《車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》2版第2章 CAN總線

1、車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)第2章 CAN總線2.1 數(shù)據(jù)信號(hào)及其傳輸2.1.1數(shù)制 在計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)中有三種重要數(shù)制，即十進(jìn)制、二進(jìn)制、十六進(jìn)制。1.十進(jìn)制 十進(jìn)制是常用的阿拉伯?dāng)?shù)制。這種數(shù)制的基數(shù)是10。與此相適應(yīng)，每個(gè)單個(gè)數(shù)位有十個(gè)不同的符號(hào)。 圖2-1 十進(jìn)制三位數(shù)365的結(jié)構(gòu)2.二進(jìn)制 二進(jìn)制是數(shù)據(jù)處理中最常用的數(shù)制之一。在二進(jìn)制中只有兩個(gè)數(shù)字值：0 和1，或接通或關(guān)閉，或高電壓或低電壓，即所謂的二進(jìn)制符號(hào)或位。在通信領(lǐng)域，也把這兩個(gè)值稱為邏輯0和邏輯1。 每個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)都由一個(gè)二進(jìn)制符號(hào)（位）的排列構(gòu)成，如1001 0110。 二進(jìn)制有兩種狀態(tài)0和1，因此基數(shù)為2。十進(jìn)制記數(shù)法中的數(shù)字5在二進(jìn)

2、制中可轉(zhuǎn)換為為0101。 圖2-2 一個(gè)二進(jìn)制數(shù)的結(jié)構(gòu)3.十六進(jìn)制十六進(jìn)制用作二進(jìn)制數(shù)的簡化表示。這種數(shù)制包括十六個(gè)符號(hào)，即0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。 十六進(jìn)制的基數(shù)是16。字母A至F對(duì)應(yīng)十進(jìn)制中的數(shù)字值10至15。用一個(gè)一位的十六進(jìn)制數(shù)字可以表示一個(gè)四位的二進(jìn)制數(shù) （四位組）。位3位2位1位0十六進(jìn)制值十進(jìn)制值0000000001110010220011330100440101550110660111771000881001991010A101011B111100C121101D131110E141111F15表2-1 十六進(jìn)制數(shù)與二進(jìn)制數(shù) 的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3、從二進(jìn)制數(shù)值轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)值時(shí)，把二進(jìn)制數(shù)值的各個(gè)四位組轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)值，然后連在一起書寫即可。 例如，將二進(jìn)制數(shù)值1101 0111轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)值時(shí)，第1個(gè)四位組（1101）對(duì)應(yīng)于十六進(jìn)制數(shù)值D；第2個(gè)四位組（0111）對(duì)應(yīng)于十六進(jìn)制數(shù)值7。把這兩個(gè)結(jié)果合并在一起，就可以得到十六進(jìn)制數(shù)字D7。 2.1.2數(shù)據(jù)信號(hào)的類別1.模擬信號(hào) “模擬”這個(gè)概念來源于希臘語（Analogos），表示“類似于”。 模擬顯示數(shù)據(jù)（信息）是指通過直接與數(shù)據(jù)成比例的連續(xù)變化物理量進(jìn)行表示。圖2-3 模擬信號(hào)1最大電壓值；U電壓；t時(shí)間2.數(shù)字信號(hào) “數(shù)字”這個(gè)概念來源于拉丁語“Digitus”，表示手指或

4、腳趾，其本意是指可以用幾個(gè)手指算清的所有事務(wù)，或者更確切第說， “數(shù)字”就是可以分解為各自獨(dú)立的事務(wù)。 數(shù)字表示方式就是以數(shù)字形式表示不斷變化的物理量。尤其在計(jì)算機(jī)內(nèi)，所有數(shù)據(jù)都以“0”和“1”的序列形式表示出來（二進(jìn)制）。因此，“數(shù)字”是“模擬”的對(duì)立形式。圖2-4 數(shù)字信號(hào)U電壓；t時(shí)間3.二進(jìn)制信號(hào) “Bi”一詞來源于希臘語，表示“2”。因此，一個(gè)二進(jìn)制信號(hào)只能識(shí)別兩種狀態(tài)，即0和1，或高和低。如車燈點(diǎn)亮或車燈未亮；繼電器觸電斷開或繼電器觸點(diǎn)閉合；供電或未供電；車門打開或車門關(guān)閉，等等。 每個(gè)符號(hào)、圖片甚至聲音都可由特定順序的二進(jìn)制字符來表述，如10010110。通過這些二進(jìn)制編碼，計(jì)算

5、機(jī)或控制單元可以處理信息或?qū)⑿畔l(fā)送給其它控制單元。圖2-5 二進(jìn)制信號(hào)1高；2低；U電壓；t時(shí)間4.信號(hào)電壓 為了能夠清楚地區(qū)分高電壓和低電壓這兩種狀態(tài)，在汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中對(duì)信號(hào)電壓作了明確的規(guī)定，高電壓為6 12V，低電壓為 02 V，2 6 V之間屬于禁止范圍，只用于識(shí)別故障。圖2-6 信號(hào)電壓1高電壓范圍；2禁止使用的范圍；3低電壓范圍；U電壓；t時(shí)間5.代碼表示 代碼就是一組由字符、符號(hào)或信號(hào)碼元以離散形式表示信息的明確的規(guī)則體系。莫爾斯電碼的每個(gè)字母和數(shù)字都通過不同長度的信號(hào)序列進(jìn)行加密的。 圖2-7 莫爾斯發(fā)報(bào)機(jī)莫爾斯電碼為： 短短短S；長長長O；短短短S。 SOS（Save Ou

