CAN总线技术及其应用

寇念泽

[摘要]CAN是国际上应用最广泛的现场总线之一。本文主要分析了CAN总线的技术特点及其应用趋势，对CAN总线在汽车领域的应用进行了深入的分析。

[关键词]CAN总线；汽车；应用

[中图分类号]TN915[文献标识码]A[文章编号]1005-6432（2014）31-0050-02

在汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN（Controllor Area Networh）通信协议。此后，CAN通过ISO11898及ISO11519进行了标准化，在欧洲已是汽车网络的标准协议。

CAN的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。

在北美和西欧西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。

1CAN总线技术原理简介

1.1CAN总线的分层结构

CAN协议定义了ISO/OSI参考模型的物理层及数据链路层[1]，如下图所示。

CAN的ISO/OSI参考模型的层结构

物理层定义信号是如何实际传输，涉及位定时、位编码/解码、同步的解释。数据链路层包含介质访问控制子层MAC（Medium Access Control）和逻辑链路控制子层LLC（Logical Link Control）。其中，MAC子层是CAN协议的核心，负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定，把接收到的报文提供给LLC子层，并接受来自LLC子层的报文；LC子层涉及报文滤波、过载通知和恢复管理。

1.2CAN报文格式

CAN总线上的信息以报文的形式进行传输，报文传输分为四种不同类型的帧：数据帧、远程帧、错误帧和过载帧。

数据帧从一个发送器承载数据到一个接收器。根据CAN规范，有两种数据帧格式：CAN标准帧（也称为CAN2.0A，支持11位长度的标识符）和CAN扩展帧（也称为CAN2.0B，支持29位长度的标识符）。远程帧是由一个接收CAN节点发送，用来请求带有远程帧中规定的标识符的数据帧。错误帧将任何总线错误通知其他单元，在接收到这个帧时发送器会自动进行消息重发。过载帧由一个忙的CAN节点送出，以请求在前后数据帧之间增加一个额外的延迟。

标准格式的数据帧，开始是帧起始SOF（Start-Of-Frame）；其后是11位标识符和远程发送请求位RTR（Remote Transmission Request），这两部分构成了仲裁域；控制域由6位组成，它表示了后面数据域中的字节数目；数据域由数据帧里发送的数据组成可为0～8个字节；数据域后面是循环冗余码CRC（Cyclic Redundancy Checksum）域，它用于接收器检验所接受到的位序列；两位的应答域ACK（acknowledgment）用于发送器接收任意接收器所发出的应答；最后是帧结尾EOF（End-Of-Frame）它包括7个位。

1.3CAN总线仲裁机制

CAN总线采用显性（Dominant）和隐性（Recessive）两个互补的逻辑值表示0和1。它采用非归零（NRZ）编码，所有节点以“线与”方式连接至总线。如果存在一个节点向总线传输逻辑0，则总线呈现逻辑0状态，而不管有多少个节点在发送逻辑1。CAN网络的所有节点可能试图同时发送，但其简单的仲裁规则确保仅有一个节点控制总线、并发送信息。

解决总线访问冲突的仲裁规则是通过仲裁每个标识位，即每个节点都逐位监测总线电平。按照“线与”机制，即显性状态（逻辑0）能够改写隐性状态（逻辑1），当某个节点失去总线分配竞争时，则表现为隐性发送和显性观测状态。所有退出竞争的节点成为那些最高优先级信息的接收器，并且不再试图发送自己的信息，直至总线再次空闲。

1.4CAN错误检测机制

CAN拥有互补的错误检测机制，错误漏检的概率几乎为零。它包含有位检查、位填充检查、格式检查、应答检查和循环冗余检查（CRC：Cycle Redundancy Check）五种不同的错误检查方法。

位检查：发送报文的站观测总线电平并探测发送位和接收位的差异，在仲裁阶段不进行位检查；位填充检查：发送站在发送五个连续相等位后会自动插入一个与之互补的补码位，接收时这个填充位被自动丢掉。如果在一帧报文中有6个相同位，CAN就知道发生了错误；格式检查：这种方法通过位场检查帧的格式和大小来确定报文的正确性，用于检查格式上的错误；应答检查：被接收到的帧由接收站通过明确的应答来确认。如果发送站未收到应答，那么表明接收站发现帧中有错误；循环冗余检查（CRC）：在一帧报文中加入冗余检查码，接收站通过CRC可判断报文是否有错。

2CAN总线技术的特点

CAN总线是德国BOSCH公司从20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率最高可达1Mbps。

