CAN总线技术基础

CAN总线技术基础CANCAN总线技术基础总线技术基础 CAN总线的优势及应用 数据传输速度高（相对），1Mbit/s 抗干扰能力强（差分数据线） 具有自我诊断能力（错误侦测） CAN总线的作用 CAN（“Controller Area Network”，控制器局域网） 总线的作用就是将整车中各种不同的控制器连接起来，实 现信息的可靠共享，并减少整车线束数量。可以设想一种 极端情况，如下图所示： 如果整车上所有的用电设备都 是一个独立的CAN总线节点，并且 每一个节点都向外发送自己当前的 状态，并且接受来自外部的信息， 那么整车的控制只需要一条CAN总 线控制线和电源线就可以了！ 组合开关组合灯具电磁阀雨刷电机仪表传感器 CAN总线的基本工作原理 跟其他总线一样，CAN总线的通信也是通过一种类似于“会议” 的机制实现的，只不过会议的过程并不是由一方（节点）主导，而 是，每一个会议参加人员都可以自由的提出会议议题（多主通信模 式），二者对应关系如下： 仲裁参会人员发言顺序 裁定 报文会议议题 ID参会人员身份 节点参会人员 局域网会议 CAN总线工作原理 请求发言发言优先权开始发言发言 反馈 参会人员 信息反馈 结束发言 帧起始仲裁开始发送0/1 错误检测 接收成功 应答 帧结尾 一帧报文 CAN总线网络结构 Physical Layer Data Link Layer Application Layer S A E J 1 9 3 9 信号电平 信号传输、抗干扰 位定时、同步 位编解码 总线仲裁机制 can报文帧结构 报文打包 can总线容错 网络负载率 j1939本质 如何将29ID分类 j1939组织架构 协议查找 位填充机制机制 单片机 总线控制器 总线收发器 CAN总线网络节点结构 何为CAN收发器？ 按照BOSCH CAN总线标准将0或1逻辑信号转换为 标准中规定的电平，同时有反馈功能 CAN总线上的电平 CAN2.0A/B标准规定：总线空闲时，CAN_H和CAN_L上的电压为2.5V 在数据传输时，显性电平（逻辑 0）：CAN_H 3.5V CAN_L 1.5V 隐性电平（逻辑 1）：CAN_H 2.5V CAN_L 2.5V 显性电平 隐性电平 总线支持的最大节点数目 由上表可以看出，常用的两款CAN驱动芯片 支持的总线节点数目都可以满足整车CAN节点需 求，这不是问题。 总线支持的最大节点数目 总线长度的思考 影响总线长度的主要因素： （1）CAN总线通信的应答机制，即成功接收到一帧报文的节点必须在 应答场的”应答间隙“期间发送一位“显性位”表示成功接收到一帧数据 如：通信速率为250Kbit/s，传送一个bit所需时间为：1/250×1000 = 4 那么，该信号在总线上的延时时间必须小于（2？）才能保证发送节点成 功的在应答间隙期间接收到该“显性电平”。 任何一根导线都可以简化为左图所示 的电路模型，可以看到，其中既有电感又 有电容，因此，电流在其中传输并不是光 速，而是需要一定的时间。 对于双绞线而言，信号在其中的传播 延时时间约为，5ns/m（典型值）。当通 信速率达到1Mbit/s时，40m的总线长度， 延时时间就达到200ns，而允许延时时间 为600ns左右，还是不能不考虑的！ 注意后面同步的概念 总线长度的思考 由上面的分析可知： 总线通信速率越高，通信距离越短，对物理传输线的要求就越高，在双绞 线、屏蔽线还是其他的传输线选择上，通信速率是一个很关键的参数。 影响总线长度的其他因素： （1）信号在节点ECU内部的延时时间 （2）振荡器的容差（各个节点ECU内部晶振频率的差别） 这些因素加起来就形成了CAN总线通信中总的信号延时。 CAN总线的硬件抗干扰（1） 共模电感作用：共模电压有较大的感 抗，差模电压感抗为零，相当于电感滤波。 对共模电流有较大的阻碍作用。 