6、r Souls拯救我們的生命）圖2-7 莫爾斯發(fā)報(bào)機(jī)6.比特和字節(jié) 計(jì)算機(jī)中的所有信息都以位（bit，亦稱比特，是二進(jìn)制數(shù)字的最小信息單位）為單位進(jìn)行存儲(chǔ)和處理的。 最常用的系統(tǒng)和代碼用8個(gè)位構(gòu)成一個(gè)字節(jié)。因此，可以對(duì)256個(gè)字節(jié)進(jìn)行設(shè)碼。 1千字節(jié)（KB）= 210字節(jié)，即1024字節(jié) 1兆字節(jié)（MB）= 220字節(jié)，即 1024 KB（1048576字節(jié)） 1千兆字節(jié)（GB）= 230字節(jié)，即1024 MB（1073741824字節(jié)） 注意：換算系數(shù)不是1000，而是1024。 因此，必須將所有數(shù)據(jù)（字母、數(shù)字、聲音、圖片等）轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼，以便在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。 2.1.3 總線與接

7、口1.總線 總線技術(shù)最早應(yīng)用在計(jì)算機(jī)內(nèi)部。電信號(hào)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組件、微處理器、存儲(chǔ)器與輸入/輸出器件之間以并行方式傳輸，為此目的而使用的線路稱為總線（BUS）。圖2-8 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)總線線路的示意圖1地址總線；2數(shù)據(jù)總線；3控制總線；CPU中央處理器；ROM只讀存儲(chǔ)器；RAM隨機(jī)存儲(chǔ)器；I輸入；O輸出圖2-9 車用計(jì)算機(jī)（電子控制單元）電路板1輸出模塊；2輸入模塊；3存儲(chǔ)器模塊；4微處理器；5線圈；6電容器；7二極管；8特殊模塊 （特定應(yīng)用）2.接口 接口負(fù)責(zé)建立計(jì)算機(jī)與周圍環(huán)境（其他設(shè)備）之間的連接。圖2-10 接口1計(jì)算機(jī)；2接口；3軟件；4硬件 通過接口連接不同設(shè)備時(shí)有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接和多點(diǎn)連接

8、兩種連接方式。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。 多點(diǎn)連接。 2.1.4 數(shù)據(jù)傳輸方式 根據(jù)發(fā)送裝置向接收裝置傳輸信息時(shí)各字節(jié)的傳輸方式不同，數(shù)據(jù)傳輸方式分為并行傳輸和串行傳輸兩種形式。1.并行傳輸 圖2-13 并行傳輸1發(fā)送裝置；2數(shù)據(jù)；3接收裝置；MSB最高值數(shù)位；LSB最低值數(shù)位2.串行傳輸圖2-14 串行傳輸1-發(fā)送裝置；2-數(shù)據(jù)；3-接收裝置 數(shù)據(jù)的傳輸速率（速度）一般使用位傳輸速率（亦稱比特率）表示，其定義為每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)（bit），單位為bit/s。 目前汽車上并行數(shù)據(jù)傳輸方式多在控制單元內(nèi)部線路中使用，而在控制單元外部傳輸信息則大都以串行傳輸方式進(jìn)行。 串行數(shù)據(jù)傳輸既可以采用同步傳輸方式，也可以

9、采用異步傳輸方式。3.同步數(shù)據(jù)傳輸 使用一個(gè)共同的時(shí)鐘脈沖發(fā)生器可保持發(fā)送裝置和接收裝置時(shí)間管理的同步性。這種方式就是同步傳輸方式。圖2-15 同步傳輸方式1同步脈沖；2數(shù)據(jù)；3停止；4起始；5接收裝置4.異步數(shù)據(jù)傳輸 發(fā)送和接收裝置之間最常用的時(shí)間管理方式是異步傳輸方式。進(jìn)行異步數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，發(fā)送和接收裝置之間沒有共同的系統(tǒng)節(jié)拍。 圖2-16 異步數(shù)據(jù)傳輸時(shí)數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)1接收裝置；2起始位；3最低值數(shù)位；45-8 位數(shù)據(jù)；5最高值數(shù)位；6檢查位；78停止位； 9發(fā)送裝置5.數(shù)據(jù)總線上的信息流方向單工通信。 雙工通信。 圖2-18 雙工通信圖2-17 單工通信6.多路傳輸 多路傳輸（Multip

10、lex Control Systems）是指在同一條通信線路上，同時(shí)傳輸多種數(shù)據(jù)信號(hào)的通信技術(shù)，又稱多路通信（Multiplex Communication）系統(tǒng)、多路復(fù)用(Multiplexing)技術(shù)或聰明線路系統(tǒng)（Smart Wiring System）。（1）時(shí)分多路復(fù)用 時(shí)分多路復(fù)用TDM （Time Division Multiplexing）是指多路數(shù)據(jù)信號(hào)按時(shí)間順序，先后交替利用復(fù)用的傳輸介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)募夹g(shù)，即多路數(shù)據(jù)源的輸入復(fù)合成一個(gè)數(shù)據(jù)流在同一條通信線路上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 采用時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，將時(shí)間分成窄小的時(shí)間段，每一個(gè)窄小的時(shí)間段由復(fù)用的一路數(shù)據(jù)信

