传感器与自动识别技术 课件 项目七 基于CAN总线的汽车监测系统

项目七基于CAN总线的汽车监测系统传感网应用开发（初级）单元阐述：

伴随着社会经济的不断进步，为我们交通运输业发展创造了有利契机，汽车俨然转变成当前人们日常生活中不可或缺的一种交通工具。现代汽车中的传感器类型很多，比如：整车加速度传感器、车身高度传感器、座椅压力传感器、方向盘转角传感器、温湿度传感器等，所有的这些传感器都是通过汽车内部的CAN总线连接在一起的。同时，实时监测汽车中的温湿度、光照度、汽车座椅压力等指标可以有效的远程监控汽车的整体运行状态、提示驾驶员及车内乘客系好安全带，避免汽车在行进过程中出现种种安全问题。项目七基于CAN总线的汽车监测系统单元阐述：

实时监测汽车中的温湿度、光照度、汽车座椅压力等指标可以有效的远程监控汽车的整体运行状态、提示驾驶员及车内乘客系好安全带，避免汽车在行进过程中出现种种安全问题。如图7-1-1所示。项目七基于CAN总线的汽车监测系统项目七基于CAN总线的汽车监测系统图7-1-1汽车内部传感器示意图知识目标：了解CAN总线的概念和工作原理了解CAN接口和CAN接口芯片功能，了解CAN电平转换电路及接口标准掌握CAN总线故障检测的方法了解CAN总线协议掌握CAN总线数据的抓包的方法掌握CAN总线协议分析方法掌握压电传感器的工作原理、基本结构、应用特点项目七基于CAN总线的汽车监测系统技能目标：能搭建CAN总线系统能对常见的CAN总线故障进行故障检测和排查能对CAN总线终端节点进行程序烧写能对CAN总线终端节点进行配置能对CAN总线上的数据进行抓包并解析能完成基于CAN总线的汽车监测系统三种传感模块的数据采集项目七基于CAN总线的汽车监测系统任务一

CAN总线的搭建职业能力：了解CAN总线的概念和工作原理；了解CAN接口和CAN接口芯片功能，了解CAN电平转换电路及接口标准；掌握CAN总线故障检测的方法；掌握压电传感器的工作原理、基本结构、应用特点；能搭建基于CAN总线的汽车监测系统；能对常见的CAN总线故障进行故障检测和排查；CAN是ControllerAreaNetwork的缩写（以下称为CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。在汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。1986年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN通信协议。此后，CAN通过ISO11898及ISO11519进行了标准化，在欧洲已是汽车网络的标准协议。CAN的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。1.CAN总线的概念一、CAN总线的概念和工作原理

CAN有两个标准，分别为ISO11898

和ISO11519。①遵循ISO11898标准定义了通信速率为

125kbps～1Mbps的高速CAN通信标准，属于高速CAN总线网络（500Kbps）。应用在汽车动力与传动系统，它是闭环网络，传输速率可达1Mbps，总线最大长度为40米，要求两端各有一个120Ω的电阻。②遵循ISO11519标准定义了通信速率为

10～125kbps的低速CAN通信标准，属于低速CAN总线网络（125Kbps）。低速CAN总线网络被应用在汽车车身系统，它的两根总线是独立的，不形成闭环，传输速率为40kbps时，总线长度可达1km。要求每根总线上各串联一个2.2KΩ的电阻。终端电阻用来做阻抗匹配，以减少回波反射，如图所示。2.CAN总线标准及网络拓扑图

当CAN总线上的一个节点（站）发送数据时，它以报文的形式广播给网络中所有节点，这时网上的其它节点处于接收状态。对每个节点来说，无论数据是否是发给自己的，都对其接收。

当一个站要向其它站发送数据时，该站的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN芯片，并处于准备状态;当它收到总线分配时，转为发送报文状态。

