汽車(chē)電子中常用的通信協(xié)議—控制器局部網(wǎng)介紹

01 首語(yǔ)

隨著人們對(duì)汽車(chē)功能需求越來(lái)越多樣化、智能化，汽車(chē)的零部件（ECU，Electronic Control Unit）的數(shù)量也越來(lái)越多、越來(lái)越復(fù)雜，像自動(dòng)駕駛、主動(dòng)安全等功能加入，普通汽車(chē)搭載ECU數(shù)量大約為50-100個(gè)，而豪華智能汽車(chē)的ECU數(shù)量平均可達(dá)到300個(gè)以上。在如此龐大數(shù)量的ECU的汽車(chē)中，各個(gè)ECU之間是如何進(jìn)行信息交換、共同協(xié)作，以及ECU是如何完成在線升級(jí)（OTA，On The Air）的呢？本文將介紹汽車(chē)電子中常用的通信協(xié)議——控制器局部網(wǎng)（CAN，Controller Area Network）。

02 CAN基礎(chǔ)概念介紹

CAN通信技術(shù)是由博世（BOSCH）公司于1986 年開(kāi)發(fā)出面向汽車(chē)的一種通信協(xié)議，隨后通過(guò)ISO-11898和ISO-11519對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：

1、ISO-11898：定義了通信速率為 125 kbps～1 Mbps 的高速 CAN 通信標(biāo)準(zhǔn)，屬于閉環(huán)總線，傳輸速率可達(dá)1Mbps，總線長(zhǎng)度 ≤ 40米。

2、ISO-11519：定義了通信速率為 10～125 kbps 的低速 CAN 通信標(biāo)準(zhǔn)，屬于開(kāi)環(huán)總線，傳輸速率為40kbps時(shí)，總線長(zhǎng)度可達(dá)1000米。

CAN通信網(wǎng)絡(luò)是歐洲汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，在發(fā)展過(guò)程中，其高性能和可靠性被廣泛認(rèn)可，所以也會(huì)被使用在工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備中。

CAN是異步通信，與I2C、SPI這類(lèi)具有時(shí)鐘信號(hào)線的同步通信協(xié)議不同，CAN通信只有兩根信號(hào)線CAN_HIGH和CAN_LOW來(lái)組成一對(duì)差分信號(hào)線，下圖是在汽車(chē)電子中常見(jiàn)的ECU在CAN網(wǎng)絡(luò)的連接圖：

圖1 ECU連接圖

差分信號(hào)

差分信號(hào)又稱差模信號(hào)，與傳統(tǒng)使用單根信號(hào)線電壓表示邏輯的方式有區(qū)別，晶體管-晶體管邏輯電平（TTL）信號(hào)就是用的單根信號(hào)線的電壓值來(lái)表示邏輯值，其電平信號(hào)規(guī)定：+5V等價(jià)于邏輯1，0V等價(jià)于邏輯0。而使用差分信號(hào)傳輸時(shí)，需要兩根信號(hào)線，這兩個(gè)信號(hào)線的振幅相等，相位相反，通過(guò)兩根信號(hào)線的電壓差值（Vdiff，Voltage Difference）來(lái)表示邏輯0和邏輯1，Vdiff=CAN_H-CAN_L。CAN差分信號(hào)如下圖所示。

圖2 差分信號(hào)

CAN總線為隱性電平時(shí)代表邏輯1，CAN_H和CAN_L的電平為2.5V（電位差Vdiff為0V）；

CAN總線為顯性電平時(shí)代表邏輯0，CAN_H和CAN_L的電平分別是3.5V和1.5V（電位差Vdiff為2.0V左右）。

位時(shí)序

前面提到CAN是一種異步通信，沒(méi)有時(shí)鐘信號(hào)線，其通信過(guò)程類(lèi)似串口通信（Serial Communications），CAN控制器之間通過(guò)事先約定好的時(shí)序進(jìn)行通信，但CAN通信還會(huì)采用位同步（Bit Synchronization）的方式來(lái)抗干擾、吸收誤差，從而使得CAN控制器可以對(duì)總線信號(hào)進(jìn)行正確采樣，保證正常通信。

