《汽车单片机及车载总线技术》-6

第一节CAN技术规范一、简介控制局域网CAN为串行通信，能有效地支持很高安全等级的分布式实时控制。CAN的应用范围越来越广，从高速的网络到低价位的多路配线都可以使用CAN。在汽车的电子行业里，使用CAN连接发动机电控单元、传感器和防抱死系统等，其传输速度可以达到1Mb/s。同时，CAN可以安装在汽车车身的电子控制系统里，诸如车灯组和电控车窗等，用以替代传统的接线配线装置。返回下一页第一节CAN技术规范CAN技术规范的目的是为了在任何两个CAN仪器之间建立兼容性，但兼容性也有不同的方面，比如电气特性和数据转换的解释。为了达到设计透明度以及实现柔韧性，CAN可细分为以下不同的层次:1.数据链路层1)逻辑链路控制子层LLC(LogicalLinkControl);2)媒体访问控制子层MAC(MediumAccessControl)o下一页返回上一页第一节CAN技术规范2.物理层在版本CAN2.0规范中，数据链路层的LLC子层和MAC子层的服务及功能分别被解释为“对象层”和“传输层”(包括所有由ISO/OSI模型定义的数据链路层的服务和功能)。逻辑链路控制子层(LLC)的作用范围如下:1)为远程数据请求以及数据传输提供服务;2)确定由实际要使用的LLC子层接收哪一个报文;3)为恢复管理和过载通知提供手段。上一页下一页返回第一节CAN技术规范二、基本概念CAN具有以下的属性:1)报文的优先权;2)保证延迟时间;3)设置灵活;4)时间同步的多点接收;5)系统内数据的连贯性;

6)多主机;7)错误检测和错误标定;8)只要总线一处于空闲，就自动将破坏的报文重新传输;9)将节点的暂时性错误和永久性错误区分开来，并且可以自动关闭由OSI参考模型分层CAN结构的错误节点。上一页下一页返回第一节CAN技术规范

(一)根据ISO/OSI参考模型CAN的分层结构1)用户可以在应用层上定义协议或规范，如CANopen,DeviceNet和SDS等。CAN仅仅对下层进行了标准化;2)逻辑链路控制子层LLC涉及报文滤波、过载通知以及恢复管理;3)媒体访问控制子层MAC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”(FaultConfinement)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。4)物理层定义信号是如何实际地传输的，其涉及位时间、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。上一页下一页返回第一节CAN技术规范

(二)报文(Messages)总线上的信息以几个不同固定格式的报文发送，但长度受限。当总线空闲时，任何连接的单元都可以开始发送新的报文。

(三)信息路由(InformationRouting)在CAN系统里，CAN的节点不使用任何关于系统配置的报文(比如站地址)。下面简单介绍几个重要的概念。1)系统灵活性:不需要应用层以及任何节点软件和硬件的任何改变，可以在CAN网络中直接添加节点。上一页下一页返回第一节CAN技术规范2)报文路由:报文的寻址内容由识别符指定。识别符不指出报文的目的地，但解释数据的含义。因此，网络上所有的节点均可以通过报文滤波确定是否应对该数据做出反应。3)多播:由于引入了报文滤波的概念，任何节点都可以接收报文，并同时对此报文做出反应。4)数据连贯性:应确保报文在CAN网络里同时被所有的节点接收(或同时不被接收)。因此，系统的数据连贯性是通过多播和错误处理的原理实现的。(四)位速率(BitRate)不同的系统，CAN的速度不同，可是在一个给定的系统里，位速率是唯一的，并且是固定的。上一页下一页返回第一节CAN技术规范

(五)优先权(Priorities)在总线访问期间，识别符定义一个静态的(固定的)报文优先权。(六)远程数据请求(RemoteDataRequest)通过发送远程帧，需要数据的节点可以请求另一节点发送相应的数据帧。数据帧和相应的远程帧具有相同的识别符。(七)多主机(Multimaster)总线空闲时，任何单元都可以开始传送报文，具有较高优先权报文的单元可以获得总线访问权。这种特性特别适合于汽车各个电控系统，下面简单介绍一下单主机和多主机总线的区别。多路总线技术的核心是采用串行总线。目前各种场合的串行总线种类很多，其中许多是单主站形式，如图6一3所示。上一页下一页返回第一节CAN技术规范三、报文传输(一)帧格式有两种不同的帧格式，不同之处为识别符场的长度不同:具有11位识别符的帧称为标准帧，而含有29位识别符的帧称为扩展帧。(二)帧类型报文传输由以下4个不同的帧类型所表示和控制。数据帧:数据帧将数据从发送器传输到接收器。远程帧:总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。错误帧:任何单元检测到总线错误就发出错误帧。过载帧:过载帧用以在先行的和后续的数据帧(或远程帧)之间提供一附加的延时。数据帧和远程帧可以使用标准帧及扩展帧两种格式。它们用一个帧间空间与前面的帧分隔。上一页下一页返回第一节CAN技术规范

