汽车CAN总线—毕业论文.doc

摘 要汽车CAN 总线是20世纪80年代以来发展起来的多主机串行数据通信协议网络，它解决了复杂传统布线方式与提升汽车性能的矛盾，如今CAN总线已比较广泛的应用与车在网络并发挥出强大的“中枢神经”的作用，但是中国在该技术上起步晚，因此国内对于CAN总线相对陌生，本文系统介绍车用CAN总线技术的产生发展，从微观和宏观应用介入介绍汽车CAN总线的应用原理及在国内市场的使用状况，并预测该技术的发展趋势及对今后中国汽车服务业的挑战。使汽车行业从业人员和消费者对该技术有不同程度的了解，从而提高一定程度上提高国人的汽车文化素养，迎接汽车数字化时代的到来。关键词:CAN总线，帧，协议，应用Abstract Vehicle CAN-Bus is a kind of serial date agreement developed since 1980th .It solved the contradiction between complex traditional arrangement of wire way and promoting of high property. At present CAN-Bus is already relatively widely used in board network and plays the role of CNS. But Chinese enterprises starts late .Thus Chinese people feel strange for it. This text tells the produce and development of vehicle CAN-Bus and predicts challenges this technology will give for Chinese vehicle service industry in order to give a different degrees comprehension for consumers and relative worker in vehicle industry. Countrymen will promote their vehicle know-how quality in a certain degree and welcome the coming of digital time of vehicle.Key Words：Can-bus，Frame，Agreement，Application目 录前 言11 汽车CAN总线的产生与发展21.1CAN总线简介21.2CAN总线的产生21.3车用CAN总线标准化历程31.4汽车CAN总线应用分类31.4.1驱动系统子网41.4.2信息娱乐子网41.4.3 安全舒适子网41.4.4故障诊断子网42 CAN协议体系结构和功能52.1 CAN协议分层52.2数据链路层和物理层功能简介62.2.1接收滤波62.2.2 超载通知62.2.3 恢复管理62.2.4数据封装和拆装72.2.5帧编码72.2.6物理信令(PLS)72.2.7物理介质附件子层(PMA)73汽车CAN总线系统硬件构成及其工作原理83.1传感器83.2控制单元83.3控制器93.4收发器103.5汽车网络传输介质113.5.1双绞线1135.2同轴电缆113.5.3光纤123.6网关133.7数据线终端电阻144.汽车CAN总线工作过程154.1多路传输原理154.2位数值表示与通信距离154.3 多帧信息的拆装与重组164.4汽车CAN总线消息帧分类174.4.1数据帧174.4.2远程帧184.4.3出错帧184.4.4过载帧194.4.5帧间空间194.5CAN总线的错误类型和界定204.6非破坏性按位仲裁规则214.7 CAN总线系统的网络管理214.8例析CAN总线具体工作过程225汽车CAN技术应用升级方向255.2 D2B Optical 光纤255.3OSEK开放式标准化系统255.4COMMAND网络266车用CAN总线在国内车市的应用趋势调查及影响27结 论29致 谢30参考文献31前 言目前国内车市越来越类似于手机市场，车系繁多且性能多样，而具备相同性能的汽车在过去的价格要贵得多。