汽车CAN总线通信网络技术

（一）CAN总线通信网络基本特点

CAN总线通信网络将各个控制模块连接在一起形成一个整体，所有信息都沿总线传输，与所连接的控制模块数及所涉及的信息量的大小无关，这样不仅解决了随着信息量的加大，线路及控制单元上插头数目也增加的问题，还使不同信息需要不同线路的问题也得以解决。

由于采用了许多新技术及独特的设计，CAN总线与一般的总线相比，其数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，其主要特点归纳如下。

1.国际标准

CAN是目前为止唯一有国际标准且成本较低的现场总线。

2.多主方式

CAN以多主方式工作，而不分主从顺序。网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，有极高的总线利用率。

3.标识符报文

CAN传输的报文中不包含源地址或目标地址，仅用标识符来表示功能及优先级信息。在报文标识符上，CAN上的节点分为不同的优先级，可满足不同的实时要求，优先级高的数据最多可在134μs内得到传输。

4.非破坏总线仲裁技术

CAN采用的非破坏总线仲裁技术是指当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优先级低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点则不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。即便在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪的情况。

5.数据传输方式灵活

CAN节点只需通过报文的标识符滤波即可实现一点对一点、一点对多点及全局广播等方式发送和接收数据。

6.通信距离与速率

CAN的直接通信距离最远可达10 km，此时速率在5 kbit/s以下；通信速率最高可达1Mbit/s，此时通信距离最远为40m。

7.节点数

CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个。在CAN 2.0A标准帧报文中标识符有1l位，而在CAN 2.0B扩展帧报文中标识符有29位，节点的个数几乎不受限制。

8.短帧结构

报文采用短帧结构，可使其传输时间缩短，受干扰概率降低，从而降低数据的出错率。

9.校验及检错

CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，从而保证了数据的可靠传输。

10.通信介质

CAN的通信介质可以是双绞线、同轴电缆、光纤等，使用者可根据实际情况灵活选择。

11.自动关闭和自动重发

CAN节点在严重错误的情况下，具有自动关闭输出的功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，而且发送的信息遭到破坏后，可自动重发。CAN总线通信网络中任意两个节点的最大通信距离与位速率的关系见表2-1。

表2-1　CAN总线通信网络中任意两个节点的最大通信距离与位速率的关系

（二）CAN总线通信网络的逻辑运算电路

在数字逻辑电路中常见的逻辑运算电路有两种类型，一种是正逻辑运算电路，另一种是负逻辑运算电路。CAN总线通信网络系统中的CAN收发器采用的是负逻辑运算电路。

1.正逻辑运算电路

正逻辑运算电路如图2-4所示。

图2-4　正逻辑运算电路

2.负逻辑运算电路

负逻辑运算电路如图2-5所示。

图2-5　负逻辑运算电路

（三）CAN总线通信网络的总线状态与电压等级

1.高速CAN总线

1）隐性状态

当CAN-H与CAN-L的差值小于0.5 V时，总线上的接收节点认为总线是隐性状态，对应的逻辑值用“1”表示，称之为隐性位。如图2-6所示，此时CAN-H与CAN-L线对应的总线电压都为2.5 V，称之为隐性电压。

2）显性状态

当CAN-H与CAN-L的差值大于1.4 V时，总线上的接收节点认为总线是显性状态，对应的逻辑值用“0”表示，称之为显性位。如图2-6所示，此时CAN-H线对应的总线电压为3.5V，CAN-L线对应的总线电压为1.5 V，称之为显性电压。

图2-6是CAN总线通信网络状态的一个例子。一般CAN-H的标称取值（单位：V）为2.0、2.5、2.75、3.0、3.5、4.5，CAN-L对应的取值（单位：V）为0.5、1.5、2.0、2.25、2.5、3.0。

2.低速CAN总线

1）隐性状态

当CAN-H与CAN-L的差值小于0时，总线上的接收节点认为总线是隐性状态，对应的逻辑值用“1”表示。由图2-7所示，此时CAN-H线对应的总线电压为0 V，CAN-L线对应的总线电压为5 V，称之为隐性电压。

图2-6　高速CAN总线显性与隐性状态

图2-7　低速CAN总线显性与隐性状态

2）显性状态

当CAN-H与CAN-L的差值大于1.5 V时，总线上的接收节点认为总线是显性状态，对应的逻辑值用“0”表示。如图2-7所示，此时CAN-H线对应的总线电压为3.6 V，CAN-L线对应的总线电压为1.4V，称之为显性电压。当低速CAN总线处于“休眠”状态时，CAN-H线电压为0 V，CAN-L线电压为12 V。

（四）CAN总线通信网络硬件组成

如图2-8所示，CAN总线的通信网络结构硬件部分主要包括：节点微控制器（Central Processing Unit，CPU）、CAN控制器、CAN发送/接收器、数据传输线以及数据传输终端等。

