【課件】2-1 典型CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)解析

項目二車載CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)解析任務(wù)一典型CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)解析VehicleNetworkandBusTechnology任務(wù)導(dǎo)入在汽車中，從行駛、制動、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)到安全系統(tǒng)以及舒適性能系統(tǒng)都使用到CAN總線。但在CAN總線技術(shù)發(fā)展之初，很多人其實對該技術(shù)并不了解，坊間就曾經(jīng)流傳著這樣一則笑話，一個應(yīng)屆畢業(yè)生到公司去應(yīng)聘，負(fù)責(zé)招聘的經(jīng)理問他：“你會哪方面的技術(shù)？”畢業(yè)生說：“我會CAN總線”。經(jīng)理疑惑的問：“你會看什么總線？”那么，什么是CAN總線呢？接下來學(xué)習(xí)關(guān)于CAN總線系統(tǒng)的知識。任務(wù)目標(biāo)理解CAN總線的定義及特點；了解CAN總線的結(jié)構(gòu)組成；能夠正確說出CAN總線電控單元的結(jié)構(gòu)組成；能夠正確描述CAN總線系統(tǒng)各個元件功能；養(yǎng)成定期反思與總結(jié)的習(xí)慣，改進不足，精益求精；積極主動與小組成員交流、討論學(xué)習(xí)成果，取長補短，完成自我提升；正確認(rèn)識自身崗位，熱愛本職工作，時刻保持恭敬心與敬畏心。新授PART.01NewTeaching目錄CONTENTSCAN總線的認(rèn)知01CAN總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成02CAN總線系統(tǒng)元件的功能03一、CAN總線的認(rèn)知（一）CAN總線的概念CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（ControleAreaNetwork）的英文縮寫，是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的“串行通信協(xié)議”。開發(fā)背景是在1985年時德國博世公司為了解決汽車上眾多測試儀器與控制單元之間的數(shù)據(jù)傳輸，而開發(fā)的一種支持分布式控制的串行數(shù)據(jù)通信總線，也是汽車上應(yīng)用最多、最為普遍的一種總線技術(shù)，是汽車B類和C類網(wǎng)絡(luò)的主流總線。一、CAN總線的認(rèn)知（二）CAN總線的特點321CAN總線采用雙絞線作為傳輸介質(zhì)，媒體訪問方式為位仲裁，是一種多主總線。CAN總線為事件觸發(fā)的實時通信網(wǎng)絡(luò)，其總線仲裁方式采用基于優(yōu)先級的載波偵聽多路訪問沖突檢測法。如今，CAN總線已經(jīng)成為主流車載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，廣泛應(yīng)用在各大主流車系，如大眾、奧迪、奔馳、寶馬、雪鐵龍、通用、日產(chǎn)、豐田、本田等。一、CAN總線的認(rèn)知（二）CAN總線的特點編號特點內(nèi)容1多主控制多主控制是指在總線空閑時，所有的單元都可以開始發(fā)送消息，最先訪問總線的單元可獲得發(fā)送權(quán)，多個單元同時開始發(fā)送時，發(fā)送高優(yōu)先級ID（標(biāo)識符）消息的單元可獲得發(fā)送權(quán)。2消息的發(fā)送在CAN協(xié)議中，所有的消息都以固定的格式發(fā)送?？偩€空閑時，所有與總線相連的單元都可以開始發(fā)送新消息。兩個以上的單元同時開始發(fā)送消息時，根據(jù)ID決定優(yōu)先級。3系統(tǒng)的柔軟性與總線相連的單元沒有類似于"地址"的信息，因此在總線上增加單元時，連接在總線上的其他單元的軟硬件及應(yīng)用層都不需要改變。4高速度和遠距離當(dāng)通信距離小于40m時，CAN總線的傳輸速率可以達到1Mbit/s。通信速率與其通信距離成反比，當(dāng)其通信距離達到10km時，其傳輸速率仍可以達到約5kbit/s。5遠程數(shù)據(jù)請求可通過發(fā)送“遙控幀”請求其他單元發(fā)送數(shù)據(jù)。6錯誤檢測、錯誤通知、錯誤恢復(fù)功能錯誤檢測功能是指所有的單元都可以檢測錯誤；錯誤通知功能是指正在發(fā)送消息的單元一旦檢測出錯誤，會強制結(jié)束當(dāng)前的發(fā)送，并立即同時通知其他所有單元；錯誤恢復(fù)功能是指強制結(jié)束發(fā)送的單元會不斷反復(fù)地重新發(fā)送此消息，直到成功發(fā)送為止。二、CAN總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)由電控單元（ECU）、CAN數(shù)據(jù)傳輸線和CAN終端電阻組成，如圖所示。CAN總線系統(tǒng)的組成（一）電控單元（ECU）二、CAN總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成CAN總線連接的電控單元又稱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，車載CAN總線的節(jié)點數(shù)可達上百個。CAN總線上的每個電控單元獨立完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換和測控任務(wù)，如發(fā)動機電控單元、自動變速器電控單元、ABS電控單元等。（一）電控單元（ECU）二、CAN總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