CAN 協(xié)議把每一個(gè)數(shù)據(jù)位的時(shí)序分解成如圖3所示的 Sync_Seg 段、Prop_Seg 段、Phase_Seg1 段、Phase_Seg2 段，這四段的長(zhǎng)度加起來(lái)為一個(gè) CAN 數(shù)據(jù)位的長(zhǎng)度。最小的時(shí)間單位是 Tq（Time Quantum），一個(gè)完整的位由 8-25 個(gè) Tq 組成。

圖3 位時(shí)間

Sync_Seg（同步段）

若通訊節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到總線上信號(hào)的跳變沿被包含在 Sync_Seg段的范圍之內(nèi)，則表示節(jié)點(diǎn)與總線的時(shí)序是同步的，當(dāng)節(jié)點(diǎn)與總線同步時(shí)，采樣點(diǎn)（Sampling Point）采集到的總線電平可被認(rèn)為該位的電平。Sync_Seg的大小固定為 1Tq。

Prop_Seg（傳播時(shí)間段）

這個(gè)時(shí)間段是用于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的物理延時(shí)時(shí)間。是總線上輸入比較器延時(shí)和輸出驅(qū)動(dòng)器延時(shí)總和的兩倍。Prop_Seg段的大小可以為 1-8Tq。

Phase_Seg1（相位緩沖段1）

這個(gè)時(shí)間段主要用來(lái)補(bǔ)償邊沿階段的誤差，它的時(shí)間長(zhǎng)度在重新同步的時(shí)候可以加長(zhǎng)。Phase_Seg1段的初始大小可以為 1-8Tq。

Phase_Seg2（相位緩沖段2）

這個(gè)時(shí)間段也是用來(lái)補(bǔ)償邊沿階段誤差的，它的時(shí)間長(zhǎng)度在重新同步時(shí)可以縮短。Phase_Seg2段的初始大小可以為 2-8Tq。

CAN收發(fā)器

ECU需要從總線中獲取CAN幀中的信號(hào)電平，轉(zhuǎn)化為邏輯電平，也就是將圖2 差分信號(hào)中的顯性電平和隱性電平轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的邏輯電平0和邏輯電平1，這樣在總線中的CAN幀就被轉(zhuǎn)換成程序中使用的CAN報(bào)文了。

這個(gè)步驟就是由CAN收發(fā)器（CAN Transceiver）來(lái)完成的，如圖1 ECU連接圖所示，其位于MCU和CAN Network之間，接收CAN總線上的CAN幀相關(guān)的信號(hào)電平并將其轉(zhuǎn)化為邏輯信息電平轉(zhuǎn)發(fā)給CAN控制器，并且也接收從CAN控制器傳輸過(guò)來(lái)的邏輯電平信息并將其轉(zhuǎn)化為信號(hào)電平傳從到CAN總線上。

03 CAN幀

CAN有五種幀的類(lèi)型：數(shù)據(jù)幀（Data Frame）、遠(yuǎn)程幀（Remote Frame）、錯(cuò)誤幀（Error Frame）、間隔幀（Can Interval Frame）和過(guò)載幀（Overload Frame） ，其中最復(fù)雜的幀類(lèi)型為數(shù)據(jù)幀，其作用是傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是可變的，一個(gè)經(jīng)典CAN（Classical CAN）數(shù)據(jù)幀可傳輸0-8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)內(nèi)容長(zhǎng)度，不含CAN幀的控制信息），而一個(gè)CAN FD（CAN with Flexible Data rate）的可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長(zhǎng)度可達(dá)64個(gè)字節(jié)，后文提到的CAN為經(jīng)典CAN。CAN幀會(huì)因其ID位數(shù)的不同而不同，以ID位數(shù)分為兩類(lèi)：標(biāo)準(zhǔn)幀（11位CAN Identifier）和擴(kuò)展幀（29位CAN Identifier）。

