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總線技術及應用 CAN數(shù)據(jù)總線 CANBUS 第4講 CAN通信技術概述 CAN ControllerAreaNetwork 即控制器局域網絡 由于其高性能 高可靠性 及獨特的設計 CAN越來越受到人們的重視 國外已有許多大公司的產品采用了這一技術 CAN最初是由德國的BOSCH公司為汽車監(jiān)測 控制系統(tǒng)而設計的 現(xiàn)代汽車越來越多地采用電子裝置控制 如發(fā)動機的定時 注油控制 加速 剎車控制 ASC 及復雜的抗鎖定剎車系統(tǒng) ABS 等 由于這些控制需檢測及交換大量數(shù)據(jù) 采用硬接信號線的方式不但煩瑣 昂貴 而且難以解決問題 采用CAN總線上述問題便得到很好地解決 1993年CAN成為國際標準ISO11898 高速應用 和ISO11519 低速應用 CAN的規(guī)范從CAN1 2規(guī)范 標準格式 發(fā)展為兼容CAN1 2規(guī)范的CAN2 0規(guī)范 CAN2 0A為標準格式 CAN2 0B為擴展格式 目前應用的CAN器件大多符合CAN2 0規(guī)范 CAN總線特點 CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議 其通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能 可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理 包括位填充 數(shù)據(jù)塊編碼 循環(huán)冗余檢驗 優(yōu)先級判別等項工作 CAN總線特點如下 1 可以多主方式工作 網絡上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息 而不分主從 通信方式靈活 2 網絡上的節(jié)點 信息 可分成不同的優(yōu)先級 可以滿足不同的實時要求 3 采用非破壞性位仲裁總線結構機制 當兩個節(jié)點同時向網絡上傳送信息時 優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送 而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù) 4 可以點對點 一點對多點 成組 及全局廣播幾種傳送方式接收數(shù)據(jù) 5 直接通信距離最遠可達10km 速率5Kbps以下 6 通信速率最高可達1MB s 此時距離最長40m 7 節(jié)點數(shù)實際可達110個 8 采用短幀結構 每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個 9 每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施 數(shù)據(jù)出錯率極低 10 通信介質可采用雙絞線 同軸電纜和光導纖維 一般采用廉價的雙絞線即可 無特殊要求 11 節(jié)點在錯誤嚴重的情況下 具有自動關閉總線的功能 切斷它與總線的聯(lián)系 以使總線上的其他操作不受影響 CAN的發(fā)展背景及其應用情況 CAN的起源現(xiàn)代社會對汽車的要求不斷提高 這些要求包括 極高的主動安全性和被動安全性 乘坐的舒適性 駕駛與使用的便捷和人性化 尤其是低排放和低油耗的要求等 在汽車設計中運用微處理器及其電控技術是滿足這些要求的最好方法 而且已經得到了廣泛的運用 目前這些系統(tǒng)有 ABS 防抱系統(tǒng) EBD 制動力分配系統(tǒng) EMS 發(fā)動機管理系統(tǒng) 多功能數(shù)字化儀表 主動懸架 導航系統(tǒng) 電子防盜系統(tǒng) 自動空調和自動CD機等 汽車電子技術發(fā)展的特點 汽車電子控制技術從單一的控制逐步發(fā)展到綜合控制 如點火時刻 燃油噴射 怠速控制 排氣再循環(huán) 電子技術從發(fā)動機控制擴展到汽車的各個組成部分 如制動防抱死系統(tǒng) 自動變速系統(tǒng) 信息顯示系統(tǒng)等 從汽車本身到融入外部社會環(huán)境 現(xiàn)代汽車電子技術的分類 單獨控制系統(tǒng) 由一個電子控制單元 ECU 控制一個工作裝置或系統(tǒng)的電子控制系統(tǒng) 如發(fā)動機控制系統(tǒng) 自動變速器等 集中控制系統(tǒng) 由一個電子控制單元 ECU 同時控制多個工作裝置或系統(tǒng)的電子控制系統(tǒng) 如汽車底盤控制系統(tǒng) 控制器局域網絡系統(tǒng) CAN總線系統(tǒng) 由多個電子控制單元 ECU 同時控制多個工作裝置或系統(tǒng) 各控制單元 ECU 的共用信息通過總線互相傳遞 帶有中央控制單元的車 帶有三個中央控制單元的車 帶有三個中央控制單元和總線系統(tǒng)的車 帶有三個中央控制單元的CAN驅動網絡 車用網絡發(fā)展原因 電子技術發(fā)展 