过去只有中高级轿车才具备的一些性能如今已成为中低价位汽车的标准配置。正如手机普遍使用Android系统，国内汽车市场正在渐渐的向CAN时代迈进。汽车CAN总线并不新鲜，但由于中国起步晚，国人对之相对陌生。在欧美它已经应用在大多数汽车中并向中国出口，国内不少合资品牌也在大量生产。自主品牌反应相对滞后但 也在穷追猛赶，同时与之相对应的汽车技术服务市场整体相对落后。因此有必要研究一下汽车CAN总线在中国汽车中的应用状况，以引起汽车行业相关从业人员的注意同时向广大民众普及汽车专业知识，提升国民的汽车文化素养。 本文首先对CAN 总线做一个简单介绍，之后通过CAN 产生的原因加深对它的认知并逐次介绍CAN协议体系结构及其发展。为了雅俗共赏，通过宏观上看得见的汽车上CAN系统的具体硬件形象描绘出CAN总线系统的轮廓，在此基础上深度解读CAN总线的几个关键技术和具体工作过程。最后通过上网调查2000年以来的CAN总线在汽车上的应用发现自主品牌正在快速崛起。因此本文预测随着民族汽车CAN总线应用的深入，中国汽车市场必将进入新一轮的数字化的竞争，中国汽车消费者将因此受益，然而中国的汽车服务业并不发达，所以说机遇与挑战并存，最后提出建议，强化汽车服务业培训，使我国汽车服务业紧跟时代步伐造福中国汽车消费者。1 汽车CAN总线的产生与发展1.1 CAN总线简介CAN总线的全称是控制器局域网(Controller Area Network),是德国BOSCH公司为改善现代汽车中大量电控单元之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主机局域网，各个电控单元地位平等,通信介质可以是同轴电缆，双绞线和光纤，传输速率最高达到1MbS，最长有效传输距离可达10Km。通过数据块编码取代了站地址编码后网络内的节点数理论上可以不受限制，它具有独特的纠错能力和良好的抗干扰性，这极大的提升了汽车可靠性。遍布车身的传感器采集实时信息并发送到控制单元之后在总线上实现共享，短帧多发的数据传输方式使得数据传输的实时性得以大大提高，高速CAN数据总线每毫秒即可传输32字节的有效数据。汽车上一般同时应用高速和低速两条CAN总线，高速的通常连接发动机ECU，变速器ECU等，低速的连接汽车内部电子构件和车身附件。1.2 CAN总线的产生传统汽车中的电信号通过一对一的节点连接实现信息共享，对于汽车高级性能的追求催生了越来越多的电子部件，线束及与之配套的插件数量迅速增加占用了大量本来就紧张的空间。早在1955年，一辆汽车的平均线束使用量为45m，到了2002年这一数值飙升至4000m。传统线束汽车的制造维护成本日益增高，由于线路导线多是塑胶包装的铜导线，一年左右的时候就开始出现不仅影响了经济利润，更严重的是大大降低了汽车使用可靠性。汽车研发同时进入一个恶性循环：本为追求汽车的高级性能而大量应用电子设备所引起的线束增多反过来严重削弱了汽车使用的可靠性。20世纪80年代半导体技术迅速发展并逐步深入到汽车车领域。1983年Robert Bosch公司开发出汽车总线系统，德国的wolfhard lawrenz教授给这种总线命名为Controller Area Network，简称 CAN总线。1.3车用CAN总线标准化历程 随着CAN在不同的汽车企业的广泛应用，其通信协议的标准化亟待解决，为此PHILIPS SEMMICONDOTORS于1991年9月制定并颁布了CAN2.0规范，该技术规范包括A、B两部分。V2.0A应用了11位地址的报文格式，而V2.0B给出了标准和扩展两种报文帧格式，扩展帧可以兼容标准帧并应用29位位地址。两年后，ISO于1993年11月正式颁布了道路交通运载工具数字信息交换高速通信控制局域网(CAN)国际标准(ISO1898)，至此CAN的标准化又迈出了重要的一步。美国汽车工程师协会(SAE)车辆网络委员会根据标准SAEJ1057将汽车数据传输网络划分为A、B、C三类。A类首选标准是LIN(Local Interconnect Network)，它是为了降低成本而作为CAN的辅助网络而存在。