如圖所示為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、CAN控制器、光電隔離電路、CAN收發(fā)器組成（一）電控單元（ECU）二、CAN總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成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)換為單片機可接收的數(shù)字信號。如果輸入信號是模擬信號，那么輸入電路里還含有模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A/D轉(zhuǎn)換），將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號。如冷卻液溫度傳感器的信號是模擬信號，需經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。（一）電控單元（ECU）二、CAN總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成2.輸出電路輸出電路將單片機輸出的控制信號轉(zhuǎn)換成能驅(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。因為大部分執(zhí)行器是模擬執(zhí)行器，所以首先要將單片機輸出的數(shù)字信號經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路（D/A轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換為模擬信號。（一）電控單元（ECU）二、CAN總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成3.單片機單片機在工業(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是汽車專用增強型單片機，是針對汽車較為復(fù)雜的振動、高溫、低溫和惡劣的電磁環(huán)境而設(shè)計的。有的汽車單片機芯片內(nèi)已包含A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換和其他專用電路，有的甚至將CAN控制器也合成在一起。（一）電控單元（ECU）二、CAN總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成4.CAN控制器獨立的CAN控制器是基于單片機控制的、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。也有將單片機與CAN控制器合成的芯片，也稱為CAN控制器。組成功能接口管理邏輯電路解釋來自單片機的命令，控制內(nèi)部尋址，向單片機提供中斷信息和狀態(tài)信息。管理發(fā)送或接收數(shù)據(jù)；發(fā)送緩沖器儲存并緩沖發(fā)送到CAN總線上的完整報文；驗收過濾器將接收到的標(biāo)識符和內(nèi)設(shè)寄存器中的內(nèi)容進行比較，以決定是否接收整個報文。如果比較的結(jié)果為真，則報文被采用；接收緩沖器儲存和緩沖從驗收過濾器向CPU傳送的報文；CAN核心模塊按CAN通信協(xié)議，控制發(fā)送緩沖器和CAN總線之間的數(shù)據(jù)流，對CAN總線上的信號進行仲裁、填充、錯誤檢測和錯誤處理等。（一）電控單元（ECU）二、CAN總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成5.光電隔離電路以光為媒介傳送信號，對輸入和輸出電路進行電氣隔離，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、耐沖擊等優(yōu)點。（一）電控單元（ECU）二、CAN總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成6.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收發(fā)器轉(zhuǎn)換信號的示意圖（一）電控單元（ECU）二、CAN總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成6.CAN收發(fā)器當(dāng)單向脈沖信號為“0”，并且代表邏輯“0”時，差分信號的高電平信號用CAN-High表示，電壓為3.5V；低電平信號用CAN-Low表示，電壓為1.5V；差分電壓為2V，此時總線的狀態(tài)為“顯性位”，“顯性位”代表邏輯“0”。當(dāng)單向脈沖信號為“1”時，并且代表邏輯“1”時，差分信號的高電平信號和低電平信號均為2.5V；差分電壓為0V，此時總線的狀態(tài)為“隱性位”，“隱性位”代表邏輯“1”。CAN-High信號和CAN-Low信號分別輸出到CAN總線上，即雙絞線上。接高電平信號的線對應(yīng)稱為CAN-High線，接低電平信號的線對應(yīng)稱為CAN-Low線。以高速CAN總線為例（一）電控單元（ECU）二、CAN總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成CAN接收器是差分式接收放大器，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)送信號時就處于接收狀態(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”。如圖所示是用示波器在CAN總線測得的電壓波形。用示波器在CAN總線測得的電壓波形（二）CAN數(shù)據(jù)傳輸線二、CAN總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成CAN數(shù)據(jù)總線是用以傳輸數(shù)據(jù)的雙向串行總線，大都采用具有較強抗干擾能力的雙絞線。分為CAN高位（CAN-high）線和CAN低位（CAN-low）線，可以雙向傳遞數(shù)，這種結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)能夠同時讀寫總線。