一文了解汽车CAN总线技术原理

随着汽车工业的不断发展，汽车电子控制单元逐渐增多，各电控单元之间的信号交换更为复杂。而CAN总线可将汽车内部各电控单元之间连接成一个局域网络，实现了信息的共享，大大优化了整车的布线。

接下来，我们将继续为大家分享CAN相关技术知识。

CAN的分层架构

它由三层组成，即应用层、数据链路层和物理层。

• 应用层：该层与操作系统或CAN设备的应用程序交互。

• 数据链路层：它在发送、接收和验证数据方面将实际数据连接到协议。

• 物理层：它代表实际的硬件，即CAN控制器和收发器。

CAN物理层特性

CAN物理层被分为三个部分：在CAN控制器芯片中实现的物理编码，指定收发器特性的物理介质附件，物理介质依赖子层，这是特定的应用，没有标准化。

图1. CAN总线接线图

物理编码子层

PCS包括比特编码和解码、比特定时。它为收发器芯片提供连接单元接口，并包含Tx和Rx引脚，位级错误也通过位填充来处理。

位时序

出于时序目的，CAN总线上的每个位都划分成至少4个时间份额，时间份额逻辑上划分成4段：

同步段

传播段

相位缓冲段1

相位缓冲段2

图2. CAN位时序

同步段

1个时间量子长度，用于多个连接在总线上的单元，通过此段实现时序调整，当总线电压电平发生变化(显性到隐性或隐性到显性)时，预计该段会出现位沿。

传播段

用于补偿网络上节点之间的物理延迟，包括发送单元的输出延迟、总线上信号的传播延迟、接收单元的输入延迟。

相位缓冲段

相位缓冲段用于补偿节点间的晶振误差，又分为相位缓冲段1(PS1)和相位缓冲段2(PS2)，在这个时间段的末端进行总线状态的采样。两个相位缓冲段PS1和PS2用于补偿总线上的边沿相位误差。

采样点

采样点是位时间内的一个时间点，在该时间点，读取总线电平并进行分析。位时间内的采样点决定CAN总线电压是隐性还是显性。以位时间的百分比表示，位置从位时间的起点开始计算，位于阶段1和阶段2之间。

处理位级错误

位数填充

CAN协议遵循NRZ编码进行传输。逻辑电平在位间隔之间不发生变化。CAN需要一个逻辑电平的转换来进行再同步。因此，在5个相同的连续比特之后，将发送1个相反逻辑电平的比特。这就是所谓的东西位，接收器可以识别它。

位错误

一个正在发送比特的节点总是监控总线，如果发射器发送的比特与总线上的比特值不同，则会产生一个错误帧。

物理介质依赖子层

该层在CAN收发器芯片中实现，通过Tx和Rx引脚从CAN控制器获得输入，输出驱动CANH和CANL线。收发器负责不同的比特率，CAN总线速度指的是CAN总线通信速率。最大的CAN总线通信速率是1Mbit/sec。对于特殊的应用，一些CAN控制器将处理更高的速度，超过1Mbit/sec。低速的CAN通信速率是125kbits/sec。

与介质有关的子层

依赖介质的子层是高度特定的应用，不同连接器的引脚分配标准化属于这一层，各种连接器为DB9、OBD II。

CAN总线DB9引脚布局

CAN总线通常通过连接器访问。

图3. CAN总线DB9引脚分配

引脚1：无定义

引脚2：CAN_L

引脚3：CAN GND

引脚4：无定义

引脚5：CAN_SHLD

引脚6：GND

引脚7：CAN_H

引脚8：无定义

引脚9：CAN_V+

各种微控制器中的CAN总线支持

微控制器应具有CAN硬件和软件，提供CAN驱动程序以实现通信。Python-CAN库也可用于为微控制器的硬件组件提供抽象的驱动程序，并用于通过CAN网络发送和接收消息。Python CAN总线也用于测试硬件和 CAN 总线数据记录。

用于Arduino的CAN总线屏蔽

• CANbus Shield采用带有SPI接口和CAN收发器的CAN总线控制器，为Arduino提供CAN总线能力。

• 带有CAN总线的Arduino有助于从ECU获取车速、油耗、温度等信息。

• Arduino CAN库用于通过CAN总线发送和接收CAN消息。

树莓派CAN总线：

树莓派没有特定的硬件，即CAN控制器和CAN收发器来支持CAN协议。树莓派软件不支持CAN总线，树莓派支持通过 SPI 接口进行 CAN 通信。

树莓派通过SPI接口连接到板子支持的外部CAN控制器，CAN控制器通过Rx和Tx线连接到CAN收发器。

CAN控制器示例：SJA100、MCP2515

CAN收发器示例：TJA1040、MCP2551

ACM32 CAN总线：

ACM32-F0/F4芯片内置1路~2路CAN控制器，并提供对应的CAN总线接口驱动库，搭配外部的CAN收发器，保证CAN总线数据通讯的安全可靠。

如何读取CAN总线数据?

当CAN总线与Microchip CAN总线分析仪、CAN总线Wire Shark等外部工具连接时，可以通过CAN USB适配器访问CAN总线数据，该适配器提供与计算机或PC的USB端口的即时连接。CAN USB适配器也可以通过以太网、互联网、内联网从任何地方进行控制。CAN总线Wireshark是一种用于Linux系统的工具，尤其以以太网网络分析而闻名，它通过使用SocketCAN来显示CAN消息，SocketCAN是一组驱动程序和网络堆栈，因此被称为Linux CAN总线。CAN to USB帮助外部工具从CAN网络获取消息，然后用于监控和调试接收或传输信息的工具。

但是这些消息是原始格式的。因此，从这些数据记录器收集的数据使用CAN总线解码器转换为按比例缩放的工程值。从数据记录器收集的数据也可以存储在SD卡中，这有助于控制车辆设置以提高效率。收集的CAN总线数据可用于车队管理、研发、诊断等。

用万用表测试CAN总线

测试是必要的，以检查任何发生的CAN总线故障，如布线、ECU、CAN网络中的任何一个组件的电压供应故障。CAN总线的故障排除，如在CAN总线线路的物理端添加120欧姆的终端电阻，可以诊断出问题。通过用万用表测试，确保终端电阻是120欧姆，而且电阻是合适的，没有断裂，还可以通过将万用表切换到交流电压来测试传输的数据。

如何判断汽车是否有CAN总线?

配备CAN总线的车辆包含CAN总线LED和CAN-BUS HID 套件。CAN总线LED与汽车高级系统通信，当此LED关闭时，车辆会发出警告。CAN BUS HID KIT充当DC到AC转换器，并有助于在最初使用高压电流打开灯。一旦灯启动，它需要较低的电压电流。但是当HID使用低功率时，CAN总线系统会假定灯已关闭并发出警告。为了避免这种情况，使用了HID转换套件，它与CAN总线系统通信以告知有一个工作灯泡。这些警告告诉我们汽车配备了CAN总线。

CAN总线黑客攻击

CAN总线黑客攻击是对消费者的威胁。CAN总线车辆采用了许多无线技术，例如蓝牙，用于接听电话或播放音乐。当车载系统接入车内的CAN总线并具备 Wi-Fi连接能力时，黑客很容易获得CAN总线接入并能够控制汽车。Wi-Fi热点在汽车中很流行，这使得知道汽车IP地址的人可以跟踪汽车。这导致汽车制造商对CAN总线网络上的传输数据进行保护。

审核编辑：汤梓红