智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)資源庫智能化網(wǎng)聯(lián)化CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)主講人：吳航導(dǎo)入汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)資源庫CAN是控制器局域網(wǎng)（ControllerAreaNetwork）的簡稱。最初是德國博士（Bosch）公司為汽車的監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設(shè)計的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。這種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議在應(yīng)用上由于可采用雙絞線、同軸電纜和光導(dǎo)纖維作為通訊介質(zhì)，因此又稱“控制器局域網(wǎng)總線”，常用CAN-BUS（ControllerAreaNetwork-BUS），即CAN總線表示。

CAN是一種開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價比高，特別適用于分布式測控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊。轉(zhuǎn)子式發(fā)動機(jī)汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)資源庫

CAN總線系統(tǒng)的組成

CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)由電控單元ECU、傳輸介質(zhì)雙絞線和終端電阻組成，如圖1所示。圖lCAN總線組成汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)資源庫1．電控單元ECUCAN總線連接的電控單元ECU又稱CAN總線上的節(jié)點。理論上CAN總線可以連接無窮多個節(jié)點，實際上受線路越長、傳輸速率越低的限制，實際可連接幾十個節(jié)點。CAN總線上的每個電控單元ECU獨立完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換和測控任務(wù)，CAN總線上的電控單元ECU與非網(wǎng)絡(luò)電控單元ECU不同，非網(wǎng)絡(luò)電控單元ECU不需要對外進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；而網(wǎng)絡(luò)上的電控單元ECU之間需要數(shù)據(jù)交換。

CAN總線系統(tǒng)的組成汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)資源庫

圖2是CAN總線電控單元的原理圖，CAN總線電控單元由輸入電路、輸出電路、單片機(jī)、CAN控制器、光電隔離電路、CAN控制器收發(fā)器組成，分述如下。圖2CAN總線電控單元原理圖

CAN總線系統(tǒng)的組成汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)資源庫（1）輸入電路輸入電路用來接收來自傳感器和控制開關(guān)的輸入信號，并將輸入信號轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可接收的數(shù)字信號。（2）輸出電路輸出電路將單片機(jī)輸出的控制信號轉(zhuǎn)換能驅(qū)動執(zhí)行器的功率信號，因此輸出電路包括放大驅(qū)動電路。（3）單片機(jī)單片機(jī)在工業(yè)控制技術(shù)中也常稱為微控制器。目前，汽車電控單元使用的單片機(jī)是汽車專用增強(qiáng)型單片機(jī)，是針對汽車較為復(fù)雜的震動、高溫、低溫和惡劣的電磁環(huán)境而設(shè)計的。

CAN總線系統(tǒng)的組成汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)資源庫（4）CAN控制器

獨立的CAN控制器是基于單片機(jī)控制的、專用于執(zhí)行CAN總線通信協(xié)議的獨立數(shù)字集成電路芯片。也有將單片機(jī)與CAN控制器合成的芯片也稱為CAN控制器。圖3是一獨立的CAN控制器的原理圖，主要有以下幾部分組成。圖3CAN控制器原理圖

CAN總線系統(tǒng)的組成汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)資源庫（5）光電隔離電路光電隔離電路以光為媒介傳送信號，對輸入和輸出電路進(jìn)行電氣隔離，因而能有效地抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地回路的干擾，有響應(yīng)速度較快、壽命長、體積小耐沖擊等好處。（6）CAN收發(fā)器

CAN收發(fā)器由CAN接收器、CAN發(fā)送器和差分轉(zhuǎn)換處理電路組成。

CAN接收器是差分式接受放大器，可將CAN總線上雙向的差分信號轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗虻拿}沖信號。CAN收發(fā)器在不發(fā)送信號時就處于接受狀態(tài)。

CAN總線在任意時刻只能處于一種狀態(tài)，要么是“隱性位”，要么是“顯性位”。

CAN總線系統(tǒng)的組成汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)資源庫圖4CAN收發(fā)器轉(zhuǎn)換信號示意圖

CAN總線系統(tǒng)的組成汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)資源庫圖5用示波器在CAN總線測得的電壓波形

CAN總線系統(tǒng)的組成汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)資源庫2．CAN數(shù)據(jù)傳輸線汽車上CAN數(shù)據(jù)傳輸線大都是雙絞線，分為CAN高電平數(shù)據(jù)線和低電平數(shù)據(jù)線，即CAN-H線和CAN-L線，這種結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)能夠同時讀寫總線。雙絞線具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