11、號(hào)占用。各路數(shù)據(jù)信號(hào)在微觀上進(jìn)行串行傳輸，在宏觀上進(jìn)行并行傳輸。（2）頻分多路復(fù)用 頻分多路復(fù)用 FDM（Frequency Division Multiplexing）是指先將各路輸入信號(hào)調(diào)制到不同的載波頻率上，然后利用同一條通信線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。 每路調(diào)制后的數(shù)據(jù)信號(hào)占用以載波頻率為中心的一定的頻帶，只要各路信號(hào)的載波頻率足夠分離，信號(hào)頻帶彼此不交叉、重疊，各路數(shù)據(jù)信號(hào)之間就不會(huì)互相干擾。（3）波分多路復(fù)用 波分多路復(fù)用 WDM（Wave-length Division Multiplexing）是指在光波頻率范圍內(nèi)，將不同波長的光波按照一定的時(shí)間間隔在同一條光導(dǎo)纖維內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?/p>

12、技術(shù)。2.2 CAN總線的工作原理2.2.1 CAN總線簡介 CAN是ControllerAreaNetwork（控制器局域網(wǎng)）的縮寫，是國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。目前，CAN總線是汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中應(yīng)用最多、也最為普遍的一種總線技術(shù)。1.CAN總線的優(yōu)點(diǎn)控制單元間的數(shù)據(jù)交換都在同一平臺(tái)上進(jìn)行。這個(gè)平臺(tái)稱為協(xié)議，CAN總線起到數(shù)據(jù)交換“高速公路”的作用。圖2-19 控制單元間的數(shù)據(jù)交換都在同一平臺(tái)上進(jìn)行圖2-20 CAN總線相當(dāng)于數(shù)據(jù)交換的“高速公路”可以很方便地實(shí)現(xiàn)用控制單元來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，如發(fā)動(dòng)機(jī)控制、變速器控制、ESP控制等?？梢苑奖愕丶友b選裝裝置，為技術(shù)進(jìn)步創(chuàng)造了條件，為新裝備的使用埋下

13、了伏筆。CAN總線是一個(gè)開放系統(tǒng)，可以與各種傳輸介質(zhì)進(jìn)行適配，如銅線和光導(dǎo)纖維（光纖）。對(duì)控制單元的診斷可通過K線來進(jìn)行，車內(nèi)的診斷有時(shí)通過CAN總線來完成（如安全氣囊和車門控制單元），稱為“虛擬K線”。隨著技術(shù)的進(jìn)步，今后有逐步取消K線的趨勢。可同時(shí)通過多個(gè)控制單元進(jìn)行系統(tǒng)診斷。2.CAN總線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可靠性高；使用方便；數(shù)據(jù)密度大；數(shù)據(jù)傳輸快；采用雙線傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃愿??；谑录|發(fā)協(xié)議工作，采用多主競爭方式進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送權(quán)的爭奪，因此需要設(shè)置沖突仲裁機(jī)制。3.CAN總線的傳輸速率 目前，CAN總線系統(tǒng)中的信號(hào)是采用數(shù)字方式經(jīng)銅導(dǎo)線傳輸?shù)?，其最大穩(wěn)定傳輸速率可達(dá)1000k

14、bit/s （1Mbit/s）。 大眾和奧迪公司將最大標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率規(guī)定為500kbit/s，并將CAN總線系統(tǒng)分為三個(gè)專門的系統(tǒng)：動(dòng)力CAN總線（高速），亦稱驅(qū)動(dòng)CAN總線，其標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率為500kbit/s，可基本滿足實(shí)時(shí)要求，主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、ABS、轉(zhuǎn)向助力等汽車動(dòng)力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。舒適CAN總線（低速），其標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率為100kbit/s，主要用于空調(diào)系統(tǒng)、中央門鎖（車門）系統(tǒng)、座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。信息CAN總線（低速），其標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率為100kbit/s，主要用于對(duì)時(shí)間要求不高的領(lǐng)域，如導(dǎo)航系統(tǒng)、組合音響系統(tǒng)、CD轉(zhuǎn)換控制等。4.CAN總線的自診斷功能控制單元具有自診斷功能

15、，通過自診斷功能還可識(shí)別出與CAN總線相關(guān)的故障。用診斷儀讀出CAN總線故障記錄之后，即可按這些提示信息按圖索驥、順藤摸瓜，快速、準(zhǔn)確地查尋并排除故障?？刂茊卧獌?nèi)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，即確認(rèn)故障已經(jīng)被排除。如果想要更新故障顯示內(nèi)容，必須重新起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。CAN總線正常工作的前提條件是車輛在任何工況均不應(yīng)有CAN總線故障記錄。 2.2.2 CAN總線的組成1.CAN總線的基本系統(tǒng) CAN總線的基本系統(tǒng)由多個(gè)控制單元和兩條數(shù)據(jù)線組成，這些控制單元通過所謂收發(fā)器（發(fā)射-接收放大器）并聯(lián)在總線導(dǎo)線上。 圖2-21 CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸與公交車載運(yùn)乘客相似 CAN

