车路协同系统装调与测试 课件 任务 5.1：CAN协议数据包识别分析-

主讲老师：李茂沛项目五：车内与车外网络通信安全任务5.1《车联网技术与应用》CAN协议数据包识别分析目录任务导入Assignment

INTRO学习目标Learning

ObjectivesCONTENTS0102知识准备Background

knowledge03任务实施Assignment

implement04课堂总结Summary05PART01任务导入Assignment

INTRO任务导入随着汽车智能化、网联化的不断发展，对CAN协议数据的高效解析与深度分析能力成为了汽车工程师、网络安全专家及系统开发人员不可或缺的技能。同学们思考一下，如何快速解析CAN报文？CAN报文又是如何被修改的？PART02学习目标Learning

Objectives学习目标素质目标激发学生的创新意识；提高学生思考问题和解决问题的能力；引导学生树立崇高的职业理想，为未来的职业生涯奠定坚实的基础。能力目标能使用TSMaster软件发送/接收CAN报文[A42]；能通过DBC文件解析CAN报文[A43]；能利用控件功能修改CAN报文[A44]。知识目标能解释CAN总线的概念、分类、数据类型、传输规则与编码格式[K63]；能说明CANFD的特点[K64]；能阐述TSMaster软件及其实用功能[K65]。PART03知识准备Background

knowledge一、CAN总线的概念CAN总线协议（CAN，ControllerAreaNetwork），控制器局域网络。CAN最初是德国BOSCH（博世）公司为解决现代汽车中众多控制单元、测试仪器之间的实时数据交换而研发的一种串行通讯协议总线，是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线的广播机制1.CAN总线的定义一、CAN总线的概念CAN总线的数据传输线可以为双绞线、同轴电缆和光纤。但为了降低成本，汽车上CAN数据传输线通常采用屏蔽或非屏蔽的双绞线，分别是CAN_H和CAN_L两根线。汽车CAN总线的数据传输线1.CAN总线的定义一、CAN总线的概念2.CAN总线的发展历史