CAN与其他现场总线相比，具有突出的可靠性、实时性和灵活性，其技术特点如下：

①CAN从本质上讲是一种多主或对等网络，网络上任一节点均可主动发送报文。②废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据进行编码；通过报文过滤，可实现点对点、多点播送（传送）、广播等几种数据传送方式。③采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低。④具有多种检错措施及相应的处理功能，检错效果极好，处理功能很强，保证了通信的高可靠性。包括位错误和位填充错误检测、CRC校验、报文格式检查和应答错误检测及相应的错误处理。⑤通信介质（媒体）可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。⑥总线长度可达10km（速率为5kbps及其以下）；网络速度可达1Mbps（总线长度为40m及其以下）。⑦网络上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个；标准格式的报文标识符可达2032个，而扩展格式的报文标识符的个数几乎不受限制。⑧通过报文标识符来定义节点报文的优先级。对于实时性要求不同的节点报文，可定义不同级别的优先级，从而保证高优先级的节点报文得到优先发送。⑨采用非破坏性逐位仲裁机制来解决总线访问冲突。通过采用这种机制，即使在网络负载很重时，也不会出现网络瘫痪现象。⑩发生严重错误的节点具有自动关闭输出的功能，以使总线上其他节点的通信能够继续进行。

4CAN技术在汽车领域的应用

4.1CAN总线技术的应用

国外知名汽车基本都已经采用了CAN总线技术，例如林肯、奥迪、宝马等，而国内汽车品牌，例如奇瑞等公司也已经有几款车型应用了总线技术。CAN总线技术就是通过遍布车身的传感器，将汽车的各种行驶数据发送到“总线”上，在这个信息共享平台上，凡是需要这些数据的接收端都可以从“总线”上读取需要的信息，从而使汽车的各个系统协调运作、信息共享、保证车辆安全行驶、舒适和可靠。一般来说，越高档的车配备的CAN总线数量越多，价格也越高，如途安、帕萨特等车型当中都配备了多个CAN总线。

42汽车CAN总线节点ECU的硬件设计

汽车CAN总线研发的核心技术就是对带有CAN接口的ECU进行设计，其中ECU的CAN总线模块由CAN控制器和CAN收发器构成。CAN控制器执行完整的CAN协议，完成通讯功能，包括信息缓冲和接收滤波。CAN控制器与物理总线之间需CAN收发器作为接口，它实现CAN控制器与总线之间逻辑电平信号的转换。

43CAN总线在国内自主品牌汽车中的应用

由于受成本控制、技术实力等因素的限制，CAN总线技术一般都出现在国外高端汽车，在A级及以下级别车型当中，该项技术大多出现在合资品牌当中，如POLO、新宝来等。在自主品牌中，采用CAN总线技术的车型中很少，风云2则是其中的代表车型。风云2CAN总线技术，可以实现发动机、变速箱、ABS、车身、仪表及其他控制器的通讯，做到全车信息及时共享。在风云2的组合仪表盘当中，阶段里程、未关车门精确显示、安全带未系提醒等20多项信息全部可以显示，比同级产品增加一倍，这样增加了驾驶过程中的安全度。

另外，在CAN总线技术的帮助下，内部各种传感器实现信息共享后，大大减少了车体内线束和控制器的接口数量，避免了过多线束存在的互相干涉、磨损等隐患，降低了汽车电气系统的故障发生率。打开发动机舱盖，看到的是清晰简洁的舱内布局。维修方面，CAN总线技术的应用也使得故障排查得到最便利的保证。CAN总线智能管家系统符合欧美OBDII标准法规，实现了在线诊断的功能。在车辆发生故障后，各个控制器通过

AN总线智能管家系统存储故障代码，由专业人员，通过诊断仪为车辆诊断出各种故障状态，快速准确地查找到故障点，第一时间排除故障。利用CAN总线技术实现系统集成的信息传输，大大提高了各部件的响应速度，减少了配件磨损发生率，也相应降低了维修成本；而且，先进集成技术的应用，也大幅提高了车辆自身的科技含量，增强了产品竞争力。

5结论

CAN总线的高性能和可靠性已被认同，并被广泛应用于工业自动化，船舶，医疗设备等方面。该总线控制器和驱动器为硬件基础，采用了开放式仲裁机制和“隐性”、“显性”位信号差分通信方式，保证了报文传输的可靠性、准确性、快速性和实时性。因此国外知名汽车基本都已经采用了CAN总线技术。

参考文献：

[1]饶运涛，邹继军现场总线CAN原理与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[2]王箴CAN总线在汽车中应用[N].中国汽车报，2004920（28）

[3]http：//wwwca800com/05/4-11/a5664asp[EB/OL].

[4]http：//wljjiwangblog.163.com/blog/static/5476251220121110111542832/[EB/OL].

[5]http：//www21iccom/app/auto/201106/86333.htm[EB/OL].

[6]http：//wwwdocincom/p-400426481.html[EB/OL].

[7]李刚炎，于翔鹏CAN总线技术及其在汽车中的应用[Z].中国科技论文在线