16、總線系統(tǒng)采用雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這兩根導(dǎo)線中，一根稱為CAN-High導(dǎo)線，另一根導(dǎo)線稱為CAN-Low導(dǎo)線。 在雙絞線上，信號(hào)是按相反相位傳輸?shù)?，這樣可有效抑制外部干擾。圖2-22 CAN總線的雙絞線2.CAN總線的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 在CAN總線上傳輸?shù)男畔⒎Q為報(bào)文（Message）。報(bào)文傳輸由以下四種不同的幀類型所表達(dá)和控制：數(shù)據(jù)幀（Data Frame）。數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳輸?shù)浇邮掌?。?shù)據(jù)幀是報(bào)文傳輸?shù)木哂芯唧w意義的數(shù)據(jù)信息，其結(jié)構(gòu)視CAN協(xié)議的具體版本不同而異。遠(yuǎn)程幀（Remote Frame）。接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)（接收數(shù)據(jù)的控制單元）可通過發(fā)送遠(yuǎn)程幀請(qǐng)求數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)（發(fā)送數(shù)據(jù)的控制單元）發(fā)送數(shù)

17、據(jù)。錯(cuò)誤幀（Error Frame）。錯(cuò)誤幀用來檢測 CAN 總線數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯(cuò)誤。任何CAN總線控制單元檢測到總線錯(cuò)誤時(shí)，就會(huì)發(fā)出錯(cuò)誤幀。過載幀（Overload Frame）。過載幀用于在先行的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀（或遠(yuǎn)程幀）之間提供一個(gè)附加的延時(shí)。 為確保報(bào)文傳輸?shù)恼＿M(jìn)行，在數(shù)據(jù)幀（或遠(yuǎn)程幀）之間通過幀間空間（Frame Space）與前一幀隔開，而不管前一幀是何種類型的幀。而在超載幀與錯(cuò)誤幀前面不需要幀間空間，多個(gè)超載幀之間也不需要幀間空間來做分隔。 如圖2-23所示，CAN總線所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀由7個(gè)不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、循環(huán)冗余校驗(yàn)場、應(yīng)答場和幀結(jié)束。 數(shù)據(jù)

18、幀的最大長度為108bit。在兩條CAN導(dǎo)線上，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀的內(nèi)容是相同的，但是兩條導(dǎo)線的電平狀態(tài)相反，即成鏡像。1）幀起始（Start of Frame，SOF）。幀起始標(biāo)志數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的開始，由單個(gè)顯性位構(gòu)成，長度為1bit。在顯性位，CAN-High導(dǎo)線的電壓大約為5V（具體數(shù)值視系統(tǒng)而定），CAN-Low導(dǎo)線的電壓大約為0V。只有當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時(shí)，才允許節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)，所有節(jié)點(diǎn)必須同步于首先發(fā)送報(bào)文（數(shù)據(jù)）的幀起始引起的上升沿。圖2-23 CAN總線的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)（CAN2.0A標(biāo)準(zhǔn)格式）圖2-23 CAN總線的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)（CAN2.0A標(biāo)準(zhǔn)格式）2）仲裁場（Arbitrati

19、on Field，AF）。仲裁場用于確定所傳數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)，如果在同一時(shí)刻有兩個(gè)控制單元都想發(fā)送數(shù)據(jù)，則優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)先行發(fā)出。 在CAN2.0A的標(biāo)準(zhǔn)格式中，仲裁場由11位標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位組成；而在CAN2.0B擴(kuò)展格式中，仲裁場由29位標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位RTR構(gòu)成。也就是說CAN協(xié)議支持標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式兩種報(bào)文格式，其唯一的區(qū)別是標(biāo)識(shí)符長度的不同，標(biāo)準(zhǔn)格式為11位，擴(kuò)展格式為29位。 標(biāo)識(shí)符（Identifier，ID）。標(biāo)識(shí)符ID分為標(biāo)準(zhǔn)格式標(biāo)識(shí)符和擴(kuò)展格式標(biāo)識(shí)符兩種。在CAN2.0A中標(biāo)準(zhǔn)格式中，標(biāo)識(shí)符的長度為11位，這些位以ID-10至ID-0的順序發(fā)送，最低位為ID-0，

20、其中最高7位（ID-10到ID-4）必須不是全隱性位。 圖2-23 CAN總線的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)（CAN2.0A標(biāo)準(zhǔn)格式）遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位(Remote Transmission Request，RTR)。在數(shù)據(jù)幀中，遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位RTR必須是顯性電平，而在遠(yuǎn)程幀中，遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位RTR必須是隱性電平。在擴(kuò)展格式中，先發(fā)送基本標(biāo)識(shí)符，其后是標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展位和替代遠(yuǎn)程請(qǐng)求位。擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符在替代遠(yuǎn)程請(qǐng)求位之后發(fā)送。 圖2-23 CAN總線的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)（CAN2.0A標(biāo)準(zhǔn)格式）替代遠(yuǎn)程請(qǐng)求位(Substitute Remote Request，SRR)。SRR位為隱性位。在擴(kuò)展格式中，SRR位在標(biāo)準(zhǔn)格式的遠(yuǎn)程發(fā)送

