转交给空闲的计算机来完成，以均衡各计算机的负载，提高处理问题的实时性。通过网络可以缓解用户资

12、源缺乏的矛盾，使各种资源得到合理的调整。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识分布处理分布处理 对大型综合性问题，可将问题各部分交给不同的计算机分头处理，即通过网络将问题分散到多个计算机上进行分布式处理，可以充分利用网络资源，扩大计算机的处理能力，增强实用性，同时也可使各地的计算机通过网络资源共同协作，进行联合开发、研究等。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识提高计算机的可靠性提高计算机的可靠性 将计算机连成网络后，网络中各个计算机互为后备，这样网络可靠性会大大增高。当某一处计算机发生故障时，可由别处的计算机代为处理，还可以在网络节点上设置备用设备作为全网络公

13、用后备，这样，整个计算机网络就不会由于某台设备出现故障而瘫痪，大大提高了计算机网络系统的可靠性和可用性。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识u 计算机网络中的一些基本概念计算机网络中的一些基本概念节点：节点：是网络活动的核心组成部分，包括终端节点和中间节点。终端节点一般是网络连接的应用系统和设备，他们利用网络发送或接收信息；中间节点提供信息的转送服务、信息流量控制等网络服务功能。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识计算机网络拓扑结构计算机网络拓扑结构 (Topology) 所谓网络拓扑结构是指网络的链路和节点在地理上所形成的几何结构或物理布局。 1.1 1.

14、1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识 报文报文 (message) 是网络中信息交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块。报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长度可变，报文传输过程中会不断的封装成分组、包、帧来传输，封装的方式就是添加一些信息段。可以将其看成是按照一定格式组织起来的数据。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识帧帧（Frame）是独立的网络信息传输单元，是网络传输的最小单位 。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识 协议：协议：协议可定义为在两实体间控制信息交换的规则之集合。即在通信内容通信内容、怎怎样通信样通信以及何时通信何时通信等

15、方面，两个实体要遵从相互可以接受的一组约定和规则。这些约定和规则的集合称为协议。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识协议三要素：协议三要素：一个通信协议通常对语法、语义和定时三个方面进行约定语法：确定通信双方之间“如何讲”，即由逻辑说明构成，要对信息或报文中各字段格式化，说明报头字段、命令和应答的结构等；语义：确定通信双方之间“讲什么”，即由过程说明构成，要对发布请求、执行动作以及返回应答予以解释，并确定用于协调和差错处理的控制信息；定时规则：指出事件的顺序以及进度匹配、排序。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识 计算机网络信息的传送方式计算机网络信息的传送

16、方式l 电路交换 电路交换就是两台计算机在相互通信时使用一条实际的物理链路，并在通信中自始至终使用该条线路进行信息传输，且不许他机共享该线路的信道容量。电路交换事实上来源于公共电话交换网，由于这种网的实用性和地域的宽广性，早期的计算机通信几乎都使用电路交换方式。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识l 报文交换报文交换 当发送方有数据发送时，就将数据按一定格式构成数据块，即报文，然后发送出去，相邻的转接交换机收到这个报文后先存储这个报文，当这个报文传输所需的链路空闲时就将它转发出去，直到到达接收端。这也就是存储-转发方式，与信件的邮递方式相似。 1.1 1.1 计算机网络基础知

17、识计算机网络基础知识l 分组交换分组交换 发送端将所要发送信息拆成一个个分组发送出去，转接交换机每次转发的是一个分组(而不像报文交换那样是一整段有意义的信息)、接收端把接收到的分组再逐段组装成报文。这种方式既增加了通信线路利用率，又提高了数据通信的实时性，但报文的组装和拆卸以及各分组在网络上的传输都要进行附加的管理，这增大了网络开销。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识 传输速率传输速率 单位时间传输的信息表明网络传输的速度，一般用单位时间传输的二进制位数表示。单位时间传输的二进制位数称为波特率，单位为bps（bit per second）。 1.1 1.1 计算机网络基础知

18、识计算机网络基础知识 网络访问的触发方式网络访问的触发方式 按照节点访问网络的触发方式，网络协议可以分为基于时间触发的通信协议和基于事件触发的通信协议。 在时间触发协议（TTP，Time Triggered Protocol）中，按一定规则安排每个节点发送信息的时刻和信息发送的延续时间。这种方式信息传送延时抖动小，实时性好。特点是网络事件发生的时间可以预知。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识 在事件触发协议（ETP，Event Triggered Protocol）中，节点在需要发送信息或请求发送信息时，才启动网络访问过程，否则处于接收状态。在一个节点要发送信息时，可能有信