(三)关于帧格式的一致性帧的标准格式相当于在CAN1.2规范中描述的数据/远程帧，而扩展格式是CAN协议的一新特色。为了使控制器的设计相对简单，不要求扩展格式的执行达到它的完整扩展(例如，在扩展格式里发送报文或接收来自于报文的数据)，但是，必须支持标准格式而没有限制。如果新的控制器至少具有以下属性，则其即被认为是符合CAN规范:1)每一新的控制器支持标准格式;2)每一新的控制器可以接收扩展格式的报文。这需要扩展格式不因其格式而被破坏，但不要求新的控制器必须支持扩展格式。上一页下一页返回第一节CAN技术规范

(四)发送器和接收器的定义1.发送器(Transmitter)产生报文的单元被称为报文的“发送器”。此单元保持作为报文发送器直到总线出现空闲或此单元失去仲裁(Arbitration)为止。2.接收器(Receiver)如果有一单元不作为报文的发送器并且总线也不空闲，则这一单元就被称为报文的“接收器”。四、报文滤波报文滤波取决于整个识别符。允许在报文滤波中将任何的识别符位设置为“不考虑”的可选屏蔽寄存器，可以选择多组的识别符，使之被映射到隶属的接收缓冲器里。上一页下一页返回第一节CAN技术规范五、报文校验校验报文有效的时间点，发送器与接收器各不相同。1.发送器(Transmitter)如果直到帧的末尾位均没有错误，则此报文对于发送器有效。如果报文破损，则报文会根据优先权自动重发。为了能够和其他报文竞争总线，重新传输必须在总线空闲时启动。2.接收器(Receiver)如果直到最后的位(除了帧末尾位)均没有错误，则报文对于接收器有效。帧末尾最后的位被置于“不重要”状态，如果是一个“显性”电平也不会引起格式错误。上一页下一页返回第一节CAN技术规范六、编码编码即位流编码(BitStreamCoding)，它的规定是帧的部分采用NRZ(Non-return-to-zeroCode)方式编码。这就是说，在整个位时间里，位的电平要么为“显性”，要么为“隐性”。RZ编码:在RZ编码中，正电平代表逻辑1，负电平代表逻辑0，并且每传输完一位数据，信号返回到零电平，也就是说，信号线上会出现正电平、负电平和零电平3种电平。因为每位传输之后都要归零，所以接收者只要在信号归零后采样即可，这样就不再需要单独的时钟信号。实际上，RZ编码就是相当于把时钟信号用在了归零编码数据之内，这样的信号也叫做自同步(Self-clocking)信号。这样虽然省了时钟数据线，但是还是有缺点的，因为在RZ编码中，大部分的数据带宽都用来传输“归零”而浪费掉了。那么，我们去掉这个归零步骤，NRZ编码(Non-return-to-zeroCode)就出现了，其和RZ的区别就是NRZ是不需要归零的，这样，浪费的带宽又回来了。上一页下一页返回第一节CAN技术规范七、错误处理(一)错误检测错误类型主要有以下5种(这5种错误不会相互排斥)。1.位错误(BitError)单元在发送位的同时也对总线进行监视。如果所发送的位值与所监视的位值不相符合，则在此位时间里检测到一个位错误，如图6-22所示。但是在仲裁场的填充位流期间或应答间隙发送一“隐性”位的情况是例外的，此时，当监视到一“显性”位时，不会发出位错误。当发送器发送一个“认可错误”标志但检测到“显性”位时，也不视为位错误。上一页下一页返回第一节CAN技术规范