B类中的国际标准正是CAN总线。其在汽车上的应用有ISO11898，传输速率为100kbs左右，在卡车和大客车上的应用有SAEJ1939标准，其传输速率可达250kbs。C类标准主要是与汽车的安全有关以及实时性通信要求较高的地方，因此其通讯速率最高可达125kbs1000kbs，对于C类总线而言，欧洲汽车厂商普遍使用CAN总线ISO11898。目前美国的汽车制造商已经在生产的部分汽车的动力系统上应用了CAN线，欧洲的基本上实现了用CAN总线连接车身电子系统和动力系统，远东汽车厂商也早已意识到车用CAN总线的重要性并正在使用。1.4汽车CAN总线应用分类CAN网络已经覆盖了车用网络的大部分并已经逐渐呈现出“局部成网，区域互联”的格局，对于大部分车载网络，按照功能大致分成以下四类。图1.1汽车CAN总线网络结构Fig 1.1vehicle CAN-BUS Network Structure1.4.1驱动系统子网该系统子网一般按照ISO11898、J1939及J2284的规定建成CAN或TTCAN,传感器定时输出检测到的信号并转变电信号给控制单元，控制单元再间接发送到CAN总线上，连接在总线上的各驱动控制单元“各取所需”，有效提高总线的资源利用效率。途安1.8T采用驱动系统子网后将动力系统与ABS、MSR、ASR等的控制器及组合仪表相互连接在一起，在充分发挥动力的同时，又获得了优异的操控性能和经济性。1.4.2信息娱乐子网 目前音像媒体类文件数据传输速率要求达到2Mbs以上，这就大大超出了CAN的带宽范围，因此CAN在该子网的应用主要是IDB-C,该子网中当前主流的的则是MOST总线，而IDBC仅提供辅助性的应用，例如音响控制系统，仪表显示系统和GPS等。 1.4.3 安全舒适子网该子网主要用于满足乘客对于安全性和舒适性的需求的控制单元的控制，所以该系统不仅有高速CAN还引入了低速LIN以降低成本同时弥补CAN应用的不足，该子网发展十分迅速，以最常见的一键启动为例：一键启动省去了传统钥匙点火的繁琐，点火时只需要轻轻一按，车辆就启动了。现在大量应用于各级别的汽车中，已经成为广大商务人士和时尚超人的标签式功能。1.4.4故障诊断子网 CAN在故障诊断子网中应用的标准有ISO75765,它遵照ISO14230-3和ISO15031中有关诊断的内容制定。随着CAN总线应用的日益广泛，美国的通用、福特、克莱斯勒对乘用车采用了CAN的J2480诊断系统标准，它满足了OBD-(On Board Diagnose)和通信要求。2000年开始，欧洲汽车制造商开始使用基于CAN总线的诊断通信标准ISO3145765，它可以满足E-OBD系统的要求。2 CAN协议体系结构和功能2.1 CAN协议分层 为了减少计算机网络设计的复杂性绝大多数网络采用分层设计的方法。按照信息流动的过程可以将网络划分为一个一个的功能层，不同的机器在同等层之间使用相同的协议，而同一个机器的相邻功能层之间通过接口传递信息。国际标准化组织ISO提出开放系统互联参考模型ISOOSI。OSI正是研究如何把开放式系统连接起来的标准。OSI把计算机网络划分为七层，从底层到高层依次是物理层(Physical Layer) 、数据链路层(Data Link Layer)、网络层(Network Layer)、传输层(Transport Layer)、会话层(Session Layer)、表示层(Presentation Layer)、应用层(Application Layer)。CAN协议遵循ISOOSI模型，定义了OSI模型的数据链路层和物理层，并且依照ISO88022和ISO88023，数据链路层被进一步划分为：逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层(MAC)；物理层细分为物理信令(PLS) 、物理介质附件(PMA) 及介质附属接口(MDI)。由此看出CAN虽然只有OSI模型的两层，但它也是一个开放的系统，在网络中如果要增添的节点不是任一个数据帧的发送器，则该节点不需要接受追加额外发送的数据，则网络中所有的节点不需要做任何软件或者硬件的调整，因此其配置灵活。