摘要

該專(zhuān)題連載共分為“五”篇，這是第四篇。在上一篇文章中，我們?cè)敿?xì)解釋了 CAN（控制器局域網(wǎng)）協(xié)議，但這次我們將重點(diǎn)關(guān)注物理層，并介紹 CAN 中的通信線(xiàn)路機(jī)制。

與之前的控制說(shuō)明不同，本文將主要側(cè)重于硬件相關(guān)的主題，但如果您正確理解了這里的內(nèi)容，那么在實(shí)際實(shí)施和測(cè)試 CAN 時(shí)肯定會(huì)有所幫助。

點(diǎn)擊閱讀：車(chē)載網(wǎng)絡(luò)CAN（一）：CAN協(xié)議基礎(chǔ)知識(shí)

點(diǎn)擊閱讀：車(chē)載網(wǎng)絡(luò)CAN（二）：CAN通信的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制

點(diǎn)擊閱讀：車(chē)載網(wǎng)絡(luò)CAN（三）：“幀”的結(jié)構(gòu)、用法和錯(cuò)誤處理方法

連接到CAN總線(xiàn)

首先，我們來(lái)看看每個(gè)節(jié)點(diǎn)（CAN 控制器）是如何連接到 CAN 總線(xiàn)（通信線(xiàn)路）的。

下面是一個(gè)高速 CAN 連接到 CAN 總線(xiàn)的示例（圖 1）。

圖1、連接至CAN總線(xiàn)

·微控制器

處理發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)，以及節(jié)點(diǎn)處理。

·CAN協(xié)議控制器：

實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)議功能（位填充、通信仲裁、錯(cuò)誤處理、CRC校驗(yàn)等）。包含一個(gè)濾波器。

·生成和調(diào)節(jié)CAN 收發(fā)器

總線(xiàn)傳輸電壓，確保工作電流，并保護(hù)線(xiàn)路。

它用于抑制終端電阻器的反射電壓并調(diào)節(jié)母線(xiàn)電平。

如圖1所示，CAN控制器通過(guò)CAN收發(fā)器連接到CAN總線(xiàn)。物理層標(biāo)準(zhǔn)（例如高速CAN和低速CAN）的差異由CAN收發(fā)器吸收。這意味著CAN控制器不受任何物理層的影響，CAN協(xié)議機(jī)制可以通用。

CAN控制器分類(lèi)

接下來(lái)，我們將介紹 CAN 控制器的分類(lèi)，如下圖所示（圖 2）。

圖2、CAN 控制器分類(lèi)

因安裝類(lèi)型而異

有兩種模式：“微控制器外部（獨(dú)立式） ”和“微控制器內(nèi)置”，但目前大多數(shù)都是內(nèi)置于（安裝在）微控制器中的。

協(xié)議版本之間的差異

CAN協(xié)議有兩種標(biāo)準(zhǔn)： “標(biāo)準(zhǔn)格式（2.0A） ”和“擴(kuò)展格式（2.0B） ”。這兩者之間的主要區(qū)別在于消息ID的長(zhǎng)度。

信息管理至關(guān)重要

根據(jù)處理消息發(fā)送和接收的方法，CAN 可分為“基本 CAN ”和“完整 CAN ”。

因安裝類(lèi)型而異

半導(dǎo)體制造商銷(xiāo)售各種產(chǎn)品，包括用于不具備CAN控制器功能的微控制器的獨(dú)立CAN控制器，以及內(nèi)置CAN控制器功能的微控制器，使用戶(hù)能夠選擇最適合其需求的產(chǎn)品。由于目前市場(chǎng)上大多數(shù)汽車(chē)微控制器都內(nèi)置了CAN控制器功能，因此采用CAN對(duì)成本等方面的影響不大。

協(xié)議版本之間的差異

接下來(lái)，我們來(lái)看一下 CAN 協(xié)議版本之間的差異（圖 3）。

圖3、不同協(xié)議版本之間的差異

所有協(xié)議版本均可發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)格式 (2.0A)。擴(kuò)展格式 (2.0B) 無(wú)法使用協(xié)議版本 2.0A 發(fā)送或接收，接收時(shí)會(huì)發(fā)送錯(cuò)誤幀。因此，如果將協(xié)議版本 2.0A 的節(jié)點(diǎn)混用在承載擴(kuò)展格式的 CAN 總線(xiàn)上，即使是正常的通信也會(huì)因來(lái)自協(xié)議版本 2.0A 節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤幀而中斷。

協(xié)議版本 2.0B 被動(dòng)模式與協(xié)議版本 2.0A 相同，都無(wú)法發(fā)送或接收擴(kuò)展格式數(shù)據(jù)，但它在接收時(shí)會(huì)忽略擴(kuò)展格式數(shù)據(jù)，并且不會(huì)發(fā)送錯(cuò)誤幀。協(xié)議版本 2.0B 主動(dòng)模式允許發(fā)送和接收擴(kuò)展格式數(shù)據(jù)。

