汽车CAN总线综述

1. CAN总线的产生与发展

控制器局部网（CAN－CONTROLLER AREA NETWORK）是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越性能现已在汽车上得到了广泛的应用。而我国由于在汽车电子领域发展较慢，国产汽车已经逐步使用具有CAN总线通信功能的ECU，尤其是在车身控制场合使用这些ECU，而对于发动机和底盘系统方面，由于技术难度较大，很多公司还处于研发阶段。

2. CAN总线特点

CAN总线是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1Mbps。CAN总线通信接口（CAN控制器和收发器）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合成帧处理，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。

3. CAN总线所具有的先进技术介绍

3.1位仲裁

要对数据进行实时处理,就必须将数据快速传送,这就要求数据的物理传输通路有较高的速度。在几个节点同时需要发送数据时,要求能够快速地进行总线分配。通过不同的报文ID实现数据的优先级判定，高优先级的数据优先发送（此报文的ID在网络中较小）；一个快速变化的重要物理量,如汽车引擎负载,将比类似汽车引擎温度这样相对变化较慢的物理量更频繁地传送数据并要求更短的传递延时。

3.2 CAN总线仲裁方法

CAN实现总线仲裁分配的方法,可保证当不同的节点申请总线存取时,明确地进行总线分配。这种位仲裁的方法可以解决当两个节点同时发送数据时产生的碰撞问题（表面上CAN总线是多主网络，同时收发数据；实际上是在有两个或者以上节点同时发送数据时，ID最小的帧将会取得总线并优先发送数据，然后才是其他ID数据；这点将会由CAN控制器对总线信号的检测来自动实现）。

3.3 CAN的报文格式

CAN协议支持标准帧、扩展帧两种报文格式,其唯一的不同是标识符(ID)长度不同,标准帧为11位,扩展帧为29位。

报文的起始位称为帧起始(SOF),然后是由11位标识符和远程发送请求位 (RTR)组成的仲裁场。RTR位标明是数据帧还是远程帧,在远程帧中没有数据字节。

控制场包括标识符扩展位(IDE),指出是标准格式还是扩展格式。它的最后四个字节用来指明数据场中数据的字节长度(DLC)。数据场范围为0～8个字节,其后有一个检测数据错误的循环冗余检查(CRC)。

应答场(ACK)包括应答位和应答分隔符。发送节点发送的这两位均为隐性电平(逻辑1),这时正确接收报文的接收节点发送主控电平(逻辑0)覆盖它。用这种方法,发送节点可以保证网络中至少有一个节点能正确接收到报文。

报文的尾部由帧结束标出。在相邻的两条报文间有一很短的间隔位,如果这时没有节点进行总线存取,总线将处于空闲状态。

3.4 数据错误检测

不同于其它总线,CAN协议不能使用应答信息。事实上,它可以将发生的任何错误用信号发出。CAN协议可使用五种检查错误的方法,其中前三种为基于报文内容检查。

3.4.1 循环冗余检查(CRC)

在一帧报文中加入冗余检查位可保证报文正确。接收节点通过CRC可判断报文是否有错。

3.4.2 帧检查

这种方法通过位场检查帧的格式和大小来确定报文的正确性,用于检查格式上的错误。

3.4.3.应答错误

如前所述,被接收到的帧由接收节点通过明确的应答来确认。如果发送节点未收到应答,那么表明接收节点发现帧中有错误,也就是说,ACK场已损坏或网络中的报文无节点接收。CAN协议也可通过位检查的方法探测错误。

3.4.4 总线检测

有时,CAN中的一个节点可监测自己发出的信号。因此,发送报文的节点可以观测总线电平并探测发送位和接收位的差异。

3.4.5 位填充

一帧报文中的每一位都由不归零码表示,可保证位编码的最大效率。然而,如果在一帧报文中有太多相同电平的位,就有可能失去同步信号。为保证信号同步,同步信号沿用位填充来产生。在五个连续相同位后,发送的CAN控制器会自动插入一个与之互补的补码位;接收时,这个填充位被自动丢掉。例如,五个连续的低电平位后,CAN自动插入一个高电平位。CAN通过这种编码规则检查错误,如果在一帧报文中有6个相同位,CAN就知道发生了错误。

4.应用举例

汽车CAN总线技术的应用，将多个执行机构进行分布式控制的同时，又联网实现信息共享。汽车中CAN总线技术的应用，大大减少了各种线缆的重量和数量，同时又快速高效的进行了信息的交互，让汽车变得更智能。比如ESP系统的ECU获取到的轮胎转速差信息可以传输给仪表ECU（显示）、发动机ECU、变速器ECU，后两者将根据这些信息实现车身侧滑时车速的自动控制，车速信息可以通过CAN总线传输给车门系统，车门系统可以判定车速达到10Km/h时自动落锁。车灯系统可以在获知车灯损坏后自动告知发动机和变速器，发动机和变速器ECU将会自动控制车速，以避免可能的照明不足而引发事故。

在教学中，使用PFautoCAN汽车CAN总线仿真开发工具，配合PFautoECU系列实验箱，将可以模拟多种情况下的汽车CAN系统通信，达到学生深入了解和掌握汽车CAN总线及ECU等开发应用的目的。并可以用PFautoCAN汽车CAN总线仿真开发工具实际测试汽车CAN总线网络并对网络协议进行分析、解析、仿真应用。