图2.1汽车CAN协议体系结构Fig 2.1 Vehicle Agreement System Structure2.2数据链路层和物理层功能简介2.2.1接收滤波 当来自总线的电压值进入接收器后，接收器检查核实该信息与接受滤波器预定义值是否相同，只有相同CAN控制器才允许将已接收的信息存入RXFIFO，用于进一步加工。2.2.2 超载通知 当接收节点正在处理信息或尚未准备好接收时，想发送节点发送一个超载帧请求暂停发送。2.2.3 恢复管理 当仲裁失败或者传输期间被故障损坏了的帧可以自动重发，任何正在发送数据的节点或者错误激活状态下接收数据的节点都能对出现了错误的帧做出标记，并进行出错通报，这些帧会立即被放弃，此时遵循恢复计时机制，它们可以被适时重发，从错误被检测出直到能够发送下一帧的时间为恢复时间。此后如果再未出错，恢复时间会占17 到23个位时间，总线受到严重干扰的情况下，最多会用29个位时间。2.2.4数据封装和拆装 数据封装指的是指将协议数据单元（PDU）封装在一组协议头和尾中的过程。在 OSI 7层参考模型中，每层主要负责与其它机器上的对等层进行通信。该过程是在“协议数据单元”（PDU）中实现的，其中每层的 PDU 一般由本层的协议头、协议尾和数据封装构成，数据拆装正好相反。2.2.5帧编码帧编码就是将信息、数据转换成规定的电脉冲信号的过程。2.2.6物理信令(PLS) PLS用于实现位表达、同步及正时。2.2.7物理介质附件子层(PMA)物理介质附件子层用于在进行总线发送或者接收的功能电路，并为监测总线故障提供工具。3汽车CAN总线系统硬件构成及其工作原理汽车的一个完整CAN总线系统包括传感器、控制单元、控制器、收发器、CAN数据线 、数据总线和终端电阻，在同时具有高速CAN和低速CAN的车载网络中还有网关把二者联系起来，以下详细介绍各构件的特点。图 3.1汽车CAN总线硬件构成Fig 3.1Vehicle CAN-BUS Hardware Structure3.1传感器 传感器类似于人体的皮肤，它定时采集实时信息，并以电信号的形式发送到其附属的控制单元处理。3.2控制单元控制单元即ECU，是CAN总线的主要计算器，对控制器和传感器传送来的信息进行计算并分别再传送执行机构和数据总线，同时它还具有故障记忆的功能。按照字长其可分为8位、16位和32位控制单元，8位的应用主要在车门模块、方向盘、天窗、胎压监测、看门狗等；16位的应用于中央车身电子、底盘及安全系统、动力总成管理(如引擎管理、传动控制)；32位的控制单元应用于信息娱乐系统如导航和高性能DIS。3.3控制器控制器是CAN通信时实现CAN协议的主要构件，它接受来自控制单元处理过的传感器信号并加工成要发送的指令传递给发送器或反过来接收来自接收器从总线上采集到的信息经过协议处理后再传递给控制单元。控制单元接收到传感器(如发动机转速或温度传感器)的值会被定时查询并顺序的存进存储器，存储器内的传感器数据在CPU经过运算处理后存入输出存储器执行控制功能。控制单元通过控制器的中介功能从网络内获取信息并负责传达了控制单元对该信息的回应。CAN控制器能完成CAN协议所规定的的物理层和数据链路层的大部分功能。它有微处理器接口与单片机相连，按结构分为独立IC或与单片机集成在一起的Ic，SJA1000属于前者，属于后者的有：PHILIPS的87c591，LPC的2119，西门子的c167c，INTEL的80C196CA等它们都遵循CAN2.0规范。SJA1000支持CAN2.0A和CAN2.0B规范，因此其同时支持11位和29位标识符，具有64字节先进先出缓冲器(FIFO),通信速率最高达1Mbs，工作温度为40125，环境适应性强。图 3.2控制器Fig 3.2 Controller3.4收发器CAN收发器在汽车上的应用目前有FREESCALE的低速CAN收发器MC33388和PHILIPS的PCA82C250收发器，前者可轻松适应汽车的内部环境，检测出错误状态并转换到合适模式一旦检测到总线出错，就会始终监视总线工作情况，以便于在故障消除后迅速转换到正常工作模式。