第二章 CAN總線傳輸系統(tǒng)

第一節(jié) CAN總線的工作原理

如圖2-1所示，CAN（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)絡(luò)。由于其高性能、高可靠性及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN越來越受到人們的重視。CAN最初是由德國博世公司為汽車監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。現(xiàn)代汽車越來越多地采用電子裝置控制，如發(fā)動(dòng)機(jī)定時(shí)、噴油控制、驅(qū)動(dòng)防滑控制（ASC）及復(fù)雜的防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）等。由于這些控制需要實(shí)時(shí)檢測及交換大量數(shù)據(jù)，采用硬接信號線的方式不但煩瑣、昂貴，而且難以解決問題。采用CAN總線，上述問題便可以得到很好的解決。1993年，CAN成為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898（高速應(yīng)用）和ISO11519（低速應(yīng)用）。CAN的規(guī)范從CAN1.2規(guī)范（標(biāo)準(zhǔn)格式）發(fā)展為兼容CAN1.2規(guī)范的CAN2.0規(guī)范（CAN2.0A為標(biāo)準(zhǔn)格式，CAN2.0B為擴(kuò)展格式），目前應(yīng)用的CAN器件大都符合CAN2.0規(guī)范。

一、CAN總線的發(fā)展歷史

CAN總線傳輸協(xié)議是在1983～1986年由博世和英特爾兩家公司聯(lián)合開發(fā)的。20世紀(jì)80年代，博世的工程人員開始研究應(yīng)用于汽車的串行總線系統(tǒng)。參加研究的還有奔馳公司、英特爾公司以及德國兩所大學(xué)的教授。1986年，博世在SAE大會上提出了CAN。1987年，英特爾推出了第一片CAN控制芯片——82526；隨后飛利浦公司推出了82C200。1990年，CAN總線首次應(yīng)用于一輛梅賽德斯-奔馳S級12缸發(fā)動(dòng)機(jī)的轎車上。1992年，奧迪A8 3.7L（V8發(fā)動(dòng)機(jī)）車型上開始應(yīng)用CAN總線。1993年，CAN的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898公布。從此CAN協(xié)議被廣泛應(yīng)用于各類自動(dòng)化控制領(lǐng)域。1992年，CIA（CAN in Automation）用戶組織成立，制定了第一個(gè)CAN應(yīng)用層“CAL”。1994年，國際CAN學(xué)術(shù)年會（ICC）啟動(dòng)。同年，美國SAE以CAN為基礎(chǔ)制定了SAEJ1939標(biāo)準(zhǔn)，用于貨車和客車控制和通信網(wǎng)絡(luò)。1997年，大眾公司在帕薩特的舒適系統(tǒng)上采用了傳送速率為62.5kbit/s的CAN總線。1998年，又在帕薩特和高爾夫的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上增加了CAN總線，傳送速率為500kbit/s。2000年，大眾公司在帕薩特和高爾夫上使用了帶有網(wǎng)關(guān)的第二代CAN總線。2001年，大眾公司提高了CAN總線的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將舒適系統(tǒng)CAN總線提高到100kbit/s，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提高到500kbit/s。2002平臺上使用了帶有車載網(wǎng)絡(luò)控制單元的第三代CAN總線。2003年，大眾集團(tuán)在新PQ35平臺上使用五重結(jié)構(gòu)的CAN總線系統(tǒng)，并且出現(xiàn)了單線的LIN總線。

到今天，幾乎每一輛歐洲生產(chǎn)的轎車上都有CAN總線；高級客車上有兩套CAN總線，通過網(wǎng)關(guān)互聯(lián)；僅1999年就有近6千萬個(gè)CAN控制器投入使用；2000年，市場上銷售了1億多個(gè)CAN的芯片；2001年，用在汽車上的CAN節(jié)點(diǎn)數(shù)目超過1億個(gè)。但是在轎車上基于CAN的控制網(wǎng)絡(luò)至今仍是各大公司自成系統(tǒng)，沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。基于CAN的應(yīng)用層協(xié)議通常有兩種：Device Net（適合于工廠底層自動(dòng)化）和CAN open（適合于機(jī)械控制的嵌入式應(yīng)用）。任何組織或個(gè)人都可以從Device Net供貨商協(xié)會（ODVA）獲得Device Net規(guī)范。購買者將得到無限制的、免費(fèi)的開發(fā)Device Net產(chǎn)品的授權(quán)。Device Net自2002年被確立為我國國家標(biāo)準(zhǔn)以來，已在冶金、電力、水處理、乳品飲料、煙草、水泥、石化、礦山等各個(gè)行業(yè)得到成功應(yīng)用，其低成本和高可靠性已經(jīng)得到廣泛認(rèn)同。

