汽車常用總線

CAN發(fā)展時間線

1983年，Bosch開始研究汽車網(wǎng)絡技術

1986年，Bosch在SAE（美國汽車工程師協(xié)會）大會正式公布CAN協(xié)議

1987年，Intel和Philips先后推出CAN控制器芯片

1991年，Bosch頒布CAN 2.0技術規(guī)范，同年，CAN總線最先在Benz S系列轎車上實現(xiàn)

1993年，ISO頒布CAN國際標準ISO-11898

1994年，CiA（CAN in AUTOMATION）組織舉辦第一屆國際CAN大會（iCC），同年，CiA在中國開了第一場CAN研討會

2011年，Bosch發(fā)布第二代CAN通信技術：CANFD 1.1版（Non-ISO）

2015年，CAN FD被ISO標準化

2018年，CiA應大眾汽車要求開始開發(fā)第三代CAN通信技術CAN XL

2020年，CAN XL登場第十七屆iCC大會

CAN的分層結構

CAN遵循ISO制定的OSI（Open System Interconnection）七層模型，其結構體現(xiàn)了兩層：數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。

CAN控制器：生成CAN幀并以二進制碼流的方式發(fā)送，在此過程中進行位填充、CRC校驗、應答檢測等；將接收到的二進制碼流進行解析并接收，在此過程中進行收發(fā)比對、去位填充、CRC校驗等。此外還需要進行沖突判斷、錯誤處理等。

CAN收發(fā)器：將二進制碼流轉換為差分信號發(fā)送，將差分信號轉換為二進制碼流接收。

CAN差分信號

CAN收發(fā)器邏輯信號和物理信號之間的轉換采用差分電平方式。

問：為什么CAN線是雙絞線？

答：雙絞線傳輸差分信號時受到共模信號干擾后，電位差不變，信號解碼正常。

雙絞線一般要求：芯截面積：0.35mm^2～0.5mm^2；絞距：33twist/m～50twist/m。

CAN終端電阻

為了保證CAN通信穩(wěn)定，CAN總線兩端各添加一個終端電阻。終端電阻的作用有3個：

1、提高抗干擾能力，讓高頻低能量的信號迅速走掉；

2、確保總線快速進入隱性狀態(tài)，讓寄生電容的能量更快走掉；

3、提高信號質(zhì)量，放置在總線的兩端，讓反射能量降低。

ISO 11898-2中規(guī)定終端電阻標稱值為120Ω（最小100Ω，最大130Ω），最低功耗是220mW。

對于有SPLIT引腳的CAN收發(fā)器，如常用的NXP TJA1040，終端電阻采用分離式（分裂式）連接，使用兩個6062Ω的電阻，中間一個小電容（45nF），這樣可以有效地降低電磁輻射，提高總線的抗干擾能力。

CAN波特率與位時間

位：bit，數(shù)據(jù)存儲的最小單位，每個0或1就是一個位。

字節(jié)：byte，計量存儲容量的一種計量單位，1字節(jié)=8位。

波特率是位速率，即發(fā)送節(jié)點在非同步的情況下發(fā)送的每秒鐘的位數(shù)。常見的有250kb/s、500kb/s等。

位時間顧名思義是發(fā)送一個位所需要的的時間，位時間=1/位速率，比如波特率250kb/s的位時間就是4us。

CAN數(shù)據(jù)幀格式

數(shù)據(jù)幀是五種報文幀（數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀、過載幀、幀間隔）里最復雜，也是最常用的。數(shù)據(jù)幀格式如下圖，平時使用我們看到的只有仲裁段的ID和數(shù)據(jù)段。

CAN 2.0A標準定義了標準幀，CAN 2.0B標準定義了擴展幀，支持CAN 2.0B的芯片可以兼容兩者幀格式。

標準幀和擴展幀的區(qū)別只在于ID，標準幀ID是11位，擴展幀ID是29位。

CAN負載率

CAN總線負載率是指在CAN總線上單位時間內(nèi)實際傳送的位數(shù)和可以傳送的位數(shù)之比，即1s實際發(fā)送報文位數(shù)除以波特率。

CAN總線負載率宜控制在30%以內(nèi)。實際整車負載率會控制在65%左右，對各模塊的要求是達到85%左右而不會出現(xiàn)錯誤幀。

為了降低總線負載，一些不重要或實時性不強的報文周期比較長，會低于采集或計算周期。

CAN的數(shù)據(jù)排列格式

從CANalyzer的DBC編輯器可以看出，每行表示一個字節(jié)的8個位，從右到左依次是bit0, bit1...bit7。一共有8行，從上到下依次是byte0, byte1...byte7。這也能看出數(shù)據(jù)段包含最多8個byte的數(shù)據(jù)，共64個bit（bit位序從byte0到byte7依次遞增排序）。

數(shù)據(jù)的傳輸規(guī)則：字節(jié)的高位（msb）先發(fā)送，字節(jié)的低位（lsb）最后發(fā)送。對于字節(jié)的發(fā)送而言，可以選擇高字節(jié)(MSB)先發(fā)(Byte 7先發(fā))，也可以低字節(jié)(LSB)先發(fā)(Byte 0先發(fā))，通常來說是用低字節(jié)先發(fā)。

