CAN传输原理与过程及传输介质.ppt

3.3CAN数据总线的传输原理与过程 3.4汽车网络可用的传输介质 复习提问 CAN数据总 线中的数据 传递就像一 个电话会议 一个电话用 户（控制单 元）将数据 “ 讲入 ” 网 络中，其他 用户通过网 络 “ 接听 ” 这个数据 CAN数据总线数据传输的原理 对这个数据感兴 趣的用户就会利 用数据，而其他 用户则选择忽略 CAN数据总线的构成 CAN数据总线由 1个控制器、 1个收发器、 2个数据传输终端和 2条数据传递线构成 CAN数据总线各部件的功能 CAN控制器的功能 接收在控制单元中的微处理器 中的数据 处理数据并传送给 CAN收发器 接受 CAN收发器的数据，处理 并传送给微处理器 CAN收发器的功能 是一个发送器和接收器的组合 将 CAN控制器提供的数据转化 为电信号并通过数据线发送出 去 接收数据，并将数据传送到 CAN控制器 数据传输终端的功能 是一个电阻器 阻止数据在传输终了被反 射回来并产生反射波 因为反射波会破坏数据 用以传输数据的双向数据线 分为 CAN高位数据线 （ CAN-HIGH）和 CAN低位 数据线 （ CAN-LOW） 数据总线没有指定接收器，数 据通过数据总线发送并由各控 制单元接受和计算 数据传递线的功能 CAN数据总线的数据传递过程 提供数据 控制单元向 CAN控制器提 供需要发送的数据 发送数据 CAN收发器接收由 CAN控 制器传来的数据，转为电信号并发送 接收数据 CAN系统中，所有控制 单元转为接收器 检查数据 控制单元检查判断所接 收的数据是否所需要的数据 接受数据 如接收的数据重要，它 将被接受并进行处理。否则忽略 CAN数据总线传递数据的构成 CAN数据总线在极短的时间里，在各控制 单元间传递数据，可将其分为 7个部分 CAN数据总线传递的数据由多位构成。 在数据中，位数的多少由数据域的大小决 定 （一位是信息的最小单位 单位时间电 路状态。在电子学中，一位只有 0或 1两个 值。也就是只有 ” 是 “ 和 ” 不是 “ 两个状 态） 数据的形成图表如下： 该形式在两条数据传输线上是一样的 开始域： 标志数据开 始。带有大 约 5V电压 （由系统决 定）的 1位， 被送入高位 CAN线；带 有大约 0V 电压的 1位 被送入低位 CAN线。 状态域： 判定数据中的 优先权。如果两个控制单 元都要同时发送各自的数 据，那么，具有较高优先 权的控制单元，优先发送 检查域： 显示在数据 域中所包含 的信息项目 数。在本部 分允许任何 接收器检查 是否已经接 收到所传递 过来的所有 信息。 数据域： 在数据域中， 信息被传递到其他控制单 元。 确认域： 在此，接收器 信号通知发送器，接收器 已经正确收到数据。若检 查到错误，接收器立即通 知发送器，发送器然后再 发送一次数据 结束域： 标志数据报 告结束。在 此是显示错 误并重复发 送数据的最 后一次机会 安全域： 检测传递数 据中的错误。 数据是如何产生的？ 数据由多位构成 每 1位只有 0或 1两个值或状 态。 下面以灯开关为例说明带有 0或 1的状态是如何产生的。 灯开关打开或关闭，这说明 灯开关有两个不同的状态。 灯开关处于值 1的状态：开 关闭合，灯亮 开关处于值 0 的状态：开关 打开，灯不亮 位值为 1的状态： CAN发送器打开， 在舒适系统中电压 为 5V，在动力传动 系统中，电压大约 为 2.5V。 相同电压施加在传 递线上。 从原理上讲， CAN数据总线的功能与此完全 相同， CAN发送器也能产生 2个不同位状态 位值为 0的状态： CAN发送器关闭，接 地；传输线同样接地， 大约为 0V 通过 2个位， 可以产生 4个 变化 每 1项信息均 可以由每个变 化状态表示， 并与所有的控 制单元相联系 信息通过 2个连续位进行传递例释 随着位数的增加，信息量增加情况 1位的位 值变化 产生 信息 2位的位 值变化 产生 信息 3位的位值变化 产生 信息 0V 10 0V； 0V 10 0V； 0V； 0V 10 5V 20 0V； 5V 20 0V； 0V； 5V 20 5V； 0V 30 0V； 5V； 0V 30 5V； 5V 40 0V； 5V； 5V 40 5V； 0V； 0V 50 5V； 0V； 5V 60 5V； 5V； 0V 70 5V； 5V； 5V 80 CAN数据总线的数据分配 如果多个控制单元要同时发送各自 的数据，那么系统就必须决定哪个 控制单元首先进行发送 具有最高优先权的数据，首先发送 基于安全考虑，由 ABS/EDL控制 单元提供的数据比自动变速器控制 单元提供的数据（驾驶舒适）更重 要，因此具有优先权 数据如何进行分配？ 