線束增加線控系統(tǒng) X BY WIRE 計算機網絡的廣泛應用智能交通系統(tǒng)的應用 汽車發(fā)展帶來的問題 1 汽車電子技術的發(fā)展 汽車上電子裝置越來越多 汽車的整體布置空間縮小 2 傳統(tǒng)電器設備多為點到點通信 導致了龐大的線束 3 大量的連接器導致可靠性降低 粗大的線束與汽車中有限的可用空間之間的矛盾越來越尖銳 電纜的體積 可靠性和重量成為越來越突出的問題 而且也成為汽車輕量化和進一步電子化的最大障礙 汽車的制造和安裝也變得非常困難 4 存在冗余的傳感器 Volvo汽車近三十年來線束增長的情況 車用網絡 通過總線將汽車上的各種電子裝置與設備連成一個網絡 實現(xiàn)相互之間的信息共享 既減少了線束 又可更好地控制和協(xié)調汽車的各個系統(tǒng) 使汽車性能達到最佳 汽車網絡化的優(yōu)點 布線簡單 設計簡化 節(jié)約銅材 降低成本 可靠性提高 可維護性大為提高實現(xiàn)信息共享 提高汽車性能滿足現(xiàn)代汽車電子設備種類功能越來越多的要求總之 使用汽車網絡不僅可以減少線束 而且能夠提高各控制系統(tǒng)的運行可靠性 減少冗余的傳感器及相應的軟硬件配置 實現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的資源共享 便于集中實現(xiàn)各子系統(tǒng)的在線故障診斷 Canbus的發(fā)展歷史 大眾公司首次在97年PASSAT的舒適系統(tǒng)上采用了傳送速率為62 5Kbit m的Canbus 98年在PASSAT和GOLF的驅動系統(tǒng)上增加了Canbus 傳送速率為500Kbit m 2000年 大眾公司在PASSAT和GOLF采用了帶有網關的第二代Canbus 2001年 大眾公司提高了Canbus的設計標準 將舒適系統(tǒng)Canbus提高到100Kbit m 驅動系統(tǒng)提高到500Kbit m 2002年 大眾集團在新PQ24平臺上使用帶有車載網絡控制單元的第三代Canbus 2003年 大眾集團在新PQ35平臺上使用五重結構的Canbus系統(tǒng) 并且出現(xiàn)了單線的LIN BUS 20世紀80年代 Bosch的工程人員開始研究用于汽車的串行總線系統(tǒng) 因為當時還沒有一個網絡協(xié)議能完全滿足汽車工程的要求 參加研究的還有Mercedes Benz公司 Intel公司 還有德國兩所大學的教授 1986年 Bosch在SAE 汽車工程人員協(xié)會 大會上提出了CAN 1987年 INTEL就推出了第一片CAN控制芯片 82526 隨后Philips半導體推出了82C200 1993年 CAN的國際標準ISO11898公布從此CAN協(xié)議被廣泛的用于各類自動化控制領域 CAN技術的發(fā)展 1992年 CIA CANinAutomation 用戶組織成立 之后制定了第一個CAN應用層 CAL 1994年開始有了國際CAN學術年會 ICC 1994年美國汽車工程師協(xié)會以CAN為基礎制定了SAEJ1939標準 用于卡車和巴士控制和通信網絡 到今天 幾乎每一輛歐洲生產的轎車上都有CAN 高級客車上有兩套CAN 通過網關互聯(lián) 1999年一年就有近6千萬個CAN控制器投入使用 2000年銷售1億多CAN的芯片 2001年用在汽車上的CAN節(jié)點數(shù)目超過1億個 但是轎車上基于CAN的控制網絡至今仍是各大公司自成系統(tǒng) 沒有一個統(tǒng)一標準 基于CAN的應用層協(xié)議應用較通用的有兩種 DeviceNet 適合于工廠底層自動化 和CANopen 適合于機械控制的嵌入式應用 任何組織或個人都可以從DeviceNet供貨商協(xié)會 ODVA 獲得DeviceNet規(guī)范 購買者將得到無限制的 真正免費的開發(fā)DeviceNet產品的授權 DeviceNet自2002年被確立為中國國家標準以來 已在冶金 電力 水處理 乳品飲料 煙草 水泥 石化 礦山等各個行業(yè)得到成功應用 其低成本和高可靠性已經得到廣泛認同 基于CAN總線的汽車電器網絡結構 目前汽車上的網絡連接方式主要采用2條CAN 一條用于驅動系統(tǒng)的高速CAN 速率達到500kb s 主要面向實時性要求較高的控制單元 如發(fā)動機 電動機等另一條用于車身系統(tǒng)的低速CAN 速率是100kb s 主要是針對車身控制的 如車燈 車門 車窗等信號的采集以及反饋 其特征是信號多但實時性要求低 因此實現(xiàn)成本要求低 CAN總線布置 結構和基本特點 CAN總線系統(tǒng)上并聯(lián)有多個元件 這就要求整個系統(tǒng)的布置滿足以下要求 可靠性高 傳輸故障 不論是由內部還是外部引起的 應能準確識別出來 使用方便 如果某一控制單元出現(xiàn)故障 其余系統(tǒng)應盡可能保持原有功能 以便進行信息交換 數(shù)據(jù)密度大 所有控制單元在任一瞬時的信息狀態(tài)均相同 這樣就使得兩控制單元之間不會有數(shù)據(jù)偏差 如果系統(tǒng)的某一處有故障 