19、息在占用总线，或者有优先级高的信息要发送。因此，使用这种方式，节点从有数据要发送到接收节点接收到数据的延时有很大的不确定性，实时性差。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识串行通信串行通信 串行数据传输时，数据是一位一位地在通信线上传输的，先由具有几位总线的计算机内的发送设备，将几位并行数据经并-串转换硬件转换成串行方式，再逐位经传输线到达接收站的设备中，并在接收端将数据从串行方式重新转换成并行方式，以供接收方使用。串行数据传输的速度要比并行传输慢得多，但对于覆盖面极其广阔的公用电话系统来说具有更大的现实意义。车上网络 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识 介质

20、访问控制方式介质访问控制方式l 带冲突检测的载波监听多路访问（带冲突检测的载波监听多路访问（CSMA/CD） CSMA/CD是采用争用技术的一种介质访问控制方法 载波监听（载波监听（carrier sense）:网络上各个工作站在发送数 据前都要监听总线上有没有数据传输。若有数据，则不发 送数据；若无数据传输，则立即发送准备好的数据。 多路访问（多路访问（multiple access）:网络上的所有工作 站使用同一条总线收发数据，且发送数据是广播式的。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识 冲突（冲突（collision）: 若网上有两个或两个以上工作站同时发送数据，在总线上

21、就会产生信号的混合，工作站都辨别不出真正的数据是什么。这种情况称为数据冲突。为了减少冲突发生，工作站在发送数据过程中还要不停地检测自己发送的数据，有没有在传输过程中与其他工作站的数据发生冲突，这就是冲突检测（collision detected）。可将CSMA/CD形象地概括为用先听后发/边听边发的方法来共享传输介质。CAN总线 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识 CSMA/CD方式的数据接收过程相对简单：网上每个节点都监听媒体，如果有信号传输，则收集信息，得到帧；节点分析和判断帧中的接收地址；如果接收地址为本节点地址，复制接收该帧；否则，丢弃该帧。 1.1 1.1 计算机网

22、络基础知识计算机网络基础知识l令牌环（Token Ring）访问控制 通过在环型网上传递令牌实现对介质的访问控制。只有当某个站点接收到令牌时，才能利用环路发送或接收信息。当环线上的各站都没有帧发送时，称为空标记。当一个站要发送帧时，需等待令牌通过，并将空标记换为忙标记，紧跟着令牌，用户站把数据帧发送至环上。因为是忙标记 ， 所 以 其 他 站 不 能 发 送 帧 ， 必 须 等 待 。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识l令牌总线（令牌总线（Token Bus）访问控制）访问控制 令牌总线访问控制是在物理总线上建立一个逻辑

23、环，令牌在逻辑环路中依次传递，其操作原理与令牌环相似。它同时具有上述两种方法的优点，既具有总线网的接入方便和可靠性较高的优点，也具有令牌环网的无冲突和发送时延有确定的上限值的优点。因此，它是一种简单、公平、性能良好的介质访问控制方法。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识网关网关 又叫协议转换器，是连接不同网络能实现不同网络协议转换的设备。网关是一种复杂的网络连接设备，可以支持不同协议之间的转换，实现不同协议网络之间的互连。网关具有对不兼容的高层协议进行转换的能力，为了实现异构设备之间的通信，网关需要对不同的链路层、专用会话层、表示层和应用层协议进行翻译和转换。 1.1 1.1

24、 计算机网络基础知识计算机网络基础知识u 计算机网络体系结构计算机网络体系结构开放系统互连开放系统互连(Open System Interconnection， OSI) 基本参考模型基本参考模型OSI的体系结构具有七个层次，每个层次都在完成信息交换的任务中担当一个相对独立的角色，具有特定的功能。其中，第七层是高层，第一层为最低层。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识局域网的概念局域网的概念 是一种在有限区城内提供各类数据通信设备互连的通信网络。这里的数据通信设备可以是计算机、终端、外部设备、传感器、电话、电视收发器、基于