对于传感网的各种总线标准来讲，发送数据和接收数据是最重要的。CAN总线是如何发送和接收数据的呢？首先，我们必须了解到一点，CAN总线上同一时间段只能有一个节点发送数据，其余的节点均为接收数据。3.CAN总线的工作原理①数据通信没有主从之分，任意一个节点可以向任何其他（一个或多个）节点发起数据通信，靠各个节点信息优先级先后顺序来决定通信次序。②支持时间触发通信功能，发送报文的优先级可软件配置。多个节点同时发起通信时，优先级低的避让优先级高的，不会对通信线路造成拥塞。③CAN是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信距离最远可达10KM（速率低于5Kbps)，速率可达到1Mbps（通信距离小于40M）。④CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。⑤FIFO(FirstInputFirstOutput)，即先进先出队列，溢出处理方式可配置。4.CAN总线的主要特点总线上传输的信息被称为“报文”。报文的电平分为两种“显性电平”和“隐形电平”。CAN数据总线有两条导线，一条是黄色的，一条是绿色的------分别是CAN_H线和CAN_L线，当静止状态时，这两条导线上的电平一样，这个电平称为静电平，大约为2.5伏。5.CAN总线的报文信号电平电平状态CAN_H（伏）CAN_L（伏）Vdiff（伏）逻辑值状态显性电平3.51.520激活状态隐形电平2.52.501未激活状态1.DB_9端子二、CAN接口和CAN接口芯片的功能DB_9针型插座引脚信号描述1N.C.未用2CAN_LCAN_L信号线（低电平）3CAN_GND参考地4N.C.未用5CAN_SHIELD屏蔽线6CAN_GND参考地7CAN_HCAN_L信号线（高电平）8N.C.未用9N.C.未用2.OPEN_5端子二、CAN接口和CAN接口芯片的功能引脚信号描述1CAN_GND接地2CAN_LCAN_L信号线（低电平）3(CAN_SHLD)屏蔽线4CAN_HCAN_H信号线（高电平）5(CAN_V+)电源线2.OPEN_5端子二、CAN接口和CAN接口芯片的功能USB转OPEN_5端子图OPEN_5与DB_9转接头图

2.M12端子二、CAN接口和CAN接口芯片的功能引脚信号描述1(CAN_SHLD)屏蔽线2(CAN_V+)电源线3CAN_GND接地4CAN_HCAN_H信号线（高电平）5CAN_LCAN_L信号线（低电平）1.CAN总线常见的故障类型三、CAN总线故障检测的方法CAN总线上无电压值。从诊断插头测量上电压值为0V

CAN总线上无电压变化，从诊断插头测量的总线电压U=蓄电池的U对正极短路

CAN总线上无电压变化，从诊断插头测量的总线电压U=0V对地短路断路2.CAN总线检测工具的使用三、CAN总线故障检测的方法①示波器

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。2.CAN总线检测工具的使用三、CAN总线故障检测的方法②万用表

万用表也称为多用表、三用表、复用表，是一种多功能、多量程的测量仪表，一般万用表可测量直流电流、直流电压、交流电压、电阻和音频电平等，有的还可以测交流电流、电容量、电感量及半导体的一些参数（如β）。2.CAN总线检测工具的使用三、CAN总线故障检测的方法③诊断仪

汽车诊断仪是一款专门针对汽车检测的专业仪器，可实时检测车辆的性能，并对车辆故障进行检测，是检测车辆必备的一种工具。此种总线检测工具仅用于汽车上的CAN总线检测。1.示波器的连接四、

使用示波器进行CAN总线故障检测2.正常波形图分析四、

使用示波器进行CAN总线故障检测在此波形图中我们可以看到，在隐形电平状态时，CAN_H和CAN_L的电压值均为2.5V，在显性状态时，CAN_H的电压值为3.5V左右，对应诊断插头的6号针脚，CAN_L的电压值为1.5V左右，对应的是诊断插头的14号脚。通过此图我们能够清楚的看到，波形图从隐形电平状态到显性电平状态再到隐形电平状态时，波形传输都是一个镜像传输的过程。检测结果：此CAN总线无故障。3.示波器异常波形分析--对地短路四、

使用示波器进行CAN总线故障检测通过波形图可以明显的看到，上方CAN_H的波形图一直显示为0V，而CAN_L的波形为正常的波形图。解决方法：找到连接CAN_H的6号针脚，查找是否有对地短路的情况，例如：导线中断、导线局部磨损、插头连接损坏/触头损坏/污垢、锈蚀等情况。检测结果：此CAN总线CAN_H对地短路。4.示波器异常波形分析--对电源短路四、

