第二章 CAN总线传输系统

第一节 CAN总线的工作原理

如图2-1所示，CAN（Controller Area Network）即控制器局域网络。由于其高性能、高可靠性及独特的设计，CAN越来越受到人们的重视。CAN最初是由德国博世公司为汽车监测、控制系统而设计的。现代汽车越来越多地采用电子装置控制，如发动机定时、喷油控制、驱动防滑控制（ASC）及复杂的防抱死制动系统（ABS）等。由于这些控制需要实时检测及交换大量数据，采用硬接信号线的方式不但烦琐、昂贵，而且难以解决问题。采用CAN总线，上述问题便可以得到很好的解决。1993年，CAN成为国际标准ISO11898（高速应用）和ISO11519（低速应用）。CAN的规范从CAN1.2规范（标准格式）发展为兼容CAN1.2规范的CAN2.0规范（CAN2.0A为标准格式，CAN2.0B为扩展格式），目前应用的CAN器件大都符合CAN2.0规范。

一、CAN总线的发展历史

CAN总线传输协议是在1983～1986年由博世和英特尔两家公司联合开发的。20世纪80年代，博世的工程人员开始研究应用于汽车的串行总线系统。参加研究的还有奔驰公司、英特尔公司以及德国两所大学的教授。1986年，博世在SAE大会上提出了CAN。1987年，英特尔推出了第一片CAN控制芯片——82526；随后飞利浦公司推出了82C200。1990年，CAN总线首次应用于一辆梅赛德斯-奔驰S级12缸发动机的轿车上。1992年，奥迪A8 3.7L（V8发动机）车型上开始应用CAN总线。1993年，CAN的国际标准ISO11898公布。从此CAN协议被广泛应用于各类自动化控制领域。1992年，CIA（CAN in Automation）用户组织成立，制定了第一个CAN应用层“CAL”。1994年，国际CAN学术年会（ICC）启动。同年，美国SAE以CAN为基础制定了SAEJ1939标准，用于货车和客车控制和通信网络。1997年，大众公司在帕萨特的舒适系统上采用了传送速率为62.5kbit/s的CAN总线。1998年，又在帕萨特和高尔夫的驱动系统上增加了CAN总线，传送速率为500kbit/s。2000年，大众公司在帕萨特和高尔夫上使用了带有网关的第二代CAN总线。2001年，大众公司提高了CAN总线的设计标准，将舒适系统CAN总线提高到100kbit/s，驱动系统提高到500kbit/s。2002平台上使用了带有车载网络控制单元的第三代CAN总线。2003年，大众集团在新PQ35平台上使用五重结构的CAN总线系统，并且出现了单线的LIN总线。

到今天，几乎每一辆欧洲生产的轿车上都有CAN总线；高级客车上有两套CAN总线，通过网关互联；仅1999年就有近6千万个CAN控制器投入使用；2000年，市场上销售了1亿多个CAN的芯片；2001年，用在汽车上的CAN节点数目超过1亿个。但是在轿车上基于CAN的控制网络至今仍是各大公司自成系统，没有一个统一的标准。基于CAN的应用层协议通常有两种：Device Net（适合于工厂底层自动化）和CAN open（适合于机械控制的嵌入式应用）。任何组织或个人都可以从Device Net供货商协会（ODVA）获得Device Net规范。购买者将得到无限制的、免费的开发Device Net产品的授权。Device Net自2002年被确立为我国国家标准以来，已在冶金、电力、水处理、乳品饮料、烟草、水泥、石化、矿山等各个行业得到成功应用，其低成本和高可靠性已经得到广泛认同。

二、CAN总线的特点

CAN总线是一种串行数据通信协议，其通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。CAN总线的特点如下：

1）可以多主方式工作。网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。CAN总线系统上并联多个元件，如果某一控制单元出现故障，其余系统应尽可能保持原有功能，以便进行信息交换，保证汽车正常工作。

