CAN（Controller Area Network）即控制器局域网，是由德国博世公司首先制定推出的针对汽车电子控制领域的总线式串行数据通信网络。当时由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通信越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。这样会导致ECU针脚数增加、线路复杂、故障率增多及维修困难。提出CAN总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通信，减少不断增加的信号线。
CAN被用来作为汽车环境中微控制器之间的通信，在车载各电子控制装置之间交换信息，形成汽车电子控制网络。现代汽车典型的控制单元有电控燃油系统、电控传动系统、防抱死制动系统、防滑控制系统、废气再循环系统、巡航系统和空调系统。这些系统均采用单片机作为直接控制单元，用于对传感器和执行部件的直接控制。每个单片机都是控制网络上的一个节点。一辆汽车不管有多少块ECU，不管信息量有多大，每块ECU都只需引出两条线共同接在节点上，这两条线就称作数据总线（BUS），如图7-2所示。因此，就设计了这个单一的网络总线，让所有的外围器件挂接在该总线上，即各节点直接挂接在CAN总线上。
CAN总线应用不仅限于汽车工业，在其他的工业领域（如过程控制、工业流水线控制、机器人等）早已被广泛应用。CAN总线目前已经成为欧洲轿车的标准配置，国际标准化组织（ISO）已经认可CAN总线作为汽车应用领域的工业标准。
1.CAN总线的特点
CAN总线将各个控制单元组合成一个整体，使所有的信息都沿总线传输，与所连接的控制单元数目及所涉及的信息量的大小无关，这样就解决了随着新增信息量的加大，线路及控制单元上插头的数目不断增加的问题，并且使不同信息需要不同线路的问题也得到解决。
1）良好的容错能力。CAN总线采用“多元主控”的线性总线结构下挂接多个相同优先级的ECU，可以避免在环形结构或星形结构中出现某一个单元失效而导致整个系统功能崩
图7-2 CAN总线
溃的现象。
2）可靠的数据通信质量。CAN总线的通信速度可调，采用15位的循环冗余校验码确保数据传输质量，对数据结构和总线裁决均有严格的定义。
3）满足不同的实时控制要求。CAN总线上的信息分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134ms内实现快速传输。
4）方便的线束安装。CAN总线线束只有四根，两根电源线，两根数据线，因此线束连接很方便，并大量地减少了导线数量。
2.CAN总线的传输速度
根据实时控制的需要，可以给CAN总线设置成不同的通信速度，对应地，汽车的CAN总线网络便可以分成高速和低速两个通信网络。
1）低速网。低速网的通信速度不大于125Kbit/s，目前常用的在100Kbit/s以内，主要用于中央门锁、电动车窗、自动空调、汽车定位等舒适系统。
2）高速网。高速网的通信速度可达1Mbit/s，目前常用的在500Kbit/s以内，主要用于汽车动力控制系统，如发动机管理系统、自动变速器、防抱死制动装置等。
高速网和低速网之间有一个网关控制器，用于协调高、低速网络之间的数据通信。
3.CAN总线寻址
CAN总线根据内容进行数据寻址。每一条信息被赋予一条恒定的标识符，用于表明该信息的内容（如发动机转速）。挂接在系统上的每一个控制单元先判别其是否含有其“接受列表”（认可检查表）中所列特定标识符，并且只对含有这种标识符的信息进行处理。这意味着CAN总线在发送数据时不需要附带相应的单元地址，而接口操作与系统结构形式无关。
4.CAN总线仲裁
每个控制单元都会在总线空闲时尽快发送它的最高优先级信息。如果几个控制单元同时向总线启动传输数据，会产生总线冲突。解决的方法是利用总线结构上“线与”的裁决功能，其结果是让最高优先级的信息最优先存取，而且不会有时间或数据位的损失。在总线仲裁中失败的控制单元会自动返回到等待状态，一旦总线空闲时再次重复发送传输请求。
帕萨特B51.8T轿车是采用CAN总线与多路信息传输系统控制的车辆，整车有两套总线网络系统，一套动力系统总线，一套舒适系统总线。动力系统总线连接发动机ECU、仪表ECU、ABSECU、安全气囊ECU和自动变速器ECU。采用星形接法（见图7-3）经常在200～300Kbit/s速率下工作，为高速网。舒适系统总线连接中央控制器、电控座椅、自动空调控制器以及音响控制器等，常在70～80Kbit/s的速率下工作，为低速网。
