CAN的概述及发展历史

一、CAN的概述及发展历史

CAN总线的概述及发展历史

CAN发展的时间线：

1983年，Bosch开始研究汽车网络技术

1986年，Bosch在SAE大会正式公布CAN的协议

1987年，Intel和philips公司先后推出CAN控制器芯片

1991年，Bosch颁布CAN2.0技术规范

1991年，CAN总线最新在Benz S系列轿车上实现

1993年，ISO颁布CAN国际标准ISO-11898

1994年，由CiA组织举办第一届国际CAN大会（iCC）

2015年，CAN FD的ISO标准化

2021年，CAN XL第三代使用的规范CIA-610

CAN概述

CAN（Controller Area Network，控制器局域网）是一种串行通信技术，专门用于在汽车电子控制单元（ECU）之间实现可靠的数据交换。

CAN通信特点

1）节点间采样多主通讯的方式

2）采用短帧结构，报文帧的有效字节数为8个，可达汽车到实时响应的要求

3）报文ID越小，优先级别越高。报文ID可分成不同的优先级，进一步满足汽车网络报文的实时性要求

4）非破坏性总线仲裁处理机制

5）可靠的CRC校验方式，传输数据出错率极低，满足汽车数据传输的可靠性要求

6）报文帧仲裁失败或传输期间被破坏有自动重发机制

7）节点在错误严重的情况下，具有自动脱离总线的功能，切断它与总线的联系，不影响总线的正常工作。

8）通讯距离最远达10KM

9）通讯速率最高1MB/S(此时距离最长40m)

10)节点数实际可达110个

11）CAN节点设计成本较低，通讯介质采用双绞线

通信网络参考模型OSI

应用层：人家交互

表示层：压缩解压、加密解密、编码解码

会话层：会话建立、维护中止会话隔离

传输层：可靠的连接，传输端口号---区分不同的应用程序

网络层：为了数据提供地址信息 ----IP地址（软件地址）

数据链路层：为数据转发提供地址MAC地址（硬件地址）

物理层：提供电气规格，数据bit的传输100101011

二、CAN的物理层

CAN使用总线传输方式

早期汽车使用点对点的通讯方式，现在使用总线式的线束连接，减少了通讯线的数量、通过多个网络进行大量数据的高速传输、诊断和做线缆简单。

 

 

CAN物理电平说明

容错CAN优缺点：通讯速率低，承载的节点少，但具有更高的抗干扰能力。

 

CAN的编码规则

CAN编码采用的NRZ非归零编码（5个相同电平加入一个填充位），相同带宽的情况下，NRZ编码方式的信息量更大。

NRZI编码：当电平状态发生变化时，表示数据0，信号电平不变表示1（7个1变换一次0USB2.0通讯使用的编码方式就是NRZI编码。

 

RZ编码

NRZ编码

NRZI编码

CAN的传输介质

传输介质：非屏蔽双绞线

终端电阻：120Ω

双绞线的作用：外部干扰在两根导线上产生的噪声（在专业领域里，把无用的信号叫做噪声）相同，以便后续的差分电路提取出有用信号，差分电路是一个减法电路，两个输入端同相的信号（共模信号）相互抵消（m-n），反相的信号相当于x-（-y），得到增强。

 

 

 

CAN的终端电阻

CAN总线终端电阻的作用有3个：

1.提高抗干扰能力，让高频低能量的信号迅速走掉

2.确保总线快速进入隐性状态，让寄生电容的能量更快走掉

3.提高信号质量，放置在总线的两端，让反射能量降低

 

 

寄生电容进行充电和放电

高速信号传输，阻抗变化，引起的反射，“振铃”现象

CAN终端电阻选择

如图所示是CAN总线的经典拓扑图。终端电阻一般选择放在最远的两个节点上。如果其中一个放在中间位置，终端电阻外面的CAN收发器处于支路上，这将大大增加该节点的信号反射，进而影响总线通讯。

在CAN总线中使用的典型线缆，将它们扭制成双绞线，就可根据上述方法得到特征阻抗大约为120Ω，这也是CAN标准推荐的终端电阻阻值，所以这个120Ω是测出来的，不是算出来的，都是根据实际的线束特性进行计算得到的。

根据标准需要考虑短路到18V的情况，假设CANH短路到18V，电流会通过终端电阻流到CANL上，而CANL内部由于限流的原因，最大注入电流为50mA（TJA1145的规格书上标注），这时候120Ω电阻的功率就是50mA*50mA*120Ω=0.3W。

CAN总线的电平逻辑

 

CAN的数据采样点

采样点：是总线数据被读取并被解释为相应位值的时间点。

 

三、数据链路层

帧类型类型

数据帧

分类：标准帧和扩展帧

SOF：1bit，起始位，显性

Identifier：11bit/29bit, ID位

RTR：远程帧和数据帧位，远程帧“1”，数据帧“0”

SRR：替代远程帧位，“1”

IDE：扩展帧和标准帧，扩展帧“1”，标准帧“0”

r：预留

DLC：4bit，数据长度位

Data Field：0-8 Byte，数据位

CRC：15bit，数据CRC校验SOF----CRC前

DEL：校验和应答界定符

ACK：1bit，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）

DEL：校验和应答界定符，隐形“1”