標(biāo)準(zhǔn)幀

如圖4所示，一個(gè)帶有11位CAN Identifier的幀以SOF（Start Of Frame）開(kāi)始，以EOF（End Of Frame）結(jié)束，其中包含五個(gè)區(qū)域，分別為仲裁區(qū)（Arbitration Field）、控制區(qū)（Control Field）、數(shù)據(jù)區(qū)（Data Field）、校驗(yàn)區(qū)（CRC Field）、應(yīng)答區(qū)（ACK Field）。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀

仲裁區(qū)

這個(gè)區(qū)域包含CAN Identifier的[28:18]，總共11位，其范圍為0x000-0x7FF，CAN Identifier的值越小會(huì)在CAN總線仲裁時(shí)擁有更高的優(yōu)先級(jí)（Priority）。RTR位用來(lái)指示該幀是否位遠(yuǎn)程幀（用來(lái)區(qū)分沒(méi)有數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀）。

控制區(qū)

IDE位用來(lái)指示該幀是否為擴(kuò)展幀；r0為保留位；DLC指示該幀數(shù)據(jù)區(qū)的長(zhǎng)度。

數(shù)據(jù)區(qū)

這里放著0-8個(gè)字節(jié)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

校驗(yàn)區(qū)

CRC（Cyclic Redundancy Check）：循環(huán)冗余校驗(yàn)；Delimiter：分隔符。

應(yīng)答區(qū)

ACK SLOT：應(yīng)答槽，發(fā)送方會(huì)將此位作為隱性電平發(fā)送，接收方成功接收后會(huì)將此位重寫(xiě)，以此來(lái)讓發(fā)送方知道此幀是否被成功發(fā)送。

擴(kuò)展幀

設(shè)計(jì)擴(kuò)展幀的目的是為了完成對(duì)更長(zhǎng)的CAN Identifier的傳輸，所以擴(kuò)展幀中的CAN Identifier使用到了ID[28:0]，一共是29位，如圖5所示，擴(kuò)展幀和標(biāo)準(zhǔn)幀大致相同，只有幾個(gè)地方有一些小的區(qū)別。

圖5 擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀

SRR位（Substitute Remote Request）：替代遠(yuǎn)程請(qǐng)求位

r0/r1位：保留位

04 CAN控制器

雖然有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范CAN通信，但是不同的芯片廠商對(duì)其功能的具體實(shí)現(xiàn)卻各不相同，不同點(diǎn)主要在CAN外設(shè)在芯片中的寄存器設(shè)計(jì)，各自驅(qū)動(dòng)程序自然也有區(qū)別，但在CAN總線上發(fā)出和接收的CAN幀都和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一致。下面是一些具體的例子來(lái)描述CAN控制器的大致工作機(jī)制。

Cypress Traveo II系列芯片是英飛凌專為汽車(chē)應(yīng)用設(shè)計(jì)的32位MCU，其CAN控制器支持經(jīng)典CAN和CAN FD（ISO 11898-1:2015）。收發(fā)CAN幀時(shí)支持多種模式，給應(yīng)用帶來(lái)更多可能，方便實(shí)現(xiàn)不同的場(chǎng)景需要。

消息區(qū)

Traveo II系列MCU的CAN控制器具有一塊消息區(qū)（MRAM，Message RAM），其地址范圍與程序運(yùn)行時(shí)使用的RAM地址范圍是隔離的，也就是說(shuō)CAN控制器用來(lái)存儲(chǔ)接收/發(fā)送的CAN幀以及自身的配置信息的MRAM和程序規(guī)定的堆、棧等RAM區(qū)域是不沖突的，這樣也可以有效避免程序的可能存在的錯(cuò)誤導(dǎo)致CAN幀的數(shù)據(jù)被篡改。圖6是Trave II MRAM中關(guān)于CAN的配置。

