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汽车CAN总线

gecimao 发表于 2019-08-28 12:47 | 查看: | 回复:

  发明的一种基于消息广播模式的串行通信总线,它起初用于实现汽车内ECU之间可靠的通信,后因其简单实用可靠等特点,而广泛应用于工业自动化、船舶、医疗等其它领域。

  PAN, Personal Area Network)等,CAN更加适合应用于现场控制领域,因此得名。CAN总线是一种多主控(Multi-Master)的总线系统,它不同于USB或以太网等传统总线系统是在总线控制器的协调下,实现A节点到B节点大量数据的传输,CAN网络的消息是广播式的,亦即在同一时刻网络上所有节点侦测的数据是一致的,因此比较适合传输诸如控制、温度、转速等短消息。

  (开放式通信系统参考模型 )的物理层和数据链路层。上层协议是在CAN标准基础上定义的应用层,市场上有不同的应用层标准。发展历史

  (29位标识符);1993年,ISO发布CAN总线),随后该标准主要有三部分:

  标准化CAN标准分为底层标准(物理层和数据链路层)和上层标准(应用层)两大类。CAN底层标准主要是 ISO 11898 系列的国际标准,也就是说不同厂商在CAN总线的物理层和数据链路层定义基本相同;而上层标准,涉及到例如流控制、设备寻址和大数据块传输控制等,不同应用领域或制造商会有不同的做法,没有统一的国际标准。

  年,ISO发布CAN总线),随后该标准主要有三部分:ISO 11898-1:数据链路层协议ISO 11898-2:高速CAN总线物理层协议

  数据传输速率。CAN FD与CAN 2.0协议兼容,可以与传统的CAN 2.0设备共存于同样的网络

  图1. CAN总线标准上层标准虽然底层标准相同,不同应用领域和组织会制定不同的上层标准。有的厂商开发并推广其应用层标准,在某些领域得以广泛应用。对于汽车行业来说,几乎每家厂商都有自己的CAN上层标准。比较流行的有工业自动化领域CiA的

  CAN Kingdom;智能设备控制Honeywell的SDS;汽车诊断ISO 14229定义的UDS,和中重型汽车CAN总线示。表1. CAN上层标准举例总线特点符合OSI开放式通信系统参考模型;两线式总线结构,电气信号为差分式;

  在当今汽车应用领域,车内电控单元(Electrical Control Unit, ECU)可能多达 70 个,除了引擎控制单元(Engine Control Unit, ECU )外,还存在传动控制、安全气囊、ABS、巡航控制、EPS、音响系统、门窗控制和电池管理等模块,虽然某些模块是单一的子系统,但是模块之间的互连依然非常重要。例如,有的子系统需要控制执行器和接收传感器反馈,CAN总线可以满足这些子系统数据传输的需求。汽车内子模块的总线互连架构使得软件可以更轻易地实现安全、经济和便利等新特性,相比传统汽车网络架构中模块单元直接连接更加经济。 CAN总线实现汽车内互连系统由传统的点对点互连向总线式系统的进化,大大降低汽车内电子系统布线所示。

  Infotainment CAN/信息娱乐CAN网络,主要控制收音机、电话和导航等设备,最高传输速度100 kbps

  1Mbps,应用在实时性要求高的节点,如引擎管理单元、电子传动控制、ESP和仪表盘等;低速CAN(CAN-B),数据速率在

  ,应用在实时性要求低的节点,主要在舒适和娱乐领域,如空调控制、座椅调节、灯光、视镜调整等,这些节点对实时性要求不高,而且分布较为分散,线缆较易收到损坏,低速CAN的传输速度即可满足要求,而且单根线缆也可以工作,很好地适应了以上需求。不同速度类型的CAN总线设备不能直接连在同一路总线上,它们之间需要通过网关隔离。CAN总线在汽车诊断领域的应用也非常广泛,ECU直接挂载在总线上,可以很快地获取诊断所需的信息。传统的汽车诊断接口(如KWP2000)应用逐渐减少。局限性由于CAN总线仲裁的特点,即使往总线上周期性发送消息,也不能保证节点可以确定(周期) 地收到消息,CAN不适合对时间特别敏感的应用;最高传输速率只有1Mbps,对于汽车自动驾驶应用的数据传输,或者视频音频传输带宽不足。为解决这方面的需求,

  LIN总线相比CAN具有成本优势,更适合应用于车窗座椅空调等设备电路基础硬件拓扑

  ),CAN网络的拓扑一般为线型。线束最常用为非屏蔽双绞线(UTP),线上传输为对称的电平信号(差分)。图3示为CAN总线网络示意图,节点主要包括Host、控制器

  40m。ISO 11898-2规定要求在高速CAN总线的两端安装端接电阻(RL)以消除反射,而低速CAN最高速度只有125Kbps

  表2. CAN总线长度与信号速率关系(推荐)收发器CAN收发器包括CANH和CANL两根信号,CANH和CANL信号采用差分电平,这样可以取得更好的电磁兼容效果。CAN总线物理传输媒介只需要两根线。前面的标准部分有介绍,CAN总线分高速CAN和低速CAN,收发器因之也分为高速CAN收发器(1Mbps)和低速CAN收发器(125Kbps)。低速CAN也叫