25、微处理器的应用系统或智能装置等。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识局域网的特点局域网的特点较小的地域范围，短距离传输；高数据传输速率，低误码率；采用广播方式传输数据信号，一个节点发出的信号可被网上所有的节点接收不考虑路由选择的问题，甚至可以忽略OSI网络层的存在。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识局域网的功能局域网的功能 资源共享：主要包括软件、硬件和数据 库等数据资源的共享。 通信交往：数据、文件的传输；电子邮 件；视频会议等。 1.1 1.1 计算机网络基础知识计算机网络基础知识 汽车网络分类汽车网络分类l SAE的分类的分类p A类网络p B类网络

26、p C类网络 1.2 1.2 车载网络技术概述车载网络技术概述p A类网络类网络 面向传感器/执行器控制的低速网络，数据传输位速率通常为 1-10kbit/s。 主要应用于电动门窗、中控锁、座椅调节、灯光控制等。LINJ1587/J1708/J1922,BEAN 1.2 1.2 车载网络技术概述车载网络技术概述p B类类网络网络 面向独立模块间数据共享的中速网络，位速率一般为 10-125kbit/s。主要应用于电子车辆信息中心、故障诊断、仪表显示、安全气囊等系统。 如：J1850,LS-CAN 1.2 1.2 车载网络技术概述车载网络技术概述p C类类网络网络 面向高速、实时闭环控制的多路传

27、输网，最高位速率可达 1Mbit/s，主要用于发动机和自动变速的动力控制、防滑控制、悬架控制等系统， 以简化分布式控制和进一步减少车身线束。如：HS_CAN 1.2 1.2 车载网络技术概述车载网络技术概述l 按领域分类按领域分类p 动力系统/底盘系统（Powertrain/Chassis）p 舒适系统/车身（Comfort/Body）p 信息娱乐系统（Infotainment）p 诊断（Diagnostics）p 线控系统（X-by-Wire） 1.2 1.2 车载网络技术概述车载网络技术概述l 具体应用于车上的网络：具体应用于车上的网络：p局部互联网络（LIN，Local Intercon

28、nect Network）1998年由多家汽车生产厂商（Audi, Daimlerchrysler, Volvo,Volkswagen）、元器件生产厂（Motorola）和开发工具公司联合发起的一个汽车低端网络协议，A级网络；p TTP/A：应用目标与LIN基本一致，基于时间触发访问方式的协议， A级网络；p SAEJ1850：最初由美国的Ford, GM, Chrysler公司提出，他们当中的很多车型采用其作为B级网络使用； 1.2 1.2 车载网络技术概述车载网络技术概述pCAN协议：由Bosch公司提出，最早在欧洲汽车上广泛使用，目前包括美国、日本的公司也将其作为B级或C级网络使用pTT

29、P/C和FlexRay: 是以线控系统为主要应用目标的C级汽车网络协议pMOST和D2B：是由媒体领域引入的标准，由于媒体信息音像传输数据量大，要求传输速率高，一般采用光纤或同轴电缆作为物理层媒介p无线局部网络：在汽车控制系统和媒体系统应用中有一些探索性工作，蓝牙技术（Bluetooth）,Zigbee。 1.2 1.2 车载网络技术概述车载网络技术概述l 汽车网络拓扑结构汽车网络拓扑结构总线型网络总线型网络星型网络星型网络环型网络环型网络混合型网络混合型网络 1.2 1.2 车载网络技术概述车载网络技术概述l典型的汽车总线网络典型的汽车总线网络低端控制系统：低端控制系统：包括仅需要简单串行通

30、信的ECU、智能传感器、执行器等，这是LIN总线最适合的领域。底盘及车身控制系统：底盘及车身控制系统：包括传统的车身控制和动力传动控制、ABS、自动变速箱等。这是CAN的特长。 1.3 1.3 汽车总线网络结构与特点汽车总线网络结构与特点高安全线控系统高安全线控系统(X-By-Wire)：包括安全性要求很高的刹车和转向系统，通讯要求高容错性、高可靠性和高实时性。主要协议有TTCAN、FLexRay、TTP/C等。 1.3 1.3 汽车总线网络结构与特点汽车总线网络结构与特点信息娱乐系统信息娱乐系统：要求有高速率和高带宽，如媒体播放器、导航系统等信息娱乐设备之间的互连需要更高速通信协议。目前主流

