摘要

該專題連載共分為“五”篇，這是第五篇。到目前為止，我們已經(jīng)解釋了實現(xiàn) CAN（控制器局域網(wǎng)）的基礎(chǔ)知識，例如 CAN 協(xié)議和物理層機制。然而，僅憑這些可能不足以全面理解 CAN 在實踐中的具體應(yīng)用和設(shè)計方式。

對于這類讀者，本文將通過實例解釋實際采用 CAN 時所需的知識和關(guān)鍵點，并提供 CAN 協(xié)議的總體概述，以及在實踐中考慮 CAN 的設(shè)計、開發(fā)和采用的基本知識。

點擊閱讀：車載網(wǎng)絡(luò)CAN（一）：CAN協(xié)議基礎(chǔ)知識

點擊閱讀：車載網(wǎng)絡(luò)CAN（二）：CAN通信的數(shù)據(jù)傳輸機制

點擊閱讀：車載網(wǎng)絡(luò)CAN（三）：“幀”的結(jié)構(gòu)、用法和錯誤處理方法

點擊閱讀：車載網(wǎng)絡(luò)CAN（四）：CAN控制器的分類和工作原理

CAN應(yīng)用范圍

CAN現(xiàn)在已應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，而不僅僅局限于汽車行業(yè)。讓我們再次來看一下CAN的應(yīng)用范圍。

CAN總線的應(yīng)用范圍很廣，從主要用于乘用車的標準格式“CAN”總線，到主要用于大型車輛的擴展格式“J1939”總線。此外，還有一種基于CAN總線的協(xié)議，稱為“CANopen”，主要用于工業(yè)設(shè)備（圖1）。

圖1、CAN的應(yīng)用范圍

因此，CAN 是一種幾乎所有汽車（普通乘用車、大型車輛等）都使用的通信協(xié)議，也應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備和工廠自動化 (FA) 領(lǐng)域。本系列文章主要關(guān)注 CAN 作為車載網(wǎng)絡(luò)（針對普通乘用車）的應(yīng)用，但如果您能正確理解 CAN 的工作原理，對于汽車以外其他應(yīng)用的 CAN 設(shè)計和開發(fā)工作也必將大有裨益。

現(xiàn)在我們對 CAN 的應(yīng)用范圍有了新的認識，讓我們來看看 CAN 在乘用車中的一些具體用途和知識，以及一些在實踐中有用的例子。

CAN數(shù)據(jù)分析

在開發(fā)過程中，一項需要頻繁執(zhí)行的任務(wù)是“分析通信內(nèi)容”。本文將通過具體示例，解釋分析 CAN 數(shù)據(jù)所需的步驟。

首先，讓我們使用常見的測量設(shè)備來分析通信內(nèi)容。

使用通用測量設(shè)備分析通信內(nèi)容首先記錄通信波形（圖 2）。然后，根據(jù)通信速度計算 1 比特的長度，將記錄的通信波形替換為“1”和“0”，并按照格式將其轉(zhuǎn)換為十六進制數(shù)據(jù)（圖 3），最后通過將其與通信規(guī)范進行比較來進行數(shù)據(jù)分析。

圖2、CAN通信波形

圖3、位轉(zhuǎn)換

當沒有車載網(wǎng)絡(luò)測量設(shè)備可用時，通常會使用像這樣的通用測量設(shè)備。然而，雖然這類通用測量設(shè)備可以確認信號特征，但要實時分析每10毫秒左右傳輸和更新的數(shù)據(jù)卻極其困難。

另一方面，目前大多數(shù)車載網(wǎng)絡(luò)測量設(shè)備要么是基于硬件的，要么是運行在PC上的軟件與硬件接口相結(jié)合的，這使得數(shù)據(jù)采集比通用測量設(shè)備更加便捷。然而，它們與通用測量設(shè)備并無本質(zhì)區(qū)別，都需要將通信波形與通信規(guī)范進行比較。