那么總線上所有連接的元件都會得到通知 數(shù)據(jù)傳輸快 連成網絡的各元件之間的數(shù)據(jù)交換速率必須很快 這樣才能滿足實時要求 CAN總線布置 結構和基本特點 考慮到信號的重復率及產生出的數(shù)據(jù)量 CAN總線系統(tǒng)分為三個專門的系統(tǒng) CAN驅動總線 高速 500Kbit s 可基本滿足實時要求 CAN舒適總線 低速 100Kbit s 用于對時間要求不高的情況 CAN infotainment 總線 低速 100Kbit s 用于對時間要求不高的情況 CAN BUS系統(tǒng)組成 CAN收發(fā)器 安裝在控制器內部 同時兼具接受和發(fā)送的功能 將控制器傳來的數(shù)據(jù)化為電信號并將其送入數(shù)據(jù)傳輸線 數(shù)據(jù)傳輸終端 是一個電阻 防止數(shù)據(jù)在線端被反射 以回聲的形式返回 影響數(shù)據(jù)的傳輸 數(shù)據(jù)傳輸線 雙向數(shù)據(jù)線 由高低雙絞線組成 Canbus上的控制器中發(fā)送信息的線路通過一個開路集電極和總線相連 Canbus的收發(fā)器如圖所示 使用一個電路進行控制 這樣也就是說控制單元在某一時間段只能進行發(fā)送或接受一項功能 邏輯 1 所有控制器的開關斷開 總線電平為5Vor3 5V Canbus未通訊 邏輯 0 某一控制器閉合 總線電平為0伏 Canbus進行通訊 Canbus的收發(fā)器 因此總線導線上就會出現(xiàn)兩種狀態(tài) 狀態(tài)1 截止狀態(tài) 晶體管截止 開關未接合 無源 總線電平 1 電阻高 狀態(tài)0 接通狀態(tài) 晶體管導通 開關已接合 有源 總線電平 0 電阻低 2個以上控制器所組成的Canbus系統(tǒng)當用2個以上的控制器連接在Canbus總線上 如圖所示 用邏輯1來表示斷開和用邏輯0表示閉合 不考慮其他總線規(guī)則情況下 總線會出現(xiàn)下圖的情況 1 任何開關閉合 總線上的電壓為0伏2 所有開關斷開 總線上的電壓為5伏 因此 1 只要任何一個控制器激活 則總線激活2 所有控制器關閉 總線處于未激活狀態(tài)激活的總線稱為顯性電平 未激活的總線電平稱為隱形電平 功能 CAN構件通過RX 線來檢查總線是否有源 是否正在交換別的信息 必要時會等待 直至總線空閑下來為止 某一時間段內的電平1 無源 如果總線空閑下來 發(fā)動機信息就會被發(fā)送出去 Canbus采用雙絞線自身校驗的結構 既可以防止電磁干擾對傳輸信息的影響 也可以防止本身對外界的干擾 系統(tǒng)中采用高低電平兩根數(shù)據(jù)線 控制器輸出的信號同時向兩根通訊線發(fā)送 高低電平互為鏡像 并且每一個控制器都增加了終端電阻 已減少數(shù)據(jù)傳送時的過調效應 基本構造 原則上CAN總線用一條導線就足以滿足功能要求了 但該總線系統(tǒng)上還是配備了第二條導線 在這個第二條導線上 信號是按相反順序傳送的 這樣可有效抑制外部干擾 CAN導線的特點 各個CAN系統(tǒng)的所有控制單元都并聯(lián)在CAN數(shù)據(jù)總線上 CAN數(shù)據(jù)總線的兩條導線分別叫CAN High和CAN Low線 兩條扭絞在一起的導線稱為雙絞線 雙絞線 CAN High和CAN Low線 CAN驅動數(shù)據(jù)總線 控制單元之間的數(shù)據(jù)交換就是通過這兩條導線來完成的 這些數(shù)據(jù)可能是發(fā)動機轉速 油箱油面高度及車速等 為了清楚起見CAN導線分別用單顏色來表示CAN High線總是黃色 CAN Low 線總是綠色 由于汽車不同控制器對CAN總線的性能要求不同 因此最新版本的CAN總線系統(tǒng)人為設定為5個不同的區(qū)域 分別為驅動系統(tǒng) 舒適系統(tǒng) 信息系統(tǒng) 多功能儀表 診斷總線等5個局域網 其速率分別為 Kbit s 驅動系統(tǒng) 由15號線激活 500 舒適系統(tǒng) 由30號線激活 100信息系統(tǒng) 由30號線激活 100 診斷系統(tǒng) 由30號線激活 500儀表系統(tǒng) 由15號線激活 100 Lin 20最大承載 1000 基本構造 基本構造 網關由于不同區(qū)域Canbus總線的速率和識別代號不同 因此一個信號要從一個總線進入到另一個總線區(qū)域 必須把它的識別信號和速率進行改變 能夠讓另一個系統(tǒng)接受 這個任務由網關 Gateway 來完成 另外 網關還具有改變信息優(yōu)先級的功能 如車輛發(fā)生相撞事故 氣囊控制單元會發(fā)出負加速度傳感器的信號 這個信號的優(yōu)先級在驅動系統(tǒng)是非常高 但轉到舒適系統(tǒng)后 網關調低了它的優(yōu)先級 因為它在舒適系統(tǒng)功能只是打開門和燈 基本構造 診斷總線診斷總線是用于診斷儀器和相應控制單元之間的信息交換 它被用來代替原來的K線或者L線的功能 廢氣處理控制器除外 診斷總線目前只能在VAS5051和VAS5052下工作 