汽车CAN总线扫盲知识

简要描述CAN总线基础知识，主要包括汽车车载网络通信系统基础和汽车微机网络通信协议两部分内容。

CAN

• 车载网络基础知识
  • 汽车车载网络通信系统基础
    • 汽车车载网络通信系统基础
      • 目前汽车主要采用2根CAN总线
        • 用于驱动系统的高速CAN总线，速率500Kbit/s，连接以下对象
          • 特点：连接对象直接关系汽车的行驶状态，对通信实时性有较高的要求
          • 连接对象：
            • 发动机ECU
            • ASR ECU
            • ABS ECU
            • SRS ECU
            • 组合仪表等
        • 用于车身系统的低速CAN总线，速率100Kbit/s，连接以下对象
          • 特点：连接对象多为低速电动机和开关量器件，对实时性要求低而数量多
          • 连接对象：
            • 门锁
            • 电动窗户
            • 后视镜
            • 驾驶室照明灯等
      • 网关
        • 电动汽车内部通信的核心
        • 实现各条总线上信息的共享以及实现汽车内部的网络管理和故障诊断功能
    • 常用基本术语
      • 局域网
        • 局域网络是在一个有限区域内连接的计算机的网络
        • 汽车上的网络是局域网与现场总线之间的一种结构，数据传输速度在10~10^3Kbit/s范围，传输距离在几十米范围。
      • 现场总线
        • 在过程现场安装在控制室先进自动化装置中的一种串行数字通信链路，是现场通信网络与控制系统的集成
      • CAN
        • Controller Area Network，控制器局域网
        • CAN总线构成的单一网络中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制
          • 例：Philips P82C250作为CAN收发器时，同一网络中允许挂接110个节点
      • 数据总线
        • 模块间运行数据的通道，即所谓的信息高速公路
        • 如果系统可以发送和接收数据，则称之为双向数据总线
        • 可以是一条导线或两条导线，另外一条用于主线出现故障时的备用，为了抗电子干扰，两条线是绞在一起的。
      • 多路传输
        • 在统一通道或线路上同事传输多条信息，（将十分之一秒分成若干段，许多单个的数据依次传输，每一段传输一段，叫做分时多路传输。
      • 模块/节点
        • 模块就是一种电子装置，简单如传感器，复杂如计算机
      • 网络
        • 数据总线和模块组成的系统
      • 网关
        • 具有特殊功能的计算机，达到总线、网络间的信息共享和不产生协议间的冲突，实现无差错数据传输
      • 帧
        • 将原始数据分割成一定长度的数据单元，这种单元就是帧
        • 帧的组成包括
          • 同步信号
            • 帧的开始与终止
          • 错误控制
            • 各类检错码或纠错码，大多数采用检错重发的控制方式
          • 流量控制
            • 协调发送方与协调方的速率
          • 控制信息
          • 数据信息
          • 寻址
            • 在信息共享的情况下，保证每一帧都能正确地到达目的站，收方也能知道信息来自何站
    • 局域网
      • 传输媒体
        • 双绞线
          • 双绞线是局域网中最普通的传输媒体，一般用于低速传输，最大数据传输率可达几Mbit/s
      • 拓扑结构
        • 星型
          • 构造容易，适于同种机型连接，通信功能简单，根据需要由中心处理机分时或按优先权排队处理，中心处理机负载过重，扩充困难，线路利用率不高，信道容量浪费较大
        • 总线型
          • 信道利用率高，同一时刻只能有两处网络节点在相互通信，适用于距离短的组网环境。
        • 环型
          • 实时性较高，传输控制机制较为简单，一个节点出错会终止全网运行，因此可靠性较差。
      • 媒体访问控制协议
        • 对于共享传输媒体的方案，需要一套分布逻辑以控制各连网设备对传输媒体的访问，这就是MAC
    • 汽车对通信网络的要求
      • 汽车多个ECU之间的典型网络布局
        • 分级式
          • J1939标准,可负载30个ECU
        • 分开式
          • J1587/J1708标准，各个网络有自己的操作系统，相互之间用桥接器来处理多个ECU之间的通信。
      • 数据通信
        • 连接到车载网络的各个ECU按需要从总线上接收最小的信息以操纵使动器，每当ECU接收到数据，就将这些数据存储在RAM区，并将这些数据按照各自的类型赋值，
        • 汽车内ECU之间的数据传输频率是变化的。
        • 为了满足各子系统的实时性要求，有必要对汽车公共数据实行共享，但每个控制单元对实时性的要求是因数据的更新速率和控制周期不同而不同的，这就要求其数据交换网是基于优先权竞争的模式，且本身有极高的通信速率。
    • 车用局域网系统的应用与形式