“ CAN數(shù)據(jù)庫”（圖4）　用作將這些通信波形與通信規(guī)范進行比較的機制。這不僅能夠?qū)σ褌鬏敽透碌臄?shù)據(jù)進行實時自動分析，而且還允許多個開發(fā)人員使用同一個CAN數(shù)據(jù)庫，從而最大限度地減少因開發(fā)人員對規(guī)范理解的差異而造成的影響。此外，只需更改CAN數(shù)據(jù)庫，即可使用相同的車載網(wǎng)絡(luò)測量設(shè)備更改規(guī)范，這還有一個額外的好處，即開發(fā)人員可以立即將熟悉的環(huán)境用于其他開發(fā)項目。

圖4、CAN數(shù)據(jù)庫

現(xiàn)在讓我們仔細看看 CAN 數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容是什么樣的。

基本上，CAN 數(shù)據(jù)庫是將 CAN 通信規(guī)范翻譯成測量儀器可以讀取的形式，并且包含與通信規(guī)范相同的內(nèi)容。

在 CAN 數(shù)據(jù)庫中，CAN 數(shù)據(jù)幀通常表示為“消息”。設(shè)計人員可以自由設(shè)置數(shù)據(jù)幀內(nèi)數(shù)據(jù)字段（最多 8 個字節(jié)）的使用方式，從而允許自由混合使用 1 字節(jié)數(shù)據(jù)、2 字節(jié)數(shù)據(jù)、1 位數(shù)據(jù)等等。這些單獨的數(shù)據(jù)片段通常被稱為“信號”（圖 5）。

圖5、信息與信號的關(guān)系

對于消息，可以定義“ID”、“消息名稱”、“DLC”、“格式”、“包含的信號”、“發(fā)送節(jié)點”、“每個信號在消息中的位置”等。

在CAN總線上傳輸信號時，數(shù)據(jù)與實際值（例如，物理值，如km/h或Nm）之間經(jīng)常存在差異。這受到多種因素的影響，例如信號值的分辨率（每比特的值），例如“如果信號值變化1，則實際速度應(yīng)變化0.25 km/h”，以及根據(jù)信號物理值范圍所需的偏移量。在CAN數(shù)據(jù)庫中，定義信號時，可以將分辨率定義為“因子”，將偏移量定義為“偏移量”。其他可用的定義包括信號名稱、信號長度、字節(jié)順序、最小值和最大值以及單位。

對于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，可以定義“節(jié)點名稱”、“要接收的信號”和“網(wǎng)絡(luò)管理關(guān)系”。

使用包含這些信息的 CAN 數(shù)據(jù)庫可以輕松分析各種類型的 CAN 數(shù)據(jù)。圖 6 顯示了使用車載網(wǎng)絡(luò)測量軟件時，使用 CAN 數(shù)據(jù)庫和不使用 CAN 數(shù)據(jù)庫之間的區(qū)別。當 ID、DLC、數(shù)據(jù)字段等的內(nèi)容以與通信規(guī)范相同的格式顯示時（使用 CAN 數(shù)據(jù)庫），分析會更加容易，而不是以十六進制格式顯示（圖 7）。

圖6、使用CAN數(shù)據(jù)庫與不使用CAN數(shù)據(jù)庫的區(qū)別

圖7、分析屏幕示例

然而，由于不同汽車制造商之間的通信規(guī)范各不相同，因此在大多數(shù)情況下，每個制造商的 CAN 數(shù)據(jù)庫內(nèi)容也不同，所以這一點需要注意。

CAN在汽車中的應(yīng)用

目前，CAN 已應(yīng)用于動力系統(tǒng)和車身系統(tǒng)等各個部件，但它在各個“ECU（電子控制單元）”中是如何應(yīng)用的呢？

如你所知，CAN 總線的主要用途是 ECU 之間交換數(shù)據(jù)（ECU 間通信）。為此，有多種通信方式，例如周期性發(fā)送數(shù)據(jù)或在特定事件發(fā)生時發(fā)送數(shù)據(jù)。但是，如果您將周期性傳輸視為由 ECU 內(nèi)部定時器觸發(fā)的事件，那么 CAN 總線基本上可以被視為“基于事件的通信”。

迄今為止，CAN 主要用于 ECU 之間的通信，但如今其應(yīng)用已十分廣泛，可被視為車載網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，并且越來越多地用于 ECU 間數(shù)據(jù)交換以外的其他用途。例如，在診斷每個 ECU 的故障時，現(xiàn)在不再使用傳統(tǒng)的專用通信線路，而是使用“ Diag On CAN（診斷通信） ”，它利用并集成了 CAN；此外，“ XCP ”也利用 CAN 通信來重寫 ECU 內(nèi)部數(shù)據(jù)（標定）并讀取內(nèi)部值。