而不能適用于原來的診斷工具 如1552等 診斷總線通過網關轉接到相應的CANBUS上 然后再連接相應的控制器進行數(shù)據(jù)交換 隨著診斷總線的使用 大眾集團將逐步淘汰控制器上的K線存儲器 而采用CAN線作為診斷儀器和控制器之間的信息連接線 我們稱之為虛擬K線 針腳號對應的線束115號線4接地5接地6CANBUS 高 7k線14CANBUS 低 15L線1630號線注 未標明的針腳號暫未使用 基本構造 當車輛使用診斷CANBUS總線結構后 VAS5051等診斷儀器必須使用相對應的新型診斷線 VAS5051 5A或VAS5051 6A 否則無法讀出相應的診斷信息 另外 車上的診斷接口也作出了相應的改動 具體信息看如下圖表 注 5051儀器的版本號必須大于3 0以上才能使用診斷CANBUS總線 新型診斷線能夠適用于舊型診斷接口 CAN總線 CAN總線是車內電子裝置中的一個獨立系統(tǒng) 它就是數(shù)據(jù)線 用于在連接的控制單元之間進行信息交換 由于自身的布置和結構特點 CAN總線工作時的可靠性很高 如果CAN總線系統(tǒng)出現(xiàn)故障 故障就會存入相應的控制單元故障存儲器內 可以用診斷儀讀出這些故障 控制單元擁有自診斷功能 我們通過自診斷功能還可識別出與CAN總線相關的故障 用診斷儀 如VAS5051 5052 讀出CAN總線故障記錄后 既可按這些信息準確地查尋故障 控制單元內的故障記錄用于初步確定故障 還可用于讀出排除故障后的無故障說明 如果想要更新故障顯示內容 須重新起動發(fā)動機 CAN總線正常的一個重要前提條件是 車在任何工況均不應有CAN總線故障記錄 為了能夠確定及排除故障 就需要了解CAN總線上的數(shù)據(jù)交換基本原理 CAN總線數(shù)據(jù)交換基本原理 不同的數(shù)據(jù)傳遞 以CAN驅動數(shù)據(jù)總線為例 1 提高數(shù)據(jù)傳遞的可靠性 為了提高數(shù)據(jù)傳遞的可靠性 CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)的兩條導線 雙絞線 分別用于不同的數(shù)據(jù)傳送 這兩條線分別稱為CAN High線和CAN Low線 2 在顯性狀態(tài)和隱性狀態(tài)之間進行轉換時CAN導線上的電壓變化 在靜止狀態(tài)時 這兩條導線上作用有相同預先設定值 該值稱為靜電平 對于CAN驅動數(shù)據(jù)總線來說 這個值大約為2 5V 靜電平也稱為隱性狀態(tài) 因為連接的所有控制單元均可修改它 在顯性狀態(tài)時 CAN High線上的電壓值會升高一個預定值 對CAN驅動數(shù)據(jù)總線來說 這個值至少為1V 而CAN Low線上的電壓值會降低一個同樣值 對CAN驅動數(shù)據(jù)總線來說 這個值至少為1V 于是在CAN驅動數(shù)據(jù)總線上 CAN High線就處于激活狀態(tài) 其電壓不低于3 5 2 5V 1V 3 5V 而CAN Low線上的電壓值最多可降至1 5V 2 5V 1V 1 5V 因此在隱性狀態(tài)時 CAN High線與CAN Low線上的電壓差為0V 在顯性狀態(tài)時該差值最低為2V 3 CAN數(shù)據(jù)總線上的信號變化 以CAN驅動數(shù)據(jù)總線為例 4 收發(fā)器內的CAN High線和CAN Low線上的信號轉換 控制單元是通過收發(fā)器聯(lián)接到CAN驅動總線上的 在這個收發(fā)器內有一個接收器 該接收器是安裝在接收一側的差動信號放大器 差動信號放大器用于處理來自CAN High線和CAN Low線的信號 除此以外還負責將轉換后的信號傳至控制單元的CAN接收區(qū) 這個轉換后的信號稱為差動信號放大器的輸出電壓 差動信號放大器用CAN High線上的電壓 UCAN High 減去CAN Low線上的電壓 UCAN Low 就得出了輸出電壓 用這種方法可以消除靜電平 對于CAN驅動數(shù)據(jù)總線來說是2 5V 或其它任何重疊的電壓 5 CAN驅動數(shù)據(jù)總線差動信號放大器內的信號轉換 收發(fā)器的差動信號放大器在處理信號時 會用CAN High 線上作用的電壓減去CAN Low 線上作用的電壓 6 CAN驅動數(shù)據(jù)總線差動信號放大器內的干擾過濾 由于數(shù)據(jù)總線也要布置在發(fā)動機艙內 所以數(shù)據(jù)總線就要遭受各種干擾 在保養(yǎng)時要考慮對地短路和蓄電池電壓 點火裝置的火花放電和靜態(tài)放電 在該圖的上部可清楚地看到這種傳遞的效果 由于CAN High線和CAN Low線是扭絞在一起的 雙絞線 所以干擾脈沖X就總是有規(guī)律地作用在兩條線上 由于差動信號放大器總是用CAN High線上的電壓 3 5V X 減去CAN Low線上的電壓 1 5V X 因此在經過處理后 差動信號中就不再有干擾脈沖了 3 5V X 1 5V X 2V 7 信號電平 控制單元信號在收發(fā)器內的放大 收發(fā)器發(fā)送一側的任務是將控制單元內的CAN控制器的較弱信號放大 