一文详解汽车电子CAN总线

0.什么是CAN总线

CAN总线(控制器区域网络Controller Area Network)是一个中央网络系统，连接不同的电子控制单元(ECU)以及车辆中的其他设备。现在的汽车可以有100个ECU，因此CAN总线通信变得非常重要。

1.CAN总线流行的背景

集中式:CAN总线系统允许对连接到网络的ECU进行集中控制，使控制ECU变得容易。
鲁棒性:CAN总线协议具有内置的故障检测机制，因此它具有较好的鲁棒性。当检测到错误时，网络中的所有节点(ECU)都被告知此错误，所有节点丢弃此消息，以保证数据的一致性。CAN总线系统还具有抗电磁干扰的鲁棒性。
低成本和高效率:CAN不需要复杂的布线，因为通信不是通过直接的模拟信号。相反，通过单个CAN接口进行通信，并且是一种非常有效的基于消息的协议。

灵活性:由于CAN使用基于消息的协议，总线上的ECU没有关联的id，因此很容易添加或删除ECU。
速度:数据的传输速度很重要。因此，根据电缆的长度，高速可以支持40 kbps到1 Mbps之间的数据传输速率。

2.CAN总线的历史

Robert Bosch GmbH于1983年开始开发CAN总线协议，但CAN总线协议于1986年在密歇根州底特律汽车工程师协会(SAE)会议上才予以正式发布。

1993年，国际标准化组织(ISO)发布了CAN标准ISO 11898，该标准后来被重组为两个部分:

ISO 11898-1应用于数据链路层
ISO 11898-2为CAN物理层，用于高速CAN

如上所示，从1983年开始至今，CAN发生了很多的发展变化。博世仍在致力于扩展CAN标准，并于2012年发布了CAN FD或CAN with Flexible Data-Rate。

3.CAN总线的应用

其最常见的应用是车载电子网络，因为CAN是为汽车使用而创建的。然而，多年来CAN已用于许多其他领域，如铁路，工业自动化，电梯，自动扶梯等。

说到汽车行业，由于现代汽车对安全性和舒适性的重视，大多数现代汽车都可以拥有100个电子控制单元(ECU)。ECU主要用于以下方面：

发动机控制
燃油喷射系统
安全气囊、传动系统
防抱死制动系统(ABS)
电子动力转向，音响系统
电动车窗、车门和座椅
电动、混合动力汽车的电池管理系统
其他领域

其中一些ECU与传感器和执行器交互以执行各种操作。下面是一些具体的例子。

燃油喷射系统:ECU计算油门踏板角度，并通过CAN发送信号，以便其他ECU可以在需要时使用它。控制燃油喷射的ECU读取信号，进行计算，并向执行器发送燃油喷射信号。因此CAN总线系统在其中起着重要的作用。

防抱死制动系统(ABS) ECU通过CAN与传感器、执行器和其他ECU相互作用，从而实现有效制动，防止车轮在制动过程中锁死。

4.CAN总线层

想知道CAN协议是如何工作的?作为第一步，首先需了解CAN层次结构。ISO/OS参考模型指定了以下七个层。

标准的CAN总线实现，忽略了数据链路层与应用层之间的连接。

CAN总线物理层

这一层定义了电平、CAN总线上的信号方案、电缆阻抗等。以下是物理层的主要特点：

双线平衡信令方案由CAN标准(ISO 11898部分)定义，又称高速CAN。
基于ISO标准的低总线速度的双线平衡信令方案11898-3又称低速CAN。
单线接地符合SAE J2411标准。

CAN总线拓扑

下面是一个示例CAN网络，其中节点由两条线连接，CAN High (CAN- h)和CAN Low (CAN- l)。CAN总线端接120欧姆电阻。总线两端的终端电阻是必要的，以消除总线上的任何电反射，并保证正确的直流电平。通常情况下，物理传输采用双绞线共地铜缆。

最大CAN总线速度

根据标准，最大CAN总线速度为1mbit /s，并通过CAN高速收发器实现。对于低速CAN，速度可达125 kbit/s。在标准模式下，单线最高可达50 kbit/s。

电缆长度

对于仲裁方案，信号的波前必须到达最远的节点并在采样之前返回，因此可以在1mbit /s的can速度下使用最大40m的长度。

5.CAN总线协议基础—CAN消息

由于CAN总线是一种广播类型的总线，因此CAN总线上的所有节点都可以获得所有的传输信息。因此，我们无法将特定消息发送到特定节点。

CAN使用短消息。具体来说，CAN有以下消息或报文帧类型：

数据帧：用于发送节点向接收节点传输数据，是使用最多的帧类型
远程帧：用于接收节点向某个发送节点请求数据
错误帧：用于当某个节点检测出错误时向其他节点通知错误的帧
过载帧：用于接收节点向发送节点通知自身接收能力的帧
帧间隔：将数据帧或远程帧与前面的帧分离的帧