2）网络上的节点（信息）可分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求。

3）采用非破坏性位仲裁总线结构机制。当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据。

4）可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播几种传送方式接收数据。

5）直接通信距离最远可达10km（速率5kbit/s以下）。

6）数据传输快，通信速率最高可达1Mbit/s（此时距离最长40m），满足网络中各元件之间数据交换的实时要求。

7）数据密度大，节点数实际可达110个。所有控制单元在任一瞬时的信息状态均相同，这样就使得两控制单元之间不会有数据偏差。如果系统的某一处有故障，那么总线上所有连接的元件都会得到通知。

8）采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个。

9）每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，数据出错率极低。即使有传输故障，无论是由内部因素引起的还是外部因素引起的，都能准确识别出来，可靠性高。

10）通信介质可采用双绞线、同轴电缆和光导纤维。一般采用廉价的双绞线即可，无特殊要求。

11）节点具有在错误严重时自动关闭总线的功能，它可以切断故障点与总线的联系，使总线上的其他节点不受影响。

三、CAN总线传输速率及自诊断功能

1．CAN总线的传输速率

目前，CAN总线系统中的信号是采用数字方式经铜导线传输的，其最大稳定传输速率可达1000kbit/s（1Mbit/s）。大众和奥迪公司将最大标准传输速率规定为500kbit/s。

考虑到信号的重复率及产生出的数据量，CAN总线系统分为3个专门的系统，见表2-1。

2．CAN总线的自诊断功能

CAN总线是车内电子装置中的一个独立系统，从本质上讲，CAN总线就是数据传输线路，用于在控制单元之间进行信息交换。由于自身的布置和结构特点，CAN总线工作时的可靠性很高。如果CAN总线系统出现故障，故障就会存入相应的控制单元故障存储器内，可以用诊断仪读出这些故障。

1）控制单元具有自诊断功能，通过自诊断功能还可识别出与CAN总线相关的故障。

2）用诊断仪（如VAS505、VAS5052、GT1等）读出CAN总线故障记录之后，即可按这些提示信息快速、准确地查寻并排除故障。

3）控制单元内的故障记录用于初步确定故障，还可用于读出排除故障后的无故障说明，即确认故障已经被排除。如果想要更新故障显示内容，必须重新起动发动机。

4）CAN总线正常工作的前提条件是车辆在任何工况均不应有CAN总线故障记录。

四、CAN总线系统的组成

CAN数据总线系统由电控单元（ECU）、传输介质双绞线和终端电阻组成，如图2-2所示。

1．电控单元（ECU）

CAN总线连接的电控单元（ECU）又称CAN总线上的节点。理论上CAN总线可以连接无穷多个节点，实际上受线路越长、传输速率越低的限制，车载CAN总线的节点数可达上百个。

CAN总线上的每个电控单元（ECU）独立完成网络数据交换和测控任务，如发动机电控单元（ECU）、自动变速器电控单元（ECU）、ABS电控单元（ECU）等。CAN总线上的电控单元（ECU）与非网络电控单元（ECU）不同，非网络电控单元（ECU）不需要对外进行数据交换；而网络上的电控单元（ECU）之间需要数据交换，例如发动机电控单元（ECU）中的发动机转速数据除了控制发动机的工况需要外，还需要经CAN总线传输给自动变速器电控单元（ECU），供自动变速器自动换档控制使用；反过来，自动变速器的换档信号也要经CAN总线传输给电控单元（ECU），使发动机的工况适合自动变速器的换档要求。

图2-3所示为CAN总线电控单元的原理图，CAN总线电控单元由输入电路、输出电路、单片机、CAN控制器、光电隔离电路、CAN收发器组成，分述如下：

（1）输入电路 输入电路用来接收来自传感器和控制开关的输入信号，并将输入信号转换为单片机可接收的数字信号。如果输入信号是模拟信号，那么输入电路里还含有模/数转换电路（A/D转换），将模拟信号转为数字信号。如冷却液温度传感器的信号是模拟信号，需经A/D转换电路转换为数字信号。

（2）输出电路 输出电路将单片机输出的控制信号转换成能驱动执行器的功率信号，因此输出电路包括放大驱动电路。因为大部分执行器是模拟执行器，所以首先要将单片机输出的数字信号经数/模转换电路（D/A转换）转换为模拟信号。

