CAN總線(xiàn)為什么重要？

CAN是Controller Area Network（控制器局域網(wǎng)絡(luò))的縮寫(xiě)。在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)，各種電子控制系統(tǒng)之間的通信所用的數(shù)據(jù)類(lèi)型及對(duì)可靠性的要求不盡相同，若由多條總線(xiàn)來(lái)進(jìn)行通信，線(xiàn)束的數(shù)量也將隨之增多。為了適應(yīng)“減少線(xiàn)束”、“通過(guò)多個(gè)LAN進(jìn)行大量數(shù)據(jù)高速通信”的需要，1986年德國(guó)電氣商博世公司開(kāi)發(fā)出面向汽車(chē)的CAN通信協(xié)議；并且于1993年經(jīng)ISO認(rèn)證成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，正式發(fā)布了CAN總線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)文件ISO 11898。目前CAN總線(xiàn)已經(jīng)是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一。

·  1983年，BOSCH開(kāi)始著手開(kāi)發(fā)CAN總線(xiàn)；

·  1993年，ISO發(fā)布CAN總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)（ISO 11898），隨后該標(biāo)準(zhǔn)主要有三部分：

·  ISO 11898-1：數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議
   ISO 11898-2：高速CAN總線(xiàn)物理層協(xié)議
   ISO 11898-3：低速CAN總線(xiàn)物理層協(xié)議

注：ISO 11898-2和ISO 11898-3物理層協(xié)議不屬于BOSCH CAN 2.0標(biāo)準(zhǔn)。

2012年，BOSCH發(fā)布 CAN FD 1.0 標(biāo)準(zhǔn)（CAN with Flexible Data-Rate），CAN FD定義了在仲裁后使用不同的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到最高12Mbps數(shù)據(jù)傳輸速率。CAN FD與CAN 2.0協(xié)議兼容，可以與傳統(tǒng)的CAN 2.0設(shè)備共存于同樣的網(wǎng)絡(luò)。

CAN總線(xiàn)的多主控模式



CAN總線(xiàn)帶來(lái)的優(yōu)化

·  線(xiàn)束(電氣信號(hào)線(xiàn))的削減——低成本化、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化

·  輕量化——降低油耗

·  差分電壓——降低噪聲影響(安全性)

·  錯(cuò)誤處理的充實(shí)——高可靠性



CAN總線(xiàn)的主要應(yīng)用場(chǎng)景


■ 汽車(chē)、卡車(chē)、巴士

   ·  車(chē)身控制

   ·  動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

   ·  ABS

   ·  發(fā)動(dòng)機(jī)控制

   ·  汽車(chē)測(cè)試臺(tái)架

   ·  充電樁

■ 飛機(jī)、列車(chē)、船舶(客船、輪船)

■ 自動(dòng)化

   ·  樓宇控制(電梯、自動(dòng)扶梯)

   ·  FA (機(jī)器人、數(shù)控設(shè)備)

■ 醫(yī)療機(jī)器、農(nóng)業(yè)機(jī)械、施工機(jī)械

   ·  MRI

■ 風(fēng)電、光伏

   ·  風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)

   ·  分布式光伏發(fā)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)

CAN總線(xiàn)協(xié)議及解碼分析

CAN協(xié)議結(jié)構(gòu)

CAN標(biāo)準(zhǔn)分為底層標(biāo)準(zhǔn)(物理層和數(shù)據(jù)鏈路層)和上層標(biāo)準(zhǔn)(應(yīng)用層)兩大類(lèi)。CAN底層標(biāo)準(zhǔn)主要是ISO 11898系列的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，也就是說(shuō)不同廠(chǎng)商在CAN總線(xiàn)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層定義基本相同；而上層標(biāo)準(zhǔn)，不同應(yīng)用領(lǐng)域或制造商會(huì)有不同的做法，所以在這一塊沒(méi)有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)OSI參照機(jī)型，定義數(shù)據(jù)鏈路層與物理層。



OSI規(guī)格化以外，SAE J2284, J2411等規(guī)格也有類(lèi)似分層。

CAN總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)

CAN網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湟话銥榫€(xiàn)型。線(xiàn)束最常用為非屏蔽雙絞線(xiàn)(UTP)，線(xiàn)上傳輸為對(duì)稱(chēng)的電平信號(hào)(差分)，連接在CAN總線(xiàn)上的設(shè)備叫做節(jié)點(diǎn)設(shè)備(CAN Node)，“幀”分組形式的信號(hào)流動(dòng)，無(wú)論哪個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以任意傳送，無(wú)論哪個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以任意接受。



CAN總線(xiàn)的雙絞線(xiàn)傳輸



一般的串行總線(xiàn)，都有兩根信號(hào)線(xiàn)(如比較好理解的I2C總線(xiàn)，就有一根SDA、一根SCL)。而CAN總線(xiàn)則不同，雖然也有兩根總線(xiàn)(CAN_H和CAN_L)，但卻是利用CAN_H和CAN_L兩根線(xiàn)上的電位差來(lái)表示CAN信號(hào)：