31、协议有MOST 、D2B和IDB-1394等。 1.3 1.3 汽车总线网络结构与特点汽车总线网络结构与特点车载网络技术的发展趋势车载网络技术的发展趋势FCAN，LIN将继续在车身及动力系统领域得将继续在车身及动力系统领域得到广泛的应用到广泛的应用F信息娱乐系统通信总线应具有容量大、通信信息娱乐系统通信总线应具有容量大、通信速度高等特点，因此，传输介质逐渐使用光速度高等特点，因此，传输介质逐渐使用光纤取代以往的铜线，面向信息娱乐系统的纤取代以往的铜线，面向信息娱乐系统的MOST和和D2B将在此领域得到广泛应用。将在此领域得到广泛应用。 1.3 1.3 汽车总线网络结构与特点汽车总线网络结构与特

32、点F对于安全等级要求更高的系统，如对于安全等级要求更高的系统，如转向控制和制动系统及安全气囊的转向控制和制动系统及安全气囊的网络互联的发展方向是采用线控技网络互联的发展方向是采用线控技术。术。FlexRay、Byteflight将会在该将会在该领域得到广泛应用领域得到广泛应用。 1.3 1.3 汽车总线网络结构与特点汽车总线网络结构与特点2.1 2.1 CAN总线概述总线概述2.2 2.2 CAN通信协议通信协议 2.3 2.3 CAN网络网络的基本组成和数据传输原理的基本组成和数据传输原理2.4 2.4 CAN主要部件的结构和原理主要部件的结构和原理2.5 2.5 CAN节点结构与设计节点结

33、构与设计 2.6 2.6 CAN网络应用实例网络应用实例 主要内容主要内容 u CAN的产生的产生 2.1 2.1 CAN总线概述总线概述 早期的ECUECU之间的之间的通信 为了解决现代汽车中众多控制为了解决现代汽车中众多控制 器及测试仪器之间的数据交换、实器及测试仪器之间的数据交换、实现数据共享并尽量避免过多占用有现数据共享并尽量避免过多占用有限的车辆空间，在车辆电控系统中限的车辆空间，在车辆电控系统中引入了引入了CAN总线技术。总线技术。 2.1 2.1 CAN总线概述总线概述 CAN是由德国是由德国BOSCH公司在二公司在二十世纪八十年代初开发的、最初用于十世纪八十年代初开发的、最初用

34、于汽车电子装置互联的一种串行数据通汽车电子装置互联的一种串行数据通信协议。主要用于汽车内部大量控制信协议。主要用于汽车内部大量控制器、测试仪器及执行机构之间的数据器、测试仪器及执行机构之间的数据通信。通信。 2.1 2.1 CAN总线概述总线概述基于总线（CAN）的ECUECU通信u CAN的应用领域的应用领域车辆系统交通控制系统工业仪器仪表智能建筑工业仪器仪表机器人嵌入式网络 2.1 2.1 CAN总线概述总线概述u CAN的一些基本概念的一些基本概念 CAN是一种通过标准集成电路实现的具是一种通过标准集成电路实现的具有高可靠性的串行通信协议。它为串行通信有高可靠性的串行通信协议。它为串行通

35、信提供包括位定时、帧格式、信息识别、数据提供包括位定时、帧格式、信息识别、数据传送、确认和错误检测的通信协议。传送、确认和错误检测的通信协议。 CAN总总线可以用点对点，一点对多点及全局广播几线可以用点对点，一点对多点及全局广播几种方式发送和接收数据。种方式发送和接收数据。 2.1 2.1 CAN总线概述总线概述CANCAN报文：报文是报文：报文是CANCAN控制器和控制器和CPUCPU通信的主要手段，总通信的主要手段，总线上的信息以固定格式的报文发送，但长度有限制，当线上的信息以固定格式的报文发送，但长度有限制，当总线开放时，任何节点均可开始发送一个新报文。总线开放时，任何节点均可开始发送一

36、个新报文。 一个报文的内容由其标识符一个报文的内容由其标识符IDID命名。命名。IDID并不指出报文的并不指出报文的目的地址，但描述数据的含义，以便网络中的所有节点目的地址，但描述数据的含义，以便网络中的所有节点有可能借助有可能借助报文滤波报文滤波决定是否接受该数据。决定是否接受该数据。 2.1 2.1 CAN总线概述总线概述总线数值表示：总线可以具有两种互补逻辑总线数值表示：总线可以具有两种互补逻辑数值之一（数值之一（0或或1）；）； 总线定义了总线定义了“显性显性”和和”隐性隐性” 两种状态，两种状态，“显性显性” 由逻辑由逻辑“0”电电平表示，而平表示，而“隐性隐性” 以逻辑以逻辑“1”