每个位都有 1个值，该值定义为电位 这样就有 2个可能：高电位或低电位 位电压 位值 电位 0V 0 高电位 5V 1 低电位 如何确认数据报告的优先权？ 在状态域中，由 11位组成的编码，其 数据的组合形式决定了数据的优先权 。 下面是 3组不同数据报告的优先权 ： 优先权 数据报告 状态域形式 1 Brake1(制动 1） 001 1010 0000 2 Engine1（发动机 1） 010 1000 0000 3 Gearbox1（变速 器 1） 100 0100 0000 3个控制 单元同时 发送数据， 此时，在 数据传输 线上进行 一位一位 的比较 如果 1个控制单元发送了 1个低电位而检测到 1个高电 位，那么该控制单元就停 止发送而转为接收器 例如： ABS/EDL控 制单元发送 了 1个高电 位 MOTRONIC 控制单元也 发送了 1个 高电位 自动变速器控制单元发送了 1个低电位而检测到 1个高电位，那么它将失去优先权而转为接收器 位 1 位 2 ABS/EDL控制单元发送了 1个高电位 MOTRONIC控制单元发送了 1个低电 位并检测到 1个高电位，那么，它也 失去优先权，而转为接收器 位 3 ABS/EDL控制单元拥有最高优先权 并接收分配的数据，该优先权保证 其持续发送数据直至发送终了 ABS/EDL控制单元结束发送数据 后，其他控制单元再发送各自的数 据 CAN数据总线的抗干扰 车辆在工作过程中，电火花和电磁开 关联合作用会产生电磁干扰；移动电 话和发送站以及任何产生电磁波的物 体会产生电磁干扰 电磁干扰能够影响或破坏 CAN的数据 传送 为防止数据传输受到干扰， 2根数据 传输线缠绕在一起，这样可以防止数 据线所产生的辐射噪音。 2根数据线上的电压是相反的 若一根数据线上的电压约为 0V；则 另一根数据线上的电压就是约为 5V 这样 2根线的总电压值仍保持一个 常值 从而所产生的电磁场效应由于极 性相反而相互抵消 所以，数据传输线通过这中方法 得到保护而免受外界辐射干扰 同时，向外辐射时，实际上保持 中性（即 无辐射 ） CAN-bus 传输介质 单线（汽车） 双绞线 屏蔽双绞线 同轴电缆 单模光纤 无线通信 V CANH CANL R 物理介质必须支持 “ 显性 ” 和 “ 隐性 ” 状态， “ 显 性 ” 状态支配 “ 隐性 ” 状态，例如在总线仲裁时。 双线结构总线必须使用终端电阻抑制信号反射，并 且采用差分信号传输减弱电磁干扰（ EMI）的影响。 使用光学介质时 ， 隐性电平通过状态 “ 暗 ” 表示 ， 显性电平通过状态 “ 亮 ” 表示； 同一段 CAN-bus网络采用相同的传输介质 。 传输介质（ Bus Medium） 双绞线特点 目前，采用双绞线的 CAN总线分布式系统已得 到广泛应用，如汽车电子、电梯控制、电力系统、 远程传输等。 技术上容易实现、造价低廉； 理论上节点数无限制、对环境电磁辐射有一定抑制 能力； 随着频率的增长，双绞线线对的衰减迅速增高； 双绞线有所谓的近端串扰； 适合 CAN-bus网络 5Kbps 1Mbps的传输速率。 CAN总线电平标称值 双绞线（ ISO 11898-2） 双绞线（ ISO 11898-2） R Node 1 Node 2 R Node n CANH CANL 3.5 V 1.5 V 2.5 V Termination 双绞线参数（ ISO 11898-2） 高速差分总线 双线平衡信号 有公共地 信号线结构 较短的残余 双绞线或平行线 非屏蔽或屏蔽 线缆阻抗 = 120 最高速度达 1 Mbps 空闲 置位 3.5 V 1.5 V 2.5 V 双绞线参数（ ISO 11898-2） 最长的总线长度可达 40m 1 Mbps 其它的情况无定义 线路延迟 = 5 ns/m (名义 值 ) 规定了电气指标 