數(shù)據(jù)使用差分電壓傳送，差分的電壓使CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)即使在一條數(shù)據(jù)線斷開或者在噪聲極大的環(huán)境中也能夠工作。這樣的結(jié)構(gòu)還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。（二）CAN數(shù)據(jù)傳輸線二、CAN總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成車輛在使用過程中，電火花、電磁線圈開關(guān)、移動電話和發(fā)送站等發(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，兩條數(shù)據(jù)傳輸線纏繞在一起，如圖所示，這樣也可以防止數(shù)據(jù)線所產(chǎn)生的輻射噪聲。纏繞在一起的雙絞線二、CAN總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成（三）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”。終端電阻的作用是防止信號在傳輸線終端產(chǎn)生反射波，而使正常傳輸?shù)臄?shù)據(jù)受到干擾。三、CAN總線系統(tǒng)元件的功能如圖所示，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。（一）K線三、CAN總線系統(tǒng)元件的功能K線用于在CAN總線系統(tǒng)自診斷時連接汽車故障檢測儀（如VAS5051），屬于診斷用的通信線。（二）控制單元三、CAN總線系統(tǒng)元件的功能控制單元接收來自傳感器的信號，將其處理后再發(fā)送到執(zhí)行元件上?？刂茊卧械奈⒖刂破魃蠋в休斎胼敵龃鎯ζ骱统绦虼鎯ζ?。定期查詢控制單元接收到的傳感器值（如發(fā)動機轉(zhuǎn)速或冷卻液溫度）并按順序存入輸入存儲器。微控制器按事先編制好的程序來處理輸入值，處理后的結(jié)果存入相應(yīng)的輸出存儲器內(nèi)，然后到達各個執(zhí)行元件。為了能夠處理CAN信息，各控制單元內(nèi)還有一個CAN存儲區(qū)，用于容納接收到的和要發(fā)送的信息。三、CAN總線系統(tǒng)元件的功能（三）CAN構(gòu)件CAN構(gòu)件用于數(shù)據(jù)交換，它分為兩個區(qū)：一個是”接收區(qū)”，一個是”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，其工作過程與郵局收發(fā)郵件的過程非常相似。CAN構(gòu)件一般集成在控制單元的微控制器芯片內(nèi)。（四）收發(fā)器三、CAN總線系統(tǒng)元件的功能收發(fā)器就是一個發(fā)送-接收放大器在接收數(shù)據(jù)時，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，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)線上進行數(shù)據(jù)傳輸。收發(fā)器通過TX線（發(fā)送線）或RX線（接收線）與CAN構(gòu)件相連。（四）收發(fā)器三、CAN總線系統(tǒng)元件的功能如圖所示，收發(fā)器的TX線始終與總線耦合，兩者的耦合過程是通過一個開關(guān)電路來實現(xiàn)的。收發(fā)器的TX線與總線的耦合1.收發(fā)器的特點（四）收發(fā)器三、CAN總線系統(tǒng)元件的功能收發(fā)器內(nèi)晶體管的狀態(tài)與總線電平之間的對應(yīng)關(guān)系見下表：1.收發(fā)器的特點狀態(tài)晶體管狀態(tài)有無電源電阻狀態(tài)總線電平1截止（相當(dāng)于開關(guān)斷開）無源高阻抗10導(dǎo)通（相當(dāng)于開關(guān)閉合）有源低阻抗0（四）收發(fā)器三、CAN總線系統(tǒng)元件的功能當(dāng)有多個收發(fā)器與總線導(dǎo)線耦合時，總線的電平狀態(tài)將取決于各個收發(fā)器開關(guān)狀態(tài)的邏輯組合。2.多個收發(fā)器與總線導(dǎo)線的耦合以3個收發(fā)器接到一根總線導(dǎo)線上的情況為例：如圖收發(fā)器A和收發(fā)器B的開關(guān)呈斷開狀態(tài)，收發(fā)器C的開關(guān)呈閉合狀態(tài)。開關(guān)斷開表示1（無源），開關(guān)閉合表示0（有源）。如果某一開關(guān)已閉合，電阻上就有電流流過，于是總線導(dǎo)線上的電壓就為0V；如果所有開關(guān)均未閉合，那么電阻上就沒有電流流過，電阻上就沒有壓降，于是總線導(dǎo)線上的電壓就為5V。（四）收發(fā)器三、CAN總線系統(tǒng)元件的功能3個收發(fā)器開關(guān)的狀態(tài)與總線電平的邏輯關(guān)系見下表：2.多個收發(fā)器與總線導(dǎo)線的耦合收發(fā)器A收發(fā)器B收發(fā)器C總線電平1111（5V）1100（0V）1010（0V）1000（0V）0110（0V）0100（0V）0010（0V）0000（0V）三、CAN總線系統(tǒng)元件的功能如果總線處于狀態(tài)1（無源），那么該狀態(tài)可以由某一個控制單元使用狀態(tài)0（有源）來改寫。一般將無源的總線電平稱為隱性的，有源的總線電平稱為顯性的。其意義體現(xiàn)在：（四）收發(fā)器2.多個收發(fā)器與總線導(dǎo)線的耦合1發(fā)送傳輸錯誤信號時（錯誤幀故障信息）；2沖突識別時（如果幾個控制單元想同時發(fā)送信息）。實訓(xùn)PART.02Practicaltraining任務(wù)實施請查閱資料，了解本任務(wù)“獲取信息”中提到SAE-J1850標(biāo)準(zhǔn)、TTP協(xié)議。完成以下填空。1.CAN總線采用雙絞線作為__________介質(zhì)，媒體訪問方式為__________，是一種多主總線。2.