1.节点微控制器

节点微控制器如图2-9所示，它是用集成电路组成的中央处理器，是节点的核心元件，主要用于执行控制部件和算术逻辑部件的功能。

图2-8　CAN总线的通信网络结构

图2-9　节点微控制器

2.CAN控制器

CAN控制器是基于单片机控制的、专用于执行CAN总线通信协议的独立数字集成电路芯片，如图2-10所示。其内部组成主要有接口管理逻辑电路、发送缓冲器、验收过滤器、接收缓冲器、CAN核心模块等。CAN控制器有28个针脚，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。

图2-10　CAN控制器

CAN控制器的作用是接收节点中微控制器传来的数据，并将其封装成帧，传往CAN收发器。同样，CAN控制器也接收由CAN收发器传来的帧，并从中取出数据，传往节点微控制器。

3.CAN收发器

CAN收发器是CAN总线通信网络的物理层接口芯片。由于绝大多数微控制器都无法直接识别或处理CAN的总线信号，所以必须用CAN收发器对CMOS电平与差分电压之间的信号形式进行转换。

CAN收发器共有8个针脚，如图2-11所示。CAN收发器的作用是将CAN控制器传来的数据帧“0”或“1”的逻辑信号转换为规定的电平，并向总线输出；同样，CAN收发器也将从数据线上接收的电压转换为逻辑信号，并向控制器反馈。

图2-11　CAN收发器控制电路及CAN收发器芯片

（a）CAN电路；（b）CAN收发器

1）CAN收发器的针脚定义和功能

CAN收发器的针脚定义和功能如下：

Tx（1#）：接收控制器的驱动指令、向总线上发送信息、改变总线状态；

GND（2#）：接地；(www.xing528.com)

Vcc（3#）：电源；

Rx（4#）：接收总线上信息，并向控制器反馈，同时监听总线状态；

Vref（5#）：向控制器提供参考电压；

CAN-L（6#）：连接总线CAN-L；

CAN-H（7#）：连接总线CAN-H；

Rs（8#）：接收控制器的斜率/延迟控制指令。

2）CAN收发器的特点

输出信号与信号处理。经过驱动器（差动信号放大器）内的信号处理，CAN收发器向CAN-H、CAN-L发送差分电平信息，高速CAN总线的信号波形和低速CAN总线的信号波形有所不同。

（1）符合ISO 11898-2标准高速CAN总线的信号波形如图2-12所示。由图分析可知，CAN-H线的信号电压在2.5～3.5 V之间波动，CAN-L线的信号电压在1.5～2.5 V之间波动，CAN-H和CAN-L线的主体电压为2.5 V。通过差分信号处理后的总线信号电压CAN-H线为（3.5-1.5）V=2V，CAN-L线为（2.5-2.5）V=0 V。理论上，当总线电压＞1.4 V时，总线为显性状态，逻辑值为“0”；当总线电压＜0.5V时，总线为隐性状态，逻辑值为“1”。

图2-12　高速CAN总线的信号波形

（2）符合ISO 11898-3标准低速CAN总线的信号波形如前图2-7所示。

由图分析可知，CAN-H线的信号电压在0～3.6 V之间波动，CAN-L线的信号电压在1.4～5 V之间波动，CAN-H和CAN-L线的主体电压分别为0 V和5 V。通过差分信号处理后的总线信号电压CAN-H线为（3.6-1.4）V=2.2 V，CAN-L线为（0-5）V=-5 V。理论上，当总线电压＞1.5 V时，总线为显性状态，逻辑值为“0”；当总线电压＜0 V时，总线为隐性状态，逻辑值为“1”。

3）CAN收发器的工作原理

如今一般将CAN收发器嵌入到微控制器中，它通过串行口与CAN控制器和CAN物理总线连接。收发器使用+5 V电源，并通过输入电路中电阻上的电流状态来检测总线，如图2-13所示。当总线为显性状态时，输出的显性位打开发送节点驱动晶体管，此时有电流流过电阻（有源）；当总线为隐性状态时，输出隐性位关断总线上接收节点的驱动晶体管，此时没有电流流过电阻（无源）。

图2-13　收发器的Tx线与总线耦合

（1）单个收发器与总线的耦合。

收发器的Tx线始终与总线耦合，两者的耦合过程是通过一个负逻辑开关电路来实现的。收发器内晶体三极管的状态与总线电平之间的对应关系见表2-2。

表2-2　收发器内晶体三极管的状态与总线电平之间的对应关系

（2）多个收发器与总线的耦合。

当有多个收发器与总线耦合时，总线的电平状态取决于各个收发器开关状态的逻辑组合。下面以3个收发器接到一根总线上的情况为例加以说明，如图2-14所示。

图2-14　3个收发器接到一根总线上

在图2-14中，收发器A和收发器B的开关为断开（OFF）状态，收发器C的开关为闭合（ON）状态。由图2-14不难看出，如果某一开关已闭合（ON），电阻上就有电流流过，则总线上的电压就为0 V；如果所有开关均OFF（未闭合），那么电阻上就没有电流流过，电阻上就没有电压降，则总线上的电压就为5 V。3个收发器开关的状态与总线电平的逻辑关系见表2-3。如果总线处于隐性状态1（无源），那么该状态可以由某一个节点使用显性状态0（有源）来改写。