图7-3 中央线束连接（星形联结）
5.CAN总线的组成
CAN总线由一个控制器、一个收发器、两个数据传输终端以及两条数据传输线组成，除数据传输线外，其他元件都置于控制单元内部，控制单元功能不变，如图7-4所示。
（1）CAN控制器CAN控制器 是用来接收控制单元中微型计算机传来的数据，对这些数据进行处理并将其传往CAN收发器。同样，CAN控制器也接收由CAN收发器传来的数据，对这些数据进行处理并将其传往控制单元中的微型计算机。
（2）CAN收发器 CAN收发器将CAN控制器传来的数据转换为电信号并将其送入数据传输线，它也为CAN控制器接收和转发数据。
（3）数据传输终端 数据传输终端是一个电阻器，其作用是防止数据在线端被反射，并以回声的形式返回。数据在线端被反射会影响数据的传输。
（4）数据传输线 数据传输线是双向对数据进行传输的。两条传输线分别被称为CAN高线和CAN低线。为了防止外界电磁波的干扰和向外辐射，CAN总线将两条线缠绕在一起（双绞线），如图7-5所示。
图7-4 CAN总线的组成
图7-5 CAN数据传输线（双绞线）
这两条线的电位相反，如果一条是5V，另一条就是0V，始终保持电压总和为一常数。
6.CAN总线的传输原理和过程
（1）CAN总线的传输原理 图7-6所示为电动汽车CAN总线系统原理框图。该CAN总线系统由中央控制器、电池管理系统、电动机控制系统、直动控制系统和仪表控制系统组成。各个控制器之间通过CAN总线进行通信，以实现传感器测量数据的共享以及控制指令的发送和接收等，并使各控制器的控制性能都有所提高，从而提高系统的控制性能。通信的信息类型为信息类和命令类：信息类主要是发送一些信息，如传感器信号、诊断信息、系统的状态；命令类则主要是发送给其他执行器的命令。
图7-6 电动汽车CAN总线系统原理框图
通信有以下主要内容：
1）车辆起动时的自检。中央控制器负责向各个模块发送自检命令，并收集各个模块的返回信息，通过分析处理，及时地发现问题和解决问题。
2）加速过程通信。加速操作时，中央控制器采集加速踏板信号，根据控制策略，通过CAN总线设置电动机转速、蓄电池管理系统等参数。
3）制动过程通信。在制动过程中，制动踏板信号直接下传到ABS控制器，同时通过CAN总线上传到中央控制器，中央控制器根据控制策略，通过CAN总线设置电动机转速、蓄电池管理系统等参数。
4）周期性数据刷新通信。电动机控制器采集电动机电枢电流、电动机转速等信息，判断是否缺相，接收设定转速；蓄电池管理控制器采集电池温度、荷电状态等信息，接收是否充电指令及充电门限系数；制动控制器采集车轮转速信息，接收执行制动指令；仪表控制器采集并显示电动机转速、车速、蓄电池的荷电状态值等信息。
图7-8 数据格式
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图7-9 数据传递优先示意
5）运行过程中监控。在车辆运行过程中，检测总线中数据帧的收发情况，及时发现总线异常，自动作出紧急处理，甚至向驾驶人发出警报。
（2）CAN总线的传输过程 CAN总线的具体传输过程如图7-7所示，具体情况如下：
1）提供数据。控制单元向CAN控制器提供数据用于传输。
2）发出数据。CAN收发器从CAN控制器处接收数据，并将其转换为电信号发出。这些数据以数列的形式进行传输，数据列是由一长串二进制（高电平与低电平）数字组成，其格式如图7-8所示。
数据列包括原始区、状态区、校验区、数据区、安全区、确认区和结束区。各个区的作用如下：
①原始区。开始区用于标志数据列的开始。
②状态区。状态区用于确认数据列的优先级别。如果两个或多个ECU想在同时发出其数据列，则存在一个优先权的问题，如图7-9所示。为了保证重点，优先级较高的数据列先传输（由ECU的程序设置好的）。例如，CAN驱动装置数据总线系统优先级依次为ABS/EDLECU、发动机ECU、自动变速器ECU；
③校验区。检验区用于显示数据区中包含的数据数目。该区可以让接收者检验其是否收到传输来的全部信息。
④数据区。数据区用于传给其他ECU信息，其大小由总线的宽度决定。
⑤安全区。安全区用于检验传输错误。
⑥确认区。确认区是接收者发给发送者的信息，用来告知已正确地收到数据列。若有错误被检验到，则接收者迅速通知发送者，这样发送者将再次发送该数据列。