圖8、CAN上的對角線

圖9、XCP

然而，CAN 用于如此多種用途以及 ECU 的增加給總線帶來了壓力，因此 CAN 現(xiàn)在不再使用一個通道進行通信，而是使用兩個或多個通道來創(chuàng)建一個多通道系統(tǒng)，根據(jù)需要通過單獨的通道發(fā)送通信。

除了CAN的多通道特性外，越來越多的車載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也開始在同一輛車內(nèi)使用，例如LIN和FlexRay。具體來說，LIN用于傳感器/執(zhí)行器領(lǐng)域，因為在這些領(lǐng)域使用CAN控制器會顯著增加成本；而FlexRay則用于實時性能比基于事件的通信更為重要的領(lǐng)域。因此，不同的應(yīng)用場景會采用不同的通信協(xié)議。

在這種情況下，同一輛車內(nèi)會配置使用不同協(xié)議的車載網(wǎng)絡(luò)，但各個網(wǎng)絡(luò)很少單獨通信；大多數(shù)情況下，會安裝一個網(wǎng)關(guān)來轉(zhuǎn)換協(xié)議并將必要的信息傳輸?shù)狡渌W(wǎng)絡(luò)。

CAN總線問題示例

接下來，我們將列出一些在使用 CAN 時可能出現(xiàn)的常見（潛在）問題，以及一些解決這些問題的技巧。

問題1：規(guī)范中定義的通信周期與實際通信周期不同

→ CAN 使用“CSMA/CA（載波偵聽多路訪問/沖突避免）”機制，如果 CAN 總線上其他節(jié)點有數(shù)據(jù)幀，則會等待發(fā)送。因此，通常無法以極其精確的周期發(fā)送數(shù)據(jù)（盡管通信規(guī)范通常會規(guī)定一個可接受的范圍）。

問題2：無法溝通

→這可能是由于在開發(fā)初期未將終端電阻器連接到物理層，或者由于斷線或錯誤導(dǎo)致總線處于關(guān)閉狀態(tài)。

問題 3：上電時出現(xiàn)錯誤幀

這可能發(fā)生在每個節(jié)點初始化期間。也可能發(fā)生在節(jié)點初始化期間無法發(fā)送確認信息時。

問題 4：無法使用測量設(shè)備進行測量

→這是一個很容易被忘記的基本設(shè)置，但您可能沒有進行基本設(shè)置以匹配通信速度和信號特性。

問題5：錯誤幀頻繁出現(xiàn)或通信異常

如果CAN總線使用率（總線負載）較高，則由于通信仲裁，可能會頻繁發(fā)生重傳。此外，也可能是由于物理層問題，接收節(jié)點未返回確認信息。

問題 6：容易發(fā)生掉線事故

→頻繁的傳輸錯誤會導(dǎo)致總線停止工作，因此首先要考慮的是物理原因，例如檢查線路。

CAN協(xié)議概述

最后，作為對目前為止所涵蓋內(nèi)容的總結(jié)，我們將介紹與 CAN 相關(guān)的關(guān)鍵詞及其特點（詳情請參閱本系列的每一期）。

CAN總線特性

首先，我們來看一下CAN總線的特性。以下是一些您務(wù)必牢記的重要特性和關(guān)鍵詞。

·采用線型總線結(jié)構(gòu)，可以方便地進行布線設(shè)計，即使以后需要添加節(jié)點，也可以相對容易地完成。

·多主系統(tǒng)允許每個節(jié)點按照統(tǒng)一的規(guī)格進行設(shè)計，可以說在通信方面是平等的。

·CSMA/CA允許來自多個節(jié)點的數(shù)據(jù)幀在發(fā)生沖突時不會被銷毀，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