CAN总线的硬件抗干扰（2） 1 终端电阻 终 端 电 阻120欧姆 并非固定不 变，这跟使 用的导线有 关！ ISO11898的推荐值 何为CAN控制器？ CAN控制器主要实现了两部分的功能，1：数据链路层 的全部功能；2：物理层的位定时功能 也就是BOSCH CAN 2.0A/B中规定的部分 总线长度的限制位定时、同步 CAN总线控制器按照时间片的概念将每一个bit的时间划分成了n个时间片。 这样做的目的就是为了实现CAN总线的同步、保证不同节点间时间的一致性。 如：晶振和CAN CLOCK 频率均为4MHz，那么每 一个时间片最小时间就 为0.25s，通信波特率 为250Kbit/s，那么每一 个bit的时间就为4s， 因此，每一个bit的总的 时间片数目就为16。当 然可以进一步提高晶振 频率，使得每一个bit被 划分的更加细致。 CAN2.0A/B将每一个bit的时间划分成了4段，同步段、传 输段、相位段1和相位段2，每一段占用一定的时间片 同步的概念 假设两个节点的时间完全一致（即晶振完全相同，没有误 差），信号经过T延时后到达节点B，此时节点B就以当前时 刻为基准进行位定时，因为二者的时钟完全一致，因此，节 点B的采样不会出现任何问题，即节点B总是能采样到A节点 发出的总线电平。硬同步只发送在一个帧的起始。 T 采样点 采样点 同步的概念 假设传输没有延时，但是节点A和节点B的晶振有误差， 那么由上图可以看出，虽然硬同步已经实现，但是节点B的 采样点却不能够采样到当前时刻的数据，而是上一时刻的 数据，即节点B的时间跑的慢了。那么CAN总线控制器如 何 处 理 该 问 题 呢 ？ 通 过 重 同 步 的 机 制 实 现 。 采样点 采样点 同步的概念 CAN总线控制器通过在一帧数据的传输过程进行重同步保证一帧报文 的顺利传输，重同步的本质为：增加或减少自己的位定时时间（如：增加 12个时间片）来和总线上的其他节点同步。 为了实现重同步，CAN总线控制器必须要通过位填充实现， 即：如果CAN总线控制器发现报文里有5个连续相同的位，就 会在第六位填充一位相反的数据位（该数据位只是为了总线安 全才考虑的），同步发生在隐性电平（逻辑1）向显性电平（逻 辑0）转换的跳变沿。 Can总线报文帧结构 CAN总线共有四种报文：1 数据帧2 远程帧 3 错误帧4 过载帧 数据帧定义 帧起始：1bit。从图中看出，在帧间隙后由逻辑1（至少两个bit）向 逻 辑 0 的 跳 变 就 被 认 为 是 帧 起 始 ， 它 的 作 用 就 是 为 了 硬 同 步 。 仲裁场：由29bit的ID标示符和IDE、SRR、RTR位构成。IDE位用 于标示该帧是扩展帧（29bit ID）还是标准帧（11bit ID）；SRR在扩展 帧 中 为 一 隐 性 位 ； R T R 位 为 远 程 帧 标 志 位 。 由上图可以看出，11bit的基本ID首先被发送（ID28ID18），然后 在发送18bit的扩展ID（ID17ID0） CAN总线的仲裁机制 要点 （1）首先发送ID的29位，优先级问题 （2）总线电平由谁决定 CAN总线总裁机制的实现也就实现了CAN总线的多主机 模式，总线节点不存在谁主谁从的概念 友情提示：我们可以人为的给29位的ID赋予一定的意义从而 区分不同的报文类型！ 报文滤波 报文滤波可以通过软件编程的方式实现，也可以通过硬件（芯片内部的 报文滤波寄存器）实现，但二者实现的原理是相同的，如下图所示： 数据帧中的其他场作用 控制场：包括两位保留位（必须为0），和数据长度位（DLC0DLC3） 数据场：包括最多8个字节的数据 CRC场：是一种算法，对数据进行CRC校验，共15bit，其后跟了一位CRC界 定符为1（隐性电平） 应答场：为两个1（总线电平为低电平），其中一位为应答间隙，另一位为应 答界定符。成功接收到数据的节点必须发送一位显性位（总线电平为高电平） 来应答该发送节点，必须注意：该显性位必须在应答间隙期间， 即1bit的时间内将总线电平拉高。 