航芯技術(shù)分享 | 一文讀懂汽車CAN總線技術(shù)原理（下）

發(fā)布時(shí)間:2022-01-25

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，汽車電子控制單元逐漸增多，各電控單元之間的信號(hào)交換更為復(fù)雜。而CAN總線可將汽車內(nèi)部各電控單元之間連接成一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了信息的共享，大大優(yōu)化了整車的布線。

接下來(lái)，我們將繼續(xù)為大家分享CAN相關(guān)技術(shù)知識(shí)。

CAN的分層架構(gòu)

它由三層組成，即應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。

? 應(yīng)用層：該層與操作系統(tǒng)或CAN設(shè)備的應(yīng)用程序交互。

? 數(shù)據(jù)鏈路層：它在發(fā)送、接收和驗(yàn)證數(shù)據(jù)方面將實(shí)際數(shù)據(jù)連接到協(xié)議。

? 物理層：它代表實(shí)際的硬件，即CAN控制器和收發(fā)器。

CAN物理層特性

CAN物理層被分為三個(gè)部分：在CAN控制器芯片中實(shí)現(xiàn)的物理編碼，指定收發(fā)器特性的物理介質(zhì)附件，物理介質(zhì)依賴子層，這是特定的應(yīng)用，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化。

圖1. CAN總線接線圖

物理編碼子層

PCS包括比特編碼和解碼、比特定時(shí)。它為收發(fā)器芯片提供連接單元接口，并包含Tx和Rx引腳，位級(jí)錯(cuò)誤也通過(guò)位填充來(lái)處理。

位時(shí)序

出于時(shí)序目的，CAN總線上的每個(gè)位都劃分成至少4個(gè)時(shí)間份額，時(shí)間份額邏輯上劃分成4段：

1. 同步段

2. 傳播段

3. 相位緩沖段1

4. 相位緩沖段2

圖2. CAN位時(shí)序

同步段

1個(gè)時(shí)間量子長(zhǎng)度，用于多個(gè)連接在總線上的單元，通過(guò)此段實(shí)現(xiàn)時(shí)序調(diào)整，當(dāng)總線電壓電平發(fā)生變化（顯性到隱性或隱性到顯性）時(shí)，預(yù)計(jì)該段會(huì)出現(xiàn)位沿。

傳播段

用于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)之間的物理延遲，包括發(fā)送單元的輸出延遲、總線上信號(hào)的傳播延遲、接收單元的輸入延遲。

相位緩沖段

相位緩沖段用于補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)間的晶振誤差，又分為相位緩沖段1（PS1）和相位緩沖段2（PS2），在這個(gè)時(shí)間段的末端進(jìn)行總線狀態(tài)的采樣。兩個(gè)相位緩沖段PS1和PS2用于補(bǔ)償總線上的邊沿相位誤差。

采樣點(diǎn)

采樣點(diǎn)是位時(shí)間內(nèi)的一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，在該時(shí)間點(diǎn)，讀取總線電平并進(jìn)行分析。位時(shí)間內(nèi)的采樣點(diǎn)決定CAN總線電壓是隱性還是顯性。以位時(shí)間的百分比表示，位置從位時(shí)間的起點(diǎn)開(kāi)始計(jì)算，位于階段1和階段2之間。

處理位級(jí)錯(cuò)誤

位數(shù)填充

CAN協(xié)議遵循NRZ編碼進(jìn)行傳輸。邏輯電平在位間隔之間不發(fā)生變化。CAN需要一個(gè)邏輯電平的轉(zhuǎn)換來(lái)進(jìn)行再同步。因此，在5個(gè)相同的連續(xù)比特之后，將發(fā)送1個(gè)相反邏輯電平的比特。這就是所謂的東西位，接收器可以識(shí)別它。

位錯(cuò)誤

一個(gè)正在發(fā)送比特的節(jié)點(diǎn)總是監(jiān)控總線，如果發(fā)射器發(fā)送的比特與總線上的比特值不同，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤幀。

物理介質(zhì)依賴子層

該層在CAN收發(fā)器芯片中實(shí)現(xiàn)，通過(guò)Tx和Rx引腳從CAN控制器獲得輸入，輸出驅(qū)動(dòng)CANH和CANL線。收發(fā)器負(fù)責(zé)不同的比特率，CAN總線速度指的是CAN總線通信速率。最大的CAN總線通信速率是1Mbit/sec。對(duì)于特殊的應(yīng)用，一些CAN控制器將處理更高的速度，超過(guò)1Mbit/sec。低速的CAN通信速率是125kbits/sec。

與介質(zhì)有關(guān)的子層

依賴介質(zhì)的子層是高度特定的應(yīng)用，不同連接器的引腳分配標(biāo)準(zhǔn)化屬于這一層，各種連接器為DB9、OBD II。

CAN總線DB9引腳布局

CAN總線通常通過(guò)連接器訪問(wèn)。

圖3. CAN總線DB9引腳分配

引腳1：無(wú)定義

引腳2：CAN_L

引腳3：CAN GND

引腳4：無(wú)定義

引腳5：CAN_SHLD

引腳6：GND

引腳7：CAN_H

引腳8：無(wú)定義

引腳9：CAN_V+

各種微控制器中的CAN總線支持

微控制器應(yīng)具有CAN硬件和軟件，提供CAN驅(qū)動(dòng)程序以實(shí)現(xiàn)通信。Python-CAN庫(kù)也可用于為微控制器的硬件組件提供抽象的驅(qū)動(dòng)程序，并用于通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收消息。Python CAN總線也用于測(cè)試硬件和 CAN 總線數(shù)據(jù)記錄。