圖6 MRAM包含的區(qū)域

從圖中可以看出，Traveo II 的CAN控制器的MRAM的地址是以32位對(duì)齊的，從上向下看，首先是CAN ID的配置信息，根據(jù)配置CAN控制器中相關(guān)寄存器，可將CAN ID初始化為11位或29位，并將不同的CAN ID寫(xiě)入不同的區(qū)域。

接下來(lái)是存儲(chǔ)CAN幀的關(guān)鍵區(qū)域，這里存著CAN控制器從總線接收到符合上面已經(jīng)配置好的CAN ID的CAN幀、即將要發(fā)送的CAN幀，從圖中可以看出接收/發(fā)送時(shí)可以使用FIFO（實(shí)際也有Queue）模式和Buffer模式，后面會(huì)詳細(xì)介紹不同的模式的工作方式以及CAN幀的內(nèi)部構(gòu)造。

接收

前面提到接收有兩種工作模式，分別是FIFO（Queue）和Buffer，Buffer模式工作過(guò)程簡(jiǎn)單，一旦有CAN幀被CAN控制器存入Buffer內(nèi)，相應(yīng)的中斷處理函數(shù)就會(huì)被觸發(fā)來(lái)處理對(duì)應(yīng)的CAN幀。而FIFO和Queue模式就復(fù)雜一些，如圖7所示，這是一個(gè)擁有8個(gè)Rx CAN幀塊（英飛凌Traveo II官方手冊(cè)中稱為Rx Element）的FIFO區(qū)域，不難看出，有兩個(gè)關(guān)鍵的標(biāo)志Get Pos和Put Pos，分別用來(lái)指示當(dāng)前CAN幀獲取位置和下一個(gè)CAN幀存放位置。此時(shí)FIFO區(qū)域中已經(jīng)存在了3個(gè)CAN幀等待讀取，當(dāng)驅(qū)動(dòng)程序?qū)AN幀從MRAM中讀取完畢時(shí)，會(huì)設(shè)置對(duì)應(yīng)寄存器來(lái)通知CAN控制器，然后Get Pos和Put Pos會(huì)指向同一個(gè)CAN幀塊（為空狀態(tài)）。

圖7RxFIFO

如圖8所示，這是一個(gè)由CAN控制器從CAN收發(fā)器上傳來(lái)的CAN幀的內(nèi)部構(gòu)造，這里還是把它稱作Rx CAN幀塊，其內(nèi)容包含了一些前面講到的CAN數(shù)據(jù)幀的一些控制位、數(shù)據(jù)位，還有一些是為了兼容CAN FD所預(yù)留的，這里只介紹和經(jīng)典CAN的相關(guān)內(nèi)容，CAN FD的大同小異。

圖8 Rx CAN幀塊

XTD位：指示該幀為標(biāo)準(zhǔn)幀還是擴(kuò)展幀，若此位為0則該幀是標(biāo)準(zhǔn)幀，ID中[28:18]是有效CAN ID，即該幀CAN ID為11位；若此位為1則該幀是擴(kuò)展幀，ID中[28:0]全部是有效CAN ID內(nèi)容，即該幀CAN ID為29位。

RTR位：用來(lái)區(qū)分該幀為遠(yuǎn)程請(qǐng)求幀還是數(shù)據(jù)幀，若此位為0則該幀是數(shù)據(jù)幀，若此位為1則該幀是遠(yuǎn)程請(qǐng)求幀。

DLC[3:0]：此4位數(shù)據(jù)用來(lái)指示該幀含有的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，本文只討論經(jīng)典CAN，所以DLC規(guī)定的范圍應(yīng)該在0-8字節(jié)。

R2-R3：這兩行數(shù)據(jù)就是數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)域中的內(nèi)容，經(jīng)典CAN最多傳輸8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，這樣一個(gè)CAN幀塊最大支持8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，DB0-DB7。

