汽车电子学习笔记---CAN网络（二）_汽车can对应表

汽车电子学习笔记—CAN（二）

• 1、CAN标准

  • CAN标准分为底层标准（物理层和数据链路层）和上层标准（应用层）两大类。
    底层标准：
    • CAN底层标准都相同，涵盖OSI模型中的物理层和数据链路层，与ISO/OSI模型的对应关系如下图所示：
      
    • ISO 11898-1：数据链路层协议，描述CAN总线的基本架构，定义不同CAN总线设备在数据链路层通信方式
    • ISO 11898-2：高速CAN总线物理层协议，最高数据传输速率 1Mbps，应用为两线平衡式信号（CAN_H, CAN_L）
    • ISO 11898-3：定义低速CAN总线（LS-CAN, Fault-Tolerant CAN）物理层标准，数据传输速率在 5Kbps ~ 125Kbps 。Fault-Tolerant是指总线上一根传输信号失效时，依靠另外的单根信号也可以通信
    • ISO 11898-4：定义CAN总线中的时间触发机制（Time-Triggered CAN, TTCAN），定义与ISO 11898-1 配合的帧同步实体，实现汽车ECU之间基于时间触发的通信方式。

  上层标准：
  涉及到例如流控制、设备寻址和大数据块传输控制等，不同应用领域或制造商会有不同的做法，没有统一的国际标准
  

• 2、应用
  1）根据应用范围将车内CAN总线分为三类：

  • Convenience CAN /舒适CAN网络，主要控制车门窗、空调等设备，最高传输速度100 kbps
  • Powertrain CAN /动力CAN网络，主要控制动力相关设备，如发动机、制动、ABS等，最高传输速度500 kbps
  • Infotainment CAN /信息娱乐CAN网络，主要控制收音机、电话和导航等设备，最高传输速度100 kbps

  2）根据数据传输速度不同CAN总线分两类：

  • 高速CAN（ISO 11898-2）：数据速率在 125kbps ~ 1Mbps，应用在实时性要求高的节点，如引擎管理单元、电子传动控制、ESP和仪表盘等；
  • 低速CAN（ISO 11898-3）：数据速率在 5kbps ~ 125kbps，应用在实时性要求低的节点，主要在舒适和娱乐领域，如空调控制、座椅调节、灯光、视镜调整等

  3） CAN总线长度与信号速率关系
  

• 3、信号电平
  1）高速CAN

  • 定义 CANH 和 CANL 电压相同（CANH = CANL = 2.5V）时为逻辑“1”， CANH和CANL 电压相差 2V（CANH = 3.5V, CANL = 1.5V） 时为逻辑“0”

  • 实际过程中万用表量出的电压一般在 2.6—2.8V之间

  • 波形：
    

  2）低速CAN

  • 定义CANH和CANL电压相差 5V （CANH = 0V, CANL = 5V）时为逻辑“1”， 相差 2.2V （CANH = 3.6V, CANL = 1.4V）时为逻辑“0”
  • 实际过程中万用表量出的电压一般在 2.2—2.4V之间
  • 波形：
    
    3）总线逻辑
    显性（Dominant ）为逻辑 0，隐性（Recessive ）为逻辑 1。多节点同时发送时，遵行线and逻辑。
    

• 4、帧分类
  CAN总线定义四种帧类型：
  1）数据帧
  - 用于发送单元向接收单元传送数据的帧
  - 数据帧的帧结构图：
  

  • SOF：表示数据帧开始；（1 bit），发出一个显性位边沿，网络节点以此开始同步
  • Identifier：标准格式11 bit，扩展格式29 bit包括Base Identifier（11 bit）和Extended Identifier（18 bit），该区段标识数据帧的优先级，数值越小，优先级越高；
  • RTR：远程传输请求位，0时表示为数据帧，1表示为远程帧，也就是说RTR=1时，消息帧的Data Field为空；（1 bit）
  • IDE： （1 bit）标识符扩展位，0时表示为标准格式，1表示为扩展格式；扩展帧和标准帧格式不同，不能存在于同一can网络
  • DLC：数据长度代码，0-8表示数据长度为0~8 Byte；（4 bit）
  • Data Field：数据域；（0~8 Byte）
  • CRC Sequence（15 bit）：
    • 校验域，从sof到数据场的所有数据进行encode
    • 由发送方填
    • 校验算法G(x) = x15 + x14 + x10 + x8 + x7 + x4 + x3 + 1；（15 bit）
  • DEL：校验域和应答域的隐性界定符；（1 bit）
  • ACK：（1 bit）
    • 应答域，确认数据是否正常接收，所谓正常接收是指不含填充错误、格式错误、 CRC 错误。
    • 发送节点将此位为1，由接收方进行确认，收到消息给出一个显性位0
    • 如果一个节点都没有确认收到消息，发送方监听此位为隐形位就会报错
  • SRR：替代远程请求位，在扩展格式中占位用，必须为1；（1 bit）
  • EOF：连续7个隐性位（1）表示帧结束；（7 bit）
  • ITM（3 bit）：
    • 帧间空间，Intermission (ITM)，又称Interframe Space (IFS)，连续3个隐性位，但它不属于数据帧。
    • 帧间空间是用于将数据帧和远程帧与前面的帧分离开来的帧。数据帧和远程帧可通过插入帧间空间将本帧与前面的任何帧（数据帧、遥控帧、错误帧、过载帧）分开。过载帧和错误帧前不能插入帧间空间