使用示波器进行CAN总线故障检测通过波形图可以明显的看到，上方CAN_H的波形图一直显示为12V（电源电压值12V），而CAN_L的波形为正常的波形图。解决方法：找到连接CAN_H的6号针脚，查找是否有对电源短路的情况，例如：导线中断、导线局部磨损、插头连接损坏/触头损坏/污垢、锈蚀等情况。检测结果：此CAN总线CAN_H对电源短路。5.示波器异常波形分析--CAN_H和CAN_L互相短路四、

使用示波器进行CAN总线故障检测通过波形图可以明显的看到，上方CAN_H和下方CAN_L均有波形图，说明没有对地或对电源短路的情况，但之前讲过，CAN_H和CAN_L的波形图应该镜像传输，但此时两个波形图重叠，由此判断CAN_H和CAN_L相互短路。解决方法：找到连接CAN_H的6号针脚和连接CAN_L的14号针脚，查找是否有相互短路情况。检测结果：此CAN总线CAN_H和CAN_L相互短路。1.万用表显示结果--CAN无总线故障五、

使用万用表进行CAN总线故障检测

在隐形电平状态时，CAN_H和CAN_L的电压值均为2.5V，在显性状态时，CAN_H的电压值为3.5V左右，对应诊断插头的6号针脚，CAN_L的电压值为1.5V左右，对应的是诊断插头的14号脚。正常的CAN_H和CAN_L的电压值在1.5V和3.5V之间，因此如图7-1-20所示，6号针脚的CAN_H值显示为2.6V，14号针脚的CAN_L电压值显示为2.338V，显示结果正常。检测结果：此CAN总线无故障。2.万用表显示结果--CAN总线故障五、

使用万用表进行CAN总线故障检测通过分析，电压值1为12.48V，外界电源电压值为12V，因此万用表1检测的结果是某一个CAN线对电源短路；电压值2为我们测量的6号针脚CAN_H的电压值为2.466V，而CAN_H的电压值应该在2.5V-3.5V之间，因此考虑蓄电池电压相对较低；电压值3为0V，则CAN线出现断路，没有电压。检测结果：此CAN总线有故障。六、

其他方式进行CAN总线故障检测（1）CAN总线中两个终端电阻是否连接正常（2）CAN总线外观的检测有时CAN总线出现故障之后，一些仪器会出现问题，比如汽车中风扇不旋转、收音机无法正常使用、玻璃不能升降、遥控器无法上锁开锁等情况，通过外围现象判断是否CAN线出现故障。解决方法：插拔相应的模块，当某个模块插拔后整个电路的电压显示值正常，则说明模块出现问题或模块与总线连接的插接点出现问题。1.压电传感器工作原理—压电效应七、压电传感器1.压电传感器工作原理—等效电路。

（a）电荷发生器（b）电容器（c）电荷源（d）电压源七、压电传感器2.压电传感器的基本结构七、压电传感器

①

②

⑤

⑦

⑥

⑧

④

③

⑨

⑩

2.压电传感器的应用领域七、压电传感器①用于减振降躁②用于结构静变形控制③用于结构损伤监测④

用于加工工艺监测⑤

用于车辆行驶称重⑥

用于航空和航海⑦

压电式报警器课程小结CAN总线的搭建谢谢大家学习汇报人：XXX汇报时间：XX年XX项目七基于CAN总线的汽车监测系统传感网应用开发（初级）任务二

CAN总线终端节点烧写和配置职业能力：能对CAN总线终端节点进行程序烧写能对CAN总线终端节点进行配置不管是CAN总线终端节点进行程序烧写或者对终端节点的配置都可以通过NewLab实训平台进行，需要通过串口通信来进行烧写，首先让我们先来了解一下串口通信的基础知识。

串口是一种非常通用的设备通信的协议。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。串口通信（串口名PortName）最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口，这些参数必须匹配。

