干貨分享：CAN總線詳解 整車的控制只需要一條線

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CAN（“Controller Area Network”，控制器局域網(wǎng)）

作用：將整車中各種不同的控制器連接起來，實現(xiàn)信息的可靠共享，并減少整車線束數(shù)量。可以設想一種極端情況，如下圖所示：

如：果整車上所有的用電設備都是一個獨立的CAN總線節(jié)點，并且每一個節(jié)點都向外發(fā)送自己當前的狀態(tài)，并接受來自外部的信息， 那么整車的控制只需要一條CAN總線控制線和電源線就可以了！

CAN總線的基本工作原理

CAN總線的通信通過一種類似于“會議” 的機制實現(xiàn)的，只不過會議的過程并不是由一方（節(jié)點）主導，而 是，每一個會議參加人員都可以自由的提出會議議題（多主通信模式），二者對應關(guān)系如下：

CAN總線工作流程

CAN總線的優(yōu)勢

數(shù)據(jù)傳輸速度高1Mbit/s，距離遠

抗干擾能力強（差分數(shù)據(jù)線）

具有自我診斷能力（錯誤偵測）

CAN總線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

01 CAN總線網(wǎng)絡節(jié)點結(jié)構(gòu)

02 為何CAN收發(fā)器

照BOSCH CAN總線標準將0或1邏輯信號轉(zhuǎn)換為標準中規(guī)定的電平，同時有反饋功能

CAN總線上的電平

CAN2.0A/B標準規(guī)定：總線空閑時，CAN_H和CAN_L上的電壓為2.5V

在數(shù)據(jù)傳輸時，顯性電平（邏輯 0）：CAN_H 3.5V CAN_L 1.5V

隱性電平（邏輯 1）：CAN_H 2.5V CAN_L 2.5V

03總線長度的思考

影響總線長度的主要因素：

（1）CAN總線通信的應答機制，即成功接收到一幀報文的節(jié)點必須在 應答場的”應答間隙“期間發(fā)送一位“顯性位”表示成功接收到一幀數(shù)據(jù)

如：通信速率為250Kbit/s，傳送一個bit所需時間為：1/250×1000 = 4μ 那么，該信號在總線上的延時時間必須小于（2μ？）才能保證發(fā)送節(jié)點成功的在應答間隙期間接收到該“顯性電平”。

任何一根導線都可以簡化為左圖所示的電路模型，可以看到，其中既有電感又有電容，因此，電流在其中傳輸并不是光速，而是需要一定的時間。

對于雙絞線而言，信號在其中的傳播延時時間約為，5ns/m（典型值）。當通信速率達到1Mbit/s時，40m的總線長度， 延時時間就達到200ns，而允許延時時間為600ns左右，還是不能不考慮的！

由上面的分析可知：

總線通信速率越高，通信距離越短，對物理傳輸線的要求就越高，在雙絞線、屏蔽線還是其他的傳輸線選擇上，通信速率是一個很關(guān)鍵的參數(shù)。

影響總線長度的其他因素：

信號在節(jié)點ECU內(nèi)部的延時時間

振蕩器的容差（各個節(jié)點ECU內(nèi)部晶振頻率的差別） 這些因素加起來就形成了CAN總線通信中總的信號延時。

CAN總線的硬件抗干擾

共模電感作用：共模電壓有較大的感 抗，差模電壓感抗為零，相當于電感濾波。對共模電流有較大的阻礙作用。

終 端 電阻 120 歐姆并非固定不變，這跟使用的導線有關(guān)！

總線長度的限制——位定時、同步

CAN總線控制器按照時間片的概念將每一個bit的時間劃分成了n個時間片。這樣做的目的就是為了實現(xiàn)CAN總線的同步、保證不同節(jié)點間時間的一致性。

如：晶振和CAN CLOCK，頻率均為4MHz，那么每一個時間片最小時間就為0.25μs，通信波特率為250Kbit/s，那么每一個bit的時間就為4μs， 因此，每一個bit的總的時間片數(shù)目就為16。當然可以進一步提高晶振頻率，使得每一個bit被劃分的更加細致。

CAN2.0A/B將每一個bit的時間劃分成了4段，同步段、傳輸段、相位段1和相位段2，每一段占用一定的時間片

Can總線報文幀結(jié)構(gòu)

