摘要

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

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

點擊閱讀：車載網絡CAN（一）：CAN協議基礎知識

點擊閱讀：車載網絡CAN（二）：CAN通信的數據傳輸機制

點擊閱讀：車載網絡CAN（三）：“幀”的結構、用法和錯誤處理方法

點擊閱讀：車載網絡CAN（四）：CAN控制器的分類和工作原理

CAN應用范圍

CAN現在已應用于眾多領域，而不僅僅局限于汽車行業。讓我們再次來看一下CAN的應用范圍。

CAN總線的應用范圍很廣，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總線的協議，稱為“CANopen”，主要用于工業設備（圖1）。

圖1、CAN的應用范圍

因此，CAN 是一種幾乎所有汽車（普通乘用車、大型車輛等）都使用的通信協議，也應用于工業設備和工廠自動化 (FA) 領域。本系列文章主要關注 CAN 作為車載網絡（針對普通乘用車）的應用，但如果您能正確理解 CAN 的工作原理，對于汽車以外其他應用的 CAN 設計和開發工作也必將大有裨益。

現在我們對 CAN 的應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數據分析

在開發過程中，一項需要頻繁執行的任務是“分析通信內容”。本文將通過具體示例，解釋分析 CAN 數據所需的步驟。

首先，讓我們使用常見的測量設備來分析通信內容。

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

圖2、CAN通信波形

圖3、位轉換

當沒有車載網絡測量設備可用時，通常會使用像這樣的通用測量設備。然而，雖然這類通用測量設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據卻極其困難。

另一方面，目前大多數車載網絡測量設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合的，這使得數據采集比通用測量設備更加便捷。然而，它們與通用測量設備并無本質區別，都需要將通信波形與通信規范進行比較。

“ CAN數據庫”（圖4）　用作將這些通信波形與通信規范進行比較的機制。這不僅能夠對已傳輸和更新的數據進行實時自動分析，而且還允許多個開發人員使用同一個CAN數據庫，從而最大限度地減少因開發人員對規范理解的差異而造成的影響。此外，只需更改CAN數據庫，即可使用相同的車載網絡測量設備更改規范，這還有一個額外的好處，即開發人員可以立即將熟悉的環境用于其他開發項目。

圖4、CAN數據庫

現在讓我們仔細看看 CAN 數據庫的內容是什么樣的。

基本上，CAN 數據庫是將 CAN 通信規范翻譯成測量儀器可以讀取的形式，并且包含與通信規范相同的內容。

在 CAN 數據庫中，CAN 數據幀通常表示為“消息”。設計人員可以自由設置數據幀內數據字段（最多 8 個字節）的使用方式，從而允許自由混合使用 1 字節數據、2 字節數據、1 位數據等等。這些單獨的數據片段通常被稱為“信號”（圖 5）。

圖5、信息與信號的關系

對于消息，可以定義“ID”、“消息名稱”、“DLC”、“格式”、“包含的信號”、“發送節點”、“每個信號在消息中的位置”等。

在CAN總線上傳輸信號時，數據與實際值（例如，物理值，如km/h或Nm）之間經常存在差異。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，則實際速度應變化0.25 km/h”，以及根據信號物理值范圍所需的偏移量。在CAN數據庫中，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、字節順序、最小值和最大值以及單位。

對于網絡節點，可以定義“節點名稱”、“要接收的信號”和“網絡管理關系”。

使用包含這些信息的 CAN 數據庫可以輕松分析各種類型的 CAN 數據。圖 6 顯示了使用車載網絡測量軟件時，使用 CAN 數據庫和不使用 CAN 數據庫之間的區別。當 ID、DLC、數據字段等的內容以與通信規范相同的格式顯示時（使用 CAN 數據庫），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數據庫與不使用CAN數據庫的區別

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范各不相同，因此在大多數情況下，每個制造商的 CAN 數據庫內容也不同，所以這一點需要注意。