      • 按照应用加以划分
        • 车身系统
          • 低速网络
        • 动力传动系统
          • 高速网络（铜线）
        • 安全系统
          • 高速网络（铜线）
        • 信息系统
          • 高速网络（光纤）
  • 汽车微机网络通信协议
    • 通信协议
      • 定义：在通信内容、怎样通信以及何时通信等方面，两个实体要遵从相互可以接收的一组约定和规则。
      • 主要内容：
      • 接口与实体
        • 接口
          • 物理
            • 插接器有多少个插脚
          • 电气
            • 确定接口电路信号的电压、宽度及他们的时间关系
          • 逻辑
            • 说明为了传送如何把数据位或字符变换成字段，以及说明传输控制字符的功能使用等。
          • 过程
            • 说明通信控制字符的法定顺序，各种字段的法定内容以及控制数据六穿越接口的命令和应答。
        • 实体
          • 能够发送或接收信息的对象（例应用程序，文件传送程序包，进程，数据库管理系统等）
      • 协议的要素及其功能
        • 协议的三要素
          • 语法
            • 规定如何讲，由逻辑说明构成，对信息或报文中各字段格式化，说明报头（或标题）字段、命令和应答的结构。
          • 语义
            • 确定通信讲什么，由过程说明构成，要对发布氢气、执行动作以及返回应答予以解释，并确定用于协调和差错处理的控制信息。
          • 定时规则
            • 指出时间的顺序以及速度匹配、排序。
        • 协议的功能
          • 定义：
            • 控制并指导两个对话实体的对话过程，发现对话过程中出现的差错并确定处理策略。
          • 内容
            • 差错检测和纠正
              • 面向通信传输的协议：常使用“应答-重发”、循环冗余检验CRC、软件检查等机制进行差错的检测和纠正工作。
              • 面向应用的协议：常采用重新同步、恢复以及托付等更为高级的方法进行差错的检测和纠正工作。
            • 分块和重装
              • 目的：用协议控制进行传送的数据长度是有一定限制的，参加交换的数据都要有一定的格式。为满足这个要求，就需要将实际应用中的数据进行处理，使之复合协议交换时的格式要求，只有这样才能应用协议进行数据交换。
              • 定义：
                • 分块：将大的数据划分成若干小块，如将报文划分成几个报文分组；
                • 重装：将划分的小块数据重新组合复原，如将报文分组还原成报文；
            • 排序
              • 目的：按序传递、信息流控制和差错控制等；
              • 定义：对发出的数据进行编号以标识它们的顺序；
            • 流量控制
              • 目的：防止在信道中出现堵塞现象
              • 定义：限制发送的数据量或速率
      • 协议的类型
        • 直接型/间接型
          • 直接型
            • 定义：实体间的数据和控制信息直接传递而无任何中间的信息处理装置
            • 例：两个系统共享一个“点-点”链路，这些系统中的实体就可以直接通信
          • 间接型
            • 定义：两个实体要交换数据必须依赖于其他实体的功能；
            • Tips：此时设计协议时，需考虑对中间系统的了解程度，因而较为复杂
        • 单体型/结构化型
          • 单体型
            • 定义：两个实体间通信采用单一协议来控制通信；
          • 结构化型
            • 定义：展示为层次或分层结构的协议集合，较低级别/层次的功能在较低层次的实体上实现，同时向较高层次的实体提供服务。
        • 对称型/不对称型
          • 对称型
            • 定义：关联于同等的实体之间的通信
          • 不对称型
            • 定义：交换逻辑或尽可能使实体或系统保持简单
            • 例：一个“用户”进程和一个“服务”进程之间的通信；
        • 标准型/非标准型
          • 标准型
          • 非标准型
      • 常用典型协议的形式
        • CAN
          • 适用于：
            • 奔驰、英特尔、波许、JSAE、ISO/TC22/SC3/WG1
          • 通信芯片：
            • AN82526-Q8841 波许总线
              • CPU：Intel8051
            • AN82526-Q8841 古川总线
              • CPU：H8/532
              • 传输速率： 1Mbit/s
              • 信息格式：
              • 传输速率：
                • 1Mbit/s
              • 位编码：