兩根總線(xiàn)的電壓差=2V時(shí)；邏輯為0，為顯性

兩根總線(xiàn)的電壓差=0V時(shí)；邏輯為1，為隱性

以ISO 11898中對(duì)高速CAN信號(hào)的定義為例：



高速CAN和低速CAN總線(xiàn)在物理層信號(hào)電平上定義有所不同，低速CAN，定義CAN_H和CAN_L電壓相差5V(CANH=0V,CANL=5V)時(shí)為邏輯“1”，相差2.2V(CANH=3.6V,CANL=1.4V)時(shí)為邏輯“0”。CAN總線(xiàn)上，邏輯“0”和“1”之間顯著的電壓差是總線(xiàn)可靠通信的保證，CAN總線(xiàn)的信號(hào)電平具有線(xiàn)與特性，即顯性電平(0)總是會(huì)掩蓋隱性電平(1)。如果不同節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送顯性和隱性電平，總線(xiàn)上表現(xiàn)出顯性電平(0)，只有在總線(xiàn)上所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送的都是隱性電平(1)時(shí)，總線(xiàn)才表現(xiàn)為隱性。線(xiàn)與特性是CAN總線(xiàn)仲裁的電路基礎(chǔ)。

節(jié)點(diǎn)設(shè)備的構(gòu)成

·  用CAN_H/CAN_L的差分信號(hào)通信。

·  可以連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)最多30個(gè)。

·  總線(xiàn)兩端必須附加終端電阻

·  CAN的通信速度(波特率)以125kbps為界限來(lái)區(qū)分高速CAN與低速CAN

·  各節(jié)點(diǎn)通過(guò)CAN控制器、CAN收發(fā)器連接到CAN總線(xiàn)。

例如下圖：高速CAN時(shí)，120?終端。



信號(hào)幀類(lèi)型與作用




CAN總線(xiàn)的特點(diǎn)

·  差分信號(hào)——出色的抗噪性能

·  多主控——所有節(jié)點(diǎn)沒(méi)有主從之分，總線(xiàn)如果空閑，任意節(jié)點(diǎn)都可向總線(xiàn)發(fā)送消息。

·  非破壞性位仲裁機(jī)制——用信息內(nèi)的標(biāo)識(shí)符ID決定信息發(fā)送優(yōu)先順序；這種仲裁機(jī)制既不會(huì)造成已發(fā)送數(shù)據(jù)的延遲，也不會(huì)破壞已經(jīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)。

·  系統(tǒng)的柔軟性——CAN總線(xiàn)上的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有“地址”的概念，因此在總線(xiàn)上增加節(jié)點(diǎn)時(shí)，不會(huì)對(duì)總線(xiàn)上已有節(jié)點(diǎn)的軟硬件及應(yīng)用層造成影響。

·  通信速度的設(shè)定——可以配合網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，系統(tǒng)的機(jī)能進(jìn)行設(shè)定；兩條不同通信速度總線(xiàn)上的節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)關(guān)可實(shí)現(xiàn)信息交互。

·  高度的錯(cuò)誤處理功能——所有的節(jié)點(diǎn)都可以檢測(cè)出錯(cuò)誤；檢測(cè)出錯(cuò)誤的節(jié)點(diǎn)會(huì)立即通知總線(xiàn)上其它所有的節(jié)點(diǎn)；正在發(fā)送消息的節(jié)點(diǎn)，如果檢測(cè)到錯(cuò)誤，會(huì)立即停止當(dāng)前的發(fā)送，并同時(shí)不斷地重復(fù)發(fā)送此消息，直到該消息發(fā)送成功為止（錯(cuò)誤恢復(fù)功能）。

·  數(shù)據(jù)可請(qǐng)求——某個(gè)節(jié)點(diǎn)Node_A可以通過(guò)發(fā)送“遙控幀”到總線(xiàn)上的方式，請(qǐng)求某個(gè)節(jié)點(diǎn)Node_B來(lái)發(fā)送由該遙控幀所指定的報(bào)文。