CAN在汽車中的應用

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

如你所知，CAN 總線的主要用途是 ECU 之間交換數據（ECU 間通信）。為此，有多種通信方式，例如周期性發送數據或在特定事件發生時發送數據。但是，如果您將周期性傳輸視為由 ECU 內部定時器觸發的事件，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，但如今其應用已十分廣泛，可被視為車載網絡的基礎，并且越來越多地用于 ECU 間數據交換以外的其他用途。例如，在診斷每個 ECU 的故障時，現在不再使用傳統的專用通信線路，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 內部數據（標定）并讀取內部值。

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建一個多通道系統，根據需要通過單獨的通道發送通信。

除了CAN的多通道特性外，越來越多的車載網絡協議也開始在同一輛車內使用，例如LIN和FlexRay。具體來說，LIN用于傳感器/執行器領域，因為在這些領域使用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域。因此，不同的應用場景會采用不同的通信協議。

在這種情況下，同一輛車內會配置使用不同協議的車載網絡，但各個網絡很少單獨通信；大多數情況下，會安裝一個網關來轉換協議并將必要的信息傳輸到其他網絡。

CAN總線問題示例

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

問題1：規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 總線上其他節點有數據幀，則會等待發送。因此，通常無法以極其精確的周期發送數據（盡管通信規范通常會規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致總線處于關閉狀態。

問題 3：上電時出現錯誤幀

這可能發生在每個節點初始化期間。也可能發生在節點初始化期間無法發送確認信息時。

問題 4：無法使用測量設備進行測量

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

問題5：錯誤幀頻繁出現或通信異常

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

問題 6：容易發生掉線事故

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

CAN協議概述

最后，作為對目前為止所涵蓋內容的總結，我們將介紹與 CAN 相關的關鍵詞及其特點（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。以下是一些您務必牢記的重要特性和關鍵詞。

·采用線型總線結構，可以方便地進行布線設計，即使以后需要添加節點，也可以相對容易地完成。

·多主系統允許每個節點按照統一的規格進行設計，可以說在通信方面是平等的。

·CSMA/CA允許來自多個節點的數據幀在發生沖突時不會被銷毀，從而實現數據傳輸。

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

·它是一種具有優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。

·錯誤計數器根據每個節點的狀態進行控制，如果一個節點頻繁出現錯誤，它會關閉總線或將錯誤標志設置為隱性，以最大限度地減少對通信的影響。

·當每個節點執行協同控制時，它們可以使用相同的數據，從而保持數據一致性。這是因為系統具有一種機制，在出現異常情況時，會重新傳輸數據，直到所有節點都能正常接收數據為止。

·其最大通信速度為 1Mbps，可用于車載網絡的大部分領域。

CAN協議

接下來，我們回顧一下CAN協議。下面列出了一些您務必牢記的重要特性和關鍵詞。

·CAN 數據傳輸主要使用數據幀，根據格式的不同，數據幀分為標準格式（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據幀，但現在很少使用。

·如果在通信過程中檢測到異常，可以發送錯誤幀來通知連接到網絡的節點該異常情況。

·如果節點在接收數據幀時處理能力不足，可以發送一個過載幀來延遲下一個數據幀的傳輸。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，當多個節點同時發送數據幀和遠程幀時，會進行通信仲裁，優先級由ID決定。ID值越小，優先級越高。該ID可以在網絡設計時設置。

·當接收到數據幀時，連接到網絡的節點會將接收到的內容與 CRC 進行比較，如果正常，則會發送確認信息，通知發送節點通信正在正常進行。

·發送錯誤幀的節點會根據具體情況遞增自身的錯誤計數器。該錯誤計數器的值決定了節點的狀態，在某些情況下，節點可能會因此失去發送能力。這種機制可以防止網絡通信中斷。

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 CAN 協議所需的電子元件，根據安裝類型、協議版本、消息管理等進行分類。

·根據協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。

·可以根據所使用的通信速度選擇消息管理方式。

·根據應用場景的不同， CAN總線分為高速CAN和低速CAN 。每種類型都根據不同的應用場景使用，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。

·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。此外，即使一條通信線路斷開，也能僅使用另一條線路繼續通信（容錯性）。

本文全面概述了CAN協議，包括采用CAN協議所需的知識，例如“數據分析”、“應用示例”和“故障示例”。如果您想了解更多關于CAN的信息，建議參考ISO11898發布的CAN協議規范。

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