2.填充错误(StuffError)如果在使用位填充法进行编码的信息中出现了6个连续相同的位电平时，将检测到一个填充错误。在帧起始位与CRC分隔符之间不允许存在6个连续的相同极性的位出现，如图6一23所示。3.CRC错误(CRCError)CRC序列包括发送器的CRC计算结果。接收器计算CRC的方法与发送器相同，计算出的校验值与接收到的校验值必须一致，如图6一23所示。如果计算结果与接收到CRC序列的结果不相符，则检测到一个CRC错误，如图6一24所示。上一页下一页返回第一节CAN技术规范八、故障界定至于故障界定(FaultConfinement)，单元的状态可能为以下三种之一:1)“错误激活”(FaultActive)。2)“错误认可”(ErrorPasitive)。3)“总线关闭”(Busoff)。“错误激活”的单元可以正常地参与总线通信并在错误被检测到时发出主动错误标志。上一页下一页返回第一节CAN技术规范“错误认可”的单元不允许发送激活错误标志。“错误认可”的单元参与总线通信，在错误被检测到时只发出认可错误标志。而且，发送以后，“错误认可”单元将在初始化下一个发送之前处于等待状态。“总线关闭”的单元不允许在总线上有任何的影响(比如，关闭输出驱动器)。在每一总线单元里使用两种计数以便故障界定:1)发送错误计数。2)接收错误计数。上一页下一页返回第一节CAN技术规范九、振荡器容差由于给定的最大的振荡器容差为1.580/，因此，凭经验可将陶瓷谐振器使用在传输率高达125kb/s的应用里。为了满足CAN协议的整个总线速度范围，需要使用石英晶振。在一个系统中，具有最高振荡精确度要求的芯片，决定了其他节点的振荡精度。上一页下一页返回第一节CAN技术规范十、位定时要求(一)标称位速率(NominalBitRate)标称位速率为一理想的发送器在没有重新同步的情况下每秒发送的位数量。(二)标称位时间(NominalBitTime)每个位时间如图6一28所示，可以分为4个时间段，包括8一25个时间份额(TimeQuantum)。时间份额来源于对晶振频率可编程的分频。CAN波特率可通过编程设置合适的时间份额长度与数量来确定。上一页下一页返回第一节CAN技术规范

1.同步段(SYNC_SEG;SynchronizationSegment)位时间的同步段用于同步总线上不同的节点，这一段内要有一个跳变沿。一个位的输出从同步段开头启动(对于发送节点)，如总线状态要被改变，接收节点应在这个时间段内进行改变。同步段为固定长度，占1个时间份额。2.传播时间段(PROP-SEG;PropagationSegment)传播段用于补偿网络内的物理延时时间。它是总线上输入比较器延时和输出驱动器延时总和的两倍，长度可编程1一8个时间份额。上一页下一页返回第一节CAN技术规范3.相位缓冲段1和相位缓冲段2(PHASE-SEG1,PHASE-SEG2)相位缓冲段1允许通过重新同步对该段时间加长，在这个时间段的末端进行总线状态的采样，长度可编程(1一8个时间份额)。

4.采样点(SamplePoint)采样点是读总线电平并解释各位的值的一个时间点。采样点位于相位缓冲段1的结尾。采样点的位置是可以进行编程的，主要有如下两点原因:1)提前采样可以减小振荡器误差的敏感性，便于使用价格低廉的振荡器(如陶瓷振荡器);2)延迟采样可以获取更多的信号传播时间，便于处理更长的总线/不合理的总线拓扑结构。上一页下一页返回第一节CAN技术规范(三)信息处理时间(InformationProcessingTime)信息处理时间是一个以采样点作为起始的时间段。采样点用于计算后续位的位电平。(四)时间量程(TimeQuantum)时间量程是派生于振荡器周期的固定时间单元。这里存在一个可编程的预比例因子，其数值范围为1一32的整数，以最小时间份额为起点，时间份额的长度为:时间份额=mx最小时间份额上一页下一页返回第一节CAN技术规范(五)时间段的长度(LengthofTimeSegments)1)同步段为1个时间量程;2)传播段的长度可设置为1,2,…，8个时间量程;3)相位缓冲段1的长度可设置为1,2,…，8个时间量程;4)相位缓冲段2的长度为相位缓冲段1和信息处理时间之间的最大值;5)信息处理时间少于或等于2个时间量程。一个位时间总的的时间份额值可以设置在8一25上一页下一页返回第一节CAN技术规范1.硬同步(HardSynchronization)硬同步发生在帧的起始位如图6一39所示。硬同步后，内部的位时间从同步段重新开始。因此，硬同步迫使引起硬同步的跳变沿处于重新开始的位时间同步段之内。