CAN协议帧格式

数据帧

数据帧由以下部分组成:

标准CAN

扩展CAN

仲裁域

这决定了当两个节点争用总线时，哪个消息获得优先级。具体来说，

包含了11位标识符和1位远程传输(RTR)位，该位用于数据帧起主导作用，称为标准CAN。
29位标识符(包括两个隐性位:替代远程请求(SRR)和标识符扩展(IDE)以及RTR位)，这被称为扩展CAN。
具有0到8字节数据的数据字段循环冗余校验(CRC)字段，它包含一个用于错误校验的15位校验和.
CRC 分隔符
ACK位
ACK 分隔符
End-of-frame (EOF)

远程帧

远程帧获取相应数据帧的传输信息，它没有任何数据字段。因此，对于请求-响应类型的总线通信，远程帧是有用的。

错误帧

错误帧消息就是不符合CAN消息格式规则的消息帧。当节点检测到错误时，发送错误帧。错误帧包括

ERROR标志(6位相同的值)
错误分隔符(8位隐性分隔符)

过载帧

顾名思义，当节点过于繁忙时传输过载信息。通常，不使用过载帧。

消息仲裁与优先级

仲裁是决定哪个控制器将使用总线的过程。当两个或多个控制器同时开始传输消息时，总线仲裁变得很重要。

如果发送隐性级别的节点找到了主导级别，那么它将停止仲裁并成为接收方。这个过程确保没有延迟到高优先级消息，发送较低优先级消息的节点将在主导消息结束后尝试重传6位时钟。

6.位时钟

CAN上的每个位至少分为4个quanta。quanta具体分为以下几种类型。

同步段——用于时钟同步，是一个quanta
传播段—— 补偿总线上的延迟
相位段1——缩短以保持时钟同步
相位段2——延长以保持时钟同步

时钟同步

CAN控制器可以通过一定的量程缩短或延长一个比特，从而调整片上总线时钟。这被称为同步跳跃宽度(SJW)。

7.错误处理

CAN协议有一个内置的错误处理机制，可以检测CAN消息中的错误，以便尽快检测到错误。

节点一旦检测到错误，就发送错误标志。其他节点一旦检测到错误标志就丢弃当前消息。

每个节点有两个错误计数器，具体而言，以下两种：

传输错误计数器(TEC)
接收错误计数器(REC)

通过这些错误计数器，CAN节点可以检测故障并限制错误。下面是CAN协议中提到的错误检测方法。

位监控（Bit Monitoring）
位填充（Bit Stuffing）
帧检查（Frame Check）
确认检查（Acknowledgment Check）
循环冗余校验 CRC（Cyclic Redundancy Check）

位监控

位监控确保传输数据的完整性。CAN总线上的每个发送器回读传输的数据，如果传输的数据和实际读取的数据存在差异，则会产生误码。

位填充

位填充是节点在接收到连续的5个相同极性的比特后插入相反极性的比特的过程。接收器移除插入的额外比特。当CAN总线上出现超过5个连续的极性位时，会引发填充错误。

帧检查

有些部分在CAN消息中有固定的格式。如果节点检测到CRC分隔符、ACK分隔符、帧结束、间隔中的无效值，则引发格式错误信号。

确认检查

当节点接收到消息时，期望在消息的确认槽中发送一个主导位。如果ACK槽中缺少主导位，则会引发确认错误。当节点检测到消息中的CRC与它自己计算的CRC不同时，会引发循环冗余校验和(CRC)错误。

8.CAN总线更高层协议

CAN标准定义了物理层(硬件)和数据链路层(基本通信层)。需要一个更高层的协议来管理系统中的通信。有许多高层协议，其中比较常用的几种：

CANopen
J1939
CAN Communication Protocol (CCP)
MilCAN
CanKingdom
ARINC

9.CAN 接口与 CAN 分析仪

要知道如何读取can总线数据?读取CAN总线需要查看硬件信号。需要CAN接口和CAN分析仪。CAN接口是将CAN总线连接到笔记本电脑或PC进行分析的硬件。它将有一个CAN收发器。CAN分析需要使用CAN分析仪软件，通过CAN接口采集CAN数据。

10.结论

本文回顾了CAN总线的历史由来，介绍了其主要特点及应用场景。

11.参考资料

What is CAN bus? – A Complete Guide (2023) -

Introduction to CAN (Controller Area Network) - Technical Articles

CAN Bus Uncovered: The Ultimate Guide for Automotive Enthusiasts