CAN總線技術(shù)基礎(chǔ)分析課件

1、CAN總線技術(shù)基礎(chǔ)第1頁，共45頁。CAN總線的優(yōu)勢及應(yīng)用 數(shù)據(jù)傳輸速度高（相對），1Mbit/s 抗干擾能力強(qiáng)（差分?jǐn)?shù)據(jù)線） 具有自我診斷能力（錯(cuò)誤偵測）第2頁，共45頁。CAN總線的作用CAN（“Controller Area Network”，控制器局域網(wǎng)）總線的作用就是將整車中各種不同的控制器連接起來，實(shí)現(xiàn)信息的可靠共享，并減少整車線束數(shù)量?？梢栽O(shè)想一種極端情況，如下圖所示：如果整車上所有的用電設(shè)備都是一個(gè)獨(dú)立的CAN總線節(jié)點(diǎn)，并且每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都向外發(fā)送自己當(dāng)前的狀態(tài)，并且接受來自外部的信息，那么整車的控制只需要一條CAN總線控制線和電源線就可以了！組合開關(guān)組合燈具電磁閥雨刷電機(jī)儀表傳感

2、器第3頁，共45頁。會(huì)議局域網(wǎng)參會(huì)人員節(jié)點(diǎn)參會(huì)人員身份ID會(huì)議議題報(bào)文參會(huì)人員發(fā)言順序裁定仲裁CAN總線的基本工作原理跟其他總線一樣，CAN總線的通信也是通過一種類似于“會(huì)議”的機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，只不過會(huì)議的過程并不是由一方（節(jié)點(diǎn)）主導(dǎo)，而是，每一個(gè)會(huì)議參加人員都可以自由的提出會(huì)議議題（多主通信模式），二者對應(yīng)關(guān)系如下：第4頁，共45頁。CAN總線工作原理請求發(fā)言發(fā)言優(yōu)先權(quán)開始發(fā)言發(fā)言參會(huì)人員信息反饋反饋結(jié)束發(fā)言幀起始仲裁開始發(fā)送0/1接收成功應(yīng)答錯(cuò)誤檢測幀結(jié)尾一幀報(bào)文第5頁，共45頁。CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)第6頁，共45頁。Data Link LayerPhysical LayerApplicatio

3、n LayerSAEJ1939信號(hào)傳輸、抗干擾位定時(shí)、同步位編解碼如何將29ID分類j1939組織架構(gòu)協(xié)議查找總線仲裁機(jī)制位填充機(jī)制機(jī)制can報(bào)文幀結(jié)構(gòu)報(bào)文打包c(diǎn)an總線容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率信號(hào)電平單片機(jī)總線控制器總線收發(fā)器CAN總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)j1939本質(zhì)第7頁，共45頁。何為CAN收發(fā)器？按照BOSCH CAN總線標(biāo)準(zhǔn)將0或1邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的電平，同時(shí)有反饋功能第8頁，共45頁。CAN總線上的電平CAN2.0A/B標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：總線空閑時(shí)，CAN_H和CAN_L上的電壓為2.5V在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，顯性電平（邏輯 0）：CAN_H 3.5V隱性電平（邏輯 1）：CAN_H 2.5VCAN_L

4、1.5VCAN_L 2.5V顯性電平隱性電平第9頁，共45頁?？偩€支持的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)目第10頁，共45頁。由上表可以看出，常用的兩款CAN驅(qū)動(dòng)芯片支持的總線節(jié)點(diǎn)數(shù)目都可以滿足整車CAN節(jié)點(diǎn)需求，這不是問題?？偩€支持的最大節(jié)點(diǎn)數(shù)目第11頁，共45頁?？偩€長度的思考影響總線長度的主要因素：（1）CAN總線通信的應(yīng)答機(jī)制，即成功接收到一幀報(bào)文的節(jié)點(diǎn)必須在應(yīng)答場的”應(yīng)答間隙“期間發(fā)送一位“顯性位”表示成功接收到一幀數(shù)據(jù)如：通信速率為250Kbit/s，傳送一個(gè)bit所需時(shí)間為：1/2501000 = 4那么，該信號(hào)在總線上的延時(shí)時(shí)間必須小于（2？）才能保證發(fā)送節(jié)點(diǎn)成功的在應(yīng)答間隙期間接收到該“顯性電平”