發(fā)送

CAN控制發(fā)送過(guò)程就相對(duì)復(fù)雜一些，因?yàn)樯蠈討?yīng)用可能需要發(fā)多種CAN ID報(bào)文，其報(bào)文優(yōu)先級(jí)有高有低，高優(yōu)先級(jí)需要盡快發(fā)出，低優(yōu)先級(jí)則可以在緩沖區(qū)中等待優(yōu)先級(jí)更高的CAN幀發(fā)送完，再發(fā)出。

圖9 同時(shí)使用Tx Buffer和Tx FIFO

如圖9所示，當(dāng)同時(shí)使用Tx Buffer和Tx FIFO時(shí)，CAN控制器每次都會(huì)掃描這些區(qū)域，當(dāng)前狀態(tài)下，Tx Buffer中一個(gè)CAN ID為2的CAN幀等待發(fā)送，因?yàn)樗荰x Buffer區(qū)域中CAN ID最小的，并且比Tx FIFO中處于Get Pos的這一幀（CAN ID為4）小，所以它擁有最高優(yōu)先級(jí)，這一幀將會(huì)最先被發(fā)出去，第二次CAN控制器再次掃描這些區(qū)域，發(fā)現(xiàn)處于Tx FIFO中Get Pos的這一幀（CAN ID為4）是這些區(qū)域中最小的（包括Tx Buffer），所以第二次將會(huì)發(fā)送CAN ID為4的這一幀，如此往復(fù)，直到這些區(qū)域內(nèi)的所有Tx CAN幀塊被全部通過(guò)CAN收發(fā)器轉(zhuǎn)換為信號(hào)電平發(fā)送到總線上。

圖10 Tx Element

如圖10所示，與Rx Element類(lèi)似，XTD、RTR、ID、DLC以及DB0-DB7的用法與Rx Element一致，只有部分內(nèi)容有不同。

MM[7:0]：Message Marker，這是一個(gè)與發(fā)送事件（Tx Event）相關(guān)的信息。

EFC（Event FIFO Control）位：該位表示該幀是否有將發(fā)送事件存在對(duì)應(yīng)的MRAM中。

FDF位：此位用來(lái)標(biāo)識(shí)該幀是否為一個(gè)CAN FD幀。

BRS（Bit Rate Switching）位：當(dāng)該幀位CAN FD幀（即FDF為1時(shí)），此位才有效，決定該幀在發(fā)送時(shí)是否啟用速率切換（Rate Switching），以更高的速度傳輸。

更多與Traveo II發(fā)送和接收CAN幀相關(guān)的細(xì)節(jié)，大家可以去查閱英飛凌提供的技術(shù)手冊(cè)TRM。

05 總結(jié)

CAN通信已經(jīng)存在了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間了，其強(qiáng)大的性能和相對(duì)高的穩(wěn)定性讓其不僅在汽車(chē)領(lǐng)域大顯身手，還被廣泛用在各種有性能和穩(wěn)定性有要求的領(lǐng)域，但在人民日益增長(zhǎng)的需求下，其缺點(diǎn)被逐漸放大，例如其每一幀的數(shù)據(jù)負(fù)載量較?。恳粠夹枰獛в蠧ANID和一些控制信息）、速率有限，好在CANFD的出現(xiàn)，將每一幀可傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)增加至64字節(jié)，并增加了波特率，極大的改進(jìn)了經(jīng)典CAN通信。

隨著時(shí)代的變化，大家對(duì)新能源車(chē)的要求越來(lái)越高，更復(fù)雜的娛樂(lè)功能、高級(jí)輔助駕駛、自動(dòng)駕駛功能等等，CAN通信在這些功能的就有點(diǎn)力不從心了，現(xiàn)在出現(xiàn)FlexRay、車(chē)載以太網(wǎng)等一些新的通信技術(shù)，隨著這些有趣的技術(shù)快速發(fā)展，讓我們來(lái)看看會(huì)發(fā)生什么。