·使用 ID 進行消息尋址可以明確優(yōu)先級，并允許接收節(jié)點決定是否接收，還允許多個節(jié)點同時接收。

·它是一種具有優(yōu)異抗噪聲性能且不易受外部噪聲干擾的物理層。這是通過使用兩線差分電壓實現(xiàn)的。

·實施了多種錯誤檢測機制，確保能夠可靠地檢測出各種異常情況。

·錯誤計數(shù)器根據(jù)每個節(jié)點的狀態(tài)進行控制，如果一個節(jié)點頻繁出現(xiàn)錯誤，它會關(guān)閉總線或?qū)㈠e誤標志設(shè)置為隱性，以最大限度地減少對通信的影響。

·當每個節(jié)點執(zhí)行協(xié)同控制時，它們可以使用相同的數(shù)據(jù)，從而保持數(shù)據(jù)一致性。這是因為系統(tǒng)具有一種機制，在出現(xiàn)異常情況時，會重新傳輸數(shù)據(jù)，直到所有節(jié)點都能正常接收數(shù)據(jù)為止。

·其最大通信速度為 1Mbps，可用于車載網(wǎng)絡(luò)的大部分領(lǐng)域。

CAN協(xié)議

接下來，我們回顧一下CAN協(xié)議。下面列出了一些您務(wù)必牢記的重要特性和關(guān)鍵詞。

·CAN 數(shù)據(jù)傳輸主要使用數(shù)據(jù)幀，根據(jù)格式的不同，數(shù)據(jù)幀分為標準格式（11 位 ID）和擴展格式（29 位 ID） 。

·有一種稱為遠程幀的機制可以請求數(shù)據(jù)幀，但現(xiàn)在很少使用。

·如果在通信過程中檢測到異常，可以發(fā)送錯誤幀來通知連接到網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點該異常情況。

·如果節(jié)點在接收數(shù)據(jù)幀時處理能力不足，可以發(fā)送一個過載幀來延遲下一個數(shù)據(jù)幀的傳輸。然而，由于微型計算機處理能力的提升，這種做法如今已很少使用。

·采用CSMA/CA機制時，當多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)幀和遠程幀時，會進行通信仲裁，優(yōu)先級由ID決定。ID值越小，優(yōu)先級越高。該ID可以在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時設(shè)置。

·當接收到數(shù)據(jù)幀時，連接到網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點會將接收到的內(nèi)容與 CRC 進行比較，如果正常，則會發(fā)送確認信息，通知發(fā)送節(jié)點通信正在正常進行。

·發(fā)送錯誤幀的節(jié)點會根據(jù)具體情況遞增自身的錯誤計數(shù)器。該錯誤計數(shù)器的值決定了節(jié)點的狀態(tài)，在某些情況下，節(jié)點可能會因此失去發(fā)送能力。這種機制可以防止網(wǎng)絡(luò)通信中斷。

物理層

最后，讓我們回顧一下上次解釋過的“物理層”。

·CAN 控制器是實現(xiàn) CAN 協(xié)議所需的電子元件，根據(jù)安裝類型、協(xié)議版本、消息管理等進行分類。

·根據(jù)協(xié)議版本是標準格式還是擴展格式，其在通信過程中處理方式有所不同。

·可以根據(jù)所使用的通信速度選擇消息管理方式。

·根據(jù)應(yīng)用場景的不同， CAN總線分為高速CAN和低速CAN 。每種類型都根據(jù)不同的應(yīng)用場景使用，并且具有不同的最大通信速度和物理層。

·高速 CAN 的最大通信速度為 1Mbps，主要用于需要高速通信的動力總成系統(tǒng)。

·低速CAN總線的最大通信速度為125 kbps，主要用于對通信速度要求不高的車載系統(tǒng)。此外，即使一條通信線路斷開，也能僅使用另一條線路繼續(xù)通信（容錯性）。

本文全面概述了CAN協(xié)議，包括采用CAN協(xié)議所需的知識，例如“數(shù)據(jù)分析”、“應(yīng)用示例”和“故障示例”。如果您想了解更多關(guān)于CAN的信息，建議參考ISO11898發(fā)布的CAN協(xié)議規(guī)范。

更多內(nèi)容，關(guān)注牛喀網(wǎng)，學習更多汽車科技。有興趣的朋友，可以添加牛小喀微信：NewCarRen，加入專家社群參與討論。

（添加微信號NewCarRen咨詢）