5、。任何一根導(dǎo)線都可以簡化為左圖所示的電路模型，可以看到，其中既有電感又有電容，因此，電流在其中傳輸并不是光速，而是需要一定的時(shí)間。對于雙絞線而言，信號(hào)在其中的傳播延時(shí)時(shí)間約為，5ns/m（典型值）。當(dāng)通信速率達(dá)到1Mbit/s時(shí)，40m的總線長度，延時(shí)時(shí)間就達(dá)到200ns，而允許延時(shí)時(shí)間為600ns左右，還是不能不考慮的！注意后面同步的概念第12頁，共45頁?？偩€長度的思考由上面的分析可知：總線通信速率越高，通信距離越短，對物理傳輸線的要求就越高，在雙絞線、屏蔽線還是其他的傳輸線選擇上，通信速率是一個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)。影響總線長度的其他因素：（1）信號(hào)在節(jié)點(diǎn)ECU內(nèi)部的延時(shí)時(shí)間（2）振蕩器的容差（

6、各個(gè)節(jié)點(diǎn)ECU內(nèi)部晶振頻率的差別）這些因素加起來就形成了CAN總線通信中總的信號(hào)延時(shí)。第13頁，共45頁。CAN總線的硬件抗干擾（1）共模電感作用：共模電壓有較大的感抗，差模電壓感抗為零，相當(dāng)于電感濾波。對共模電流有較大的阻礙作用。第14頁，共45頁。CAN總線的硬件抗干擾（2）1 終端電阻終 端 電阻 120 歐姆并非固定不變，這跟使用的導(dǎo)線有關(guān)！第15頁，共45頁。ISO11898的推薦值第16頁，共45頁。何為CAN控制器？CAN控制器主要實(shí)現(xiàn)了兩部分的功能，1：數(shù)據(jù)鏈路層的全部功能；2：物理層的位定時(shí)功能也就是BOSCH CAN 2.0A/B中規(guī)定的部分第17頁，共45頁?？偩€長度的限

7、制位定時(shí)、同步CAN總線控制器按照時(shí)間片的概念將每一個(gè)bit的時(shí)間劃分成了n個(gè)時(shí)間片。這樣做的目的就是為了實(shí)現(xiàn)CAN總線的同步、保證不同節(jié)點(diǎn)間時(shí)間的一致性。如：晶振和CAN CLOCK頻率均為4MHz，那么每一個(gè)時(shí)間片最小時(shí)間就為0.25s，通信波特率為250Kbit/s，那么每一個(gè)bit的時(shí)間就為4s，因此，每一個(gè)bit 的總的時(shí)間片數(shù)目就為16 。當(dāng)然可以進(jìn)一步提高晶振頻率，使得每一個(gè)bit 被劃分的更加細(xì)致。CAN2.0A/B將每一個(gè)bit的時(shí)間劃分成了4段，同步段、傳輸段、相位段1和相位段2，每一段占用一定的時(shí)間片第18頁，共45頁。同步的概念假設(shè)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間完全一致（即晶振完全相同

8、，沒有誤差），信號(hào)經(jīng)過T延時(shí)后到達(dá)節(jié)點(diǎn)B，此時(shí)節(jié)點(diǎn)B就以當(dāng)前時(shí)刻為基準(zhǔn)進(jìn)行位定時(shí)，因?yàn)槎叩臅r(shí)鐘完全一致，因此，節(jié)點(diǎn)B的采樣不會(huì)出現(xiàn)任何問題，即節(jié)點(diǎn)B總是能采樣到A節(jié)點(diǎn)發(fā)出的總線電平。硬同步只發(fā)送在一個(gè)幀的起始。T采樣點(diǎn)第19頁，共45頁。采樣點(diǎn)同步的概念假設(shè)傳輸沒有延時(shí)，但是節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B的晶振有誤差，那么由上圖可以看出，雖然硬同步已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但是節(jié)點(diǎn)B的采樣點(diǎn)卻不能夠采樣到當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)，而是上一時(shí)刻的數(shù)據(jù)，即節(jié)點(diǎn)B的時(shí)間跑的慢了。那么CAN總線控制器如何處理該問題呢？ 通過重同步的機(jī)制實(shí)現(xiàn)。第20頁，共45頁。采樣點(diǎn)采樣點(diǎn)同步的概念CAN總線控制器通過在一幀數(shù)據(jù)的傳輸過程進(jìn)行重同步保證一幀