（3）单片机 单片机在工业控制技术中也常称为微控制器。目前，汽车电控单元使用的单片机是汽车专用增强型单片机，是针对汽车较为复杂的振动、高温、低温和恶劣的电磁环境而设计的。有的汽车单片机芯片内已包含A/D转换、D/A转换和其他专用电路，有的甚至将CAN控制器也合成在一起。

（4）CAN控制器 独立的CAN控制器是基于单片机控制的、专用于执行CAN总线通信协议的独立数字集成电路芯片。也有将单片机与CAN控制器合成的芯片，也称为CAN控制器。图2-4所示为一独立的CAN控制器的原理图。CAN控制器的各部分组成及功能见表2-2。

（5）光电隔离电路 以光为媒介传送信号，对输入和输出电路进行电气隔离，因而能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，有响应速度较快、寿命长、体积小、耐冲击等优点。

（6）CAN收发器 由CAN接收器、CAN发送器和差分转换处理电路组成。图2-5所示为CAN收发器转换信号的示意图。

单片机的数据信号为正逻辑信号，经CAN发送器中的差分放大器转换为双向的差分信号传送到总线上。差分信号以负逻辑信号形式表示数据。

以高速CAN总线为例，当单向脉冲信号为“0”，并且代表逻辑“0”时，差分信号的高电平信号用CAN-High表示，电压为3.5V；低电平信号用CAN-Low表示，电压为1.5V；差分电压为2V，此时总线的状态为“显性位”，“显性位”代表逻辑“0”。当单向脉冲信号为“1”时，并且代表逻辑“1”时，差分信号的高电平信号和低电平信号均为2.5V；差分电压为0V，此时总线的状态为“隐性位”，“隐性位”代表逻辑“1”。

CAN-High信号和CAN-Low信号分别输出到CAN总线上，即双绞线上。接高电平信号的线对应称为CAN-High线，接低电平信号的线对应称为CAN-Low线。

CAN接收器是差分式接收放大器，可将CAN总线上双向的差分信号转变为单向的脉冲信号。CAN收发器在不发送信号时就处于接收状态。

CAN总线在任意时刻只能处于一种状态，要么是“隐性位”，要么是“显性位”。图2-6所示是用示波器在CAN总线测得的电压波形。

2．CAN数据传输线

汽车上CAN数据传输线大都是双绞线，分为CAN高电平数据线和低电平数据线，即CAN-High线和CAN-Low线。这种结构使系统能够同时读写总线。数据使用差分电压传送，差分的电压使CAN数据总线系统即使在一条数据线断开或者在噪声极大的环境中也能够工作。车辆在使用过程中，电火花、电磁线圈开关、移动电话和发送站等发出的电磁波都会影响或破坏CAN的数据传送。为了防止数据在传送时受到干扰，两条数据传输线缠绕在一起，如图2-7所示，这样也可以防止数据线所产生的辐射噪声。这两条线的电位相反，如果一根数据线上的电压约为0V，那么另一根线上的电压就约为5V，这样，两根线的总电压保持为一个常数，而且所产生的电磁效应也会由于极性相反而互相抵消，使向外辐射保持中性（即无辐射）。

3．CAN终端电阻

CAN两端都接一个120Ω的电阻器，即连接在双绞线的两端，终端电阻可防止信号在传输线终端被反射并以回波的形式返回，影响数据的正确传送。

五、CAN总线的数据传输

1．CAN总线的广播式传输

CAN数据总线在发送信息时，每个控制单元均可接收其他控制单元发送出的信息。在通信技术领域，也把该原理称为广播（图2-8），就像一个广播电台发送广播节目一样，每个广播网范围内的用户（收音机）均可接收。这种广播方式可以使得连接的所有控制单元总是处于相同的信息状态。

数据传输总线中的数据传递又类似于一个电话会议。一个电话用户（控制单元）将数据“讲”入网络中，其他用户通过网络“接听”这个数据，对这个数据感兴趣的用户就会利用数据，而其他用户则选择忽略，如图2-9所示。