1983年1986年1991年1993年BOSCH公司开始着手开发CAN总线在SAE会议上，CAN总线正式发布Bosch发布CAN2.0标准，分CAN2.0A和CAN2.0BCAN总线被列入国际标准，发布了ISO11898和ISO115192006年2007年2012年2013年ISO11898-3（低功耗，低速物理层）发布ISO11898-5（低功耗，高速物理层）发布BOSCH公司发布了CANFD1.0ISO11898-6（具有选择性唤醒功能的物理层）发布2003年ISO将数据链路和高速物理层的标准分离为ISO11898-1和ISO11898-2两部分2015年ISO11898-1（经典CAN和CANFD）评审稿发布CAN总线的发展历史一、CAN总线的概念CAN国际标准只规定了OSI（开放式通信系统参考模型）的物理层和数据链路层。3.CAN总线的标准CAN国际标准的物理层和数据链路层二、CAN总线的分类CAN协议经ISO标准化后有高速CAN和低速CAN标准两种。高速CAN低速CANISO11898标准ISO11519-2标准ISO11898-3标准二、CAN总线的分类ISO11898定义了通信速率为125kbps～1Mbps的高速CAN通信标准，属于闭环总线。传输速率可达1Mbps，总线长度小于等于40米。高速CAN主要应用在实时性、数据传输速度要求高的场合，例如发动机控制、自动变速箱控制、行驶稳定系统、组合仪表等。1.高速CAN高速CAN总线结构二、CAN总线的分类在CAN总线上传输的信号是差分信号，利用CAN_H和CAN_L两根线上的电位差来表示CAN信号。高速CAN在传输隐性状态位（逻辑为“1”）时，CAN_H和CAN_L的电平都是2.5V，在传输显性位时，CAN_H上的电平是3.5V，CAN_L上的电平是1.5V。1.高速CAN高速CAN总线电平二、CAN总线的分类ISO11519-2和ISO11898-3定义了通信速率为10～125kbps的低速CAN通信标准，属于开环总线。传输速率为40kbps时，总线长度可达1000米。低速CAN主要应用在车身控制系统等对可靠性要求高的场合，例如空调控制、座椅调节、车窗升降、天窗控制、车镜控制、车灯控制、导航系统控制等。2.低速CAN低速CAN总线结构二、CAN总线的分类低速CAN在传输隐性状态位（逻辑为“1”）时，CAN_H上的电平是1.75V，CAN_L上的电平是3.25V，在传输显性状态位（逻辑为“0”）时，CAN_H上的电平是4V，CAN_L上的电平是1V。1.低速CAN低速CAN总线电平三、CAN总线的数据类型CAN协议中数据的传输是以报文的格式进行的，CAN报文是指发送单元向接受单元传送数据的，通常所说的CAN报文是指在CAN线上利用ECU和CAN卡接收到的十六进制报文。CAN报文三、CAN总线的数据类型CAN协议中所传输的消息是以“帧（Frame）”作为基本单位来进行的，CAN总线的数据类型主要有五种，数据帧、过载帧、帧间隔、远程帧和错误帧。帧类型描述数据帧用于表示发送单元向接收单元传送数据的帧过载帧用于接收单元通知其尚未做好接收准备的帧帧间隔用于将数据帧及远程帧与前面的帧分离开来的帧远程帧用于接收单元向具有相同ID的发送单元请求数据的帧错误帧用于当检测出错误时向其他单元通知错误的帧三、CAN总线的数据类型数据帧包含七个段：帧起始、仲裁段、控制段、数据段、循环冗余校验段段（CRC）、确认段（ACK）和帧结束，根据仲裁段标识符长度的不同，分为标准帧和扩展帧。1.数据帧数据帧的结构三、CAN总线的数据类型过载帧是接收单元通知其尚未做好接收准备的帧。过载帧由过载标志（6个连续显性电平位）和过载帧界定符（8个连续隐性电平位）组成。由于存在多个节点同时过载帧发送有时间差问题，可能出现过载标志叠加后超过6个位的现象。2.过载帧过载标志叠加三、CAN总线的数据类型帧间隔用于将数据帧或远程帧和它们之前的帧分离开，但过载帧和错误帧前面不会插入帧间隔。3.帧间隔帧间隔过载帧或错误帧三、CAN总线的数据类型远程帧由帧起始、仲裁段、控制段、CRC段、ACK段和帧结束6个段组成，它没有数据段。同样也分为标准帧和扩展帧。4.远程帧远程帧的结构三、CAN总线的数据类型数据帧与远程帧的对比如下：4.远程帧比较内容数据帧远程帧ID发送节点的ID被请求发送节点的IDSRR0（显性电平）1（隐性电平）RTR0（显性电平）1（隐性电平）DLC发送数据长度请求的数据长度是否有数据段是否CRC校验范围帧起始+仲裁段+控制段+数据段帧起始+仲裁段+控制段三、CAN总线的数据类型错误帧是用于当检测出错误时向其他单元通知错误的帧。错误帧由错误标志和错误界定符（8个位的隐性位）构成。5.错误帧主动错误标志被动错误标志错误帧的结构三、CAN总线的数据类型CAN总线的错误类型包括CRC错误、格式错误、应答错误、位发送错误和位填充错误5种。5.错误帧CAN总线的错误类型CAN总线错误类型四、CAN数据的传输规则与编码格式报文中的数据段一般由1~8个字节（Byte）组成，代表通信协议中相应的含义。每个字节有两个字符，前面字符代表高4位，后边字符代表低4位。1.CAN数据的传输规则报文数据组成四、CAN数据的传输规则与编码格式单字节与多字节的数据传输规则如下：1.CAN数据的传输规则数据传输规则单个字节高位（MSB）→低位（LSB）多个字节低位（LSB）→高位（MSB）Intel格式Motorola格式高位（MSB）→低位（LSB）四、CAN数据的传输规则与编码格式（1）Intel格式编码2.CAN数据的编码格式CAN报文Intel编码四、CAN数据的传输规则与编码格式（2）Motorola格式编码2.CAN数据的编码格式CAN报文Motorola编码五、CAN总线的特点（1）CAN总线的传输线采用双绞线双绞线与两端的通信设备虽然构成一个大的导线闭合回路，但由于双绞线是双线扭绞而成，在空间上构成一个一个的小闭合回路，穿过双绞线的磁感应线在相邻的两个“绞孔”的空间上虽然感应电动势方向相同，但在同一根导线上的感应电动势方向是相反的，因此，起着抵消的作用。1.出色的抗干扰能力CAN总线双绞线抗噪原理