收发器具有极低的待机休眠电流，典型值为15A，大大节省了汽车电源，两条线其中一条出现问题，符合条件的话，就可以切换到单线工作模式，这大大提高了系统的可靠性，收发器可以承受的外界温度范围也是是40125。工作模式支持高速模式、斜率控制模式、待机模式，系统的灵活性和稳定性得到了强化。PHILIPS的PCA82C250也有优良的性能表现，PCA82C250是CAN协议控制器和物理总线的接口主要为汽车的中高速应用设计，该器件向总线向总线提供差动发送位。CAN控制器提供差动接口，完全符合ISO11898标准。收发器通过TX线(发送线)和RX线(接收线)与传输总线连接，RX线通过一个放大器与数据总线相连接，目的是随时监控总线信号，发送器的TX线(发送线)通过一个断路式集流器电路与总线耦合，总线上可以出现两种状态。状态1：晶体管截止，电阻高，无源，总线电平等于1。状态2：晶体管导通，电阻低，有源，总线电平等于0。收发器正是通过这两种连续不断的状态来实现数据的接收与传输。图 3.3收发器工作原理Fig 3.3 Transceiver3.5汽车网络传输介质数据总线是控制单元之间彼此进行信息交流的信道，即所谓的“信息高速公路”，如果一个控制单元既可以向总线发送数据又能够从总线接收数据则该总线称之为双向数据总线。目前的车用网络介质有双绞线、同轴电缆和光纤，以下分别介绍。 3.5.1双绞线CAN双线式数据总线系统是由两条彼此缠绕的数据线连接的网络，只需通过这两条数据总线就可以实现网络内所有节点的信息共享，双绞线由两根各自封装在彩色塑料套内的铜线扭绞而成，而两根线传输的是电平完全相反信息完全相同的的电压信号，因此可以有效防止电磁干扰同时防止本身对外界产生电磁干扰，CAN-High线和CAN-Low线互为镜像，国产的一汽宝来轿车，一汽奥迪A6，上海帕萨特B5以及polo轿车上均不同程度的采用了双绞线式系统。2001年12月9日上市的一汽宝来就融入了许多新技术在动力传动系统和舒适系统安装了2套CAN总线。图3.4双绞线Fig 3.4 Twisted Pair35.2同轴电缆同轴电缆的核心是单根铜导线，外部需要一层绝缘材料，在绝缘材料的外部网状金属屏蔽层，最外层是塑料套封装。这同双线相比少了一根线因此成本降低抗干扰的方式也比较独特，但一旦电路短路或者短路，则整个系统就陷入崩溃。它的网状金属层不仅可以屏蔽来自外界的噪声，还能兼做信号的地线。图3.5同轴电缆Fig 3.5 coaxial transmission line3.5.3光纤光纤在目前有线传输介质中性能最为优良。它的直径只有50到100m，材质柔软，可以传导光波，一般由玻璃纤维和塑料构成，在折射率较高的纤芯外面加上一层折射率较低的保护膜，就形成了一条光波通道，再在外面覆盖一层保护膜一条单芯光缆就造出来了。光纤利用光脉冲的有无代表“1”和“0”。典型的光纤传输系统的工作原理如所示。其工作原理是由电光转换装置把输入的电信号通过发光二极管(LED)或激光二极管(LD)转换成光脉冲，光脉冲通过光纤传输，接收端的原理与发送端正好相反。在数据通信技术中光纤网络在高级轿车中开始得到应用，由光纤连接起来的光学网络成本目前正逐渐降低到电路系统的水平，其继续降低的趋势也逐渐显现，加之它数据传输量大，速率高，信号不易受外界干扰，耐腐蚀的众多优点，光学网络将会成为汽车网络继续发展的一个突破口。但是光纤弯曲半径不能太小，覆盖层易损坏或有磨层，端面刮伤，光丝易热影响了它目前广泛的应用。图3.6光学网络Fig 3.6 Optical Network图3.7光纤Fig 3.7 Fiber Optical3.6网关按照汽车装配的控制单元所构成的子网在整个网络的功能差别可以将其划分为若干小局域，各子网由于所承担的功能各不相同，如驱动系统子网的优先级一般高于舒适子网，因此在CAN总线中高速和低速CAN总线之间直接进行信息共享时由于各自数据传输速率不同，且一个子网的信号直接进入另一个子网而不能被识别，因此必须在这两个甚至更多个子网之间设置一个中介节点来对进入其他子网的子网的信息进行“翻译”。这个任务正是由网关来完成。以一汽迈腾为例，其动力系统子网的数据传输速率高达500kbs，而舒适系统子网仅为100kbs。因此若不同子网直接互联会由于彼此不能“听懂”对方而无法正常工作。