37、电平表示电平表示。在。在“显性显性”和隐性和隐性”位同时发送期间，采位同时发送期间，采用总线的线用总线的线 “与与”操作，总线的最后数值操作，总线的最后数值将是将是“显性显性”。 2.1 2.1 CAN总线概述总线概述远程数据请求：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一个相应的数据帧，该数据帧相对应的远程帧以相同的标识符ID命名。仲裁：仲裁：当总线空闲时，任何节点都可以发送信息，出现总线争用时，具有最高优先权的信息获得总线的使用权。 2.1 2.1 CAN总线概述总线概述l仲裁过程：总线访问冲突运用逐位仲裁规则，借助标识仲裁过程：总线访问冲突运用逐位仲裁规则，

38、借助标识符符IDID解决。若具有相同解决。若具有相同IDID的一个数据帧和一个远程帧同的一个数据帧和一个远程帧同时初始化，数据帧优先于远程帧。在发送数据时，节点时初始化，数据帧优先于远程帧。在发送数据时，节点不断监听总线状态，每一个发送节点都对发送位电平与不断监听总线状态，每一个发送节点都对发送位电平与总线上被监视电平进行比较。若相同，则该单元可以继总线上被监视电平进行比较。若相同，则该单元可以继续发送。当发送一个续发送。当发送一个“隐性隐性”电平电平1 1，而监控视到，而监控视到“显显性性”电平电平0 0时，该节点丢失仲裁，并从下一位开始停止时，该节点丢失仲裁，并从下一位开始停止发送。发送。

39、 2.1 2.1 CAN总线概述总线概述u CAN总线的基本工作原理总线的基本工作原理 CAN总线的通信是通过一种类似于“会议”的机制实现的，但会议的过程并不是由一方（节点）主导，而是，每一个会议参加人员都可以自由的提出会议议题（多主通信模式）。 2.1 2.1 CAN总线概述总线概述会议CAN总线参会人员节点参会人员身份ID会议议题帧参会人员发言 顺序裁定仲裁 2.1 2.1 CAN总线概述总线概述 2.1 2.1 CAN总线概述总线概述u CAN的特点的特点多主站依据优先权进行总线访问；多主站依据优先权进行总线访问；无破坏性的基于优先权的仲裁；无破坏性的基于优先权的仲裁；基于事件触发的发送

40、方式，有出现长延时的基于事件触发的发送方式，有出现长延时的可能。可能。借助接收滤波的多帧传送；借助接收滤波的多帧传送； 2.1 CAN 2.1 CAN总线概述总线概述短帧结构（每条报文最多短帧结构（每条报文最多8 8字节数据）字节数据）配置灵活性；配置灵活性；错误检测和出错标注；错误检测和出错标注；发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重新发送；破坏的帧可自动重新发送；暂时错误和永久性故障节点的判别以暂时错误和永久性故障节点的判别以及故障节点的自动脱离及故障节点的自动脱离 。 2.1 CAN 2.1 CAN总线概述总线概述RNode 1Node 2RNo

41、de nu CAN网络拓扑结构图网络拓扑结构图 2.1 CAN 2.1 CAN总线概述总线概述uCAN的分层结构的分层结构 CAN协议包括协议包括ISO/OSI参考模型中的最低两参考模型中的最低两层。层。l数据链路层数据链路层l物理层物理层 2.2 CAN 2.2 CAN通信协议通信协议 编码编码/ /解码解码CAN协议中规定发送数据时采用协议中规定发送数据时采用位填充技术位填充技术，同，同步沿用位填充产生，即在发送时，最多可以有步沿用位填充产生，即在发送时，最多可以有5个连续的同极性位，如果要发送的位流中有个连续的同极性位，如果要发送的位流中有5个个以上同极性位时，每发送以上同极性位时，每发