  CAN收发器的特性包括非常低的电磁辐射和很强的抗击共模噪声的能力。另外,CAN收发器可以提供高达8KV的ESD保护,在电路设计中可以在收发器附近增加共模电感以进一步降低电磁辐射(图5)。

  图4. CAN总线. 共模电感降低辐射信号电平高速CAN和低速CAN总线在物理层信号电平上定义有所不同。图6和图7表示高速和低速CAN总线上信号电平与总线逻辑的对应关系。高速CAN,定义 CANH 和 CANL电压相同

  ”。在CAN总线”之间显著的电压差是总线可靠通信的保证。参照上面的描述,CAN总线上两种电平状态分别为:显性(Dominant ): 0隐性(Recessive ): 1CAN总线的信号电平具有线与特性,即显性电平(0)总是会掩盖隐性电平(1)。如果不同节点同时发送显性和隐性电平,总线),只有在总线上所有节点发送的都是隐性电平(1)时,总线才表现为隐性。线与特性是CAN总线仲裁的电路基础。详细仲裁过程见下文“仲裁机制”部分。

  在前文有提到,业界只规定了9 Pin D-Sub类型的CAN总线连接器,其信号定义如图8所示。

  。单线CAN可以减少一根传输线,但是要求节点间有良好的共地特性(相当于第二根信号线)。单线CAN的信号抗干扰能力相对较弱,在设计中需要提高信号幅度以增加信噪比,如此又会让它自身的辐射能力增加,因此必须降低其信号传输速率以达到电磁兼容的要求。综上,单线CAN仅适合应用在低速的车身电子单元、舒适及娱乐控制领域。低速CAN总线由于信号速度不高,在一根信号线失灵的情况下,仍可工作于单线模式。

  Multi-Master安全敏感的应用,比如汽车动力,对通信系统的可靠性要求很高。将总线工作正常与否归结到单一节点是极其危险的,比较合理的方案是对总线接入的去中心化,亦即每个节点都有接入总线的能力。这也是CAN总线采用多主控(

  )线性拓扑结构的原因。在CAN总线上,每个节点都有往总线上发送消息的能力,而且消息的发送不必遵从任何预先设定的时序,通信是事件驱动的。只有当有新的信息传递时,CAN总线才处于忙的状态,这使得节点接入总线速度非常快。CAN总线理论最高数据传输速率为1Mbps,对于异步事件反应迅速,基本上对于毫秒级的实时应用没有任何问题。

  CAN总线定义四种帧类型,分别为数据帧、远程帧、错误帧和过载帧。数据帧就是总线上传输用户数据的帧,其最高有效载荷是

  ,除了有效载荷外,数据帧还包括必要的帧头帧位部分以执行CAN标准通信,比如消息标识符(Identifier)、数据长度代码、校验信息等。远程帧是用来向总线上其它节点请求数据的帧,它的帧结构与数据帧相似,只不过没有有效载荷部分;错误帧是表示通信出错的帧。数据帧和远程帧有标准格式和扩展格式两种格式。标准格式有

  29位标识符。各种帧的用途分别为:数据帧:用于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数据帧数据帧的帧结构如图10所示,图中示例标准数据帧(Standard)和扩展数据帧(

  远程传输请求位,0时表示为数据帧,1表示为远程帧,也就是说RTR=1时,消息帧的Data Field为空;(1 bit)

  IDE:标识符扩展位,0时表示为标准格式,1表示为扩展格式;(1 bit)

  应答,确认数据是否正常接收,所谓正常接收是指不含填充错误、格式错误、 CRC 错误。发送节点将此位为1,接收节点正常接收数据后将此位置为0;(1 bit)

  一般地,数据是由发送单元主动向总线上发送的,但也存在接收单元主动向发送单元请求数据的情况。远程帧的作用就在于此,它是接收单元向发送单元请求发送数据的帧。远程帧与数据帧的帧结构类似,如上图X所示。远程帧与数据帧的帧结构区别有两点:

  数据帧将在仲裁中赢得总线控制权。错误帧用于在接收和发送消息时检测出错误通知错误的帧。错误帧由错误标志和错误界定符构成。错误帧的帧结构如图11示。错误标志:

  主动错误标志(6个显性位): 处于主动错误状态的单元检测出错误时输出的错误标志

  被动错误标志(6个隐性位): 处于被动错误状态的单元检测出错误时输出的错误标志错误界定符:8

  标识符值越小,消息的优先级越高。标识符全零的消息,由于它将总线电平保持在显性的时间最长,因此优先级最高。CAN总线所示,几点说明:

  如上介绍,CAN总线C总线的仲裁都应用到线与逻辑的电路基础,不同的是I2C的仲裁只是在主机间进行,而CAN总线没有主从机的概念。另外I2C的消息本身是不分优先级的;CAN消息则是带优先级,有的消息出身高贵(标识符值越小),在仲裁中总会取胜。