  2）远程帧

  • 用于接收单元向具有相同标识符的发送单元请求数据的帧

  • 远程帧与数据帧的帧结构类似，区别：

    • 1、数据帧的 RTR 值为“0”，远程帧的 RTR 值为“1”
    • 2、远程帧没有数据块
    • 3、远程帧的 DLC 块表示请求发送单元发送的数据长度

  • 格式图
    

  • 当总线上具有相同标识符的数据帧和远程帧同时发送时，由于数据帧的 RTR 位是显性的，数据帧将在仲裁中赢得总线控制权

  3）错误帧

  • 用于当检测出错误时向其它单元通知错误的帧

  • 错误帧的帧结构由错误标志和错误界定符构成

    • 错误标志
      
    • 错误界定符：由8bit的隐性位构成

  • 结构图
    

  4）过载帧

  • 接收单元通知发送单元它尚未完成接收准备
  • 发送过载帧的两种情况：
    • 1、接收单元条件的制约，要求发送节点延缓下一个数据帧或远程帧的传输
    • 2、帧间空间（Intermission）的 3 bit 内检测到显性位
  • 每个节点最多连续发送两条过载帧
  • 过载帧由过载标志和过载界定符（8 个隐性位）构成
    

• 5、仲裁机制

  • 优先级：标识符值越小，消息的优先级越高
  • Wire-AND Bus Logic：只有节点发送的全是隐性，总线电平才表现为隐性
    
  • 仲裁逻辑
    • 所有发送节点在发送数据的同时，也检测总线上的电平状态，逐位对比总线上电平与自身发送的电平
      1）send 0 出现 1 ：报错
      2）send 0 出现 0 ：继续
      3）send 1 出现 1：继续
      4）send 1 出现 0：竞争失败，转为接收方
      
      
    • 竞争失败节点：会自动在检测到总线空闲的第一时间再次尝试发送

• 6、条件接收

  • 消息在CAN总线上是广播式的，节点可以通过设置控制器中过滤码（Filter Code ）和掩码（Mask Code），再检验总线上消息的标识符，来判断是否接收该消息
  • 对于掩码，“1”表示该位与本节点相关，“0”表示该位与本节点不相关
  • 举例说明：
    

• 7、位填充

  • CAN采用NRZ编码，没有单独的时钟线，它的优点是效率高，但却不易区分哪里是bit开始，哪里是bit结束。因此为确保在同步通信过程中有足够的电平跳变，规范中应用到位填充机制，即在每连续 5 个相同电平后插入 1个反相电平，接收节点在收到消息后自动将填充位删除
    
  • 在帧内除了CRC界定符、ACK域和EOF外，其余部分均应用到位填充机制
  • 在应用到位填充的域，检测到连续 6 个显性位或隐性位均视为报错
  • 数据帧在位填充前后的比较图
    

• 8、错误检验

  • CRC错误
    1）在发送消息时，发送节点会根据特定的多项式计算出由数据帧SOF位到数据域最末位的Checksum值，并将该值放在数据帧的CRC域，随着数据帧广播到总线上
    2）接收节点在收到数据后，应用同样的多项式计算Checksum值，并与收到的Checksum值对比。如果两者一致，正常接收；如果不一致，则舍弃该消息，并发送错误帧请求发送节点重传消息
  • 应答错误（ACK Error）
    接收方会在收到消息后在ack应答位给出一个显性电平，如果发送方检测到该位为隐性，则报错
  • 格式错误（Form Error）
    检测出与固定格式的位段相反的格式时所检测到的错误，如检测crc界定符和ack界定符以及eof区域是否出现显性位
  • 位错误（Bit Error）
    比较输出电平和总线电平（不含填充位），当两电平不一样时所检测到的错误。如发送显性位，但总线是隐性位就报错
  • 填充错误（Stuff Error）
    在需要位填充的段内，连续检测到 6 位相同的电平时所检测到的错误
  • 区域图解
    

• 9、错误跟踪机制 error tracking

  • CAN总线上的每个节点控制器都会检测消息是否出错，如果节点发现消息出错，它将发送错误标志，从而打断总线上正常的数据传输。总线上其它没有发现原始消息错误的节点，在收到错误标志后将采取必要的措施，比如舍弃当前总线上的消息

  • CAN节点内部有两种错误状态计数器 ：

    • 1）TEC /Transmit Error Counter，发送错误状态计数器，出现一次错误该计数器值 +8
    • 2）REC /Receive Error Counter，接收错误状态计数器，出现一次错误该计数器值 +1
    • 3）消息成功发送或接收一次，对应的 TEC 或 REC 值相应 -1

  • CAN规范定义了节点的 3 种基本错误状态：

    • 1） Error Active：正常状态，在此状态下，节点可以发送所有类型的帧，包括错误帧；发现错误后会很积极主动地上报错误
    • 2）Error Passive：节点可以发送除错误帧以外的所有帧；TEC or REC 计数超过127就进入此状态；此时，该节点发现错误后只会发送6个隐性位，不会把错误广播出去。并且，发送连续帧时，中间必须间隔8bit的延缓时间
    • 3）Bus Off：节点被控制器从总线上隔离；或者TEC大于255，就会进入这个状态，需要重启，或者等待128个11位隐性位电平

  • 节点错误状态切换图