42、送5个同极性位则填充一个同极性位则填充一个补位。个补位。CAN通过这种编码规则检查错误，如果在一帧报通过这种编码规则检查错误，如果在一帧报文中有文中有6个相同位，个相同位，CAN就知道发生了错误。就知道发生了错误。 CAN物理层功能物理层功能 位填充过程位填充过程CAN共定义共定义4种主要的帧类型：种主要的帧类型：F数据帧：数据帧将数据从发数据帧：数据帧将数据从发送器传输到接收器。送器传输到接收器。F 远程帧：节点发出远程帧，远程帧：节点发出远程帧，请求发送具有同一标识符的请求发送具有同一标识符的数据帧。数据帧。F 错误指示帧：任何单元检测错误指示帧：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。到总线

43、错误就发出错误帧。F 超载帧：超载帧用在相邻数超载帧：超载帧用在相邻数据帧或远程帧之间提供附加据帧或远程帧之间提供附加的延时。的延时。 CAN协议的帧类型及帧格式协议的帧类型及帧格式数据帧或远程帧与前数据帧或远程帧与前一个帧之间都会有一一个帧之间都会有一个隔离域，即帧间间个隔离域，即帧间间隔。隔。数据帧和远程帧可以数据帧和远程帧可以使用标准帧及扩展帧使用标准帧及扩展帧两种格式。两种格式。CAN共定义共定义4种主要的帧类型：种主要的帧类型：F数据帧：数据帧将数据从发数据帧：数据帧将数据从发送器传输到接收器。送器传输到接收器。F 远程帧：节点发出远程帧，远程帧：节点发出远程帧，请求发送具有同一标识

44、符的请求发送具有同一标识符的数据帧。数据帧。F 错误指示帧：任何单元检测错误指示帧：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。到总线错误就发出错误帧。F 超载帧：过载帧用在相邻数超载帧：过载帧用在相邻数据帧或远程帧之间提供附加据帧或远程帧之间提供附加的延时。的延时。 CAN协议的帧类型及帧格式协议的帧类型及帧格式数据帧或远程帧与前数据帧或远程帧与前一个帧之间都会有一一个帧之间都会有一个隔离域，即帧间间个隔离域，即帧间间隔。隔。数据帧和远程帧可以数据帧和远程帧可以使用标准帧及扩展帧使用标准帧及扩展帧两种格式。两种格式。远程帧远程帧uCAN总线状态总线状态 CAN总线有总线有“显性显性” （DOMINA

45、NT）和）和“隐性隐性” （RECESSIVE）两个状态，）两个状态，CAN的总线数值为的总线数值为两种互补逻辑数值之一。显性状态用逻辑数值两种互补逻辑数值之一。显性状态用逻辑数值“0”表示，隐性状态用逻辑表示，隐性状态用逻辑“1”；当总线上的；当总线上的CAN控制控制器发送的都是隐性位时，此时总线状态是隐性（逻器发送的都是隐性位时，此时总线状态是隐性（逻辑辑1）。如果总线上有显性位出现，隐性位总是让位）。如果总线上有显性位出现，隐性位总是让位于显性位，即总线上是显性位状态（逻辑于显性位，即总线上是显性位状态（逻辑0）。）。 2.2 CAN 2.2 CAN通信协议通信协议 总线上总线上“显性显

46、性”电平支配电平支配“隐性隐性”电电平；平；逻辑逻辑“0” =“显性显性” 电平；电平；逻辑逻辑“1” =“隐性隐性”电平电平 2.2 CAN 2.2 CAN通信协议通信协议u CAN总线电平定义总线电平定义 CAN_H和和CAN_L表示表示CAN总线收发器与总线的两接口引脚总线收发器与总线的两接口引脚，信号是以两线之间的，信号是以两线之间的“差分差分”电压电压Vdiff传送传送的。在的。在“CAN_H”与与“CAN_L”的差值小于的差值小于0.5V时，认为总线是隐性状态；时，认为总线是隐性状态； “CAN_H”与与“CAN_L”的差值大于的差值大于0.9V时，认为总线是显性状时，认为总线是显

47、性状态。态。 2.2 CAN 2.2 CAN通信协议通信协议 2.2 CAN 2.2 CAN通信协议通信协议 2.3 2.3 CAN网络的基本组成网络的基本组成 和数据传输原理和数据传输原理 CAN控制器控制器 CAN收发器收发器 终端匹配电阻终端匹配电阻 数据传输线数据传输线 CAN的接口电路的接口电路 CAN网络基本组成网络基本组成 CAN网络基本组成网络基本组成也称协议控制器。分独立也称协议控制器。分独立的的 C A N 控 制 器 和 集 成控 制 器 和 集 成CAN控制器；控制器； CAN控制器主要实现了控制器主要实现了两部分的功能两部分的功能1：数据链数据链路层的全部功能路层的全