21、請(qǐng)求位位置上被發(fā)送，并替代標(biāo)準(zhǔn)格式中的遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位。這樣，可以解決標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式的沖突。 標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展位(Identifier Extension Bit，IDE)。IDE位對(duì)于擴(kuò)展格式而言屬于仲裁場，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)格式來說屬于控制場。標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展位在標(biāo)準(zhǔn)格式中以顯性電平發(fā)送，而在擴(kuò)展格式中為隱性電平。 圖2-23 CAN總線的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)（CAN2.0A標(biāo)準(zhǔn)格式）3）控制場（Control Field，CF）?？刂茍鯟F（長度為6bit）用于顯示數(shù)據(jù)場中的數(shù)據(jù)數(shù)量，以便讓接收器（接收數(shù)據(jù)的控制單元）檢驗(yàn)自己接收到的、來自發(fā)送器（發(fā)送數(shù)據(jù)的控制單元）的數(shù)據(jù)是否完整。 兩種CAN版本的控制場格式不同。

22、在標(biāo)準(zhǔn)格式中，控制場包括數(shù)據(jù)長度碼DLC (Data Length Code)、IDE位（顯性）和保留位0r(顯性)。在擴(kuò)展格式中，包括DLC和兩個(gè)保留位1r、2r，這兩個(gè)保留位必須發(fā)送顯性電平。DLC為4位，允許使用0到8之間的數(shù)字。 圖2-23 CAN總線的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)（CAN2.0A標(biāo)準(zhǔn)格式）4）數(shù)據(jù)場（Data Field，DF）。數(shù)據(jù)場DF由數(shù)據(jù)幀中被發(fā)送的數(shù)據(jù)組成，是數(shù)據(jù)幀的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。 數(shù)據(jù)場DF可包括08個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)由8個(gè)位組成。數(shù)據(jù)場DF的長度不確定，視具體情況而定，最大長度為64bit。其中，首先發(fā)送最高有效位MSB。 5）循環(huán)冗余校驗(yàn)場(Cyclic Redundancy

23、 Check，CRC)。CRC場由15位CRC序列和1位CRC界定符（隱性）組成，總長度為16bit，用于檢驗(yàn)數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否出現(xiàn)錯(cuò)誤。圖2-23 CAN總線的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)（CAN2.0A標(biāo)準(zhǔn)格式）6）應(yīng)答場(Acknowledge，ACK)。ACK場為兩位（長度為2bit），即應(yīng)答間隙（ACK SLOT）和應(yīng)答界定符（ACK DELIMITER）。 在應(yīng)答場里，發(fā)送器發(fā)送兩個(gè)隱性位。當(dāng)接收器接收到有效的報(bào)文時(shí)，接收器就會(huì)在應(yīng)答間隙期間發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，向發(fā)送器發(fā)送一個(gè)顯性位以示應(yīng)答（稱為幀內(nèi)應(yīng)答）接收器已經(jīng)正確、完整地收到了發(fā)送器發(fā)送的數(shù)據(jù)。 如果檢測到在數(shù)據(jù)傳輸中出現(xiàn)錯(cuò)誤，則接收器會(huì)迅速通知

24、發(fā)送器，以便發(fā)送器重新發(fā)送該數(shù)據(jù)。7）幀結(jié)束(END OF FRAME，EOF)。幀結(jié)束EOF由7個(gè)隱性位組成（長度為7bit），標(biāo)志著數(shù)據(jù)的結(jié)束。3.信息的發(fā)送與接收 CAN數(shù)據(jù)總線在發(fā)送信息時(shí)，每個(gè)控制單元均可接收其他控制單元發(fā)送出的信息。在通信技術(shù)領(lǐng)域，也把該原理稱為廣播。圖2-24 廣播原理圖2-25 CAN數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)傳輸類似于“電話會(huì)議”圖2-26 單線CAN總線數(shù)據(jù)傳輸示意圖圖2-27 CAN總線上的信息交換（廣播原理）2.2.3 CAN總線系統(tǒng)元件的功能圖2-28 按時(shí)間順序的電信號(hào)傳輸 CAN總線系統(tǒng)元件主要由K-線、控制單元、CAN構(gòu)件、收發(fā)器等組成。 1.K線 K線用于

25、在CAN總線系統(tǒng)自診斷時(shí)連接汽車故障檢測儀（如VAS5051），屬于診斷用的通訊線。2.控制單元 控制單元接收來自傳感器的信號(hào)，將其處理后再發(fā)送到執(zhí)行元件上。圖2-29 CAN總線系統(tǒng)元件3.CAN構(gòu)件 CAN構(gòu)件用于數(shù)據(jù)交換，為兩個(gè)區(qū)，一個(gè)是接收區(qū)，一個(gè)是發(fā)送區(qū)。CAN構(gòu)件通過接收郵箱或發(fā)送郵箱與控制單元相連。圖2-30 郵局收發(fā)郵件4.收發(fā)器 收發(fā)器就是一個(gè)發(fā)送-接收放大器，在接收數(shù)據(jù)時(shí)，收發(fā)器把CAN構(gòu)件連續(xù)的比特流（亦稱邏輯電平）轉(zhuǎn)換成電壓值（線路傳輸電平）；當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，收發(fā)器把電壓值（線路傳輸電平）轉(zhuǎn)換成連續(xù)的比特流。線路傳輸電平非常適合在銅質(zhì)導(dǎo)線上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 收發(fā)器通過TX-