9、報(bào)文的順利傳輸，重同步的本質(zhì)為：增加或減少自己的位定時(shí)時(shí)間（如：增加12個(gè)時(shí)間片）來和總線上的其他節(jié)點(diǎn)同步。為了實(shí)現(xiàn)重同步，CAN總線控制器必須要通過位填充實(shí)現(xiàn)，即：如果CAN總線控制器發(fā)現(xiàn)報(bào)文里有5個(gè)連續(xù)相同的位，就會(huì)在第六位填充一位相反的數(shù)據(jù)位（該數(shù)據(jù)位只是為了總線安全才考慮的），同步發(fā)生在隱性電平（邏輯1）向顯性電平（邏輯0）轉(zhuǎn)換的跳變沿。第21頁，共45頁。Can總線報(bào)文幀結(jié)構(gòu)CAN總線共有四種報(bào)文：1 數(shù)據(jù)幀 2 遠(yuǎn)程幀3 錯(cuò)誤幀4 過載幀第22頁，共45頁。數(shù)據(jù)幀定義幀起始：1bit。從圖中看出，在幀間隙后由邏輯1（至少兩個(gè)bit）向邏輯 0 的跳變就被認(rèn)為是幀起始，它的作用就是為

10、了硬同步。仲裁場：由29bit的ID標(biāo)示符和IDE、SRR、RTR位構(gòu)成。IDE位用于標(biāo)示該幀是擴(kuò)展幀（29bit ID）還是標(biāo)準(zhǔn)幀（11bit ID）；SRR在擴(kuò)展幀 中 為 一 隱 性 位 ； R T R 位 為 遠(yuǎn) 程 幀 標(biāo) 志 位 。由上圖可以看出，11bit的基本ID首先被發(fā)送（ID28ID18），然后在發(fā)送18bit的擴(kuò)展ID（ID17ID0）第23頁，共45頁。CAN總線的仲裁機(jī)制要點(diǎn) （1）首先發(fā)送ID的29位，優(yōu)先級問題（2）總線電平由誰決定CAN總線總裁機(jī)制的實(shí)現(xiàn)也就實(shí)現(xiàn)了CAN總線的多主機(jī)模式，總線節(jié)點(diǎn)不存在誰主誰從的概念友情提示：我們可以人為的給29位的ID賦予一定的

11、意義從而區(qū)分不同的報(bào)文類型！第24頁，共45頁。報(bào)文濾波報(bào)文濾波可以通過軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)，也可以通過硬件（芯片內(nèi)部的報(bào)文濾波寄存器）實(shí)現(xiàn)，但二者實(shí)現(xiàn)的原理是相同的，如下圖所示：第25頁，共45頁。數(shù)據(jù)幀中的其他場作用控制場：包括兩位保留位（必須為0），和數(shù)據(jù)長度位（DLC0DLC3）數(shù)據(jù)場：包括最多8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)CRC場：是一種算法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，共15bit，其后跟了一位CRC界定符為1（隱性電平）應(yīng)答場：為兩個(gè)1（總線電平為低電平），其中一位為應(yīng)答間隙，另一位為應(yīng)答界定符。成功接收到數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)必須發(fā)送一位顯性位（總線電平為高電平）來應(yīng)答該發(fā)送節(jié)點(diǎn)，必須注意：該顯性位必須在應(yīng)答間隙

12、期間，即1bit的時(shí)間內(nèi)將總線電平拉高。幀結(jié)尾：7個(gè)連續(xù)的1組成（隱性電平）第26頁，共45頁。CAN總線的偵聽機(jī)制支持仲裁及錯(cuò)誤檢查幀聽就是發(fā)出去的數(shù)據(jù)再采樣回來，比較采樣回來的數(shù)據(jù)是否和發(fā)出的數(shù)據(jù)一致！第27頁，共45頁。CAN總線錯(cuò)誤檢測CAN總線通過如下幾個(gè)方面進(jìn)行錯(cuò)誤檢測（1）當(dāng)節(jié)點(diǎn)贏得總線發(fā)送權(quán)后，會(huì)對總線電平進(jìn)行檢測，當(dāng)發(fā)送的電平和檢測到的總線電平不一致時(shí)，認(rèn)為錯(cuò)誤（2）出現(xiàn)6個(gè)連續(xù)相同的電平時(shí)，認(rèn)為是填充錯(cuò)誤（3）CRC錯(cuò)誤，接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)按照與發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)相同的方法計(jì)算數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)值，如果接收節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果與數(shù)據(jù)包中CRC場的數(shù)據(jù)不一致，認(rèn)為是CRC錯(cuò)誤（4）應(yīng)答錯(cuò)誤，