48、部功能；2：物：物理层的位定时功能。理层的位定时功能。 CAN控制器控制器 功能：提供功能：提供CAN控制器与物理总线之控制器与物理总线之间的接口，同时兼具接收和发送的功间的接口，同时兼具接收和发送的功能。能。 发送器：发送器： 位流位流 电压信号电压信号 接收器：接收器： 电压信号电压信号 位流位流 常用芯片：常用芯片：TJA1050、PCA82C250和和PCA82C251。 CAN 收发器收发器 CAN 收发器收发器终端电阻防止数据在线端被反终端电阻防止数据在线端被反射，以回声的形式返回，影响射，以回声的形式返回，影响数据的传输；通常阻值为数据的传输；通常阻值为120欧欧姆，但也并非固定

49、不变，姆，但也并非固定不变， 而是而是和使用的导线有关。和使用的导线有关。 CAN的终端电阻的终端电阻 CAN接口电路主要包括接口电路主要包括CAN 控制器与微控制器之间（独立控制器与微控制器之间（独立CAN控控制器）、制器）、CAN控制器与控制器与CAN总线收发器以及总线收发器以及CAN总线收发器与物理总总线收发器与物理总线之间的接口电路。线之间的接口电路。 CAN的接口电路的接口电路 CAN-TXD CAN-RXDuCAN总线的仲裁机制总线的仲裁机制 一个一个CAN报文的标识域被用做发生冲突后控制寻报文的标识域被用做发生冲突后控制寻址总线。如果多个站同时发送数据，而其中一个址总线。如果多个

50、站同时发送数据，而其中一个站发送一个站发送一个“0”位（显性位），则正在监听总线位（显性位），则正在监听总线的站都将读到的站都将读到“0”，相反，只有当所有站都发送，相反，只有当所有站都发送“1”（隐性位）时，正在监听总线的所有站才能（隐性位）时，正在监听总线的所有站才能读到读到“1”。实际上，。实际上，CAN总线就像一个大的总线就像一个大的“与与门门”，每个站都可以看到门输出，这一特性被用，每个站都可以看到门输出，这一特性被用来解决总线冲突。来解决总线冲突。 CAN的数据传输原理的数据传输原理总线空闲时，任何节点可以开始发送报文；总线空闲时，任何节点可以开始发送报文；总线上每条报文都具有唯一

51、的一个总线上每条报文都具有唯一的一个1111位或位或2929位标识位标识符；符；报文标识符的值越小，报文具有越高的优先权；报文标识符的值越小，报文具有越高的优先权；多个节点同时发送时多个节点同时发送时，总线在总线在“仲裁场仲裁场”进行进行“逐逐位仲裁位仲裁” ” ；传送高优先级报文的节点赢得仲裁，并继续传输报传送高优先级报文的节点赢得仲裁，并继续传输报文；文；失去仲裁的节点在总线空闲时重新传送。失去仲裁的节点在总线空闲时重新传送。 CAN的数据传输原理的数据传输原理节点节点数据报告数据报告11位标识符位标识符1Brake1(制动信号）制动信号）010 0111 00002Engine1（发动机

52、转速）（发动机转速）010 011100013Gearbox1（变速器输出轴转速）（变速器输出轴转速）011 1111 0000 CAN的数据传输原理的数据传输原理CAN CAN 总线的逐位仲裁过程总线的逐位仲裁过程u独立独立CAN控制器控制器 SJA1000 是是PHILIPS半导体半导体PCA82C200 CAN 控制器的替代产品，并增加了一种新控制器的替代产品，并增加了一种新的工作模式的工作模式PeliCAN 。独立的。独立的CAN控制器控制器SJA1000总是位于微型控制器总是位于微型控制器和收发器之间和收发器之间。2.4 CAN主要部件的结构和原理主要部件的结构和原理 BasicCA

53、N模式模式和和PCA82C200PCA82C200兼容。兼容。BasicCANBasicCAN模式是上电后默认的操作模式是上电后默认的操作模式，因此用模式，因此用PCA82C200PCA82C200开发的已有硬件和软件，可以开发的已有硬件和软件，可以直接在直接在SJA1000SJA1000上使用而不用作任何修改。上使用而不用作任何修改。PeliCAN模式模式是新的操作模式。它能够处理所有是新的操作模式。它能够处理所有CAN2.0BCAN2.0B规范的帧类规范的帧类型，并提供一些增强功能，使型，并提供一些增强功能，使SJA1000SJA1000能应用于更宽的能应用于更宽的领域。领域。2.4 CA