                • 不归零（NRZ）+位塞入
        • BASIC CAN
          • 适用于：
            • 飞利浦、波许
          • 通信芯片：
            • PCA82C200 版本0
              • CPU：HD63B03Y
              • 信息格式：
              • 传输速率：
                • 20Kbit/s
              • 位编码：
                • 不归零（NRZ）+位塞入
        • ABUS
          • 适用于：
            • 大众
          • 通信芯片：
            • U5001M RD1018
              • CPU：Intel8051
              • 信息格式：
              • 传输速率：
                • 500Kbit/s
              • 位编码：
                • 不归零（NRZ）
        • VAN
          • 适用于：
            • 雷诺、标致、雪铁龙、ISO/TC22/SC3/WG1
          • 通信芯片：
            • RCP VAN
              • CPU：Intel8051
              • CPU: Philips 87C51
              • 信息格式：
              • 传输速率：
                • 50Kbit/s
              • 位编码：
                • 曼彻斯特或增强型曼彻斯特
        • HBCC
          • 适用于：
            • 福特、SAE J1850
          • 通信芯片：
            • REVBB 并行接口
              • CPU: HD6301M1
            • REVBB 串行接口
              • CPU: MC68HC11
            • 信息格式：
            • 传输速率：
              • 41.6Kbit/s
            • 位编码：
              • 脉宽调制（PWM）
        • PALMNET
          • 适用于：
            • 马自达、SAE
          • 通信芯片：
            • J002
              • CPU: HD6303Y
              • 信息格式：
              • 传输速率：
                • 20Kbit/s
              • 位编码：
                • 脉宽调制（PWM）
        • DLCS
          • 适用于：
            • 通用
          • 通信芯片：
            • DLCS03
              • CPU: MC68HC11
              • 信息格式：
              • 传输速率：
                • 10.4Kbit/s
              • 位编码：
                • 可变脉宽调剂（VPW）
        • CCD
          • 适用于：
            • 克莱斯勒、SAE
          • 通信芯片：
            • CDP68HC68S1
              • CPU: MC68HC11
              • 信息格式：
              • 传输速率：
                • 7.8125Kbit/s
              • 位编码：
                • 不归零（NRZ）
      • 通信协议对比
        • 传输能力/容量
        • 最多节点数/最高传输速度
        • 有效数据率
          • 指各个帧中报文标识符长度与数据位字段长度的比值
        • 8种通信芯片的CPU负载
    • 车载网络协议标准
      • 按照系统的复杂成都、信息量、必要的动作响应速度、可靠性要求等分类为
        • 低速(A）
          • 面向传感器/执行器控制，数据传输位速率小于10Kbit/s
          • 应用于后视镜调整，电动窗、灯光照明等控制；
        • 中速(B）
          • 面向独立模块间数据共享的中速网络，位速率10~125Kbit/s
          • 应用于车身电子舒适性模块，仪表等系统
        • 高速(C）
          • 面向高速、实时闭环控制的多路传输网，位速率在125Kbit/s~1Mbit/s之间
          • 应用于牵引控制、先进发动机控制、ABS等系统
      • 主流总线类型与通信标准
        • C类中，乘用车用ISO 11898,货车、拖车、大客车、建筑设备以及农业设备使用J1939;
        • C级通信由汽车3种信息组成：低速的车身电子信息，中速的参量传感器数据，高速的实时控制信号（动力控制模块PCM，防抱死系统ABS，安全气囊SRS/SIR）。