⑦结束区。结束区标志数据列的结束。这是显示错误已得到重新发送的最后可能区域。
3）接收数据。所有与CAN总线一起构成网络的控制单元称为接收器。
4）检验数据。控制单元对接收到的数据进行检测，看是否是其功能所需。
5）认可数据。如果所接收的数据是重要的，那么它将被认可及处理，反之则将其忽略。
（3）与CAN总线系统相关的ECU工作状态描述 连接在CAN总线上的ECU的工作状态很大程度上决定了CAN总线的使用情况，并且ECU工作状态之间的切换涉及信息列表中各信息的优先级设置、总线的唤醒策略和故障排除与自修复等问题。该系统中ECU的工作状态分为上电诊断状态、正常工作状态、休眠状态、总线关闭状态、掉电状态、调试及编程状态六类。
1）上电诊断状态。ECU上电后，应有一个初始化过程。在完成本模块的初始化后，应发送网络初始化信息，同时监听其他节点的网络初始化信息，通过网络初始化信息的交换，ECU判断整个网络是否完成初始化过程、是否能够进入正常工作状态。
2）正常工作状态。在正常工作状态下，ECU之间通过CAN总线进行通信，以实现传感器测量数据的共享、控制指令的发送和接收等。当休眠条件满足时，ECU从正常工作状态转入休眠状态；当CAN模块故障计数器的计数值为255时，ECU从正常工作状态转入总线关闭状态。
3）休眠状态。休眠状态下，ECU及其模块处于低功耗模式。一旦接收到本地唤醒信号（本地触发信号）或远程唤醒信号（CAN总线激活信号），就从休眠状态转入正常工作状态，其间需要使用网络初始化信息。
4）总线关闭状态。处于总线关闭状态的ECU延迟一段时间后，复位CAN模块，然后重新建立与CAN总线的连接。若连续几次都无法正常通信，则ECU尝试将通信转移到备用总线上。若转移成功，则发送主总线故障信息。
5）掉电状态。关闭电源时，ECU所处的状态即为掉电状态。
6）调试及编程状态。调试及编程状态用于调试及系统软件升级。
7.汽车网络可用的传输介质
（1）双绞线 双绞线是由两根各自封装在彩色塑料套内的铜线扭绞而成的，如图7-10所示。扭绞在一起的目的是降低它们之间的干扰。多对双绞线之外再套上一层保护套就构成了双绞线电缆。
双绞线分为屏蔽型（STP）和非屏蔽型（UTP）两类。STP是在UTP外面加上一层由金属丝纺织而成的屏蔽层构成的，以提高其抗电磁干扰的能力。因此，STP抗外界干扰的性能优于UTP，但价格要比UTP贵。相互扭绞的一对双绞线可作为一条信息通路。
图7-10 双绞线
在汽车网络中，许多汽车制造商都使用专用双绞线。图7-11所示为一汽大众GolfA4不同系统中所使用的CAN总线。
（2）光纤 光纤是有线介质中性能最好的一类，如图7-12所示，它是一种直径为50～100μm的柔软的传导光波的介质，一般由玻璃纤维和塑料构成。在折射率较高的纤芯外面，再用折射率较低的包层包住，就构成了一条光波通道，再在包层外面加上一层保护套，就构成了一根单芯光缆。
图7-11 一汽大众GolfA4不同系统中所使用的CAN总线
a）动力CAN总线 b）舒适CAN总线 c）信息CAN总线
图7-12 光纤
a）单芯光缆结构示意 b）光纤
光纤传输数字信号是利用光脉冲的有无来代表1和0的。典型的光纤传输系统如图7-13所示。在发送端，可用发光二极管等光电转换器把电信号转换成光信号，再耦合到光纤中进行传输。在接收端，通过光敏二极管等器件进行逆变换，把光纤传来的光脉冲转换成电信号输出。
图7-13 典型的光纤传输系统
（3）同轴电缆 同轴电缆如图7-14所示。电缆的中央是一条单根的铜导线，其外部被一层绝缘材料包围着，在这种绝缘介质的外部是一个网状金属屏蔽层。网状金属屏蔽层既可屏蔽噪声，也可用作信号的搭铁线，最外面的一层是塑料封套。
（4）无线电 值得一提的是短程无线通信标准——蓝牙技术，它在汽车应用上的实现，使汽车网络更加丰富多彩。
蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它将取代目前多种电缆连接方式，以低成本的近距离无线连接为基础，使各种电子装置在无线状态下相互连接传递数据。
应用蓝牙技术，可以通过嵌入在电子装置上的一个写有程序的微电子芯片，使所有相关设备在有效范围内完成交互信息、传递数据的工作，从而省去了将移动电话、个人信息处理系统及其他一些电子设备相互连接的电缆装置。
图7-14 同轴电缆
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