CAN分析工具



CAN總線(xiàn)解析,需要觀測(cè)的問(wèn)題

·  系統(tǒng)噪聲是否會(huì)影響總線(xiàn)的傳送。

·  總線(xiàn)報(bào)錯(cuò)時(shí)是否是硬件問(wèn)題造成的。

·  軟件編程是否正確。

·  如何同時(shí)觀測(cè)多種串行總線(xiàn)。

用示波器觀測(cè)物理層信號(hào)波形

示波器觀測(cè)到的“波形”反映CAN總線(xiàn)的電壓信號(hào)的時(shí)間變化。

以DLM3000和DLM5000為例：



隱性電位在DLM3000菜單中設(shè)定(選擇)
無(wú)論哪種設(shè)定，邏輯值隱性=1、顯性=0。

H: 隱性電位高于顯性電位。

L: 隱性電位低于顯性電位。

能夠勝任CAN總線(xiàn)解析的示波器需要具備的功能：

·  高速采樣率能清晰地捕捉和顯示串行模擬信號(hào)并觀測(cè)物理特性。

·  長(zhǎng)存儲(chǔ)記錄較長(zhǎng)時(shí)間的總線(xiàn)控制過(guò)程。

·  豐富的觸發(fā)功能，以及高波形采樣率能捕獲到錯(cuò)誤并對(duì)應(yīng)觀測(cè)模擬波形查看問(wèn)題原因。

·  同步顯示解碼結(jié)果與列表結(jié)果，方便觀測(cè)總線(xiàn)數(shù)據(jù)信息。

·  具有邏輯分析功能，滿(mǎn)足多路串行總線(xiàn)同時(shí)分析的需要。



橫河示波器串行總線(xiàn)分析功能

橫河DLM3000、DLM5000系列混合示波器具有強(qiáng)大的串行總線(xiàn)分析功能支持多種主流串行總線(xiàn)：CAN/CAN FD/LIN/FlexRay/UART (RS232)/I2C/SPI/SENT/CXPI，串行總線(xiàn)通信在汽車(chē)等各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。從制動(dòng)系統(tǒng)到車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)，這些總線(xiàn)無(wú)處不在。要確保正常的車(chē)輛性能，電子控制單元(ECU)、傳感器和執(zhí)行器之間的通信尤為重要。除了驗(yàn)證協(xié)議的數(shù)字邏輯之外，開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證這些系統(tǒng)還需要對(duì)波形質(zhì)量、噪聲以及傳感器/執(zhí)行器信號(hào)的同步測(cè)量進(jìn)行模擬物理層驗(yàn)證。帶有串行總線(xiàn)解碼功能的DLM3000、DLM5000可同時(shí)顯示總線(xiàn)的解碼數(shù)據(jù)和物理層波形，非常適合用于驗(yàn)證和排除故障。

DLM系列示波器獨(dú)特的總線(xiàn)分析功能具有突出的優(yōu)勢(shì)：

■ 串行總線(xiàn)自動(dòng)設(shè)置

串行總線(xiàn)分析通常需要許多設(shè)置，例如比特率、電壓閾值、邏輯極性、采樣點(diǎn)和觸發(fā)條件。這些復(fù)雜的設(shè)置使捕獲數(shù)據(jù)難以進(jìn)行，并且需要很長(zhǎng)的設(shè)置過(guò)程。YOKOGAWA特有的自動(dòng)設(shè)置功能可自動(dòng)分析輸入信號(hào)和復(fù)雜參數(shù)如比特率和閾值電平，在幾秒鐘之內(nèi)選擇出最佳設(shè)置。此功能不僅可以節(jié)省時(shí)間，而且在比特率和其他參數(shù)未知時(shí)也具有強(qiáng)大的調(diào)試能力。

■ 硬件加速實(shí)時(shí)解碼分析

硬件解碼器，解碼速度高于15次/秒、增大記錄長(zhǎng)度仍能保持較高的解碼速度。

■ 解碼結(jié)果顯示與列表顯示

將所有幀的分析結(jié)果以列表的方式顯示出來(lái)，解碼總線(xiàn)上每一個(gè)幀信息，如地址、數(shù)據(jù)、標(biāo)識(shí)符等，解碼結(jié)果與列表實(shí)時(shí)更新列表選定項(xiàng)與解碼放大窗口顯示對(duì)應(yīng)。

■ 雙總線(xiàn)觸發(fā)

CAN、CAN FD及其他類(lèi)型總線(xiàn)可以同時(shí)觸發(fā)。

■ 最多可同時(shí)快速分析4種速度不同的總線(xiàn)

最多可同時(shí)快速分析4個(gè)速度不同的總線(xiàn)。各種搜索功能增強(qiáng)了可用性，即使在非常龐大的內(nèi)存中也可以搜索出特定數(shù)據(jù)。雙縮放功能意味著可以觀測(cè)不同的總線(xiàn)并執(zhí)行相互調(diào)試。


CH1、CH2 2路CAN線(xiàn)分析結(jié)果





CAN總線(xiàn)解析的實(shí)測(cè)案例

汽車(chē)控制系統(tǒng)測(cè)試案例

ECU(Electronic Control Unit)電子控制單元，又稱(chēng)“行車(chē)電腦”、“車(chē)載電腦”等。從用途上講則是汽車(chē)專(zhuān)用微機(jī)控制器。它和普通的電腦一樣，由微處理器(MCU)、存儲(chǔ)器(ROM、RAM)、輸入/輸出接口(I/O)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)以及整流、驅(qū)動(dòng)等大規(guī)模集成電路組成。用一句簡(jiǎn)單的話(huà)來(lái)形容“ECU就是汽車(chē)的大腦”。為保證車(chē)輛運(yùn)行通暢，在汽車(chē)的開(kāi)發(fā)與檢測(cè)中，一般需要進(jìn)行以下項(xiàng)目的測(cè)試：

•  多路ECU控制信號(hào)的時(shí)序關(guān)系

•  多路轉(zhuǎn)速、噴油脈沖、曲軸轉(zhuǎn)角等傳感器信號(hào)

•  進(jìn)行CAN總線(xiàn)的解碼分析