网关还具有改变信息优先级的功能，例如汽车发生碰撞事故引起了安全气囊单元发出负加速度的信号，该信息理所当然的在动力系统子网中具有非常高的优先级，但是他进入舒适系统子网后，网关就会调低它的优先级，因为舒适子网在汽车发生碰撞事故时仅仅负责车门和车灯。3.7数据线终端电阻CAN的数据总线的发送和接收端的末端都有一个电阻器，它们用于抑制数据在总线两端反射后以回声的形式返回而对是数据的传输造成不必要的影响。4.汽车CAN总线工作过程4.1多路传输原理 车用CAN总线系统的信息一般采用多路传输，多路传输又称为时分复用技术TDM(Time-Division-Multiplexing)，由于总线上的一个节点都向总线发送信息并且发送进入总线的信息的速度非常快，通常以秒来计算，即每个节点发送信息占用总线的时间非常短暂，所以把时间分成非常小的一份份来满足不同节点的通信要求，不同的时间段之间尽量地减少间隔，于是不同的信号相互交织排列，排着队沿同一条信道传输，虽然是依次发送，但相对于人的反应时间却好像是在一瞬间多个节点多条通路同时并行发送同时完成的一样，因此称之为多路传输。各接收节点通过标识符“挑选”出自己需要的信息。，并将其还原成原始信号。 图 4.1多路传输原理Fig 4.1 Multiplexing Principle4.2位数值表示与通信距离CAN总线上的数据采用非归零编码(NRZ)，这意味着完整的位电平显示要么是显性要么是隐形。显性电平用逻辑“0”表示，隐形电平用逻辑“1”表示。在静止状态时，两条导线上预先设定的电压值为静电平，对CAN驱动数据总线来说，这个值都大约为2.5V。静电平又称为隐形状态，因为总线上的任何节点都可以对其进行修改。在CAN总线显性状态时，CAN-HighCAN-Low2V，此时总线上显示为显性电平。CAN总线的传输速率随着传输距离的加长而降低。图4.2位数值表示Fig 4.2 A Numerical Representation图4.3通讯速率与距离关系Fig 4.3 The Communication Speed And Distance4.3 多帧信息的拆装与重组 有效信息的字节数大于8个就无法使用单独一个CAN数据帧装载，于是被拆成若干个小的数据包，之后将其分别装入独立的数据帧逐一传送。为了把属于同一个长信息的数据包们统一标识，就给数据包按照组装的次序进行编号，编号为1的第一个字节后面跟7个字节的数据信息，其后的7个字节跟在编号为2的下一个数据帧中，以此类推。对于该种数据传输，数据发送间隔为50到200ms。在接收方接收节点接收组成完整原始信息的所有单独数据帧并将其重新组合成原来的数据，有时候我们上网在网速慢的时候图片总是一点一点加载，这正是数据包接收重组缓慢造成的。4.4汽车CAN总线消息帧分类CAN消息帧按照ID长度不同可以分成两种标准即标准格式和扩展格式，扩展格式比标准格式多了18位的专用标识位。CAN消息帧按照功能分为数据帧、远程帧、过载帧、错误帧和帧间隔，以下分别介绍。图4.4消息帧的两种格式Fig 4.4 Two Forms of Message Frame4.4.1数据帧数据帧的作用是载运数据，它有七个位场构成，帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场和帧结束，各位场功能如下。 帧起始：(Start of Frame)发送节点向总线发送该位就是向网络所有节点宣布数据帧或远程帧开始向总线上发送信息。值得注意的是该位只能在总线空闲时发送，所有其他节点必须与第一个开始发送的节点的帧起始前沿同步，以此保证后续信息传递的准确。 仲裁场：该部分用来制定帧的优先级，因为总线空闲时未必只有一个节点向总线发送数据，这就需要仲裁场提供仲裁功能，决定发送先后顺序。 控制场：该场由6位组成，标准格式帧包括说明数据长度的信息DLC(Date Length Code)，发送显性电平的IDE位和保留位R0，扩展格式的帧包括DLC和两个保留位。数据场：由被发送的数据组成，最大为8个字节。CRC场：包括CRC序列和CRC界定符，该场是经循环冗余校验而得出的值用于接收节点检验数据在发送过程中是否出现错误。