帧结尾：7个连续的1组成（隐性电平） CAN总线的侦听机制支持仲裁及错 误检查 帧听就是发出 去的数据再采 样回来，比较 采样回来的数 据是否和发出 的数据一致！ CAN总线错误检测 CAN总线通过如下几个方面进行错误检测 （1）当节点赢得总线发送权后，会对总线电平进行检测，当发送的电平和检 测到的总线电平不一致时，认为错误 （2）出现6个连续相同的电平时，认为是填充错误 （3）CRC错误，接收数据的节点按照与发送数据的节点相同的方法计算数据 的CRC校验值，如果接收节点的计算结果与数据包中CRC场的数据不一致， 认为是CRC错误 （4）应答错误，在应答场如果没有监控到一个显性电平，那么就认定一个 应答错误 （5）固定位错误，例如：CRC界定符等，其电平是固定的，当监控到该电平 不相符时，认定一个错误 另：总线同步机制也是CAN总线容错的一种方式 注意：通过上面5种错误检测机制，发送节点和接收节点均可 以检测到总线上的错误，并通过错误的累加来实现总线节点的 关闭等操作 CAN总线负载率计算 计算例子： 假设CAN总线波特率为250Kbit/s，总线报文发送时间间隔为10ms， 报文为数据帧（8个字节数据），那么10ms内总线能够支持的最大报文数 量为多少？ 第一步：根据通信波特率计算10ms总共可以发送多少bit (250000/1000)*10 = 2500bit 第二步：计算最长的一帧报文有多少个bit 1sof + 29id + 1ide + 1rtr + 1srr + 2r + 4dlc + 8*8data + 16crc + 2ack + 7eof = 128bit 第三步：计算10ms内可以支持的报文数目 2500/128 19 由上面的计算可知，当10ms间隔的报文数量超过19条时，就会 出现丢帧，总线饱和。 计算报文数量也是设计CAN网络所要考虑的，可以查阅相关文献 看负载率在多少时合适！ SAE J1939的组织架构 SAE J1939主要包括下面的协议文档 （1）SAE J1939-11 规定了J1939协议通信的物理层（CAN总线物理 层） （2）SAE J1939-21 规定了J1939协议的数据链路层 （3）SAE J1939-31 规定了J1939协议的网络层（设计网关ECU时 遵守） （4）SAE J1939-71 规定了J1939协议的整车应用层 （5）SAE J1939-73规定了J1939协议的诊断层（诊断仪诊断协议） 实际上J1939协议是以CAN总线通信为数据传输的基础，并在此 基础上建立的更高一层的通信协议。其中J1939-21介绍了如何将 29Bit的ID进行划分定义，J1939-71更加具体的对整车信息进行分类 定义。 SAE J1939-21 发动机、变速箱、ABS等系统包含了大量的消息，如何将这些整车消 息进行分类，方便通信？ J1939-21/71的本质就是通过将29bit的ID赋予一定的含义，从而实 现整车信息的分类管理。 J1939-21的ID分类方法 s o f i d 28 i d 27 i d 26 i d 25 i d 24 i d 23 i d 22 i d 21 i d 20 i d 19 i d 18 s r r i d e i d 17 i d 16 i d 15 i d 14 i d 13 i d 12 i d 11 i d 10 i d 9 i d 8 i d 7 i d 6 i d 5 i d 4 i d 3 i d 2 i d 1 i d 0 r t r r 0 r 1 p3 p2 p1 r 1 d p pf8 pf3 s o f s r r i d e p p f f 2 1 ps8 ps1sa8 sa1 r t r r 0 r 1 SAE J1939采用CAN2.0B扩展帧! 从上图可以看出，J1939将29bit的ID