因此，在配置使用擴(kuò)展格式的 CAN 網(wǎng)絡(luò)時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的 CAN 控制器必須僅配置為啟用協(xié)議版本 2.0B。如果同時(shí)處理擴(kuò)展格式和標(biāo)準(zhǔn)格式，則不處理擴(kuò)展格式的節(jié)點(diǎn)使用被動(dòng)協(xié)議版本 2.0B，而處理擴(kuò)展格式的節(jié)點(diǎn)使用主動(dòng)協(xié)議版本 2.0B，就不會(huì)出現(xiàn)通信問(wèn)題。

信息管理至關(guān)重要

接下來(lái)，讓我們用圖表來(lái)比較消息管理方面的差異。

基本 CAN 的發(fā)送和接收緩沖區(qū)比全 CAN 少，用于中低速通信（圖 4）。

另一方面，F(xiàn)ull-CAN 比 Basic-CAN 具有更多的發(fā)送和接收緩沖區(qū)，用于高速通信（圖 5）。

圖4、基本型CAN

5、Full-CAN

高速CAN和低速CAN

高速 CAN

高速CAN總線(xiàn)通信速度最高可達(dá)1 Mbit/s，因此主要用于需要高速數(shù)據(jù)交換的動(dòng)力總成系統(tǒng)。通信采用雙線(xiàn)制，電壓差決定顯性/隱性通道，使其不易受外部噪聲干擾（雙線(xiàn)差分電壓法）。CAN_H和CAN_L之間的電壓差設(shè)定為1.8 V，CAN收發(fā)器由兩個(gè)120 Ω終端電阻提供30 mA的電流驅(qū)動(dòng)（圖6）。

圖6、低速CAN

CAN位定時(shí)-段類(lèi)型

接下來(lái)，我們將解釋向 CAN 總線(xiàn)發(fā)送信號(hào)時(shí)必須考慮的要點(diǎn)。

首先，構(gòu)成發(fā)送到 CAN 總線(xiàn)的信息的 1 位信號(hào)中的每個(gè)段都有其類(lèi)型。段類(lèi)型的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7、線(xiàn)段類(lèi)型

根據(jù) ISO 11898 和 ISO 11519-2 標(biāo)準(zhǔn)，CAN 位時(shí)間被分為四個(gè)互不重疊的段：

“SYNC_SEG（同步段）”

　執(zhí)行位同步時(shí)，該段用作起始位置（CAN 控制器通過(guò)延長(zhǎng)或縮短位時(shí)間來(lái)同步）。

“PROP_SEG（傳播時(shí)間段）”

　該段補(bǔ)償由各種因素（輸出緩沖區(qū)、CAN 總線(xiàn)、輸入緩沖區(qū)）引起的延遲時(shí)間（傳播延遲）。

“PHASE_SEG1（相位緩沖段 1）”

“PHASE_SEG2（相位緩沖段 2）”

振蕩器振蕩誤差由下一次重新同步時(shí)序進(jìn)行補(bǔ)償。如果使用誤差較大的振蕩器，則必須設(shè)置較大的相位緩沖段（在這種情況下，通信速度會(huì)降低）。

CAN 位時(shí)序 - 傳輸延遲時(shí)間

CAN 總線(xiàn)通過(guò)通信線(xiàn)路發(fā)送電信號(hào)進(jìn)行通信。在這種情況下，由于各種因素，會(huì)產(chǎn)生處理延遲。例如，這些延遲包括“CAN 控制器中的處理時(shí)間”、“CAN 收發(fā)器中的信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)間”以及“CAN 總線(xiàn)上的延遲時(shí)間”。由于 CAN 總線(xiàn)是雙向通信系統(tǒng)，因此必須考慮這些傳輸延遲。

使用“PROP_SEG（傳播時(shí)間段）”對(duì)該傳輸延遲進(jìn)行補(bǔ)償，計(jì)算方法如圖8所示。

圖8、傳輸延遲時(shí)間

·CAN 控制器中的延遲時(shí)間：tCAN

·收發(fā)器接收延遲時(shí)間：tRX

·收發(fā)器傳輸延遲時(shí)間：tTX

·Bus延誤時(shí)間：tBus

·Bus長(zhǎng)度：lBus

·信號(hào)傳輸速率：vBus

CAN位時(shí)序-用于通信仲裁和識(shí)別的時(shí)序控制

接下來(lái)，我們將解釋傳輸延遲時(shí)間如何影響通信。通過(guò)考慮確認(rèn)（ACK）部分，這一點(diǎn)可以很容易地理解。

發(fā)送方發(fā)送一個(gè)確認(rèn)時(shí)隙（實(shí)際上處于隱性狀態(tài)），接收方識(shí)別到該確認(rèn)時(shí)隙，并發(fā)送一個(gè)確認(rèn)時(shí)隙（假設(shè)接收正常且處于顯性狀態(tài)）。如果發(fā)送方能夠在確認(rèn)時(shí)隙的采樣點(diǎn)識(shí)別到接收方發(fā)送的確認(rèn)時(shí)隙，則可以進(jìn)行正常的通信（圖9）。