应答场：由应答间隙和应答界定符2位组成，用于接收节点确认发送接收情况。帧结束：每个远程帧或数据帧通过7个连续的隐性位来界定。4.4.2远程帧远程帧是由接收节点请求某数据帧的发送节点向其提供某种数据，本身没有数据场，只是起到请求的作用。图4.5远程帧Fig 4.5 Remote Frame4.4.3出错帧出错帧由出错标志和错误界定符等组成，错误标志包括主动错误标志和认可错误标志。前者是接收节点发现总线上报文的错误，后者是非接收节点检测到活动错误标志后发送的。每当错误标志出现，网络内所有节点监视总线，直到检测到一个显性电平的跳变。图4.6出错帧Fig 4.6 Error Frame4.4.4过载帧 该帧的作用是当接收节点尚未做好接收准备或正处于繁忙状态时通知相关发送节点延迟信息的发送，它有6个连续显性电平(000000)的过载标志和8个连续隐形位(11111111)的过载界定符组成. 图4.7过载帧Fig 4.7 Overload Frame4.4.5帧间空间 帧间空间的作用是把数据帧和远程帧分隔开，数据帧和远程帧可以通过帧间空间把本帧与前边任何一种帧间隔开，过载帧和错误帧前方不可以插入帧间隔。帧间空间包括三个连续的隐形电平(111)，间歇期间。所有节点不允许发送数据帧和远程帧而只能标识过载条件，在帧间空间所占有节点视之为总线空闲，节点可以发送信息。图4.8帧间空间Fig 4.8 Interframe Space4.5 CAN总线的错误类型和界定 CAN总线在工作过程中会产生错误，错误类型包括位错误、填充错误、CRC错误、应答错误。其中位错误指节点在向总线发送一个位的数据时却从总线上检测到相反的位值，则在该位时刻检测到一个位错误；填充错误是在应用位填充方法对报文进行编码的过程中检测到6个连续相同的位电平则检测出一个为填充错误；CRC错误是由于接收节点在进行CRC计算后得出的值跟数据帧中的CRC数值不一样，则检测出一个CRC错误；形式错误是在固定的帧位场检测出预定格式以外的位引起的格式上的错误；应答错误指在应答间隙期间发送器检测到显性位，则由它检测出应答错误。 根据以上出现的各种总线错误数量情况的变化，就CAN总线的故障界定而言，一个CAN节点可以处于三种状态：错误激活状态(Error Active) 、错误认可状态(Error Passive) 、总线脱离状态(Bus Off) ，同一节点的这三种状态也会随着其发送和接收错误计数器计数的变化而相互转换，这种故障管理方式有效清除了故障节点的干扰，保护了准故障节点的恢复，确保了正常节点的正常工作，因此虽然众多节点通过总线连接相互影响但汽车在运行过程中不会因为局部故障而导致整个系统出现问题，大大提升了汽车的使用可靠性。总线错误的转换图如下。图4.9故障界定原理Fig 4.9 The Fault Definition Principle4.6非破坏性按位仲裁规则当总线处于空闲状态时，正常情况下，CAN总线会按照节点发送的时间顺序依次安排发送。但是若几个节点同时发送时按照多路传输的原理就必须决定出发送的优先权，为此CAN总线通过非破坏性按位仲裁来解决。已经讲到CAN总线采用非归零编码方式，该仲裁规则通过消息帧中的仲裁场的二进制值的大小来决定发送优先级，二进制值越低优先级越高，而运用到操作层面上则是从仲裁场二进制位的最高位开始比较，每一次比较显示为“0”的帧获得下一步的仲裁，以此类推直到获得优先级最高的帧，而在比较完之后获得发送优先权的节点在此时间内已经发送了帧起始和仲裁场而不是被动等待，紧接着就可以发送下面的信息，因此位数值的发送时间没有被额外增加，其他帧也并没有对具有发送优先权的帧造成任何损失，因此称之为非破坏性的按位仲裁规则，这种仲裁方式大大提升了数据传输速率，使汽车的响应性较之以前获得巨大的提高，对于各执行器的控制可以进行的更加细微，汽车的神经末梢大大的延伸到电控设备上了，可以为乘客提供更加细致的服务。4.7 CAN总线系统的网络管理 在CAN总线系统中对信息传递过程和ECU的管理称为网络管理，其主要作用是对于网络地址和出错的管理。与其他消息帧类似，网络管理也使用了专用的帧进行管理服务，从而使整个CAN系统有条不紊的工作，下面以SAEJ1939为例简介网络管理的作用和优势。 