13、在應(yīng)答場如果沒有監(jiān)控到一個(gè)顯性電平，那么就認(rèn)定一個(gè)應(yīng)答錯(cuò)誤（5）固定位錯(cuò)誤，例如：CRC界定符等，其電平是固定的，當(dāng)監(jiān)控到該電平不相符時(shí)，認(rèn)定一個(gè)錯(cuò)誤另：總線同步機(jī)制也是CAN總線容錯(cuò)的一種方式注意：通過上面5種錯(cuò)誤檢測機(jī)制，發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)均可以檢測到總線上的錯(cuò)誤，并通過錯(cuò)誤的累加來實(shí)現(xiàn)總線節(jié)點(diǎn)的關(guān)閉等操作第28頁，共45頁。CAN總線負(fù)載率計(jì)算計(jì)算例子：假設(shè)CAN總線波特率為250Kbit/s，總線報(bào)文發(fā)送時(shí)間間隔為10ms，報(bào)文為數(shù)據(jù)幀（8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)），那么10ms內(nèi)總線能夠支持的最大報(bào)文數(shù)量為多少？第一步：根據(jù)通信波特率計(jì)算10ms總共可以發(fā)送多少bit(250000/1000)*1

14、0 = 2500bit第二步：計(jì)算最長的一幀報(bào)文有多少個(gè)bit1sof + 29id + 1ide + 1rtr + 1srr + 2r + 4dlc + 8*8data+ 16crc + 2ack + 7eof = 128bit第三步：計(jì)算10ms內(nèi)可以支持的報(bào)文數(shù)目2500/128 19由上面的計(jì)算可知，當(dāng)10ms間隔的報(bào)文數(shù)量超過19條時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)丟幀，總線飽和。計(jì)算報(bào)文數(shù)量也是設(shè)計(jì)CAN網(wǎng)絡(luò)所要考慮的，可以查閱相關(guān)文獻(xiàn)看負(fù)載率在多少時(shí)合適！第29頁，共45頁。SAE J1939的組織架構(gòu)SAE J1939主要包括下面的協(xié)議文檔（1）SAE J1939-11 規(guī)定了J1939協(xié)議通信的物

15、理層（CAN總線物理層）（2）SAE J1939-21 規(guī)定了J1939協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路層（3）SAE J1939-31 規(guī)定了J1939協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層（設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)ECU時(shí)遵守）（4）SAE J1939-71 規(guī)定了J1939協(xié)議的整車應(yīng)用層（5）SAE J1939-73規(guī)定了J1939協(xié)議的診斷層（診斷儀診斷協(xié)議）實(shí)際上J1939協(xié)議是以CAN總線通信為數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上建立的更高一層的通信協(xié)議。其中J1939-21介紹了如何將29Bit的ID進(jìn)行劃分定義，J1939-71更加具體的對整車信息進(jìn)行分類定義。第30頁，共45頁。SAE J1939-21發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、ABS等系統(tǒng)包含了大量

16、的消息，如何將這些整車消息進(jìn)行分類，方便通信？J1939-21/71的本質(zhì)就是通過將29bit的ID賦予一定的含義，從而實(shí)現(xiàn)整車信息的分類管理。第31頁，共45頁。第32頁，共45頁。SAE J1939有多少PGN?J1939 數(shù)據(jù)頁0的PGN總數(shù)為 239（SAE）+ 1（MF）+ （254 240+ 1）*256（SAE）+ 256（MF）= 4336也就是說，通過J1939協(xié)議，我們可以把整車信息分成4336*2個(gè)組，每一組都包含有至少1個(gè)整車參數(shù)第33頁，共45頁。r d1 ppf8 pf3so p3 p2 p1fs ir dr ep pf f2 1ps8 ps1sa8 sa1r r

17、rtr 0 1PGN優(yōu)先級及PDU由上圖可以看出，PGN的PDU FORMAT首先發(fā)送，也就是說，PF越小，優(yōu)先級越高。因?yàn)镻DU1格式的報(bào)文PF是從0239，可以看出，它的優(yōu)先級較高，因此，J1939將較小的PGN號(hào)分配給實(shí)時(shí)性要求較高，延時(shí)較小的報(bào)文。其實(shí)PDU本質(zhì)上就是一幀J1939報(bào)文，它包含了ID和數(shù)據(jù)。但J1939創(chuàng)建了兩種格式的PDU（PDU FORMAT1和PDU FORMAT2），其原因就是為了：兼容更多的參數(shù)組，以便包含更多的參數(shù)，但同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)地址固定的通信方式（即某一參數(shù)組是發(fā)送到特定的ECU單元的）。另外，為了保證私有參數(shù)組定義與SAE定義的參數(shù)組之間不相互沖突