而不是机械指标 可使用 galvanic (光学 ) 绝 缘 空闲 置位 3.5 V 1.5 V 2.5 V ISO 11898 电缆推荐参数 ：直流参数、特性阻抗 总线长度 电缆 终端电阻 最大位速率 直流电阻 导线截面积 0 40m 70 m /m 0 .2 5 -0 .3 4 mm 2 AW G 2 3 , AW G 2 2 124 / 1 % 1 M bit/s a t 4 0 m 40 300m 5 0 0 kbi t/s a t 1 0 0 m 300 600m 1 0 0 kbi t/s a t 5 0 0 m 600 1000m 5 0 kbi t/s a t 1 km 电缆参数（ ISO 11898-2） 电缆选择的要素 线长 :如果外部干扰比较弱， CAN-bus中的短线 （长度 0.3m）可以采用扁平电缆 ； 波特率 ： 由于取决于传输线的延时， CAN-bus 总线的通讯距离可能会随着波特率减小而增加； 外界干扰 ： CAN总线可以采用带屏蔽层的双绞 线； 特征阻抗： 所采用的传输线的特征阻抗约为 120 欧姆； 有效电阻 ： 所使用的电缆的电阻必须足够的小 以避免线路压降过大。 电缆结构分析 单屏蔽层的 CAN电缆剖析与连接 电缆适用类型 推荐的电缆类型 导线长度与波特率 波特率与长度的关系 基本公式： Max Bit Rate Mbps Max Bus Lengthm 60 双绞线的使用 双绞线采用抗干扰的差分信号传输方式； 使用非屏蔽双绞线作为物理层，只需要有 2根 线缆作为差分信号线（ CANH、 CANL)传输； 使用屏蔽双绞线作为物理层，除需要 2根差分 信号线（ CANH、 CANL)的连接以外，还要注 意在同一网段中的屏蔽层（ SHIELD）单点接 地问题。 双绞线网络的注意事项 以下列表说明了组建 CAN网络时应该遵守的规则 光纤的选择 石英光纤特点： 衰减小，技术比较成熟； 纤带宽大，抗电磁干扰； 易成缆特性； 芯径很细（小于 10m）； 连接成本较高。 光纤的选择 塑料光纤特点： 成本与电缆相当； 芯径达（ 0.51mm)； 连接易于对准； 重量轻； 损耗将低到 20dB/km。 光纤应用场合 多模光纤一般用于建筑物内或地理位 置相邻的环境中； 单模光纤是当前计算机网络中研究和 应用的重点； 塑料光纤在高速距离通信网络中得到 广泛应用。 光纤网络构成方式 光纤网络的构成方式有两种： 一种是基于光纤定向耦合器的无延时环网； 另一种是基于光电收发模块的中继型环网； CAN-bus光纤传输 光纤 CAN网络的拓扑结构 总线形： 可有一根共享的光纤总线组成，各 节点另需总线耦合器和站点耦合器实现总线 和节点的连接； 环形： 每个节点与紧邻的节点以点到点链路 相连，形成一个闭环； 星形： 每个节点通过点到点链路与中心星形 耦合器相连； 塑料光纤网络不宜采用总线拓扑结构 CAN-bus光纤传输 与双绞线和同轴电缆相比 光纤的低传输损耗使中继之间距离大为增加； 光缆还具有不辐射能量、不导电、没有电感； 光缆中不存在串扰以及光信号相互干扰的影响； 不会有在线路 “ 接头处 ” 感应耦合导致的安全问 题； 强大的抗 EMI能力。 目前存在的问题 价格昂贵，设备投入成本较高； 点对点的通讯方式。 适用场合 汽车电子 干扰严格场合 安全控制领域 远距离通讯 舒适系统 CAN 数据纵线连接 舒适系统中的 各个控制单元： 一个中央控制 单元 两个或四个车 门控制单元 舒适系统 CAN数据总线 中央门锁控制功能 电动窗控制功能 照明开关控制功能 电动调节和加热后视镜控制 功能 故障自诊断功能 舒适系统 CAN数据总线传递数据的功能 舒适系统 CAN数据总线的结构 控制单元 的各条传 输线以 星状 形 式连接汇 聚一点 若一个控制单元发生故障，其他控制单元 仍可发送各自的数据 通过车门联接所确定的线路较少 如果出现对地短路、对正极短路或线路间 短路， CAN系统会转为应急模式运行和 转为单线模式运行 由于故障自诊断完全由中央控制单元控制， 所以只需要较少的自诊断线 由于舒适系统中的数据可以较低的速率传 递，所以发送器只需较低的功率 舒适系统 CAN数据总线的优点 系统传输数据的速率为 62.5kbit/s。