圖9、通信仲裁和識(shí)別的時(shí)序控制

節(jié)點(diǎn) (1)到節(jié)點(diǎn) (2)的信號(hào)延遲是由以下因素造成的：

1. 輸出驅(qū)動(dòng)器延遲時(shí)間 (tCAN + tTX)；

2. 總線(xiàn)延遲時(shí)間 tBus；

3. 輸入驅(qū)動(dòng)器（比較器等）延遲時(shí)間 (tCAN + tRX)。

如果節(jié)點(diǎn)（2）與節(jié)點(diǎn)（1）同步，并且兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都在仲裁中，則節(jié)點(diǎn)（1）必須先從節(jié)點(diǎn)（2）接收信息，然后才能對(duì)總線(xiàn)進(jìn)行采樣。

為確保正常運(yùn)行，必須滿(mǎn)足以下條件：

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，必須滿(mǎn)足 (tACAN + tATX) = (tBCAN + tBTX) 且 (tACAN + tARX) = (tBCAN + tBRX)。

CAN位定時(shí)-同步

我們已經(jīng)解釋了數(shù)據(jù)段的類(lèi)型和傳輸延遲時(shí)間，但它們的主要用途是時(shí)序控制（同步）。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，如果該數(shù)據(jù)的起始位置落在接收節(jié)點(diǎn)的“SYNC_SEG（同步段）”內(nèi)，則發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)可以被認(rèn)為是同步的。然而，在某些情況下，由于某些原因，發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)可能會(huì)失去同步。

當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，如果接收節(jié)點(diǎn)的“SYNC_SEG（同步段）”比該數(shù)據(jù)的起始時(shí)間快，則接收節(jié)點(diǎn)的“TSEG_1”將增加 CAN 控制器中設(shè)置的“SJW”，以便從下次開(kāi)始啟用同步。

如果發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，并且該數(shù)據(jù)的開(kāi)始時(shí)間晚于接收節(jié)點(diǎn)的“SYNC_SEG”，則接收節(jié)點(diǎn)將從發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的開(kāi)頭開(kāi)始發(fā)送下一個(gè)比特（導(dǎo)致前一個(gè)比特的長(zhǎng)度變短），從而實(shí)現(xiàn)同步。

該時(shí)序控制按圖所示執(zhí)行。

圖10、同步

圖 10 中總線(xiàn)上三個(gè)節(jié)點(diǎn)的行為如下：

·節(jié)點(diǎn)（1）完全同步，其邊位于“tSYNC”槽內(nèi)。

·節(jié)點(diǎn) (2) 的觸發(fā)時(shí)間過(guò)早。當(dāng)隱性基因轉(zhuǎn)顯性基因的事件發(fā)生時(shí)，“tTSEG_1”的第二個(gè)周期處于激活狀態(tài)。為了糾正這種錯(cuò)誤的同步，需要將“tTSEG_1”延長(zhǎng)兩個(gè)周期。圖 10顯示，下一個(gè)事件按預(yù)期落在了“tSYNC”周期內(nèi)。

·節(jié)點(diǎn) (3)為時(shí)已晚。當(dāng)隱性基因向顯性基因轉(zhuǎn)變時(shí)，“tTSEG_2”的最后一個(gè)循環(huán)仍然處于激活狀態(tài)。由于“tTSEG_2”的縮短，該片段被設(shè)置為“tSYNC”。

規(guī)則

·僅使用隱性到顯性邊緣進(jìn)行重新同步。

·采樣點(diǎn)之前的邊緣導(dǎo)致“tTSEG_1”的擴(kuò)展。

·采樣點(diǎn)之后的邊緣導(dǎo)致“tTSEG_2”縮短。

·延長(zhǎng)或縮短位時(shí)間的最大周期必須等于或小于 CAN 控制器設(shè)定的重新同步跳變寬度 (SJW)。

通信速度和距離

通信速度和通信距離如圖 11所示。

圖11、通信速度和通信距離

雖然通信距離會(huì)因延遲時(shí)間略有不同，但通常來(lái)說(shuō)，通信速度越慢，通信距離越長(zhǎng)。隨著通信速度的降低，單個(gè)比特的長(zhǎng)度也會(huì)增加，因此在考慮確認(rèn)時(shí)隙部分時(shí)，需要預(yù)留更多時(shí)間用于確認(rèn)時(shí)隙和確認(rèn)信息的發(fā)送和接收，從而可以延長(zhǎng)通信距離。采用CAN總線(xiàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和通信距離選擇合適的通信速度。

與之前的文章不同，這次我們不僅講解了控制機(jī)制，還講解了實(shí)際的通信線(xiàn)路機(jī)制（物理層）。至此，我們對(duì)CAN總線(xiàn)的概述以及CAN協(xié)議的內(nèi)容就介紹完畢了。然而，僅憑這些概述，很難掌握具體的應(yīng)用方法，例如在實(shí)際應(yīng)用中“如何使用它？”。

下一篇文章，我們將講解一些在實(shí)踐中真正有用的“實(shí)用內(nèi)容”。更多內(nèi)容，關(guān)注牛喀網(wǎng)，學(xué)習(xí)更多汽車(chē)科技。有興趣的朋友，可以添加牛小喀微信：NewCarRen，加入專(zhuān)家社群參與討論。

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