基于报文传输的通信方式就是发送节点把包含一个或多个参数的参数群报文发送到网络中所有节点，即所谓的广播式通讯。接收节点再通过识别报文标识符中的参数群号(PGN)而不需要确定接收节点的地址来滤波。若多个节点对PGN有需求，则同时接收该报文。网络管理根据报文大小来决定单帧传输还是多帧传输，二者均支持基于节点的传输和基于报文的传输在此只介绍基于报文的传输。该传输方式的发送节点并不知道自己要把信息发送给谁，因此不需要建立点对点的连接而仅需要在发送信息前向整个网络发送“广播通知帧”，该帧内容包括要发送信息的PGN、连续发送的帧数及帧数据的长度，稍加延迟就开始向网络内发送报文。在接下来的信息传输过程中接收节点出现故障并不能要求发送节点重新发送而会通过错误帧的作用实现再次发送。 在CAN总线工作过程中，节点之间相互收发信息必须要辨明对方的名称或在自身的消息帧中公开自己的名称，这样信息才能各得所需从而有条不紊的工作。在一个CAN总线网络中，每个节点只能按照其功能拥有唯一的名称，该名称是一个64位的域场，这样就为更多仲裁提供了大的范围。在地址分配的过程中，网络首先要进行初始化，所有节点 首先检查各自静态配置的节点地址以初次确认该地址是唯一的，所有节点的地址必须在得到响应即其他所有节点的承认后才可以参与通信。以SAEJ1939为例，网络管理采用“地址声明”的方法完成节点地址的分配，网络中的每一个节点都拥有64位的名称，由设备编号、使用场合、设备类型等域组成。两个以上节点申请地址发生冲突的时候节点名称优先级最高的节点获得该地址，失去该地址的节点不得不在全网络范围内重新申请新的地址。节点有静态和动态两种配置方式。使用静态配置方式的节点一般固定在网络内，对于经常更换地址或者在网络外运行的节点使用动态配置方式。4.8例析CAN总线具体工作过程分析CAN总线具体的工作过程以右图为例对CAN总线工作的全过程进行一个缩影。首先CAN总线上的发动机ECU、空气悬架ECU、ESP的ECU等上电后开始一个初始化的过程，通过初始化获得各自在总线系统中区别于其他任何节点的名称，初始化结束后的节点向网络上发送自己已经完成初始化的信息并监听其他节点的初始化情况，在经过信息交换后各ECU可以判断整个系统完成了初始化开始进入正常工作状态。各控制单元对应的传感器开始采集汽车各相关部分的实时信息并将测得的信息以模拟信号的形式传到其对应的控制单元转换成数字信号，如车速传感器将车速信息1800rmin的信息传到发动机ECU被转换成数字信号00010101，之后送到CAN控制器。CAN控制器执行数据链路层的协议，通过帧的组建把该信息嵌入数据场，同时把优先级的信息写入仲裁场，数据的信息写入控制场，并进行了循环冗余计算得到了一个CRC值也安排在数据帧当中。帧组合完毕后，该帧被送入发送器准备发送，在发送器00010101被转换成在铜导线上容易传输的电压信号以通过发送端向整个总线广播。在正式发送数据前发动机ECU先向总线发出“广播通知帧”，通知其他节点本节点将要发送发动机转速信息及信息的具体参数，又经历了6个连续隐性位电平后，发送器第一个发出了帧起始位“0”于是其他所有节点就以该跳变沿为基准开始进行时间上的同步，稍后未准确同步的节点还可以继续进行再同步。帧起始发送后突然发现想要向总线上发送信息的节点不止一个，主动悬架控制单元也准备发送数据帧，而ESP控制单元并没有发送数据的意向。因此矛盾出现必须仲裁，前两个两个节点开始继续各自发送各自仲裁场的位值，从高位向低位逐位对比以决定发送优先权。在汽车的驱动力CAN总线子网中这三大控制单元的优先级依次是ESP控制单元，发动机控制单元，主动悬架控制单元。以此在位数值的对比中会出现在某一位对比中，发动机控制单元为“0”，而主动悬架为“1”，此刻发动机控制单元获得总线发送信息优先权，同时其他节点只能被动的接受信息。接下来发动机控制单元依次发送其剩余的位场，最后发送帧结束(1111111)来宣告发送完毕，其他节点如ESP只能从总线上接收电压信号，在发送器转换成二进制的比特流，进入控制器，对数据帧进行拆分，去掉冗余信息，保留车速信息并送入其ECU进行计算从而对汽车的实时情况作出判断，按