EOF：7bit，结束标志位，连续7bit隐形位表示帧结束

 

CRC和ACK位

 

 

EOF结束位

 

 

远程帧

 

 

错误帧

错误帧：错误帧可用于指示通信期间检测到的错误。错误帧将强行中止正在进行的错误数据传输。

错误帧的结构与数据帧或远程帧明显不同，仅由两部分构成：错误标志（error flag）和错误界定符。

 

错误帧分类：

位错误：发送节点检查，发送数据后回读数据，检查发送是否错误

填充错误：接收节点检测。CRC之前，连续6个显性或隐形位

ACK错误：发送节点检测。发送数据后ACK位没有置低

格式错误：CRC之后11bit固定的格式位，

CRC错误：接收节点检测

位填充

位填充从以SOF的传输为开始，以CRC序列的最后一位的传输为结束。因此在传输包含8个数据字节的标准格式的数据帧时，在极限情况下，应有24个填充位。所以，理论上标准格式数据帧最多包含132位。

错误检测

 

错误跟踪

错误处理流程

 

过载帧和帧间隙

过载帧：接收节点向总线上其它节点报告自身接收能力达到极限的帧。

帧间隔：是用来隔离数据帧（或者远程帧）的，也就是说，数据帧（或者远程帧）经过插入帧间隔能够将本帧与先行帧

（数据帧、远程帧、错误帧、过载帧）分隔开来。

主动错误状态下的间隙帧

被动错误状态下的间隙帧

发送仲裁机制

特点：

1.仲裁发送在仲裁段

2.采用“线与”机制

3.ID值越小，优先级越高

4.仲裁失败进入“只听”模式，等待空闲发送

上图在多个节点同时发送报文时，首次出现不同，且发送显性位的节点占用总线。由于CAN报文首先发送的为ID段且显性位为逻辑“0”，因此ID越小该帧的优先级越高。

发送仲裁机制

上图：数据帧A的优先级高于数据帧B的优先级，总线空闲时，数据A先发。

 

仲裁场

 

仲裁流程

几种状态仲裁错误

仲裁场相同，数据场不一致

相同帧无应答，产生应答错误

相同帧有应答，隐藏了错误

位同步机制

同步的目的其实就是保证采样点采集时，采集的位数不会错乱，并且都是接收端同步。发送端发送一个帧，如果接收端有延时，并不做同步，那么就可能会出现，发送端发送第2位时，接收端还是按照第1位的时序来采样，导致接收端认为采集的到是第1位。显然就出错了。

1）同步段（Synchronization Segment）：长度固定，1个时间量子Tq；一个位的传输从同步段开始；同步段用于同步总线上的各个节点，一个位的跳边沿在此时间段内。

2）传播段（Propagation Segment）：传播段用于补偿报文在总线和节点上传输时所产生的时间延迟；传播段时长 ≥ 2 × 报文在总线和节点上传输时产生的时间延迟 ；传播段时长可编程（1~8个时间量子Tq）。

3）相位缓冲段1（Phase Buffer Segment1）：用于补偿节点间的晶振误差；允许通过重同步对该段加长；在这个时间段的末端进行总线状态的采样；长度可编程（1~8个时间量子Tq）。

4）相位缓冲段2（Phase Buffer Segment2）：用于补偿节点间的晶振误差；允许通过重同步对该段缩短；长度可编程（1~8个时间量子Tq）。

同步段时钟机制

系统时钟→CAN时钟→CAN位时间

波特率  =  1 / CAN位时间

位同步特点

一个位时间内只允许一种同步方式，要么硬同步要么重同步；

任何一个从“隐性”到“显性”的下降沿 都可以用于同步；

硬同步发生在报文的SOF位，所有接收节点调整各自当前位的同步段，使其位于发送的SOF位内；

重同步发生在一个报文SOF位之外的其它段，当下降沿落在了同步段之外时发生重同步；

在SOF到仲裁场发送的时间段内，如果有多个节点同时发送报文，那么这些发送节点对跳变沿不进行重同步。

硬同步

重同步

重同步，PBS1延长

重同步，PBS2缩短

同步跳转宽度

在重同步时，有个同步跳转宽度（SJW，Synchro Jump Width）的概念，表示的是PBS1和PBS2重同步时允许跳转的最大宽度。

同步跳转宽度必须满足以下几个条件：

SJW必须小于PBS1和PBS2的最小值

SJW最大值不能超过4

同步段规则

CAN报文在CAN总线上的传输时，物理延迟包含两个部分：

在CAN-BUS上传输造成的延迟

在节点内部传输造成延迟

按照CAN通信协议的规定，补偿给传播延迟的时间长度要至少等于实际实际传播延迟时长的2被，

即：tPTS≥2×tdel=2×(tdel+tBus)

四、CAN应用层

定义ID的规则

 

定义控制命令和节点

定义索引对象

 

 

分段报文写---起始帧

分段报文写---传输帧和结束帧

分段报文读-----起始帧

 

分段报文读----传输过程

 

审核编辑 ：李倩