汽车总线通信网络技术简介

控制器局域网主要用于嵌入式微控制器的通信系统及智能装置的开放通信系统。20世纪80年代，电子系统在汽车中的应用不断普及，车上控制模块不断增加，BOSCH公司提出了最初用于汽车电子装置互联的控制器局域网——CAN串行总线通信网络系统。后来，CAN在汽车行业和控制领域得到广泛应用，如今已经成为ISO和SAE标准。

CAN有CAN 1.0、CAN 1.2、CAN 2.0A和CAN 2.0B等版本。CAN 2.0A给出了CAN报文标准格式，而CAN 2.0B则给出了标准和扩展的两种格式。

在CAN系统中，协议功能多数由硬件完成，这个硬件称为CAN控制器。

SAE按CAN不同的通信速率把它分为3个级别，即高速CAN、中速CAN和低速CAN。高速CAN（500 kbit/s以上）主要用于动力系统和汽车底盘的控制系统；中速CAN（125 kbit/s以上，500 kbit/s以下）主要用于车身系统；低速CAN（100 kbit/s以下）主要用于汽车媒体系统控制（并非用于媒体信息传输）及仪表板（注：早期大众车系也用于车身系统）。

CAN定义了OSI开放式系统互连参考模型的最低两层，即数据链路层和物理层（主要是数据链路层）。在不同的CAN版本中，对分层的定义有一些区别。

1.CAN 1.2的分层结构

CAN 1.2的分层结构如图2-1所示，数据链路层又分为目标层（Object Layer，OL）、传输层（TransPort Layer，TL）和物理层。

图2-1　CAN 1.2的分层结构

目标层具有的功能如下：

（1）获取应用层传来的数据；

（2）从传输层寻找要使用的数据；

（3）提供与应用层相关的硬件接口。

2.CAN 2.0的分层结构

CAN 2.0的分层结构如图2-2所示，是按OSI模型对CAN结构的描述。数据链路层又分为逻辑链路控制（Logical Link Control，LLC）和媒体访问控制（Medium Access Control，MAC）两个子层。

（1）逻辑链路控制（LLC）的功能如下：

①为数据发送以及远程数据请求传输服务；

②判定是否接收接收到的信息；

③提供恢复管理和超载处理。

（2）媒体访问控制（MAC）的功能如下：

CAN 2.0的MAC层（与CAN 1.2 TL层对应）是CAN的核心，主要定义了传输协议，包括信息帧格式、仲裁方式、应答信号、错误检测、错误信号和故障限制等。MAC层的约定是固定的。

（3）媒体访问控制（MAC）的具体特征如下。

①信息。CAN总线上的信息以一定的格式发送，当总线空闲时，任何一个网上节点都可以发送信息。

②信息的路由。在CAN中，节点不使用任何站点地址信息，由接收节点根据信息的特征判断是否接收这帧信息。因此，CAN有很多基于这个传输方式的特点。

③标识符。要传输的信息有特征标识符，它给出的不是目标节点地址，而是这个信息（数据帧）的特征。信息以广播的方式向网上发送，所有节点都可以接收。节点接收到信息后，通过特征标识符判定是否接收这帧信息的数据。

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图2-2　CAN 2.0的分层结构

④数据一致性。由于通过标识符识别数据，所以网络上同时有多个节点接收传输的数据，配合错误处理和再同步功能，这也保证了系统数据的一致性。

⑤信息传输率。不同的CAN系统可以有不同的数据传输率，同一网络上的节点传输速率必须是兼容的。

⑥优先级。由发送数据的标识符判定数据占用总线的优先权级别。当数据发送时，先发送标识符，由标识符决定信息优先权，标识符越小优先权越高。

⑦远程数据请求。一个节点通过向网络上发送一个远程帧请求需要的数据；能提供数据的节点接收到远程帧后发送远程帧请求的数据，返回的数据帧与远程帧拥有相同的标识域。

⑧仲裁。当总线空闲时，任何节点都可以发送信息；当出现竞争时，具有最高优先权的信息获得总线的使用权。

⑨仲裁过程。当数据发送时，节点不断监听总线状态，判别是否与发送的位一致，如果一致，则继续发送，否则发送“隐性”位。如果总线为“显性位”丢失仲裁，则从下一位开始停止发送。