3．CAN終端電阻

CAN兩端都接一個120Ω的電阻器，即連接在雙絞線的兩端，終端電阻可防止信號在傳輸線終端被反射并以回波的形式返回，影響數(shù)據(jù)的正確傳送。

CAN總線系統(tǒng)的組成汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)資源庫CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸

1.CAN總線的廣播式傳輸

CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸像一個電話會議，如圖6所示。一個電話用戶（電控單元）將數(shù)據(jù)“講入”網(wǎng)絡(luò)中，其他用戶通過網(wǎng)絡(luò)“接聽”這個數(shù)據(jù)，對于這個數(shù)據(jù)感興趣的電控單元就會利用數(shù)據(jù)，而其他控制單元則選擇忽略。在該網(wǎng)絡(luò)中，任一控制單元都既可發(fā)送數(shù)據(jù)，又可接收數(shù)據(jù)。

CAN總線與其它通信網(wǎng)的不同之處是報文傳送中不包含目標(biāo)地址，它是以全網(wǎng)廣播為基礎(chǔ)，各接收站根據(jù)報文中反映數(shù)據(jù)性質(zhì)的標(biāo)識符過濾報文，該收的收下，不該收的棄而不用。其好處是可在線上網(wǎng)下網(wǎng)、即插即用和多站接收。汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)資源庫圖6CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸示意圖CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)資源庫2.CAN總線系統(tǒng)防干擾措施

汽車在使用過程中，電火花、電磁線圈開關(guān)、移動電話和發(fā)送站、電焊機(jī)等電磁設(shè)備發(fā)出的電磁波都會影響或破壞CAN的數(shù)據(jù)傳送。為了防止數(shù)據(jù)在傳送時受到干擾，CAN總線采用較多的防干擾措施。（1）雙絞線的抗外電磁干擾作用

(2)差分信號和差分式接收器的抗干擾作用CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)資源庫圖7雙絞線抗外電磁干擾原理圖

CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸圖8差分信號和差分式接收器的抗干擾示意圖汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)資源庫3、CAN總線的數(shù)據(jù)類型

CAN總線所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)又稱為報文，是按一幀一幀的傳送，每幀數(shù)據(jù)有一組二進(jìn)制數(shù)或數(shù)字脈沖組成，這組二進(jìn)制數(shù)按功能又分為一段一段的，每一段稱為幀的域或場。

CAN總線所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯誤幀和過載幀4種類型。

CAN的幀有兩種不同的幀格式，不同之處為識別符的長度不同：具有11位識別符的幀稱之為標(biāo)準(zhǔn)幀；而含有29位識別符的幀為擴(kuò)展幀。CAN報文有以下4個不同的幀類型：CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)資源庫(1)數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀的功能是將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳到接收器。數(shù)據(jù)幀由開始域、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、安全域、應(yīng)答域、結(jié)束域7個不同的域組成，如圖9所示。圖9數(shù)據(jù)幀的組成CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)資源庫(2)遠(yuǎn)程幀

CAN總線上電控單元的數(shù)據(jù)發(fā)布，有兩種基本形式。第一種形式是按設(shè)定或需要主動發(fā)布，例如制動信號，當(dāng)踩剎車時ABS電控單元就會主動發(fā)布，發(fā)動機(jī)電控單元接受后就會立即調(diào)控發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速由高速降為低速。第二種形式是受請求后發(fā)布，例如A電控單元需要B電控單元的數(shù)據(jù)，A電控單元先發(fā)布請求信號，這個請求信號的數(shù)據(jù)形式就是遠(yuǎn)程幀。CAN總線上的所有電控單元都可接受到這個遠(yuǎn)程幀，并對遠(yuǎn)程幀中的標(biāo)識符進(jìn)行識別，需要則接受，不需要則不處理。CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)資源庫(3)錯誤幀任何電控單元檢測到總線錯誤就發(fā)出錯誤幀。錯誤幀的功能是對所發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行錯誤檢測、錯誤標(biāo)定及錯誤自檢。錯誤幀由兩個不同的域組成，第一個域為不同控制單元提供錯誤標(biāo)志的疊加，第二個域是錯誤界定符。

（4）過載幀過載幀用以在先行的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀（或遠(yuǎn)程幀）之間提供一附加的延時。接收器在電路尚未準(zhǔn)備好或在間歇域期間檢測到一個“顯性”位時，會發(fā)送過載幀，以延遲數(shù)據(jù)的傳送。過載幀包括過載標(biāo)志和過載界定符兩個域。

CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)資源庫

（5）幀間空間數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀與其前面幀的隔離是通過幀間空間實現(xiàn)的，無論其前面的幀為何類型。所不同的是過載幀與錯誤幀之前沒有幀間空間，多個過載幀之間也不是由幀間空間隔離的。幀間空間包括間歇域和總線空閑的域?？偩€空閑域的長度是任意的。只要總線被認(rèn)定為空閑，等待發(fā)送信息的控制單元就會訪問總線。CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)資源庫高速和低速CAN總線

CAN總線按數(shù)據(jù)傳輸速度分為為兩種，高速CAN總線和低速CAN總線。

高速CAN總線適用于速率為250Kbit/s到1Mbit/s，協(xié)議誕生之日起就存在。

低速CAN總線產(chǎn)生較晚，速率不超過125Kbit/s。主要具有容錯功能，因此其協(xié)議在硬件和軟件上有所改進(jìn)。

1.高速CAN總線（1）高速CAN總線的信號

高速CAN總線的差分電壓信號如圖10所示。CAN-H線上傳送的信號和CAN-L線上傳送信號的相位正好是相反的。電壓水平的數(shù)值如圖中所示，是標(biāo)準(zhǔn)化的。汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)資源庫圖10高速CAN總線上的差分信號

高速和低速CAN總線

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以下7種情況中，只有兩種情況在物理層容錯范圍內(nèi)，其他幾種情況，網(wǎng)絡(luò)是不能運(yùn)行的，并且各個電控單元之間也不可以實現(xiàn)通信：

①CAN-H線與地線短路，無法運(yùn)行；

②CAN-H線與電源正極短路時，CAN-L線在物理層容錯范圍內(nèi)，差分放大器可以接受并放大信號，但數(shù)值變低，可以降級運(yùn)行；

③CAN-L線與地線短路時，CAN–H線在物理層容錯范圍內(nèi)，差分放大器可以接受并放大信號，但數(shù)值變低，可以降級運(yùn)行；

④CAN-L線與正極短路，無法運(yùn)行；

⑤CAN-H線斷路，無法運(yùn)行；

⑥CAN-L線斷路，無法運(yùn)行；

⑦CAN-H線與CAN-L線短路，無法運(yùn)行。高速和低速CAN總線

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（2）高速CAN總線的休眠與喚醒高速CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)物理層將網(wǎng)絡(luò)活動信息告知Rx線，Rx線喚醒CAN控制器中的協(xié)議控制器，實現(xiàn)該過程只需要CAN線路接口有持續(xù)供電即可。當(dāng)協(xié)議控制器被喚醒時，它將打斷網(wǎng)絡(luò)休眠，執(zhí)行蘇醒過程。

2.低速CAN總線（1）低速CAN總線的信號低速CAN總線的差分電壓信號如圖12所示，CAN-H線上傳送的信號和CAN-L線上傳送信號的相位雖然是相反的，但電壓水平的數(shù)值與高速CAN總線的電壓有區(qū)別。高速和低速CAN總線

汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)資源庫圖12低速CAN總線上的差分信號高速和低速CAN總線

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故障邏輯電路判斷總線的電平數(shù)值，可以用以下容錯功能，維持?jǐn)?shù)據(jù)信號傳送。

①低速CAN總線正常時，由差分信號放大器接受和放大總線信號，總線為雙線工作模式。

②低速CAN-L線有故障（與地線或電源正極短路，斷路）時，故障邏輯電路接通CAN-H線信號放大器，使用CAN-H線信號，總線降級為單線工作模式。

③低速CAN-H線有故障（與地線或電源正極短路，斷路）時，故障邏輯電路接通CAN-L線信號放大器，使用CAN-L線信號，總線降級為單線工作模式。

④低速CAN-H線和CAN-L線相互短路時，故障邏輯電路將CAN-L自動切斷，接通CAN-H線信號放大器，使用CAN-H線信號，總線降級為單線工作模式。高速和低速CAN總線

汽車制造與裝配技術(shù)專業(yè)資源庫（2）低速CAN總線的休眠與喚醒通過低速CAN總線系統(tǒng)物理層可以實現(xiàn)對CAN總線系統(tǒng)的休眠與喚醒的管理。如車輛解鎖、操作車內(nèi)電器等都可以喚醒低速CAN總線系統(tǒng)。關(guān)閉發(fā)動機(jī)、鎖