清华大学教程——CAN总线原理及应用

清华大学汽车工程系TsinghuaUniversity,DepartmentofAutomotiveEngineering.1•CAN总线原理及应用•通用匹配标定方法原理及方案•匹配标定工具使用方法•匹配标定流程简介大纲清华大学汽车工程系TsinghuaUniversity,DepartmentofAutomotiveEngineering.CAN总线原理及应用清华大学汽车工程系2010.07清华大学汽车工程系TsinghuaUniversity,DepartmentofAutomotiveEngineering.3车载总线技术清华大学汽车工程系TsinghuaUniversity,DepartmentofAutomotiveEngineering.4•传统的电气系统大多采用点对点的单一通信方式，相互之间少有联系，这样必然造成庞大的布线系统。–据统计，一辆采用传统布线方法的高档汽车中，其导线长度可达2000米，电气节点达1500个–据统计，该数字大约每十年增长11倍，从而加剧了粗大的线束与汽车有限的空间之间的矛盾。–无论从材料成本还是工作效率看，传统布线方法都将不能适应汽车的发展。车载总线技术清华大学汽车工程系TsinghuaUniversity,DepartmentofAutomotiveEngineering.5•随着电控技术的发展，车用电气设备越来越多–从发动机到变速器–从行驶、制动、转向系统到安全保证系统及仪表报警系统–从电源管理到为提高舒适性而作的各种努力•汽车电气系统形成了一个庞大的系统•并且对这些部件的控制都集中在驾驶室内•车载总线的需求越来越迫切，也越来越重要车载总线技术清华大学汽车工程系TsinghuaUniversity,DepartmentofAutomotiveEngineering.6车载总线技术X-by-Wire清华大学汽车工程系TsinghuaUniversity,DepartmentofAutomotiveEngineering.7•SAE对通讯速度级别的定义–CLASSA：速度：10Kb/s：用于智能型的传感器和执行器，主要目的是为了降低车上线束的总量。车载总线技术执行器1DriverCircuit传感器1AmplifierCircuit执行器2DriverCircuit传感器2AmplifierCircuit清华大学汽车工程系TsinghuaUniversity,DepartmentofAutomotiveEngineering.8•SAE对通讯速度级别的定义–CLASSA：速度：10Kb/s：用于智能型的传感器和执行器，主要目的是为了降低车上线束的总量。–CLASSB:10Kb/s速度100Kb/s：用于部件之间的信息交互，非实时控制以及对外通讯。可以减少多余的传感器、各部件之间的参数传递。存在多个节点的之间的通讯问题。车载总线技术发动机的ECU自动变速箱的ECU清华大学汽车工程系TsinghuaUniversity,DepartmentofAutomotiveEngineering.9•SAE对通讯速度级别的定义–CLASSA：速度：10Kb/s，用于智能型的传感器和执行器，主要目的是为了降低车上线束的总量。–CLASSB：10Kb/s速度100Kb/s，用于部件之间的信息交互，非实时控制以及对外通讯。可以减少多余的传感器、各部件之间的参数传递。存在多个节点的之间的通讯问题。–CLASSC：100Kb/s速度1Mb/s，主要用于分布式控制系统，尤其是实时控制系统中的高速数据传输。典型的通讯方式CAN。–CLASSD：1Mb/s速度10Mb/s，主要用于车载多媒体与无线通讯。典型的系统如FLexRay。车载总线技术清华大学汽车工程系TsinghuaUniversity,DepartmentofAutomotiveEngineering.10•SCI：SERIALCOMMUNICATIONINTERFACE•LIN：LOCALINTERCONNECTNETWORK•LON：LOCALOPERATINGNETWORK•LAN：LOCALAERANETWORK•CAN：CONTROLLERAREANETWORK•MOST：MEDIAORIENTEDSYSTEMSTRANSPORT•MVB：MULTIPURPOSEVEHICLEBUS•WTB：WIRETRAINBUS•TTA：TIMETRIGGEREDARCHITECTURE•TDMA：TIMEDIVISIONMULTIPLEACCESS•CDMA：CODEDIVISIONMULTIPLEACCESS车载总线技术清华大学汽车工程系TsinghuaUniversity,DepartmentofAutomotiveEngineering.11车载总线技术清华大学汽车工程系TsinghuaUniversity,DepartmentofAutomotiveEngineering.12车载总线技术总线特点LIN低速（最高20kbps）单线低成本协议，用于终端节点。LIN的概念注定这种协议用于传感器/执行器间的低速通讯，即速度不是关键因素的场合。CAN中等速度（最高1Mbps）单信道、双线容错协议，应用于汽车和许多工业控制中。在车辆上的目标应用为电控ECU通讯和车内低速信息娱乐功能。FlexRay高速度（每信道高达10Mbps）双信道、时间触发、容错协议，设计用作骨干网。目标应用是车辆上所谓的x-by-wire（线控）概念，其目的是通过电子信号传输来替代传统的制动踏板与制动器或方向盘与车轮之间的机械传动。D2BMOST环路光缆总线（最高25.6Mbps）车内高速媒体通信网络数字信号传输总线。在美国Ford公司生产的JAGUAR系列高端产品中已有应用，用来从卫星网络接收大流量的音频和视频文件，供车内娱乐使用。国内没有使用。