这 意味着它以 0125 kbit/s的速率范围 （低速状态）传输。一个数据报告传 递大约需要 1ms 每个控制单元每 20ms发送一次数据 舒适系统 CAN数据总线的特点 中央控制 单元 驾驶员侧 车门 前乘客侧 车门 左后车门 右后车门 舒适系统控制单元的优先权顺序 舒适 系统 CAN 数据 总线 控制 单元 电路 图 驾驶员侧车门 控制单元 J386 前乘客侧车门 控制单元 J387 左后车门控 制单元 J388 右后车门控 制单元 J389 舒适系统中央 控制单元 J393 30号 线保 险丝 - 中央 控制 单元 15号 线保 险丝 -中 央控 制单 元 30号 线保 险丝 - 电动 窗 30号线保险丝 -中央门锁 高 /低位 CAN线 接 地 线 正 极 线 输入信号 输出信号 舒适系统 CAN数据总线故障自诊断 诊断设备： 目前 国内通用型故障诊 断仪器能进行 CAN 数据总线故障检测 的为 金德 K80 多功能诊断仪 ， 今后将有很多诊断 仪器能够进行 CAN 数据总线的检测诊 断。 各种汽车的最新 版本的专用故障 诊断仪均能够进 行该车种的 CAN 数据总线系统的 故障检测诊断。 例如大众汽车可 以用 VAS5051进 行 CAN数据总线 的故障检测诊断。 VAS5051 故障诊断仪 下面以 VAS5051为 例说明大众 车系舒适系 统 CAN数据 总线的故障 检测诊断方 法步骤： 说明： 在故 障诊断和故障 检测过程中， 通过 CAN数据 总线传递信息 的所有控制单 元均被认为是 一个完整系统 舒适系统的地址码： 46-舒适系统 与 CAN数据总线有关部门的功能： 02功能：故障查询 在故障记忆中，有 2个 CAN数据总 线的特殊故障 01328 -舒适系统数据传递故障： 如果两个或多个控制单元间数据传递 出现故障，便存储该故障记忆。可能 的故障原因有：控制单元故障；两条 数据线断路；插头和插座连接故障。 01329 -应急运转模式： 该故障记忆表明 CAN数据总线 系统已经进入应急运转模式。 可能故障原因： 某一根数据总线断路 插头和插座连接故障 08功能 -阅读测量数据块 012通道：中央控制单元 显示与 CAN 数据总线相关的 4组数据区域。 数据区域 1： 检测传递数据 该区域显示数据传递正确与否 （比如单根数据线故障）。 数据区域 2： 前排装备情况 该区域显示前排车门控制单元在 传递数据过程中是否匹配 数据区域 3： 后排装备情况 该区域显示后排车门控制单元在 传递数据过程中是否匹配 数据区域 4： 其他附件情况 该区域显示座椅与后视镜调整记 忆系统是否合适；舒适系统与记 忆系统是否交换数据 动力传动系统 CAN数据总线 动力传动系 统 CAN数据 总线连接部 件： Motronic控 制单元 ABS/EDL控 制单元 自动变速器 控制单元 同时传递的数据（ 10组）： 5组数据来自 Motronic控制单元 3组数据来自 ABS/EDL控制单元 2组数据来自自动变速器控制单元 优先权顺序： ABS/EDL控制单元 Motronic控制单元 自动变速器控制单元 CAN数据总线其他特点： 数据总线以 500kbit/s的速率传 递数据（高速率），每一数据 传递大约需要 0.25ms。在动力 传动系统中，数据传递尽可能 快速以便充分利用数据，因此 需要一个高性能的发送器。 每一控制单元（根据控制单元 类型）每 720ms发送 1次数据 动力传动系统控制单元网络连接 Motronic 控制单元 自动变速器 控制单元 ABS/EDL 控制单元 CAN数据 总线的连 接节点通 常在控制 单元的外 部（在线 束中） 与舒适系统相反，在动力传动系 统中只显示部分，这样只显示控 制单元的网络连接 在特殊情况下， CAN数据总线的连接 节点可能会在发动机控制单元里 线束的节点汇集 在发动机控制单 元中 动力传动系统 CAN数据总线 的故障自诊断功能 对于大众车系，用 VAS5051可以对以 下控制单元进行故障自诊断： 01-发动机控制单元 02-自动变速器控制单元 03-ABS控制单元 如果控 制单元 间传递 的数据 被打乱 控制单 元内将 存储一 个故障 记忆： 1条或 2条数据线断路 2条数据 线短路 数据线对地 或正极短路 1个或多个控 制单元有故障