CAN總線共有四種報文：

1 數(shù)據(jù)幀

2 遠程幀

3 錯誤幀

4 過載幀

數(shù)據(jù)幀定義

幀起始：1bit。從圖中看出，在幀間隙后由邏輯1（至少兩個bit）向邏輯 0 的跳變就被認為是幀起始，它的作用就是為了硬同步。

仲裁場：由29bit的ID標示符和IDE、SRR、RTR位構(gòu)成。IDE位用于標示該幀是擴展幀（29bit ID）還是標準幀（11bit ID）；SRR在擴展幀 中 為 一 隱 性 位 ；R T R 位 為 遠 程 幀 標 志 位 。

由上圖可以看出，11bit的基本ID首先被發(fā)送（ID28~ID18），然后在發(fā)送18bit的擴展ID（ID17~ID0）

CAN總線的仲裁機制

要點

（1）首先發(fā)送ID的29位，優(yōu)先級問題

（2）總線電平由誰決定

CAN總線總裁機制的實現(xiàn)也就實現(xiàn)了CAN總線的多主機模式，總線節(jié)點不存在誰主誰從的概念

注意：我們可以人為的給29位的ID賦予一定的意義從而區(qū)分不同的報文類型！

報文濾波

報文濾波可以通過軟件編程的方式實現(xiàn)，也可以通過硬件（芯片內(nèi)部的報文濾波寄存器）實現(xiàn)，但二者實現(xiàn)的原理是相同的，如下圖所示：

數(shù)據(jù)幀中的其他場作用

控制場：包括兩位保留位（必須為0），和數(shù)據(jù)長度位（DLC0~DLC3） 數(shù)據(jù)場：包括最多8個字節(jié)的數(shù)據(jù)

CRC場：是一種算法，對數(shù)據(jù)進行CRC校驗，共15bit，其后跟了一位CRC界定符——為1（隱性電平）

應答場：為兩個1（總線電平為低電平），其中一位為應答間隙，另一位為應答界定符。成功接收到數(shù)據(jù)的節(jié)點必須發(fā)送一位顯性位（總線電平為高電平）

來應答該發(fā)送節(jié)點，必須注意：該顯性位必須在應答間隙期間， 即1bit的時間內(nèi)將總線電平拉高。幀結(jié)尾：7個連續(xù)的1組成（隱性電平）

CAN總線的偵聽機制—支持仲裁及錯誤檢查

幀聽就是發(fā)出去的數(shù)據(jù)再采樣回來，比較采樣回來的數(shù)據(jù)是否和發(fā)出的數(shù)據(jù)一致！

CAN總線錯誤檢測

CAN總線通過如下幾個方面進行錯誤檢測

當節(jié)點贏得總線發(fā)送權(quán)后，會對總線電平進行檢測，當發(fā)送的電平和檢測到的總線電平不一致時，認為錯誤；

出現(xiàn)6個連續(xù)相同的電平時，認為是填充錯誤；

CRC錯誤，接收數(shù)據(jù)的節(jié)點按照與發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點相同的方法計算數(shù)據(jù)的CRC校驗值，如果接收節(jié)點的計算結(jié)果與數(shù)據(jù)包中CRC場的數(shù)據(jù)不一致， 認為是CRC錯誤；

應答錯誤，在應答場如果沒有監(jiān)控到一個顯性電平，那么就認定一個應答錯誤；

固定位錯誤，例如：CRC界定符等，其電平是固定的，當監(jiān)控到該電平不相符時，認定一個錯誤；

另：總線同步機制也是CAN總線容錯的一種方式；

注意：通過上面5種錯誤檢測機制，發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點均可以檢測到總線上的錯誤，并通過錯誤的累加來實現(xiàn)總線節(jié)點的關(guān)閉等操作

CAN總線負載率計算

計算例子：

假設CAN總線波特率為250Kbit/s，總線報文發(fā)送時間間隔為10ms， 報文為數(shù)據(jù)幀（8個字節(jié)數(shù)據(jù)），那么10ms內(nèi)總線能夠支持的最大報文數(shù)量為多少？

第一步：根據(jù)通信波特率計算10ms總共可以發(fā)送多少bit (250000/1000)*10 = 2500bit

第二步：計算最長的一幀報文有多少個bit

1sof + 29id + 1ide + 1rtr + 1srr + 2r + 4dlc + 8*8data

+ 16crc + 2ack + 7eof = 128bit

第三步：計算10ms內(nèi)可以支持的報文數(shù)目

2500/128 ≈ 19

由上面的計算可知，當10ms間隔的報文數(shù)量超過19條時，就會出現(xiàn)丟幀，總線飽和。

計算報文數(shù)量也是設計CAN網(wǎng)絡所要考慮的，可以查閱相關(guān)文獻看負載率在多少時合適

來源：頭條?億佰特物聯(lián)網(wǎng)實驗室

—— The End?——

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