清华大学汽车工程系TsinghuaUniversity,DepartmentofAutomotiveEngineering.13•控制器局部网络：ControllerAreaNetwork•CAN是一种串行通讯总线•CAN是一种现场总线–现场总线（Fieldbus）是自动化系统中一种把大量现场级设备和操作级设备相连的工业通讯系统。其一般定义为：一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式，数字化，双向串行，多节点的通信总线。CAN是什么？清华大学汽车工程系TsinghuaUniversity,DepartmentofAutomotiveEngineering.141960’s1970’s1980’s1990’s现代控制理论及实践参数少，实时性要求低，精度差参数多，实时性要求高，精度好测控技术水平模拟信号分立元件引进数字计算机作处理设备大规模集成电路、微控制器智能型仪表自动化设备控制系统类型（不入流）集中式控制系统分布式控制系统（DCS）基于现场总线的分布式控制系统（FCS）系统通讯方式低速率，点对点现场总线，包括CANCAN的发展历程清华大学汽车工程系TsinghuaUniversity,DepartmentofAutomotiveEngineering.15•1983StartoftheBoschinternalprojecttodevelopanin-vehiclenetwork•1986OfficialintroductionofCANprotocol•1987FirstCANcontrollerchipsfromIntelandPhilipsSemiconductors•1991Bosch’sCANspecification2.0published•1991CANKingdomCAN-basedhigher-layerprotocolintroducedbyKvaser•1992CANinAutomationinternationalusersandmanufacturersgroupestablished•1992CANApplicationLayer(CAL)protocolpublishedbyCiA•1992FirstcarsfromMercedes-BenzusedCANnetwork•1993ISO11898standardpublished•19941stinternationalCANConference(iCC)organizedbyCiA•1994DeviceNetprotocolintroductionbyAllen-Bradley•1995ISO11898amendment(extendedframeformat)published•1995CANopenprotocolpublishedbyCiA•2000Developmentofthetime-triggeredcommunicationprotocolforCAN(TTCAN)•唯一一种被批准为国际标准的现场总线，编号ISO11898CAN的发展历程清华大学汽车工程系TsinghuaUniversity,DepartmentofAutomotiveEngineering.16CAN总线拓扑结构•通讯介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。•总线两端配置终端电阻，各120Ω•多主机•仲裁机制清华大学汽车工程系TsinghuaUniversity,DepartmentofAutomotiveEngineering.17•物理层•数据链路层–逻辑链路控制子层(LLC)–媒体访问控制子层（MAC）•应用层CAN总线结构清华大学汽车工程系TsinghuaUniversity,DepartmentofAutomotiveEngineering.18•物理层–差分信号：CANH、CANL–“显性”位/“隐性”位CAN总线物理层清华大学汽车工程系TsinghuaUniversity,DepartmentofAutomotiveEngineering.19•标称位速率–一理想的发送器在没有重新同步的情况下每秒发送的位数量•标称位时间–1/标称位速率–分成4个不重叠时间的片段•同步段（SYNC_SEG）•传播时间段（PROP_SEG）•相位缓冲段1（PHASE_SEG1）•相位缓冲段2（PHASE_SEG2）CAN总线物理层清华大学汽车工程系TsinghuaUniversity,DepartmentofAutomotiveEngineering.20•采样点（SAMPLEPOINT）–读总线电平并解释各位的值的一个时间点CAN总线物理层清华大学汽车工程系TsinghuaUniversity,DepartmentofAutomotiveEngineering.21•时间段长度–时间份额（TIMEQUANTUM）＝m*最小时间份额（MINIMUMTIMEQUANTUM）CAN总线物理层清华大学汽车工程系TsinghuaUniversity,DepartmentofAutomotiveEngineering.22•数据链路层–逻辑链路控制子层(LLC)•为远程数据请求以及数据传输提供服务•确定由实际要使用的LLC子层接收哪一个报文•为恢复管理和过载通知提供手段–媒体访问控制子层（MAC）•控制帧结构•执行仲裁•错误检测•出错标定•故障界定CAN总线数据链路层清华大学汽车工程系TsinghuaUniversity,DepartmentofAutomotiveEngineering.23•报文（Messages）–总线上的报文以不同的固定报文格式发送，但长度受限。当总线空闲时任何连接的单元都可以开始发送新的报文。•位速率（Bitrate）–不同的系统，CAN的速度不同。可是，在一个给定的系统里，位速率是唯一的，并且是固定的。•仲裁（Arbitration）–只要总线空闲，任何单元都可以开始发送报文。仲裁优先级更高的报文将获得总线的占用权CAN总线数据链路层清华大学汽车工程系TsinghuaUniversity,Depart