2.重新同步跳转宽度(ResynchronizationJumpWidth)重新同步发生在每一个“隐性”到“显性”的跳变沿如图6-40所示。重新同步的结果使相位缓冲段1增长或使相位缓冲段2缩短。相位缓冲段加长或缩短的数量有一个上限，此上限由重新同步跳转宽度给定。重新同步跳转宽度应设置于1和最小值之间(此最小值为4)。上一页下一页返回第一节CAN技术规范

4.重新同步(Resynchronization)当引起重新同步沿的相位误差的幅值小于或等于重新同步跳转宽度的设定值时，重新同步和硬件同步的作用相同。当相位错误的量级大于重新同步跳转宽度时:1)如果相位误差为正，则相位缓冲段1就增长一个与重新同步跳转宽度相等的值;2)如果相位误差为负，则相位缓冲段2就缩短一个与重新同步跳转宽度相等的值。上一页下一页返回第一节CAN技术规范5.同步的原则(SyhcnronizationRules)硬同步和重新同步都是同步的两种形式，遵循以下规则:1)在一个位时间里只允许一个同步;2)仅当采样点之前探测到的值与紧跟沿之后的总线值不相符合时，才把边沿用作于同步;

3)总线空闲期间，有一“隐性”转变到“显性”的沿，无论何时，硬同步都会被执行;4)符合规则1和规则2的所有从“隐性”转化为“显性”的沿可以用作为重新同步。例外情况是，当发送一“显性”位的节点不执行重新同步而导致一“隐性”转化为“显性”沿，此沿具有正的相位误差，不能用作于重新同步。上一页返回第二节CAN在汽车中的应用一、在汽车中的应用状况

1.信息娱乐子网音响、图像等媒体数据流的位速率一般都在2Mb/s以上，超出了CAN的带宽范围。目前IDB一C只适合在信息娱乐子网中进行媒体数据较少出现的辅助通信，比如执行远程诊断或传输操控指令。CAN还要再发展一段时间，特别是在“提速”以后，才有望用于该子网中的高端应用场合。下一页返回第二节CAN在汽车中的应用

2.动力传动子网该子网一般是按照ISO11898,J1939及J2284的要求组建高速CAN或TTCAN来实时采集所有传感器的输出信号，并将采集到的数据打包，再定期以广播方式发送出去;系统中的各节点则从广播消息中“各取所需”，这样才能最佳地利用总线的带宽资源，使每次通信尽可能多吞吐数据，从而用尽量短的广播周期来达到动态实时控制的要求。上一页下一页返回第二节CAN在汽车中的应用

3.车身电子子网该子网通常是遵循ISO11519-2和J2284的要求，组建低速容错CAN来增加传输距离，改善系统抗干扰特性。另外，按照J1939的做法，车身电子子网和动力传动子网也可以统一采用高速CAN来实现。不过，为了迁就现阶段微控制器的处理能力，最好还是将两者分开，这样就可以让动力传动子网中的ECU全力保障汽车动力传动系统的正常运行。为了降低系统的成本，根据系统功能，可以采用以CAN网络为主体，LIN网络为补充的CAN/LIN混合网络。上一页下一页返回第二节CAN在汽车中的应用

4.故障诊断子网传统故障诊断模块正打算采用高速CAN的物理层来实现，并已经形成了ISO/DIS15765和J2480等通信协议。只需再经历一段时间的实践考察，这些协议便有望成为汽车行业的通用标准。由于CAN所派生出来的各种标准，除在物理层有高、低速差别外，其余协议内容大同小异。考虑到仪表板原本就是车上多种信息的汇集中心，只要给它增设高低速CAN的驱动转换功能，就基本上可以起到网关的作用了。上一页下一页返回第二节CAN在汽车中的应用二、CAN使用存在的问题除了CAN规范自身仍然存在一些缺陷，还有两个客观原因制约着CAN在汽车中的全面使用:1)CAN的每个节点都能自主通信。目前CAN微控制器只能以事件触发方式工作，因此，节点较多的CAN一旦用于实时控制，根本无法应付网络事件源源不断送来的中断处理请求。

2)汽车内联网所涉及的节点众多，通信任务繁重。以现阶段CAN微控制器的处理能力，势必需要容量非常大的存储器来缓存和保留数据。仅仅这一项，就会使汽车内联网的硬件成本非常高。上一页返回第三节CAN节点主要芯片的选择构成CAN节点硬件的半导体器件主要有以下几类:1.独立式CAN控制器(Stand-aloneCANControl