五、CAN总线的特点（2）CAN总线是差分线CAN总线有CAN_H和CAN_L两根线，差分线的抗干扰能力强。1.出色的抗干扰能力差分双绞线五、CAN总线的特点所有节点没有主从之分，可接收，也可发送，在总线空闲的状态下，任意节点都可向总线发送消息。2.多主控模式CAN总线多主控模式CAN总线五、CAN总线的特点总线仲裁机制：3.非破坏性仲裁机制回读机制节点在向总线发送报文的同时也对总线上的电平进行检测，判断本节点发出的二进制位与总线上当前的二进制是否一致。线与机制在总线上，显性位能够覆盖隐性位。五、CAN总线的特点3.非破坏性仲裁机制非破坏性仲裁机制不会造成延时不会破坏报文内容优先级高优先级低五、CAN总线的特点CAN总线上的节点没有“地址”的概念，因此在总线上增加节点时，不会对总线上已有节点的软硬件及应用层造成影响。4.系统的柔软性系统的柔软性五、CAN总线的特点在同一网络中，所有单元必须设定成统一的通信速度。不同网络间则可以有不同的通信速度。两条不同通信速度总线上的节点通过网关可实现信息交互。5.通信速度的设定不同通信速度总线上的节点需要增加网关五、CAN总线的特点6.高度的错误处理功能错误检测所有的节点都可以检测出错误错误通知检测出错误的节点会立即通知总线上其它所有的节点错误恢复正在发送消息的节点，如果检测到错误，会立即停止当前的发送，并同时不断地重复发送此消息，直到该消息发送成功为止五、CAN总线的特点某个节点可以通过发送“远程帧”到总线上的方式，请求另外一个节点来发送由该“远程帧”所指定的报文。7.数据可请求数据可请求