  这些规范组织的定义中,对于同样类型的消息,比如温度传感器,即使它们可能来自不同的供应商,但消息标识符是一致的。对于车身控制CAN网络(舒适+信息娱乐),其特点是消息标识符种类多,而且消息发送没有固定频率或规律,在此类应用的CAN控制器,例如Freescale

  条件接收前面有提到消息在CAN总线上是广播式的,但并不是所有节点都会对总线上所有消息感兴趣。节点通过控制器中过滤码(Filter Code)和掩码(Mask Code),再检验总线上消息的标识符,来判断是否接收该消息(Message Filtering)。对于掩码,“1”表示该位与本节点相关,“0

  设置过滤码为00001567设置掩码为1FFFFFFF节点检测消息的标识符的所有位(29位),如果标识符为00001567接收,否则舍弃。

  设置过滤码为00001560设置掩码为1FFFFFF0节点检测消息的标识符的高25位,最低的4位则不care。如果标识符最高25位相同则接收,否则舍弃。

  )用来表示节点已经收到有效的帧。任何节点如果准确无误地接收到帧,则要向总线上发送显性位,该显性位将掩盖发送节点输出的隐性位,使总线上表现为显性。如果发送节点检测应答位为隐性,那么说明没有节点收到有效帧。接收节点可能在应答位输出隐性表示它没有收到有效帧,但另外有收到有效帧的节点也可能输出显性表示它收到有效帧,这样总线上总体上表现为显性,发送节点也无从得知是否总线上所有节点都收到有效的帧。

  个显性位或隐性位均视为报错。检测到错误后,节点将发出主动错误标志。注意如前文述,主动错误标志为连续6个显性位,它是不符合位填充规则的,因此检测到该电平的所有节点都会报错。

  位填充意味着实际传输的数据帧长度可能更长,图14示例位填充前后的数据帧的变化,紫色位是位填充增加的位,接收节点收到消息后会自动删除这些位。

  完善的错误校验机制是CAN总线高可靠性的有效保证。CAN总线种错误校验机制,其中3种在消息层面(Message Level),2种在比特层面(Bit Level

  域。CRC校验域包括传输数据的 15 bit Checksum值和 1 bit 界定符。ACK域包括 1 bit ACK位和 1 bit 界定符。消息层面的校验还包括

  ,格式错误校验会检查消息帧中必须为隐性的位,如果这些位表现为显性,那么节点将报格式错误。格式错误检查的隐性位包括SOF、EOF、ACK界定符和CRC界定符。

  最后一种错误校验机制源于CAN总线的位填充机制。除了错误标志和EOF,如果节点检测到连续6个相同电平,它即报填充错误。主动错误标志包括连续6个显性位,总线上所有检测到主动错误标志的节点都会报错,而产生各自的错误帧,这意味着总线上的错误帧可能由原先的6 bit到反馈叠加至12 bit不等。错误帧后面紧接着8个隐性位界定符(如图10)。在总线空闲时,消息通过竞争仲裁获得总线占用权后将重新传送。综上,CAN总线的错误类型包括以下五种:

  CRC错误(CRC Error)在发送消息时,发送节点会根据特定的多项式计算出由数据帧SOF位到数据域最末位的Checksum值,并将该值放在数据帧的CRC域,随着数据帧广播到总线上。接收节点在收到数据后,应用同样的多项式计算Checksum值,并与收到的Checksum值对比。如果两者一致,正常接收;如果不一致,则舍弃该消息,并发送错误帧请求发送节点重传消息。CRC校验过程如图15所示。

  CAN总线上的每个节点控制器都会检测消息是否出错,如果节点发现消息出错,它将发送错误标志,从而打断总线上正常的数据传输。总线上其它没有发现原始消息错误的节点,在收到错误标志后将采取必要的措施,比如舍弃当前总线上的消息。CAN节点内部有两种错误状态计数器

  增加的速度,这是因为有很大概率地是发送节点,而不是接受节点出错!基于TEC和REC

  种基本错误状态:Error Active:正常状态,在此状态下,节点可以发送所有类型的帧,包括错误帧;

  Bus Off:节点被控制器从总线上隔离节点的三种错误状态切换关系如图16所示。

  时刻,节点B和C同时向总线上发送消息,竞争仲裁后节点C获得总线时刻继续发送未传输完毕的数据;节点A和B在

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  ,相同电压下承受更大的功率。家用电的电压为220V,根据用电器的额定电流和额定功率选出最适合的电线。还有朋友想,房间里不只一个用电器,空调和热水器都有怎么算?家用电器都为并联情况,将几个用电器的电流相加,再与电线的推荐电流比较即可。其实以上原理其他用电场合同样适用,例如新能源汽车。小编在网上看到一篇文章,将两台车的两种高压线放到一起拍照,结论是“A车的高压线束细,质量差”。开局一张图,内容全靠编。这本来就是两种高压线,作用不同不能直接对比啊!车上用到的高压线mm²等等很多种。以某纯电动车型为例,同在近400V高压下,85kW电机所用的高压线kW充电器

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