54、N主要部件的结构和原理主要部件的结构和原理 SJA1000的基本特性的基本特性F和和PCA82C200 独立独立CAN 控制器引脚兼容控制器引脚兼容F和和PCA82C200 独立独立CAN 控制器电气兼容控制器电气兼容F扩展的接收缓冲器扩展的接收缓冲器64 字节先进先出字节先进先出FIFOF同时支持同时支持11 位和位和29 位识别码位识别码F位速率可达位速率可达1Mbits/sF另外还具备另外还具备PeliCAN 模式的扩展功能模式的扩展功能2.4 CAN主要部件的结构和原理主要部件的结构和原理 SJA1000的封装与管脚定义的封装与管脚定义2.4 CAN主要部件的结构和原理主要部件的结构和

55、原理 SJA1000组成及各部分功能组成及各部分功能FCAN核心模块核心模块 F接口管理逻辑接口管理逻辑F 发送缓冲器发送缓冲器/接收缓冲器接收缓冲器F 验收滤波器验收滤波器F 位流处理器位流处理器F 位时序逻辑位时序逻辑F 错误管理逻辑错误管理逻辑 2.4 CAN主要部件的结构和原理主要部件的结构和原理 F 接口管理逻辑（接口管理逻辑（IML） 接口管理逻辑负责同外部主控制器的接口管理逻辑负责同外部主控制器的接口。该单元中的每一个寄存器都可接口。该单元中的每一个寄存器都可由主控制器通过由主控制器通过SJA1000的地址的地址/数据数据总线访问。总线访问。2.4 CAN主要部件的结构和原理主要

56、部件的结构和原理 F发送缓冲器（发送缓冲器（TXB） SJA1000 的发送缓冲器存储要在的发送缓冲器存储要在CAN 总线上发总线上发送的数据，它能够存储一个完整的信息帧（扩展送的数据，它能够存储一个完整的信息帧（扩展的或标准的），主控制器可直接将标识符和数据的或标准的），主控制器可直接将标识符和数据送入发送缓冲区，然后置位命令寄存器（送入发送缓冲区，然后置位命令寄存器（CMR）中的发送请求位中的发送请求位TR，启动，启动CAN核心模块读取发核心模块读取发送缓冲区中的数据，按照送缓冲区中的数据，按照CAN协议封装成完整的协议封装成完整的CAN信息帧，通过收发器发往总线。信息帧，通过收发器发往总

57、线。2.4 CAN主要部件的结构和原理主要部件的结构和原理 发送缓冲器被分为发送缓冲器被分为描述符区和数据区描述符区和数据区，描述符区的第一，描述符区的第一个字节是帧信息字个字节是帧信息字节（帧信息），它节（帧信息），它说明了帧格式（说明了帧格式（SFF 或或EFF）、）、 远远程或数据帧以及数程或数据帧以及数据长度。据长度。2.4 CAN主要部件的结构和原理主要部件的结构和原理 接收缓冲器（接收缓冲器（RXB， RXFIFO ） 从从CAN 总线上收到的数据被存储在总线上收到的数据被存储在SJA1000 的存储区，这个存储区叫接收缓冲器。它是验的存储区，这个存储区叫接收缓冲器。它是验收滤波器

58、和收滤波器和CPU之间的接口，用来储存从之间的接口，用来储存从CAN 总线上接收的信息。接收缓冲器（总线上接收的信息。接收缓冲器（RXB，13 个个字节）作为接收字节）作为接收FIFO （RXFIFO 长长64字节）的字节）的一个窗口可被一个窗口可被CPU 访问。访问。2.4 CAN主要部件的结构和原理主要部件的结构和原理 2.4 CAN主要部件的结构和原理主要部件的结构和原理 验收滤波器（验收滤波器（ACF） 完成接收信息的滤波，验收滤波器把它其中的数完成接收信息的滤波，验收滤波器把它其中的数据和接收的识别码的内容相比较以决定是否接收信据和接收的识别码的内容相比较以决定是否接收信息，只有验收滤波通过且无差错，才把接收到的信