數(shù)據(jù)排列有Intel和Motorola兩種格式，兩者只有在跨字節(jié)時才有區(qū)別。

按照byte0, byte1...的先后順序，Intel格式小字節(jié)在前，大字節(jié)在后，所以叫小端；Motorola格式大字節(jié)在前，小字節(jié)在后所以叫大端。

比如一個數(shù)據(jù)，byte 0是12，byte 1是34，Intel格式解析是0x12 34，Motorola格式解析是0x34 12。

CAN的CRC

CRC是循環(huán)冗余校驗（Cyclic Redundancy ），用來檢測或校驗數(shù)據(jù)傳輸或者保存后可能出現(xiàn)的錯誤。CRC的計算方法由ISO 11898-1規(guī)定。

如果接收方判斷該數(shù)據(jù)幀無效，則該幀報文棄之不用，發(fā)送節(jié)點會重新發(fā)送該報文，接收方收到后回復確認后結束。

CAN的Checksum

Checksum是校驗和，和CRC作用類似，也用來檢驗數(shù)據(jù)的準確性。

實際應用中，CRC并不能檢測到所有的差錯，為了盡可能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性，一般CAN通信里還增加了Checksum。

Checksum的計算方式?jīng)]有統(tǒng)一規(guī)定，各廠家可以根據(jù)自身需要制定。

Checksum的值一般會在數(shù)據(jù)段里發(fā)出來。

CAN的計數(shù)器

CRC和Checksum可以保證信號的有效性，而計數(shù)器可以保證信號的時效性。計數(shù)器一般叫Live Counter或Rolling Counter。發(fā)送節(jié)點每次在發(fā)送一幀報文后就對該Live Counter位加1。通常live Counter是4bit，那么live Counter就會在015（也有014）之間循環(huán)增加。

如果發(fā)送節(jié)點發(fā)送報文出了問題，從Live Counter波形上就會體現(xiàn)出現(xiàn)。

接收節(jié)點接收到報文后對計數(shù)器的值進行評估，當計數(shù)器值出現(xiàn)不連續(xù)的情況時，該幀報文的內(nèi)容將被丟棄不再使用，直到計數(shù)器值重新連續(xù)為止。

CANFD的特點

CANFD（CAN with Flexible Data Rate）可以理解成CAN協(xié)議的升級版，只升級了協(xié)議，物理層未變。

CANFD與CAN最明顯的區(qū)別：可變速率、新的數(shù)據(jù)段長度。

1.可變速率

從控制段中的BRS位到ACK段之前（含CRC分界符）為可變速率（理論最大可達12Mb/s），其余部分為原CAN總線用的速率，比如某CANFD總線波特率為500kb/s+2Mb/s。

2.新的數(shù)據(jù)段長度

CAN-FD對數(shù)據(jù)段的長度作了很大的擴充，最大可達64字節(jié)。

CANFD同樣有標準幀和擴展幀之分，與CAN一致。

上圖兩個幀結構圖都是擴展幀，區(qū)別在CRC段。用CRC多項式區(qū)分：CRC_15用于CAN，CRC_17用于數(shù)據(jù)段不超過16字節(jié)的CANFD，CRC_21用于數(shù)據(jù)段超過16字節(jié)的CANFD。

CANFD的波特率

ISO沒有規(guī)定CANFD的波特率，考慮實際應用時通信穩(wěn)定性，一些標準推薦了幾種波特率選擇。

SAE J2284-4：推薦汽車CANFD網(wǎng)絡應用（不同ECU通信）采用500kb/s+2Mb/s的波特率

SAE J2284-5：推薦汽車CANFD點對點通信應用（單個ECU刷寫）采用500kb/s+5Mb/s的波特率

CiA：推薦1Mb/s+5Mb/s，500kb/s+2Mb/s，250kb/s+2Mb/s

CANFD的優(yōu)勢

CANFD支持更高的速率，可以更快地刷寫ECU；

CANFD在單個數(shù)據(jù)幀內(nèi)傳送率可達64字節(jié)，避免了經(jīng)常發(fā)生的數(shù)據(jù)分拆傳輸?shù)臓顩r；

CANFD可重新再利用CAN線束和其它物理層面元件；

CANFD在電動車（更多的ECU）以及今后的動力CAN（更高的速率）上應用更有優(yōu)勢；

CANFD上層應用層架構不需要改變，在原來基礎上擴展即可。

CANFD與CAN的兼容性問題

未來的CAN網(wǎng)絡，較長時間內(nèi)都會存在著傳統(tǒng)CAN與CAN FD并存的情況。部分需解決速率問題的節(jié)點會率先采用CAN FD，其他對實時要求不高的節(jié)點仍然會使用傳統(tǒng)CAN。

CANFD和CAN節(jié)點之間的通信數(shù)據(jù)可以通過CANFD路由器轉發(fā)，類似于現(xiàn)在車上處于不同網(wǎng)絡的ECU之間的通信。

ECU和ABS之間通信由CANFD路由器將ECU與ABS的數(shù)據(jù)1：1轉發(fā)；ECU或者ABS與ECAS之間通信由CANFD路由器換為傳統(tǒng)CAN再轉發(fā)。