一、串口通信的基础知识1.波特率（BaudRate）在信息传输通道中，携带数据信息的信号单元叫码元，每秒钟通过信道传输的码元数称为码元传输速率，简称波特率，其单位是波特（Baud）。常用的波特率有2400、4800、9600、57600、115200、128000、256000。2.数据位（DataBits）这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据不会是8位的，标准的值是5、6、7和8位。3.停止位用于表示单个包的最后一位。典型的值为1，1.5和2位。4.奇偶校验位（Parity）在串口通信中一种简单的检错方式。有三种检错方式：偶（Even）、奇（Odd）、无（None）。具体如图7-2-1所示。图7-2-1串口通信示意图通常情况下，CAN总线系统的硬件架构由MCU、一个CAN控制器、一个CAN收发器、两个数据传输终端及两条数据传输总线（CAN_H和CAN_L）组成，除了数据总线外，其他各元件基本都置于个调节单元的内部。也有部分的MCU集成了CAN控制器，则CAN总线系统的硬件架构即变成了MCU、一个CAN收发器及数据传输总线。图7-2-2为CAN总线上节点的硬件架构。二、CAN控制器和收发器1.CAN总线的硬件架构图7-2-2CAN总线上节点的硬件架构官方定义：CAN控制器用于将欲收发的信息（报文），转换为符合CAN规范的CAN帧，通过CAN收发器，在CAN-bus上交换信息。举个便于理解的例子:就像您发快递一样,要根据快递公司提供的快递单填写具体的信息(发件人和收件人的地址、联系电话等),快递公司将之标准化（统一的快递单格式，并对每一件快递进行编号），随后才能传递信息（您快递的具体东西，如文件、衣服、手机等）。①CAN控制器分类CAN控制器芯片分为两类：

一类是独立的控制器芯片，如SJA1000；另一类是和微控制器做在一起，如NXP半导体公司的Cortex-M0内核LPC11Cxx系列微控制器、LPC2000系列32位ARM微控制器。CAN控制器的大致分类及相应的产品可参见表所示。2.CAN控制器类别产品举例独立CAN控制器NXP半导体的SJF1000CCT、SJA1000、SJA1000T集成CAN控制器的单片机NXP半导体的P87C591等CAN控制器的ARM芯片NXP半导体的LPC11Cxx系列微控制器；TI半导体Stellaris系列ARM的S5000、S8000、S9000系列。②CAN控制器的工作原理为了便于读者理解CAN控制器的工作原理，下面给出了一个SJA1000CAN控制器的经过简化的结构框图，如图7-2-3所示。图7-2-3CAN控制器结构示意图

接口管理逻辑接口管理逻辑用于连接外部主控制器，解释来自主控制器的命令，控制CAN控制器寄存器的寻址，并向主控制器提供中断信息和状态信息。CAN核心模块CAN核心模块收到一个报文时，CAN核心模块根据CAN规范将串行位流转换成用于接收的并行数据，发送一个报文时则相反。

发送缓冲器发送缓冲器用于存储一个完整的报文，当CAN控制器发送初始化时，接口管理逻辑会使CAN核心模块从发送缓冲器读CAN报文。验收滤波器验收滤波器可以根据用户的编程设置，过滤掉无须接收的报文。

接收FIFO接收FIFO是验收滤波器和主控制器之间的接口，用于存储从CAN总线上接收的所有报文。工作模式CAN控制器可以有两种工作模式（BasicCAN和PeliCAN）。BasicCAN仅支持标准模式，PeliCAN支持CAN2.0B的标准模式和扩展模式。3.CAN收发器官方定义：CAN收发器是CAN控制器和物理总线之间的接口，将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平，在两条有差分电压的总线电缆上传输数据。举个便于理解的例子:这类似于快递员，负责收发快递的工作。目前市面上常见CAN收发器的分类及相应产品主要由以下几种：3.CAN收发器（1）隔离CAN收发器：主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的查分电平。相应产品有：CTM8250系列、CTM8251系列。（2）通用CAN收发器：主要产品有NXP半导体的TJA1050、TJA1040等系列。（3）