26、線（發(fā)送導(dǎo)線）或RX-線（接收導(dǎo)線）與CAN構(gòu)件相連。RX-線通過一個(gè)放大器直接與CAN總線相連，并總是在監(jiān)聽總線信號(hào)。1）收發(fā)器的特點(diǎn) 狀態(tài) 晶體三極管狀態(tài)電阻狀態(tài) 總線電平 1截止（相當(dāng)于開關(guān)斷開）無源 高阻抗 1 0導(dǎo)通（相當(dāng)于開關(guān)閉合）有源 低阻抗 0表2-2 收發(fā)器內(nèi)晶體三極管的狀態(tài)與總線電平之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖2-31 收發(fā)器的TX-線與總線的耦合2）多個(gè)收發(fā)器與總線導(dǎo)線的耦合 當(dāng)有多個(gè)收發(fā)器與總線導(dǎo)線耦合時(shí)，總線的電平狀態(tài)將取決于各個(gè)收發(fā)器開關(guān)狀態(tài)的邏輯組合。 收發(fā)器A 收發(fā)器B 收發(fā)器C 總線電平 1 1 1 1（5 V） 1 1 0 0（0V） 1 0 1 0（0V） 1 0 0

27、 0（0V） 0 1 1 0（0V） 0 1 0 0（0V） 0 0 1 0（0V） 0 0 0 0（0V）表2-3 收發(fā)器開關(guān)的狀態(tài)與總線電平的邏輯關(guān)系圖2-32 3個(gè)收發(fā)器接到一根總線導(dǎo)線上2.2.4 CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸過程1.信息格式的轉(zhuǎn)換 首先是發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的傳感器接收到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信息（轉(zhuǎn)速值）。該值以固定的周期（循環(huán)往復(fù)地）到達(dá)微控制器的輸入存儲(chǔ)器內(nèi)。 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速值按協(xié)議被轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的CAN信息格式。 在本例中，仲裁場（標(biāo)識(shí)符）=發(fā)動(dòng)機(jī)_1，數(shù)據(jù)場（信息內(nèi)容）=發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為xxx r/min）。當(dāng)然，CAN總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也可以是其他信息（如節(jié)氣門開度、冷卻液溫度、

28、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩等），具體內(nèi)容取決于系統(tǒng)軟件的設(shè)定。圖2-33 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速值按協(xié)議被轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的CAN信息格式2.請(qǐng)求發(fā)送信息總線狀態(tài)查詢 如果發(fā)送郵箱內(nèi)有一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)值，那么該值會(huì)由發(fā)送特征位（舉起的小旗）顯示出來請(qǐng)求發(fā)送信息。 只有總線處于空閑狀態(tài)時(shí)，控制單元才能向總線上發(fā)送信息。CAN構(gòu)件通過RX-線來檢查總線是否有源（是否正在交換其他信息），必要時(shí)會(huì)等待，直至總線空閑下來為止。 如果在某一時(shí)間段內(nèi)，總線電平一直為1（總線一直處于無源狀態(tài)），則說明總線處于空閑狀態(tài)。圖2-34 總線狀態(tài)查詢3.發(fā)送信息 如果總線空閑下來，發(fā)動(dòng)機(jī)信息就會(huì)被發(fā)送出去。 圖2-35 信息發(fā)送過程4.接收過程 連

29、接在CAN總線上的所有控制單元都接收發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元發(fā)送的信息，該信息通過RX-線到達(dá)CAN構(gòu)件各自的接收區(qū)。圖2-36 接收過程 接收過程分兩步，首先檢查信息是否正確（在監(jiān)控層），然后檢查信息是否可用（在接收層）。1）檢查信息是否正確（在監(jiān)控層） 數(shù)據(jù)傳輸是否正確，可以通過監(jiān)控層內(nèi)的CRC校驗(yàn)和數(shù)來進(jìn)行校驗(yàn)。CRC校驗(yàn)即為循環(huán)冗余碼校驗(yàn)（Cycling Redundancy Check，略作CRC）。 在發(fā)送每個(gè)信息時(shí)，所有數(shù)據(jù)位會(huì)產(chǎn)生并傳遞一個(gè)16位的校驗(yàn)和數(shù)，接收器按同樣的規(guī)則從所有已經(jīng)接收到的數(shù)據(jù)位中計(jì)算出校驗(yàn)和數(shù)，隨后系統(tǒng)將接收到的校驗(yàn)和數(shù)與計(jì)算出的實(shí)際校驗(yàn)和數(shù)進(jìn)行比較。 如果兩個(gè)校驗(yàn)