数据传输总线是车内电子装置中的一个独立系统，用于在连接的控制单元之间进行信息交换。由于自身的布置和结构特点，数据传输总线工作时的可靠性很高。

如果数据传输总线系统出现故障，故障就会存入相应的控制单元故障存储器内，可以用诊断仪读出这些故障。控制单元拥有自诊断功能，通过自诊断功能，人们还可识别出与数据传输总线相关的故障。用诊断仪读出数据传输总线故障记录后，即可按这些信息准确地查寻故障。控制单元内的故障记录用于初步确定故障，还可用于读出排除故障后的无故障说明。数据传输总线正常的一个重要前提条件是：在任何工况均不应有数据传输总线故障记录。为了能够确定及排除故障，需要了解数据传输总线上的数据交换基本原理。

基本车载网络系统由多个控制单元组成，这些控制单元通过所谓的收发器（发射—接收放大器）并联在总线导线上，所有控制单元的地位均相同，没有哪个控制单元有特权，如图2-10所示。在这个意义上也称为多主机结构。信息交换是按顺序连续完成的。

原则上数据传输总线用一条导线就足以满足功能要求了，但通常总线系统上还是配备了第二条导线（通用别克等车型采用单线传输）。第二条导线上的传输信号与第一条导线上的传输信号成镜像关系，这样可有效抑制外部干扰。

2．CAN总线系统防干扰措施及原理

汽车在使用过程中，电火花、电磁开关、移动电话和发送站、电焊机等电磁设备发出的电磁波都会影响或破坏CAN的数据传送。为了防止数据在传送时受到干扰，CAN总线采用较多的防干扰措施。

（1）双绞线的抗外电磁干扰作用 图2-11所示为双绞线抗外电磁干扰原理图。图2-11a所示为双平行线易受电磁波干扰的示意图，根据电磁感应定律和右手定则，双平行线和两端的通信设备构成一个空间闭合回路和导线闭合回路，穿过双平行线的磁感应线可在回路中形成方向一致的干扰性感应电流，对有用信号形成干扰。

图2-11b所示为双绞线抗电磁波干扰的示意图，双绞线与两端的通信设备虽然构成一个大的导线闭合回路，但由于双绞线是双线扭绞而成，在空间上构成一个一个的小闭合回路，穿过双绞线的磁感应线在相邻的两个“绞孔”的空间上虽然感应电动势方向相同，但在同一根导线上的感应电动势方向方却是相反的，因此，起着抵消的作用。

（2）差分信号和差分式接收器的抗干扰作用CAN发送器发送的数据信号是差分信号，CAN接收器是差分式接收器（差分又称差动），它们的结合起着很好的抗干扰作用。图2-12所示是差分信号和差分式接收器的抗干扰示意图。为了方便说明，以分立元器件组成的差分放大电路为例（集成电路的原理相同）。

图2-12中差分放大电路由NPN型晶体管VT₁、VT₂，集电极电阻R_C1、R_C2，基极电阻R_B1、R_B2，发射极电阻R_E1、R_E2组成。受干扰的双向差分信号从差分放大电路左端输入，由于一级放大具有反向作用，所以将高电平信号输入差分放大电路的下端，将低电平信号输入差分放大电路的上端。输入信号电压u_i=u_iH-u_iL，当受电磁干扰时，高电平信号和低电平信号的电位同时变化（输入信号的电位差u_i不变），经差分放大电路放大，输出电压u_O1和u_O2也同时变化，结果使输出信号电压u_O=u_O1-u_O2不变，使输出的单向脉冲信号与不受电磁干扰的信号相同，达到抗干扰的目的。

由于CAN总线上的数字信号是10101（负逻辑），差分放大电路输出的单向脉冲信号是01010，与CAN总线上的数字信号逻辑关系相反，所以要经反相器反相，才能得到与CAN总线逻辑关系一致的数据信号10101（正逻辑）。