使之達到CAN導線上的信號電平和控制單元輸入端的信號電平 聯(lián)接在CAN數(shù)據(jù)總線上的控制單元的作用就像是CAN導線上的一個負載電阻 因為裝有電子元件 這個負載電阻取決于聯(lián)接的控制單元數(shù)量和其電阻 收發(fā)器將CAN信號輸送到CAN數(shù)據(jù)總線的兩條導線上 相應地在CAN High線上的電壓就升高 而在CAN Low線上的電壓就降低一個同樣大小的值 對于驅動CAN數(shù)據(jù)總線來說 一條導線上的電壓改變值不低于1V 對于CAN舒適 Infotainment總線來說 這個值不低于3 6V 8 CAN驅動數(shù)據(jù)總線的特點 CAN驅動數(shù)據(jù)總線的速率為500kBit s 用于將CAN驅動數(shù)據(jù)總線方面的控制單元聯(lián)成網絡 CAN驅動數(shù)據(jù)總線控制單元有 發(fā)動機控制單元 ABS 控制單元 ESP 控制單元 變速器控制單元 安全氣囊控制單元 組合儀表 CAN驅動數(shù)據(jù)總線由15號接線柱 點火開關 接通 短時工作后 又完全關閉 CAN驅動數(shù)據(jù)總線上的信號變化 下面圖中所示的是一個真實的CAN 電報變化圖 它由一個收發(fā)器產生 并由VAS5051的數(shù)字存儲式示波器 DSO 接收下來 兩個電平之間的疊加信號變化表示2 5V的隱性電平 CAN High線上的顯性電壓約為3 5V CAN Low線約為1 5V CAN舒適 Infotainment數(shù)據(jù)總線的特點 CAN舒適 Infotainment數(shù)據(jù)總線的速率為100kBit s 用于將CAN舒適總線和CANInfotainment總線方面的控制單元聯(lián)成網 CAN舒適 Infotainment數(shù)據(jù)總線控制單元有 全自動空調 空調控制單元 車門控制單元 舒適控制單元 收音機和導航顯示單元控制單元 控制單元通過CAN驅動數(shù)據(jù)總線的CAN High線和CAN Low線來進行數(shù)據(jù)交換 如車門開 關 車內燈開 關 車輛位置 GPS 等等 由于使用同樣的脈沖頻率 所以CAN舒適數(shù)據(jù)總線和CANInfotainment總線可以共同使用一對導線 當然前提條件是相應的車上有這兩種數(shù)據(jù)總線 如GolfIVundPoloMJ2002 舒適系統(tǒng)的信號圖 舒適系統(tǒng)的Canbus信號和驅動系統(tǒng)有很大區(qū)別 Can High的高電平為 3 6伏Can High的低電平為 0伏Can Low的高電平為 5伏Can low的低電平為 1 4伏邏輯 1 Can high 3 6VCan low 1 4V邏輯 0 Can high 0VCan low 5V 1 CAN舒適 Infotainment數(shù)據(jù)總線的差動數(shù)據(jù)傳遞 為了使低速CAN抗干擾性強且電流消耗低 與CAN驅動數(shù)據(jù)總線相比就需做一些改動 首先 由于使用了單獨的驅動器 功率放大器 這兩個CAN信號就不再有彼此依賴的關系了 與CAN驅動數(shù)據(jù)總線不同 CAN舒適 Infotainment數(shù)據(jù)總線的CAN High線和CAN Low線不是通過電阻相連的 也就是說 CAN High線和CAN Low線不再彼此相互影響 而是彼此獨立作為電壓源來工作 另外還放棄了共同的中壓 在隱性狀態(tài) 靜電平 時 CAN High信號為0V 在顯性狀態(tài)時 3 6V 對于CAN Low信號來說 隱性電平為5V 顯性電平 1 4V 于是在差頻信號放大器內相減后 隱性電平為 5V 顯性電平為2 2V 那么隱性電平和顯性電平之間的電壓變化 電壓提升 就提高到 7 2V 2 CAN舒適 Infotainment數(shù)據(jù)總線的CAN 收發(fā)器 測舒適系統(tǒng)高低線的電阻為無窮大 總系統(tǒng) 通過網關將三個系統(tǒng)聯(lián)成網絡 由于電壓電平和電阻配置不同 所以在CAN驅動數(shù)據(jù)總線和CAN舒適 Infotainment數(shù)據(jù)總線之間無法進行耦合聯(lián)接 另外這兩種數(shù)據(jù)總線的傳輸速率是不同的 這就決定了它們無法使用不同的信號 這就需要在這兩個系統(tǒng)之間能完成一個轉換 這個轉換過程是通過所謂的網關來實現(xiàn)的 根據(jù)車輛的不同 網關可能安裝在組合儀表內 車上供電控制單元內或在自己的網關控制單元內 由于通過CAN數(shù)據(jù)總線的所有信息都供網關使用 所以網關也用作診斷接口 目前是通過網關的K 線來查詢診斷信息 從Touran車開始是通過CAN數(shù)據(jù)總線診斷線來完成這個工作的 可以用火車站作為例子來清楚地說明網關的原理 與CAN舒適數(shù)據(jù)總線和CANInfotainment數(shù)據(jù)總線不同 CAN驅動數(shù)據(jù)總線不可與CAN舒適數(shù)據(jù)總線或CANInfotainment數(shù)據(jù)總線通過電氣相連 