30、和數(shù)相等，確認(rèn)無數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，那么連接在CAN總線上的所有收到該條信息的控制單元都會(huì)給發(fā)送器一個(gè)確認(rèn)回答確認(rèn)信息已經(jīng)妥收（圖2-37），這個(gè)確認(rèn)回答就是所謂的“幀內(nèi)應(yīng)答”（Acknowledge，Ack)，它位于校驗(yàn)和數(shù)之后。圖2-37 確認(rèn)信息已經(jīng)妥收2）檢查信息是否可用（在接收層） CAN構(gòu)件的接收層判斷該信息是否可用。如果該信息對(duì)本控制單元來說是有用的，則舉起接收旗，予以放行，該信息就會(huì)進(jìn)入相應(yīng)的接收郵箱；如果該信息對(duì)本控制單元來說是無用的，則可以拒絕接收。5.沖突仲裁 如果多個(gè)控制單元同時(shí)發(fā)送信息，那么數(shù)據(jù)總線上就必然會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。為了避免發(fā)生這種情況，CAN總線具有沖突仲裁機(jī)制。

31、按照信息的重要程度分配優(yōu)先權(quán)，確保優(yōu)先權(quán)高的信息能夠優(yōu)先發(fā)送。 如圖2-38所示，經(jīng)監(jiān)控層監(jiān)控、確認(rèn)無誤后，已接收到的正確信息會(huì)到達(dá)相關(guān)CAN構(gòu)件的接收區(qū)。圖2-38 監(jiān)控層對(duì)信息進(jìn)行監(jiān)控 （1）每個(gè)控制單元在發(fā)送信息時(shí)通過發(fā)送標(biāo)識(shí)符來標(biāo)識(shí)信息類別，信息優(yōu)先權(quán)包含在標(biāo)識(shí)符中。（2）所有控制單元都通過各自的RX-線來跟蹤總線上的一舉一動(dòng)并獲知總線狀態(tài)。（3）每個(gè)控制單元的發(fā)射器都將TX-線和RX-線的狀態(tài)一位一位地進(jìn)行比較（它們可以不一致）。 圖2-40 避免數(shù)據(jù)沖突的仲裁過程2.3 CAN總線的應(yīng)用2.3.1 CAN總線的分類1.大眾集團(tuán)的CAN總線（1）動(dòng)力CAN數(shù)據(jù)總線。CAN動(dòng)力數(shù)據(jù)總線

32、屬于高速CAN總線，數(shù)據(jù)傳輸速率為500kbit/s，用于將動(dòng)力系統(tǒng)中的控制單元聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)。（2）舒適CAN數(shù)據(jù)總線。舒適CAN數(shù)據(jù)總線屬于低速CAN總線，數(shù)據(jù)傳輸速率為100kbit/s，用于將舒適系統(tǒng)中的控制單元聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)。（3）信息CAN數(shù)據(jù)總線。信息CAN數(shù)據(jù)總線屬于低速CAN總線，數(shù)據(jù)傳輸速率為100kbit/s，用于將收音機(jī)、電話和導(dǎo)航系統(tǒng)聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)。 舒適CAN數(shù)據(jù)總線和信息CAN數(shù)據(jù)總線可以通過帶網(wǎng)關(guān)的組合儀表與動(dòng)力CAN數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。2.不同CAN總線的共性（1）不同類別的CAN總線采用同樣的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。（2）為了保證信息傳輸?shù)母呖垢蓴_性，所有CAN數(shù)據(jù)總線都

33、采用雙線系統(tǒng)，個(gè)別公司還采用三線系統(tǒng)。（3）將要發(fā)送的信號(hào)在發(fā)送控制單元的收發(fā)器內(nèi)轉(zhuǎn)換成不同的信號(hào)電平，并輸送到兩條CAN導(dǎo)線上，只有在接收控制單元的差分信號(hào)放大器內(nèi)才能建立兩個(gè)信號(hào)電平的差值，并將其作為唯一經(jīng)過校正的信號(hào)繼續(xù)傳至控制單元的CAN接收區(qū)。（4）信息CAN數(shù)據(jù)總線與舒適CAN數(shù)據(jù)總線的特性是一致的。 在Polo (自2002年起)和Golf IV汽車上，信息CAN數(shù)據(jù)總線和舒適CAN數(shù)據(jù)總線采用同一組數(shù)據(jù)導(dǎo)線。3.不同CAN總線的區(qū)別（1）動(dòng)力CAN數(shù)據(jù)總線通過15號(hào)接線柱切斷，或經(jīng)過短時(shí)無載運(yùn)行后自行切斷。（2）舒適CAN數(shù)據(jù)總線由30號(hào)接線柱供電且必須保持隨時(shí)可用狀態(tài)。在“1

34、5號(hào)接線柱關(guān)閉”后，若汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不再需要舒適CAN數(shù)據(jù)總線工作，則舒適CAN總線進(jìn)入“休眠模式”。（3）舒適CAN數(shù)據(jù)總線和信息CAN數(shù)據(jù)總線具有“單線工作模式”，可以單線工作（俗稱“瘸腿”工作）。（4）動(dòng)力CAN數(shù)據(jù)總線的電信號(hào)與舒適CAN數(shù)據(jù)總線、信息CAN數(shù)據(jù)總線的電信號(hào)是不同的。 動(dòng)力CAN數(shù)據(jù)總線無法與舒適/信息CAN數(shù)據(jù)總線直接進(jìn)行電氣連接，但可以通過網(wǎng)關(guān)聯(lián)接在一起，夠成一個(gè)更大的網(wǎng)絡(luò)。4.CAN導(dǎo)線 CAN數(shù)據(jù)總線是一種雙線式數(shù)據(jù)總線，稱為雙絞線。 在大眾車系中，CAN導(dǎo)線的基色為橙色。動(dòng)力總線的CAN-High導(dǎo)線上還多加了黑色作為標(biāo)志色；舒適總線的CAN-High導(dǎo)線上的標(biāo)