⑩错误检测与可靠性。为了保证可靠性，CAN采用了发送/监听的位错误检测、帧数据的CRC校验、位填充技术（每5位相同极性的连续位，插入一个补位）、帧格式检验等故障检测方法。这些措施使CAN具有识别全局错误、发送端的局部错误、一帧信息中5个以内的随机错误、一帧信息中15个以内的突发性错误以及一帧中任何奇数个错误的能力，使CAN错误漏报率小于4.7×10-11。

⑪错误信令与恢复时间。当节点检测出错时，错误信息被标记并向网上发送，发送过程会自动中止并重发。如果没有新的错误，从检出错误到开始重发的最大延时为29个位时段。

⑫故障界定。CAN节点能区分瞬时扰动引发的故障与永久性故障，坏节点将被关闭。

⑬ CAN节点数量。理论上CAN的节点没有数量限制，而在实际应用中却受限于总线上的信号传输延时和电气的负载能力。

⑭同步。CAN节点间采用单串行线连接，数据和同步信号都由这个通道承担。信息发送时有起始同步信号，在传输过程中接收节点对起始同步信号进行再同步。

⑮总线状态。总线有“显性”和“隐性”两个状态。当总线上有一个或多个节点发送“显性”位时，总线处于“显性”状态。例如，采用“显性”状态为逻辑“0”的电平，“隐性”状态为逻辑“1”的电平，但CAN协议并没有具体定义这两种状态的实现规范。

⑯应答。所有接收节点对正确接收的信息给出应答，对不一致的信息进行标记。

⑰休眠状态与唤醒。为了降低功耗，CAN设备可以被置于休眠状态，这时它没有任何内部活动并与总线驱动断开。休眠状态的设备可以被内部或总线事件唤醒。一旦被唤醒，内部功能起动，传输层要直到与总线同步（检测到11个连续的隐性位）后才参与总线活动。

⑱发送端与接收端。若一个节点起动一个信息的发送过程，它称为发送端，这个状态直到总线空闲或这个节点丧失仲裁为止；若一个节点不是发送端，而且总线不是空闲状态，则该节点为接收端。

⑲信息有效性。对于发送端，若直到发送完一帧数据的终止域都没有出错，则这帧数据就是有效的；对于接收端，若在一帧数据最后一位之前没有错误，则认为这帧数据有效。

⑳位流编码。在一个帧中，起始域、仲裁域、控制域、数据域和CRC域的二进制位流通过位填充方式编码，每当发送端检测到连续的5个相同位时，自动插入一个补位；而一帧中其他的域不使用填充位，故障帧和超载帧也不使用填充位；二进制位采用非归零（NRZ）编码，所以，位电平不是“显性”就是“隐性”。

3.物理层

物理层实现节点间的物理信号传输，主要定义网络的电气特性。

CAN可以采用多种不同的物理层协议，但它几乎没有对物理层的定义。同样是基于CAN的网络，不同的网络物理层可能有很大差别，但同一网络上所有节点的物理层必须是相同的。

物理层的协议主要根据数据传输率、成本和可靠性决定。

基于CAN的ISO标准对物理层进行了定义，故在设计一个CAN时，物理层有很大的选择余地，但必须保证CAN协议中媒体访问层非破坏性位仲裁的要求，即出现竞争时有高优先权标识符的数据获取仲裁的原则，因此要求物理层必须支持CAN中隐性位和显性位的状态特征。在没有节点发送显性位时，总线处于隐性状态，总线空闲时也处于隐性状态；在有一个或几个节点发送显性位时，则覆盖隐性状态，使总线处于显性状态。在这个基础上，物理层主要取决于对传输速率的要求，CAN节点的物理层结构如图2-3所示。

图2-3　CAN节点的物理层结构

在CAN节点的物理层中，物理信号层（Physical Lager Signaling，PLS）的功能主要由CAN控制器芯片完成，物理介质附件层（Physical Medium Attachment，PMA）的功能主要由CAN发送器/接收器电路完成，介质接口层（Medium Dependent Interface，MDI）主要定义了电缆和连接器的特性。目前，很多支持CAN的微控制器内部都嵌入了CAN控制器和发送/接收电路。PMA和MDI有很多不同的实施标准，使用者也可以自行定义，目前使用较为广泛的是ISO 11898定义的高速CAN发送/接收器标准。