CAN舒適數(shù)據(jù)總線與CAN舒適 Infotainment數(shù)據(jù)總線是不同的數(shù)據(jù)總線系統(tǒng) 它們之間只能通過所謂網關相連 提示 1 2 3 基本術語 CAN的報文及結構 同步 CAN協(xié)議規(guī)范 CAN協(xié)議規(guī)范 CAN協(xié)議規(guī)范 CAN為串行通訊協(xié)議 能有效地支持具有很高安全等級的分布實時控制 CAN的應用范圍很廣 從高速的網絡到低價位的多路接線都可以使用CAN 在汽車電子行業(yè)里 使用CAN連接發(fā)動機控制單元 傳感器 防剎車系統(tǒng) 等等 其傳輸速度可達1Mbit s 同時 可以將CAN安裝在卡車本體的電子控制系統(tǒng)里 諸如車燈組 電氣車窗等等 用以代替接線配線裝置 技術規(guī)范的目的是為了在任何兩個CAN儀器之間建立兼容性 可是 兼容性有不同的方面 比如電氣特性和數(shù)據(jù)轉換的解釋 為了達到設計透明度以及實現(xiàn)靈活性 根據(jù)ISO OSI參考模型 CAN2 0規(guī)范細分為以下不同的層次 數(shù)據(jù)鏈路層和物理層 如圖所示 CAN協(xié)議規(guī)范 位編碼 解碼位定時同步驅動器接收器特性 邏輯鏈路子層LLC接收濾波超載通知恢復管理 介質訪問控制子層MAC數(shù)據(jù)包裝 解包幀編碼介質訪問管理錯誤監(jiān)測出錯標定應答串并轉換 數(shù)據(jù)鏈路層 物理層 故障界定 總線故障管理 監(jiān)控器 圖CAN協(xié)議分層結構和功能 CAN協(xié)議規(guī)范 在以前版本的CAN規(guī)范中 數(shù)據(jù)鏈路層的LLC子層和MAC子層的服務及功能分別被解釋為 對象層 和 傳輸層 邏輯鏈路控制子層 LLC 的作用范圍如下 為遠程數(shù)據(jù)請求以及數(shù)據(jù)傳輸提供服務 確定由實際要使用的LLC子層接收哪一個報文 為恢復管理和過載通知提供手段 MAC子層的作用主要是傳送規(guī)則 也就是控制幀結構 執(zhí)行仲裁 錯誤檢測 出錯標定 故障界定 位定時的一些普通功能也可以看作是MAC子層的一部分 物理層的作用是在不同節(jié)點之間根據(jù)所有的電氣屬性進行位的實際傳輸 CAN具有以下的屬性 報文的優(yōu)先權 保證延遲時間 設置靈活 時間同步的多點接收 系統(tǒng)內數(shù)據(jù)的連貫性 多主機 錯誤檢測和錯誤標定 只要總線一處于空閑 就自動將破壞的報文重新傳輸 將節(jié)點的暫時性錯誤和永久性錯誤區(qū)分開來 并且可以自動關閉由OSI參考模型分層CAN結構的錯誤的節(jié)點 CAN協(xié)議規(guī)范 依據(jù)ISO OSI參考模型的層結構具有以下功能 物理層定義信號是如何實際地傳輸?shù)?因此涉及到位時間 位編碼 同步的解釋 技術規(guī)范沒有定義物理層的驅動器 接收器特性 以便允許根據(jù)它們的應用 對發(fā)送媒體和信號電平進行優(yōu)化 MAC子層是CAN協(xié)議的核心 它把接收到的報文提供給LLC子層 并接收來自LLC子層的報文 MAC子層負責報文分幀 仲裁 應答 錯誤檢測和標定 MAC子層也被稱作故障界定的管理實體監(jiān)管 此故障界定為自檢機制 以便把永久故障和短時擾動區(qū)別開來 LLC子層涉及報文濾波 過載通知 以及恢復管理 CAN協(xié)議規(guī)范 1 基本術語 1 報文總線上的報文以不同的固定報文格式發(fā)送 但長度受限 當總線空閑時任何連接的單元都可以開始發(fā)送新的報文 2 信息路由 在CAN系統(tǒng)中 一個CAN節(jié)點不使用有關系統(tǒng)結構的任何信息 如站地址 包含一些重要概念 系統(tǒng)靈活性 節(jié)點可在不要求所有節(jié)點及其應用層改變任何軟件或硬件的情況下 被接于CAN網絡 成組 由于采用了報文濾波 所有節(jié)點均可接收報文 并同時被相同的報文激活 數(shù)據(jù)相容性 在CAN網絡內 可以確保報文同時被所有節(jié)點或者沒有節(jié)點接收 因此 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)相容性是借助于成組和出錯處理達到的 1 基本術語 3 位速率不同的系統(tǒng) CAN的速度不同 在一個給定的系統(tǒng)里 位速率是唯一的 并且是固定的 4 優(yōu)先權在總線訪問期間 識別符定義一個靜態(tài)的報文優(yōu)先權 5 遠程數(shù)據(jù)請求通過發(fā)送遠程幀 需要數(shù)據(jù)的節(jié)點可以請求另一節(jié)點發(fā)送相應的數(shù)據(jù)幀 數(shù)據(jù)幀和相應的遠程幀是由相同的識別符命名的 1 基本術語 6 仲裁只要總線空閑 任何單元都可以開始發(fā)送報文 具有較高優(yōu)先權報文的單元可以獲得總線訪問權 如果2個或2個以上的單元同時開始傳送報文 