35、志色為綠色；信息總線的CAN-High導(dǎo)線上的標(biāo)志色為紫色，而CAN-Low導(dǎo)線的標(biāo)志色都是棕色。 為易于識(shí)別，并與大眾車系維修手冊(cè)及VAS5051系列檢測儀相適應(yīng)，在本書中，CAN導(dǎo)線分別用黃色和綠色來表示，CAN-High導(dǎo)線為黃色，CAN-Low導(dǎo)線為綠色。圖2-42 雙絞線（CAN-High導(dǎo)線和CAN-Low導(dǎo)線）5.CAN導(dǎo)線布線圖 大眾集團(tuán)使用的CAN數(shù)據(jù)總線有一個(gè)特點(diǎn)，控制單元之間呈樹形連接，這在CAN標(biāo)準(zhǔn)中是沒有的。這個(gè)特點(diǎn)使得控制單元布線更為完美。圖2-43 Phaeton汽車動(dòng)力CAN數(shù)據(jù)總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2.3.2動(dòng)力CAN總線1.CAN導(dǎo)線上的電壓 CAN總線的靜止?fàn)顟B(tài)

36、亦稱隱性狀態(tài)，靜止?fàn)顟B(tài)下CAN-High導(dǎo)線和CAN-Low導(dǎo)線的對(duì)地電壓稱為靜止電平（亦稱隱性電平），簡稱靜電平。圖2-44 動(dòng)力CAN導(dǎo)線上的電壓2.CAN收發(fā)器 控制單元是通過收發(fā)器聯(lián)接到動(dòng)力CAN總線上的。在收發(fā)器內(nèi)部的接收器一側(cè)設(shè)有差分信號(hào)放大器。差分信號(hào)放大器用于處理來自CAN-High導(dǎo)線和CAN-Low導(dǎo)線的信號(hào)。圖2-45 動(dòng)力CAN數(shù)據(jù)總線的差分信號(hào)放大器 收發(fā)器的差分信號(hào)放大器在處理信號(hào)時(shí)，會(huì)用CAN-High導(dǎo)線上作用的電壓減去CAN-Low導(dǎo)線上作用的電壓，具體的處理過程如圖2-46所示。圖2-46 差分信號(hào)放大器內(nèi)的信號(hào)處理3.干擾信號(hào)的消除 CAN-High信號(hào)和

37、CAN-Low信號(hào)經(jīng)過差分信號(hào)放大器處理后（就是所謂的差分傳輸技術(shù)），可最大限度地消除干擾的影響。即使車上的供電電壓有波動(dòng)（如起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)），也不會(huì)影響各個(gè)控制單元的數(shù)據(jù)傳輸，這就大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。圖2-48 CAN總線對(duì)外界干擾信號(hào)的消除過程4.終端電阻（負(fù)載電阻） 從信號(hào)傳輸?shù)慕嵌瓤矗?lián)接在CAN總線上的控制單元相當(dāng)于CAN導(dǎo)線上的一個(gè)負(fù)載電阻（只是控制單元內(nèi)部裝有電子元件），其阻抗取決于聯(lián)接的控制單元數(shù)量及電阻阻值。圖2-49 CAN數(shù)據(jù)總線上的負(fù)載電阻5.動(dòng)力CAN總線的電壓波形圖2-50 動(dòng)力CAN總線的實(shí)測電壓波形2.3.3舒適/信息CAN總線1.舒適/信息CAN總線的應(yīng)

38、用 舒適/信息CAN總線用于將舒適CAN總線和信息CAN總線所控制的控制單元（如全自動(dòng)空調(diào)/空調(diào)控制單元、車門控制單元、舒適控制單元、收音機(jī)和導(dǎo)航顯示單元控制單元等）連成網(wǎng)絡(luò)。2.舒適/信息CAN導(dǎo)線上的電壓圖2-51 舒適/信息CAN總線的理論電壓 舒適/信息CAN放棄了CAN-High導(dǎo)線和CAN-Low導(dǎo)線共同的中壓。如圖2-52所示，在隱性狀態(tài)（靜電平）時(shí)，CAN-High信號(hào)為0V，在顯性狀態(tài)時(shí)3.6V。對(duì)于CAN-Low信號(hào)來說，隱性電平為5V，顯性電平1.4V。 于是，在差分信號(hào)放大器內(nèi)相減后，隱性電平為-5V，顯性電平為2.2V，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。圖2-52 舒適/信息CAN總線的實(shí)測電壓波形3.舒適/信息CAN總線的收發(fā)器 舒適/信息CAN總線收發(fā)器的工作原理與驅(qū)動(dòng)CAN總線收發(fā)器基本是一樣的，只是輸出電壓和出現(xiàn)故障時(shí)切換到單線工作模式的方法不同。圖2-53 舒適/信息CA