表2-3　收发器开关的状态与总线电平的逻辑关系

4）数据传输线

数据传输线也称为通信介质，CAN的通信介质有双绞线、同轴电缆和光纤等，在汽车上的CAN总线通信网络系统中，通信介质选用的是双绞线，如图2-15所示。

ISO标准对收发器制定的相应标准中定义了这两条线，即CAN-H和CAN-L。总线上是差动信号，具体电平和特性取决于适用的标准或设计规范。

汽车中的干扰源主要是产生电火花或运行中电路开闭的部件，其他干扰源包括汽车电话或发射站，即任何发出电磁波的物体。电磁波能影响或者破坏数据传输，如图2-16所示。

图2-15　双绞线通信介质

图2-16　汽车中的主要干扰源

为了防止数据传输中的电磁干扰，生产厂商把两条数据线缠绕在一起。当总线受到干扰时，由于CAN-H线与CAN-L线缠绕，且干扰脉冲信号对CAN-H线和CAN-L线的作用是等幅值、等相位、同频率的，所以，在取差分电压后，差分电压值保持不变，即消除了外界电磁辐射对CAN总线信号传输的影响，如图2-17所示。

图2-17　消除了外界电磁辐射

例如，某时刻CAN-H线和CAN-L线的正常电压分别为3.5 V和1.5 V，则差分电压U diff=3.5-1.5V=2V，外界对CAN总线产生干扰脉冲信号X后，CAN-H线和CAN-L线的电压分别变为（3.5-X）V和（1.5-X）V，则差分电压U diff=（3.5-X）-（1.5-X）V=2 V。虽然此时外界在CAN总线上产生了干扰，但总线的差分电压值不变，外界干扰不会影响CAN总线的数据传输。

双线缠绕和差分电压能使CAN总线向外辐射保持中性，即无辐射。当CAN总线向外辐射电磁波时，双线缠绕使CAN-H线与CAN-L线对外界的干扰幅值相同、频率相同，但方向相反，干扰相互抵消，如图2-18所示。

图2-18　干扰抵消

5）数据传输终端

数据传输终端是一个电阻，其作用是防止数据在线端被反射，避免信号失真。

终端电阻可以通过使用不同的方法安装，常见的安装方法如下。

（1）符合ISO 11898-2标准，终端电阻通过CAN-H和CAN-L线连接，具体如下。

①终端电阻与节点分离安装，如图2-19所示。

图2-19　终端电阻与节点分离安装

②终端电阻与节点集成安装，如图2-20所示。由于终端电阻安装在距离最远的两个节点上，因此其收发器结构有所区别，在节点内部的总线接口处，串联了两个60Ω的电阻，并使用一个电容消除总线的电压波形。例如，在驱动子网中，它一般应用在位于总线终端上的发动机模块和仪表模块内。

图2-20　终端电阻与节点集成安装

③分配式电阻器。大众和奔驰车系使用的是分配式电阻器，如图2-21所示，其特点是吸收电阻器与节点集成，网络每个节点上的CAN-H和CAN-L线之间安装了匹配好阻值的吸收电阻器。例如，在大众车系的驱动子网中，发动机控制单元和网关控制单元内的中央末端电阻的阻值为66Ω，其他控制单元内的吸收电阻值为2.6 kΩ。该终端电阻的安装形式适用于CAN高速网。

（2）符合ISO 11898-3标准，CAN-H和CAN-L线分别连接两个终端电阻。

图2-22是一个有容错能力的收发器结构，它提供差分发送能力，当故障发生时，该收发器可以切换为一个单线发送或接收器。在发生与设计相适应的容错故障时，所有节点可以继续通信，但信噪比降低。一旦故障解除，它会自动恢复差分传输。

图2-21　节点内的分配式电阻器

图2-22　有容错能力的收发器结构

具有容错能力的收发器结构适用于CAN低速网（如车身与信息等网络），终端电阻没有应用于总线两端，而是按ISO 11898-3标准设在网络上所有的节点模块内，如图2-23所示。其目的如下：

①终端电阻能使电信号在网络上进行正常通信；

②终端电阻能对高电位和低电位的电路分离，使得通信所需的电流流动，保证正确电压类型的传输。

图2-23　终端电阻设在网络上所有的模块内

知识拓展

TTL电平和CMOS电平

1.TTL电平

TTL集成电路主要为晶体管-晶体管逻辑门电路，且大部分都采用5 V电源，其参数如下：

（1）输出高电平U oh和输出低电平U ol，U oh≥2.4 V，U ol≤0.4 V；

（2）输入高电平U ih和输入低电平U il，U ih≥2.0 V，U il≤0.8 V。

2.GMOS电平

CMOS电路是电压控制器件，输入电阻极大，对于干扰信号十分敏感，因此不用的输入端不应开路，接到地或者电源上。CMOS电路的优点是噪声容限较宽，静态功耗很小，其参数如下：

（1）输出高电平U oh和输出低电平U ol，U oh≈V cc，U ol≈GND；

（2）输入高电平U ih和输入低电平U il，U ih≥0.7V cc，U il≤0.2V cc（V cc为电源电压，GND为地）。