那么就會有總線訪問沖突 仲裁的機制確保了報文和時間均不損失 當具有相同識別符的數(shù)據(jù)幀和遠程幀同時初始化時 數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠程幀 仲裁期間 每一個發(fā)送器都對發(fā)送位的電平與被監(jiān)控的總線電平進行比較 如果電平相同 則這個單元可以繼續(xù)發(fā)送 如果發(fā)送的是一 隱性 電平而監(jiān)視的是一 顯性 電平 見總線值 那么單元就失去了仲裁 必須退出發(fā)送狀態(tài) 1 基本術語 7 錯誤檢測要進行檢測錯誤 必須采取以下措施 監(jiān)視 發(fā)送器對發(fā)送位的電平與被監(jiān)控的總線電平進行比較 循環(huán)冗余檢查 位填充 報文格式檢查 1 基本術語 8 故障界定CAN節(jié)點能夠把永久故障和短暫擾動區(qū)別開來 故障的節(jié)點會被關閉 9 總線值總線有二個互補的邏輯值 顯性 或 隱性 顯性 位和 隱性 位同時傳送時 總線的結果值為 顯性 比如 在總線的 寫與 執(zhí)行時 邏輯0代表 顯性 等級 邏輯1代表 隱性 等級 10 應答所有的接收器檢查報文的連貫性 對于連貫的報文 接收器應答 對于不連貫的報文 接收器作出標志 2 CAN的報文及結構 CAN信息包格式說明 CAN信息包分為兩部分 信息部分和數(shù)據(jù)部分 頭兩個字節(jié)為信息部分 其前十一位為標識符 標識符中的前八位用作接收判斷 應包含本信息包的目的站地址 然后是一位RTR位 應設為0 最后是四位的DLC 數(shù)據(jù)長度位 即所發(fā)數(shù)據(jù)的實際長度 單位 字節(jié) 其余八個字節(jié)是數(shù)據(jù)部分 存有實際要發(fā)的數(shù)據(jù) 詳見下圖 2 CAN的報文及結構 2 CAN的報文及結構 在進行數(shù)據(jù)傳送時 發(fā)出報文的單元稱為該報文的發(fā)送器 該單元在總線空閑或丟失仲裁前恒為發(fā)送器 如果一個單元不是報文發(fā)送器 并且總線不處于空閑狀態(tài) 則該單元為接收器 對于報文發(fā)送器和接收器 報文的實際有效時刻是不同的 對于發(fā)送器而言 如果直到幀結束末尾一直末出錯 則對于發(fā)送器報文有效 如果報文受損 將允許按照優(yōu)先權順序自動重發(fā)送 為了能同其他報文進行總線訪問競爭 總線一旦空閑 重發(fā)送立即開始 對于接收器而言 如果直到幀結束的最后一位一直末出錯 則對于接收器報文有效 2 CAN的報文及結構 構成一幀的幀起始 仲裁場 控制場 數(shù)據(jù)場和CRC序列均借助位填充規(guī)則進行編碼 當發(fā)送器在發(fā)送的位流中檢測到5位連續(xù)的相同數(shù)值時 將自動地在實際發(fā)送的位流中插入一個補碼位 數(shù)據(jù)幀和遠程幀的其余位場采用固定格式 不進行填充 出錯幀和超載幀同樣是固定格式 也不進行位填充 報文傳送由4種不同類型的幀表示和控制 數(shù)據(jù)幀攜帶數(shù)據(jù)由發(fā)送器至接收器 遠程幀通過總線單元發(fā)送 以請求發(fā)送具有相同標識符的數(shù)據(jù)幀 出錯幀由檢測出總線錯誤的任何單元發(fā)送 超載幀用于提供當前的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀的附加延遲 數(shù)據(jù)幀和遠程幀借助幀間空間與當前幀分開 3 同步 同步機制 總線的位同步只有在節(jié)點檢測到 隱性位 邏輯 到 顯性位 邏輯 的跳變時才會產生 當跳變沿不位于位周期的同步段之內時將會產生相位誤差 該相位誤差就是跳變沿與同步段結束位置之間的距離 如果跳變沿發(fā)生在同步段之后采樣點之前為正的相位誤差 如果跳變沿位于同步段之前采樣點之后為負的相位誤差 相位誤差源于節(jié)點的振蕩器漂移 網絡節(jié)點之間的傳播延遲以及噪聲干擾等 協(xié)議規(guī)定了兩種類型的同步 硬同步和重同步 3 同步 硬同步硬同步只在總線空閑時通過一個下降沿 幀起始 來完成 此時不管有沒有相位誤差 所有節(jié)點的位時間重新開始 強迫引起硬同步的跳變沿位于重新開始的位時間的同步段之內 重同步在消息幀的隨后位中 每當有從 隱性位 到 顯性位 的跳變 并且該跳變落在了同步段之外 就會引起一次重同步 重同步機制可以根據(jù)跳變沿增長或者縮短位時間以調整采樣點的位置 保證正確采樣 協(xié)議的位填充機制除實現(xiàn)仲裁場 控制場 數(shù)據(jù)場和 序列的數(shù)據(jù)的透明性外 還增加了從 隱性位 到 顯性位 跳變的機會 也就是增多重同步的數(shù)量 提高同步質量 1 2 3 CAN通信控制器82C200 SJA1000CAN控制器 PCA82C250CAN收發(fā)器 典型CAN總線器件及應用 典型CAN總線器件及其應用 4 CANBUS節(jié)點設計舉例 CAN總線的突出優(yōu)點使其在各個領域的應用得到迅速發(fā)展 這使得許多器件廠商競相推出各種CAN總線器件產品 