高速CAN收发器：主要功能是支持较高的CAN通信速率。相应产品有：NXP半导体的TJA1050、TJA1040、TJA1041等。（4）容错CAN收发器：主要功能是在总线出现破损或短路情况下，容错性CAN收发器依然可以维持运行，这类收发器对于容易出现故障的领域，具有重要的意义。主要产品有NXP半导体的TJA1054、TJA1054A、TJA1055、TJA1055/3。三.CAN总线终端节点烧写方法下面我们以意法半导体（ST）公司出品STM32F系列属于中低端的32位ARM微控制器STM32F103型号为例来进行CAN总线终端节点烧写方法的讲解。该系列芯片其内核是Cortex-M3，即我们说的M3主控芯片。如图7-2-4和图7-2-5所示为M3主控芯片部分引脚配置图和CAN总线电路图中，PA9、PA10分别配置为USART1即串口1的发送和接收端口，PA11、PA12分别配置为CAN总线的接收和发送端口即CAN_RX和CAN_TX，对照M3主控模块的RXD和TXD，如表7-2-2所示，RXD和TXD即来自CAN控制器发送数据输入端和接收数据输出端。1、CAN总线芯片电路图工作原理图7-2-4M3主控芯片部分引脚配置图表7-2-2CAN收发器芯片的引脚功能描述引脚编号名称功能描述1TXDCAN发送数据输入端（来自CAN控制器）2GND接地3VCC接3.3供电4RXDCAN发送数据输入端（发往CAN控制器）5VREFVCC/2参考电压输出引脚，一般留空6CAN_HCAN总线高电平线7CAN_LCAN总线低电平线8S模式选择引脚拉低接地：高速模式拉高接Vcc：低功耗模式图7-2-5CAN总线电路图2.CAN总线网关节点和终端节点的烧写方法在烧写CAN总线节点时，需要注意M3主控芯片的JP1引脚的拨码开关，烧写时，需将JP1拨向boot方向。具体参加图7-2-6和图7-2-7所示。我们可以清楚的看到，当JP1引脚的拨码开关拨向3口，即boot方向时M3主控模块中的PB2_BOOT1高电平，随即M3主控芯片上的PB2_BOOT1引脚被激活，即M3主控芯片进行工作状态，可以对其进行烧写和配置操作。当JP1引脚的拨码开关拨向1口，即NC方向时接地，即M3主控模块芯片不工作，无法对其进行烧写和配置操作。图7-2-6JP1引脚电路图

图7-2-7M3主控芯片部分引脚电路图课程小结CAN总线终端节点烧写和配置谢谢大家学习汇报人：XXX汇报时间：XX年XX项目七基于CAN总线的汽车监测系统传感网应用开发（初级）任务三CAN总线数据抓包与分析职业能力：了解CAN总线的通信帧类型掌握CAN总线数据的抓包的方法一、CAN通信帧类型CAN总线上传输的帧是CAN帧，CAN的通信帧通常分为以下五种类型，具体如表7-3-1所示。序号帧类型帧用途1数据帧用来节点之间收发数据，是使用最多的帧2遥控帧（远程帧）接收节点向发送节点接收数据3错误帧某节点发现帧错误时用来向其他节点通知的帧4过载帧接收节点用来向发送节点告知自身接收能力的帧5帧间隔将数据帧、远程帧与前面帧间隔的帧表7-3-1CAN通信帧的类型和用途二、数据帧一个数据帧由7个段构成，分别为帧起始、仲裁段、控制段、数据段、CRC段、ACK段、帧结束。数据帧又分为标准帧和扩展帧两种，如图7-3-1所示。图7-3-1CAN数据帧结构

帧起始由一个显性位（低电平）组成，发送节点发送帧起始，其他节点同步于帧起始；只有当总线处于空闲状态（总线电平呈现隐形状态）时，才允许站点开始发送信号。1、帧起始CAN总线是如何解决多点竞争即同一时间段有多个节点需要同时发送数据谁将最终发送的问题，即需要由数据帧的仲裁段来进行仲裁。CAN总线控制器在发送数据的同时监控总线电平，如果电平不同，则停止发送并做其他处理。CAN总线上同一时间段只能有1个节点为发送数据，其余的节点均为接收数据。显性电平的优先级大于隐形电平优先级。具体案例如图7-3-2所示。2、仲裁段图7-3-2三个节点竞争CAN总线全过程标准帧与扩展帧的仲裁段格式有所不同：标准帧的仲裁段由11bit的标识符ID和RTR（RemoteTransmissionRequest，远程发送请求）位构成；扩展帧的仲裁段由29bit的标识符ID和SRR（SubstituteRemoteRequest，替代远程请求）位、IDE位和RTR位构成。帧ID越小，优先级越高。由于数据帧的RTR位为显性电平，扩展帧为隐性电平，所以帧格式和帧ID相同的情况下，数据帧优先于扩展帧；由于标准帧