节点A

节点B这水多摄氏度？115℃远程帧；ID：‘oil_tmp’数据帧；ID：‘oil_tmp’115℃五、CAN总线的特点CAN总线可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误还是持续的数据错误。当总线上发生持续数据错误时，可将引起此故障的单元从总线上隔离出去。8.故障封闭故障封闭暂时的数据错误持续的数据错误隔离六、CANFD传统的CAN总线在传输速率和带宽等方面越来越显得力不从心，其主要原因如下：网络负载实际数据传输总线速率响应机制ACK延迟六、CANFDCANFD继承了CAN总线的主要特性，弥补了CAN总线带宽和数据场长度的制约。可变速率从控制场中的BRS位到ACK场之前（含CRC分界符）为可变速率新的数据场长度最大的数据场长度可达64字节六、CANFDCANFD继承了CAN总线的主要特性，提高了CAN总线的网络通信带宽，改善了错误帧漏检率，同时可以保持网络系统大部分软硬件特别是物理层不变。这种相似性使ECU供应商不需要对ECU的软件部分做大规模修改即可升级汽车通信网络。对比传统CANCAN-FD传输速率500kbps500kbps和2Mbps数据场8byte64byte传输时间1021us229us七、TSMaster介绍TSMaster是全方位汽车总线设计、仿真、分析、测试、诊断和标定工具，它是一款虚拟仪器软件平台，可连接、配置并控制硬件工具、设备，实现汽车总线嵌入式代码生成、监控、仿真、开发、UDS诊断、CCP/XCP标定、ECU刷写、I/O控制、测试测量等功能。TSMaster七、TSMaster介绍1.TSMaster的实用功能报文收发加载数据库分析功能仿真功能诊断功能标定功能文件转换图形化编程七、TSMaster介绍2.TSMaster的主要应用场景汽车总线通讯系统设计整车网络测试与验证零部件PV/DV验证生产与售后的刷写路试标定信息安全验证ADAS无人驾驶数据采集回放七、TSMaster介绍3.TSMaster支持的协议类型CAN/CANFDLINAutomotiveEthernetFlexRay思政专栏昆易电子科技（上海）有限公司自动驾驶测试工具开发部于2011年正式组建，致力于自主研发自动驾驶的核心技术。自动驾驶的核心技术研发历程昆易电子科技（上海）有限公司——荣获2022年上海市工人先锋号思政专栏截至目前，已获得专利授权15件、软件著作权23件，获得的资质与荣誉有：全国创新创业大赛高端装备制造组“优秀企业”称号、上海市“专精特新”企业、奉贤区“三个一百”科技创新型企业、奉贤区“四新”经济示企业、临港园区希望之星企业、东方美谷创新潜力企业等。昆易电子科技（上海）有限公司表示：未来自动驾驶测试工具开发部将围绕自动驾驶工具链持续投入研发，坚持以人为本、以结果为导向，创新驱动、高效运营，发挥工匠精神，成为一个拥有自主技术、国际一流的、完整工具链提供者。研发测试工作图昆易电子科技（上海）有限公司——荣获2022年上海市工人先锋号思政专栏昆易电子科技（上海）有限公司的自动驾驶测试工具开发部展现了工匠精神。他们通过不断的技术创新和产品优化，提供了一系列的测试工具，这些工具在电气化、智能化和网联化变革中，为用户提供了强有力的支持。团队的创新和对产品质量的严格把控，体现了工匠精神的核心价值。通过了解此研究经历，可以激发学生的创新意识，提高他们思考问题和解决问题的能力。引导学生能够在学习过程中不断追求卓越，勇于创新。昆易电子科技（上海）有限公司自动驾驶测试工具开发部昆易电子科技（上海）有限公司——荣获2022年上海市工人先锋号课堂小测单选题1.在（