用于Arduino的CAN總線屏蔽

? CANbus Shield采用帶有SPI接口和CAN收發(fā)器的CAN總線控制器，為Arduino提供CAN總線能力。

? 帶有CAN總線的Arduino有助于從ECU獲取車速、油耗、溫度等信息。

? Arduino CAN庫(kù)用于通過(guò)CAN總線發(fā)送和接收CAN消息。

樹(shù)莓派CAN總線：

樹(shù)莓派沒(méi)有特定的硬件，即CAN控制器和CAN收發(fā)器來(lái)支持CAN協(xié)議。樹(shù)莓派軟件不支持CAN總線，樹(shù)莓派支持通過(guò) SPI 接口進(jìn)行 CAN 通信。

樹(shù)莓派通過(guò)SPI接口連接到板子支持的外部CAN控制器，CAN控制器通過(guò)Rx和Tx線連接到CAN收發(fā)器。

CAN控制器示例：SJA100、MCP2515

CAN收發(fā)器示例：TJA1040、MCP2551

ACM32 CAN總線：

ACM32-F0/F4芯片內(nèi)置1路~2路CAN控制器，并提供對(duì)應(yīng)的CAN總線接口驅(qū)動(dòng)庫(kù)，搭配外部的CAN收發(fā)器，保證CAN總線數(shù)據(jù)通訊的安全可靠。

如何讀取CAN總線數(shù)據(jù)？

當(dāng)CAN總線與Microchip CAN總線分析儀、CAN總線Wire Shark等外部工具連接時(shí)，可以通過(guò)CAN USB適配器訪問(wèn)CAN總線數(shù)據(jù)，該適配器提供與計(jì)算機(jī)或PC的USB端口的即時(shí)連接。CAN USB適配器也可以通過(guò)以太網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、內(nèi)聯(lián)網(wǎng)從任何地方進(jìn)行控制。CAN總線Wireshark是一種用于Linux系統(tǒng)的工具，尤其以以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)分析而聞名，它通過(guò)使用SocketCAN來(lái)顯示CAN消息，SocketCAN是一組驅(qū)動(dòng)程序和網(wǎng)絡(luò)堆棧，因此被稱為L(zhǎng)inux CAN總線。CAN to USB幫助外部工具從CAN網(wǎng)絡(luò)獲取消息，然后用于監(jiān)控和調(diào)試接收或傳輸信息的工具。

但是這些消息是原始格式的。因此，從這些數(shù)據(jù)記錄器收集的數(shù)據(jù)使用CAN總線解碼器轉(zhuǎn)換為按比例縮放的工程值。從數(shù)據(jù)記錄器收集的數(shù)據(jù)也可以存儲(chǔ)在SD卡中，這有助于控制車輛設(shè)置以提高效率。收集的CAN總線數(shù)據(jù)可用于車隊(duì)管理、研發(fā)、診斷等。

用萬(wàn)用表測(cè)試CAN總線

測(cè)試是必要的，以檢查任何發(fā)生的CAN總線故障，如布線、ECU、CAN網(wǎng)絡(luò)中的任何一個(gè)組件的電壓供應(yīng)故障。CAN總線的故障排除，如在CAN總線線路的物理端添加120歐姆的終端電阻，可以診斷出問(wèn)題。通過(guò)用萬(wàn)用表測(cè)試，確保終端電阻是120歐姆，而且電阻是合適的，沒(méi)有斷裂，還可以通過(guò)將萬(wàn)用表切換到交流電壓來(lái)測(cè)試傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

如何判斷汽車是否有CAN總線？

配備CAN總線的車輛包含CAN總線LED和CAN-BUS HID 套件。CAN總線LED與汽車高級(jí)系統(tǒng)通信，當(dāng)此LED關(guān)閉時(shí)，車輛會(huì)發(fā)出警告。CAN BUS HID KIT充當(dāng)DC到AC轉(zhuǎn)換器，并有助于在最初使用高壓電流打開(kāi)燈。一旦燈啟動(dòng)，它需要較低的電壓電流。但是當(dāng)HID使用低功率時(shí)，CAN總線系統(tǒng)會(huì)假定燈已關(guān)閉并發(fā)出警告。為了避免這種情況，使用了HID轉(zhuǎn)換套件，它與CAN總線系統(tǒng)通信以告知有一個(gè)工作燈泡。這些警告告訴我們汽車配備了CAN總線。

CAN總線黑客攻擊

CAN總線黑客攻擊是對(duì)消費(fèi)者的威脅。CAN總線車輛采用了許多無(wú)線技術(shù)，例如藍(lán)牙，用于接聽(tīng)電話或播放音樂(lè)。當(dāng)車載系統(tǒng)接入車內(nèi)的CAN總線并具備 Wi-Fi連接能力時(shí)，黑客很容易獲得CAN總線接入并能夠控制汽車。Wi-Fi熱點(diǎn)在汽車中很流行，這使得知道汽車IP地址的人可以跟蹤汽車。這導(dǎo)致汽車制造商對(duì)CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)。

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