（3）其他防干扰措施 除以上防干扰措施外，还有光电隔离电路和软件处理等措施。

六、CAN总线的数据类型

CAN总线所传输的数据又称为报文，是一帧一帧地传送，每帧数据由一组二进制数或数字脉冲组成，这组二进制数按功能又分为一段一段的，每一段称为帧的域或场。

CAN总线所传输的数据有数据帧、远程帧、错误帧和过载帧4种类型。

CAN的帧有两种不同的帧格式，不同之处为识别符的长度不同：具有11位识别符的帧称为标准帧，而含有29位识别符的帧为扩展帧。

1．数据帧

数据帧的功能是将数据从发送器传到接收器。数据帧由开始域、仲裁域、控制域、数据域、安全域、应答域和结束域7个不同的域组成，如图2-13所示。

（1）开始域 标志数据帧的起始，仅由一个“显性”（即0）位组成，带有约5V的电压的1位被送入CAN高位传输线，带有约0V电压的1位被送入CAN低位传输线。开始域由控制芯片完成。

（2）仲裁域 仲裁域包括标识符和远程发送请求位（RTR）。识别符代表数据的身份和优先权，标准格式下标识符的长度为11位，这些位按ID.10～ID.0的顺序发送，最低位是ID.0。7个高位（ID.10～ID.4）必须不能全是“隐性”。在标准帧里，识别符后是远程发送请求位（RTR），该位若为“显性”（即0），代表发送的信息是数据；若为“隐性”（即1），代表发送的信息是数据请求。

只要总线空闲，各控制单元均可向总线发送数据，如果各个控制单元要同时发送各自的数据，那么系统必须决定哪一个控制单元先进行发送。系统规定具有最高优先权的数据先发送，标识符的二进制值越小，其优先权就越高。不同数据的优先权根据数据的重要性和紧迫性等因素由人为编程时确定。

例如，发动机电控单元、ABS电控单元和自动变速器电控单元相比较，制动信号的优先权最高，三者仲裁域的标识符如下：

0 1 0 1 000 0000（发动机电控单元标识符）

00 1 1 0 1 0 0000（ABS电控单元标识符）

1 00 0 1 00 0000（自动变速器电控单元标识符）

可以看出，ABS电控单元的标识符数值设定得最小，优先权最高；自动变速器电控单元标识符数值最大，优先权最低；发动机电控单元标识符数值居中。当以上三个电控单元同时向总线发送数据时，系统就先发送ABS电控单元发送的数据，此时，发动机电控单元和自动变速器电控单元转化为接收器接收数据。总线一旦空闲，系统会发送其他电控单元的数据。

（3）控制域 控制域由6个位组成，其中4位是数据长度代码，即数据的字节数量，另两位作为扩展用的保留位。所发送的保留位必须“显性”。控制域供接收器检查是否已经接收到所传来的所有信息。接收器接收和认可所有由“显性”和“隐性”的任意组合在一起的位。

数据长度代码见表2-3。其中，DLC3～DLC0代表数据长度代码的位，DLC0是最低位，DLC3是最高位。数据长度代码最大为8，表示数据帧允许的数据长度为0～8字节。

表中“0”为“显性”，“1”为“隐性”。

（4）数据域 数据域由数据帧发送的数据组成，可以为0～8个字节，每字节包含了8个位，所以数据帧最大为64位。数据域是如何表示数据的呢？例如，要表达节气门开度信号，假如把节气门的开度按最大开度的百分数表示，每10%为一个等级，那么节气门开度信号在数据域的代码见表2-4。其中，“0%”表示节气门关闭，发动机处于怠速状态，“100%”表示节气门全开，发动机处于全负荷状态。

同理，可以用更多的位表示更精确的节气门开度变化，如8个位可表示256个节气门开度位置变化。对更复杂的数据，如果1个字节不够表示，可以用2个字节或多个字节表示，但不能超过8个字节。

（5）安全域 安全域用来检测传递数据中的错误。CAN系统用于电噪声很大的环境，这个环境中的数据最容易丢失或破坏。CAN协议提供了5种错误检测和修正的方法，因此如果数据被破坏，能够被检测出来，而且网络中的所有的电控单元都会忽略这个数据。这5种错误检测类型分别为位错误、填充错误、校验（CRC）错误、形式错误和应答错误。