）场景下使用高速CAN。A.空调控制B.发动机控制C.车镜控制D.座椅调节2.远程帧不包含（

）。A.仲裁段B.控制段C.数据段D.循环冗余校验段3.CAN总线的通信速率高达（

）。A.125kbpsB.500kbpsC.1MbpsD.5MbpsBCC课堂小测单选题4.CAN协议经ISO标准化后分为高速CAN和低速CAN，（

）是低速CAN的标准。ISO11898B.ISO11898-2C.ISO11519D.ISO11519-25.TSMaster的实用功能不包括（

）。A.报文收发B.分析功能C.三维建模D.诊断功能DCPART04任务实施Assignmentimplement1.设备工具准备一、实施准备检查笔记本电脑（含鼠标和充电线）。笔记本电脑2.启动电脑打开电脑电源开关，启动电脑。3.打开TSMaster软件一、实施准备在电脑桌面双击打开车联网安全实训平台。单击选择“1.CAN协议数据包识别分析”，再单击“实训手册”，最后单击“TSMASTER演示”打开TSMaster软件。车联网安全实训平台车联网安全实训平台界面3.打开TSMaster软件一、实施准备单击选择“创建空工程”，进入TSMaster主界面。创建空工程二、收发CAN报文1.配置硬件通道单击“硬件”，再单击“通道选择”，打开“应用程序通道选择器”，CAN通道数量选择“2”，最后单击“确定”。配置硬件通道二、收发CAN报文2.启动TSMaster单击“分析”，再单击“启动”，启动TSMaster，启动成功后系统提示“应用程序已连接”。启动TSMaster二、收发CAN报文3.发送CAN报文单击“报文信息”下拉选项，再单击“添加CAN/CANFD报文信息”，弹出“CAN/CANFD报文信息”窗口。单击“报文发送”下拉选项，再单击“添加CAN/CANFD发送”，弹出“CAN/CANFD发送”窗口。添加报文信息添加报文发送二、收发CAN报文3.发送CAN报文在“CAN/CANFD发送”窗口右键单击空白区域，选择“新建原始报文”，得到一条标识符（ID）为0x123的报文。单击报文发送按钮，在报文信息窗口中出现报文信息显示，方向为发送。此时可以认为TSMaster软件是一个CAN节点，挂在了虚拟CAN总线上，它往外发送一条标识符（ID）为0x123的报文。创建CAN报文发送CAN报文二、收发CAN报文4.接收CAN报文重复之前所有步骤，创建一个新的TSMaster工程，在第二个TSMaster中发送CAN报文，在第一个TSMaster中会收到这条CAN报文信息。接收CAN报文三、解析CAN报文1.加载DBC文件在第一个TSMaster中，单击“停止”，断开TSMaster应用程序（注意：加载DBC文件时，确保TSMaster为停止状态）。单击“数据库”下拉选项，选择“显示CAN数据库”，弹出“CAN数据库”窗口。停止TSMaster显示CAN数据库三、解析CAN报文1.加载DBC文件在“CAN数据库”窗口，单击“加载CAN数据库文件”按钮，弹出“加载CAN数据库”窗口，双击选择“PowerTrain.dbc”文件。（注意：“PowerTrain.dbc”文件的路径为C:\TSMaster\bin\Data\Demo\Databases）加载DBC文件三、解析CAN报文2.解析DBC文件在该DBC文件中，一共有12帧报文，20个信号。单击“报文”前面的“+”号，再单击标识符（ID）为0x64的EngineData报文前面的“+”号，再单击选择“EngSpeed”。在“定义”窗口，可以查看“EngSpeed”字段信息，包括最大值、单位、起始位、所属报文ID等信息。“EngSpeed”定义三、解析CAN报文2.解析DBC文件在窗口的左侧，单击“布局”。从图中分析得出，该报文含有6个信号，其中“EngSpeed”信号的长度为16，占了报文的第一个byte位和第二个byte位。“EngSpeed”布局三、解析CAN报文3.解析CAN报文在第一个TSMaster窗口中，单击“启动”，启动第一个TSMaster。在第二个TSMaster中的“CAN/CANFD发送”窗口，将报文ID修改为“64”，修改第一个byte位和第二个byte位的数值（以“1112”为例），再单击发送按钮。在第一个TSMaster中的“CAN/CANFD报文信息”窗口，将0x64报文展开，发现信号数据显示在下方，此时“EngSpeed”数据为4625rpm。这样，就通过DBC文件解析了CAN报文，CAN报文数据域的内容解析为实际物理值。修改发送报文信息解析CAN报文四、修改CAN报文1.创建面板在第一个TSMaster窗口中，单击“停止”，断开TSMaster应用程序（注意：创建面板时，确保TSMaster为停止状态）。单击“仿真”，再单击“面板”下拉选项，选择“添加面板”，弹出“Panel”面板窗口。创建面板四、修改CAN报文2.创建控件单击“工具箱”，双击选择“输入输出框”，在窗口的空白区域出现面板信息。创建控制四、修改CAN报文3.修改控件属性在控件属性下，将“LabelText”的名称修改为“EngSpeed”，并回车，窗口左边对应的控件名称自动变为“EngSpeed”。再单击“VarType”下拉选项，选择“pstCANSignal”，将变更类型设置为“pstCANSignal”。再单击“VarLink”选项，在弹出的对话框单击“是”，弹出“请选择一个CAN信号以关联当前控件”。修改控件属性四、修改CAN报文3.修改控件属性在“请选择一个CAN信号以关联当前控件”窗口，单击选择标识符（ID）为0x64的EngineData报文下的“EngSpeed”，再单击“确定”，完成“EngSpeed”信号关联该控件。单击“分析”，再单击“启动