已逐步形成系列 而豐富廉價的CAN總線器件又進一步促進了CAN總線應用的迅速推廣 目前 CAN已不僅是應用于某些領域的標準現(xiàn)場總線 它正在成為微控制器的系統(tǒng)擴展及多機通信接口 下表列出了一些主要的CAN總線產品 這里僅對典型的芯片加以介紹 4 典型CAN總線器件及其應用 1 CAN通信控制器82C200 完成CAN規(guī)范所規(guī)定的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層大部分功能 有微處理器接口 易于連接單片機 結構分兩種類型 獨立IC或與單片機集成在一起 82C200 SJA1000 屬于前者 屬于后者的有 PHILIPS的87C591 LPC2119 西門子的C167C INTEL的80C196CA等 都遵循CAN2 0規(guī)范 掌握其中一種就可觸類旁通 1 CAN通信控制器82C200 CAN的通信協(xié)議主要由CAN控制器完成 CAN控制器主要由實現(xiàn)CAN總線協(xié)議部分和與微控制器接口部分電路組成 對于不同型號的CAN總線通信控制器 實現(xiàn)CAN協(xié)議部分電路的結構和功能大都相同 而與微控制器接口部分的結構及方式存在一些差異 這里主要以PHILIPS82C200為代表對CAN控制器的結構 功能及應用加以介紹 1 CAN通信控制器82C200 1 CAN通信控制器82C200 1 CAN通信控制器82C200 2 SJA1000CAN控制器 SJA1000是一個獨立的CAN控制器 它在汽車和普通的工業(yè)應用上有先進的特征 適合于多種應用特別在系統(tǒng)優(yōu)化診斷和維護方面非常重要 SJA1000獨立的CAN控制器有2個不同的操作模式 1BasicCAN模式 和PCA82C200兼容 BasicCAN模式是上電后默認的操作模式 因此用PCA82C200開發(fā)的已有硬件和軟件 可以直接在SJA1000上使用而不用作任何修改 2PeliCAN模式 是新的操作模式 它能夠處理所有CAN2 0B規(guī)范的幀類型 而且它還提供一些增強功能 使SJA1000能應用于更寬的領域 工作模式通過時鐘分頻寄存器中的CAN模式位來選擇 復位時默認模式是BasicCAN模式 2 SJA1000CAN控制器 CAN控制器SJA1000在系統(tǒng)中的位置 2 SJA1000CAN控制器 1 SJA1000控制器的結構 2 SJA1000CAN控制器 CAN核心模塊 根據(jù)CAN規(guī)范控制CAN幀的發(fā)送和接收 接口管理邏輯 用于連接外部主控制器 SJA1000通過復用的地址 數(shù)據(jù)總線 與主控制器聯(lián)系 發(fā)送緩沖器 用于存儲一個完整的擴展的或標準的報文 當主控制器初始發(fā)送時 接口管理邏輯會使CAN核心模塊從發(fā)送緩沖器讀CAN報文 驗收濾波器 通過這個可編程的濾波器能確定主控制器要接收哪些報文 接收FIFO 用于存儲所有收到的報文 儲存報文的多少由工作模式決定 最多能存儲32個報文 3 PCA82C250CAN收發(fā)器 PCA82C250是CAN協(xié)議控制器和物理總線的接口 此器件對總線提供差動發(fā)送能力 對CAN控制器提供差動接收能力 又稱為總線驅動器 符合ISO11898標準 最高速率1Mbps 抗汽車環(huán)境瞬間干擾 具有保護總線能力 斜率控制 降低射頻干擾RFI 熱保護以及電源和地短路保護 低電流待機模式 未上電的節(jié)點對總線無影響 可連接110個節(jié)點 工作溫度 40 125 3 PCA82C250CAN收發(fā)器 內部具有限流電路 可防止發(fā)送輸出級對電源 地或負載短路 雖然短路出現(xiàn)時功耗增加但不至于損壞器件 若結溫超過160 則兩個輸出端電流限將減小 從而限制了芯片溫升 器件的所有其他部分將繼續(xù)工作 雙線差分驅動有助于抑制汽車等惡劣電器環(huán)境下的瞬變干擾 4 CANBUS節(jié)點設計舉例 CANBUS節(jié)點設計舉例1 網絡拓樸CAN bus采用總線網絡拓樸結構 在一個網絡上至少需要有2個CAN bus節(jié)點存在 在總線的2個終端 各需要安裝1個120 的終端電阻 如果節(jié)點數(shù)目大于2個 中間節(jié)點就不要求安裝120 終端電阻 4 CANBUS節(jié)點設計舉例 雖然每一個節(jié)點根據(jù)應用系統(tǒng)的任務有各自控制功能 但完成CAN bus信息交換的功能是相同的 CANbus節(jié)點一般由微處理器 CAN控制器 CAN收發(fā)器三部分組成 圖CANbus節(jié)點示意圖 傳送安全性和故障處理 典型故障 1 Can Low斷路 示波儀判斷 典型故障 2 Can high斷路 示波儀判斷 典型故障 3 Can Low與電瓶短接 示波儀判斷 典型故障 4 Can Low與地短接 示波儀判斷 典型故障 5 Can Low與Can high短接 示波儀判斷 典型故障 6 Can Low與Can high交叉連接 示波儀判斷 本講結束 謝謝