18、，J1939還定義了私有參數(shù)組，該參數(shù)組既有FORMAT1格式，也有FORMAT2格式第34頁，共45頁。Byte0Bit0-3參數(shù)名稱EngTrqMode4-7保留10-7DriverDmdEngPercentTrq20-7ActualEngPercentTrq3-40-7EngSpd50-3保留4-7保留60-3保留4-7保留74-7保留發(fā)送方式周期更新速率10ms數(shù)據(jù)長度8P3DP0PF0 xF0PS0 x04SA0自定義否填充格式Intel standard參數(shù)組名稱EEC1ID0 x0CF00400PGN61444 (0 x00F004)發(fā)送節(jié)點(diǎn)ECU接收節(jié)點(diǎn)*例子1J1939將發(fā)動(dòng)

19、機(jī)轉(zhuǎn)矩控制模式、駕駛員需求轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分成一組，組號(hào)（PGN）為61444同時(shí)該P(yáng)GN為PDU2格式，PS的意義為擴(kuò)展參數(shù)組第35頁，共45頁。Byte0Bit0-1參數(shù)名稱OverrideCtrlMode2-3ReqSpdCtrlConditions4-5OverrideCtrlModePriority6-7保留30-7ReqTrqOrTrqLmt發(fā)送方式周期更新速率10ms數(shù)據(jù)長度8P3DP0PF0PS0SA0 x03自定義否填充格式Motorola standard參數(shù)組名稱TSC1ID0 x0C000003PGN0 (0 x000000)發(fā)送節(jié)點(diǎn)TCU接收節(jié)點(diǎn)E

20、CU該報(bào)文由變速箱TCU發(fā)送給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，可以看出，它屬于PDU1格式，并且ps為目的地址（0 x00），優(yōu)先級很高！當(dāng)然其他設(shè)備也可以接收該報(bào)文，但是發(fā)動(dòng)機(jī)必須處理該請求。第36頁，共45頁。發(fā)送方式周期更新速率1000ms數(shù)據(jù)長度8P6DP0PF0 xFFPS0 x0BSA0 x17自定義是填充格式Motorola standard參數(shù)組名稱DisplayUintID0 x18FF0B17PGN65515 (0 x00FF0B)發(fā)送節(jié)點(diǎn)儀表接收節(jié)點(diǎn)*例子2控制聲音報(bào)警請求故障碼預(yù)留功能保留參數(shù)名稱Bit0-12-34-50-7Byte0自定義，PDU2格式的報(bào)文第37頁，共45頁。查找J

21、1939協(xié)議中規(guī)定的報(bào)文SAE J1939-71中規(guī)定了整車應(yīng)用層中所有的報(bào)文內(nèi)容，及報(bào)文中各個(gè)參數(shù)的意義，我們可以根據(jù)PGN 號(hào)來查找報(bào)文，然 后 根 據(jù) 報(bào) 文 中 的 SPN號(hào)（SAE J1939 同樣給每一個(gè)整車參數(shù)分配了一個(gè)索引號(hào)）來查找與SPN 相 對 應(yīng) 的 參 數(shù) 的 意義！第38頁，共45頁。基于J1939-73的診斷協(xié)議關(guān)于DTCSPN：故障的參數(shù)號(hào)，通過SPN查找故障碼表，用來確定具體的故障類型FMI：故障嚴(yán)重等級定義OC：該SPN故障發(fā)生的次數(shù)累計(jì)CM：SPN組合方式第39頁，共45頁。AMT系統(tǒng)故障舉例Open斷路5Short To GND對地短路4Manufactu

22、rer AssignableSPN521794SolenoidIntakeClutchShort離合器進(jìn)氣閥OpenShort To Battery斷路對電短路53Short To GND對地短路4Manufacturer AssignableSPN521793Clutch Exhaust Solenoid離合器排氣閥OpenShort To Battery斷路對電短路53Short To GND對地短路4Short To Battery對電短路3Manufacturer AssignableSPN521792Clutch Main Solenoid離合器總電磁閥Fault故障11Percent Clutch Slip522Clutch Slip離合器滑摩Senso