1）位错误：各控制单元在发送位的同时也对总线进行监视。如果所发送的位值与所监视的位值不相符合，则在此位时间里检测到一个位错误。

2）填充错误：如果在使用位填充法进行编码的信息中，出现了第6个连续相同的位电平时，将检测到一个填充错误。

3）校验错误：校验序列包括发送器的校验计算结果，接收器计算校验的方法与发送器相同。如果接收器的计算结果与接收到校验序列的结果不相符，则检测到一个校验错误。

4）形式错误：当一个固定形式的域含有一个或多个非法位，则检测到一个形式错误。

5）应答错误：只要在应答间隙期间所监视的位不为“显性”，则发送器会检测到一个应答错误。

（6）应答域 应答域用来反映接收器通知发送器是否已经正确接收到数据。当接收器正确地接收到有效的数据，接收器就会在应答间隙期间内向发送器发送一个“显性”位以应答，而应答界定符始终是“隐性”位。

如果检查到错误，接收器立即通知发送器，然后发送器再发送一次数据，直到该数据被准确接收为止，但从检测出错误到下一数据的传送开始为止，发送时间最多为29个位的时间。

应答域长度为2个位，包含应答间隙和应答界定符，常态下发送两个“隐性”位。

（7）结束域 结束域标志着数据报告结束，由7个“隐性”位组成。这是显示错误并重复发送数据的最后一次机会。

2．远程帧

CAN总线上电控单元的数据发布，有以下两种基本形式。

第一种形式是按设定或需要主动发布。例如制动信号，当踩制动踏板时ABS电控单元就会主动发布，发动机电控单元接收后就会立即调控发动机转速由高速降为低速。

第二种形式是受请求后发布。例如A电控单元需要B电控单元的数据，A电控单元先发布请求信号，这个请求信号的数据形式就是远程帧。CAN总线上的所有电控单元都可接收到这个远程帧，并对远程帧中的标识符进行识别，需要则接收，不需要则不处理。在对各电控单元编程时，已设定B电控单元接收这个远程帧，并随即发布A电控单元所需要的数据。

例如，自动变速器在自动换档决策前，根据程序要求需要发动机的转速数据，以便确定最佳换档工况，那么自动变速器电控单元要先发布远程帧，请求发动机电控单元发布发动机的转速数据，发动机电控单元收到这个远程帧的请求后，随即发布发动机的即时转速数据，自动变速器电控单元收到发动机的转速数据后，再决定是否换档或等待发动机的转速达到一定数值后再换档。

远程帧由开始域、仲裁域、控制域、安全域、应答域和结束域6个不同的域组成。与数据帧相反，远程帧的远程发送请求位（RTR位）是“隐性”的（即逻辑“1”）。它没有数据域，数据长度代码的数值是不受制约的（可以标注为容许范围内0～8的任何数值）。其余域功能同数据帧。

3．错误帧

任何电控单元检测到总线错误就发出错误帧。错误帧的功能是对所发送的数据进行错误检测、错误标定及错误自检。错误帧由两个不同的域组成：第一个域为不同控制单元提供错误标志的叠加，第二个域是错误界定符。

（1）错误标志 错误标志包括主动错误标志和被动错误标志两种形式。主动错误标志由6个连续显性位组成，检测到错误条件的“错误主动”控制单元通过发送主动错误标志以指示错误。被动错误标志由6个连续隐性位组成，除非被其他CAN控制器的显性位改写，检测到错误条件的“错误被动”控制单元通过发送被动错误标志以指示错误。

（2）错误界定 错误界定符由8个隐性位组成。传送了错误标志以后，每一节点就发送一个隐性位，并一直监视总线直到检测出一个隐性位为止，然后就开始发送其余7个隐性位。

4．过载帧

过载帧用以在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时。接收器在电路尚未准备好或在间歇域期间检测到一个“显性”位时，会发送过载帧，以延迟数据的传送。过载帧包括过载标志和过载界定符两个域。

5．帧间空间

数据帧或远程帧与其前面帧的隔离是通过帧间空间实现的，无论其前面的帧为何类型。所不同的是过载帧与错误帧之前没有帧间空间，多个过载帧之间也不是由帧间空间隔离的。帧间空间包括间歇域和总线空闲域。

总线空闲域的长度是任意的。只要总线被认定为空闲，等待发送信息的控制单元就会访问总线。