二、CAN總線的特點(diǎn)

CAN總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，其通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級判別等項(xiàng)工作。CAN總線的特點(diǎn)如下：

1）可以多主方式工作。網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活。CAN總線系統(tǒng)上并聯(lián)多個(gè)元件，如果某一控制單元出現(xiàn)故障，其余系統(tǒng)應(yīng)盡可能保持原有功能，以便進(jìn)行信息交換，保證汽車正常工作。

2）網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)（信息）可分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求。

3）采用非破壞性位仲裁總線結(jié)構(gòu)機(jī)制。當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時(shí)，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。

4）可以點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)（成組）及全局廣播幾種傳送方式接收數(shù)據(jù)。

5）直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（速率5kbit/s以下）。

6）數(shù)據(jù)傳輸快，通信速率最高可達(dá)1Mbit/s（此時(shí)距離最長40m），滿足網(wǎng)絡(luò)中各元件之間數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)要求。

7）數(shù)據(jù)密度大，節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際可達(dá)110個(gè)。所有控制單元在任一瞬時(shí)的信息狀態(tài)均相同，這樣就使得兩控制單元之間不會有數(shù)據(jù)偏差。如果系統(tǒng)的某一處有故障，那么總線上所有連接的元件都會得到通知。

8）采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)。

9）每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。即使有傳輸故障，無論是由內(nèi)部因素引起的還是外部因素引起的，都能準(zhǔn)確識別出來，可靠性高。

10）通信介質(zhì)可采用雙絞線、同軸電纜和光導(dǎo)纖維。一般采用廉價(jià)的雙絞線即可，無特殊要求。

11）節(jié)點(diǎn)具有在錯(cuò)誤嚴(yán)重時(shí)自動(dòng)關(guān)閉總線的功能，它可以切斷故障點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使總線上的其他節(jié)點(diǎn)不受影響。

三、CAN總線傳輸速率及自診斷功能

1．CAN總線的傳輸速率

目前，CAN總線系統(tǒng)中的信號是采用數(shù)字方式經(jīng)銅導(dǎo)線傳輸?shù)模渥畲蠓€(wěn)定傳輸速率可達(dá)1000kbit/s（1Mbit/s）。大眾和奧迪公司將最大標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率規(guī)定為500kbit/s。

考慮到信號的重復(fù)率及產(chǎn)生出的數(shù)據(jù)量，CAN總線系統(tǒng)分為3個(gè)專門的系統(tǒng)，見表2-1。

2．CAN總線的自診斷功能

CAN總線是車內(nèi)電子裝置中的一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，從本質(zhì)上講，CAN總線就是數(shù)據(jù)傳輸線路，用于在控制單元之間進(jìn)行信息交換。由于自身的布置和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，CAN總線工作時(shí)的可靠性很高。如果CAN總線系統(tǒng)出現(xiàn)故障，故障就會存入相應(yīng)的控制單元故障存儲器內(nèi)，可以用診斷儀讀出這些故障。

1）控制單元具有自診斷功能，通過自診斷功能還可識別出與CAN總線相關(guān)的故障。

2）用診斷儀（如VAS505、VAS5052、GT1等）讀出CAN總線故障記錄之后，即可按這些提示信息快速、準(zhǔn)確地查尋并排除故障。

3）控制單元內(nèi)的故障記錄用于初步確定故障，還可用于讀出排除故障后的無故障說明，即確認(rèn)故障已經(jīng)被排除。如果想要更新故障顯示內(nèi)容，必須重新起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

4）CAN總線正常工作的前提條件是車輛在任何工況均不應(yīng)有CAN總線故障記錄。

四、CAN總線系統(tǒng)的組成

CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)由電控單元（ECU）、傳輸介質(zhì)雙絞線和終端電阻組成，如圖2-2所示。

1．電控單元（ECU）

CAN總線連接的電控單元（ECU）又稱CAN總線上的節(jié)點(diǎn)。理論上CAN總線可以連接無窮多個(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)際上受線路越長、傳輸速率越低的限制，車載CAN總線的節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)上百個(gè)。

CAN總線上的每個(gè)電控單元（ECU）獨(dú)立完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換和測控任務(wù)，如發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元（ECU）、自動(dòng)變速器電控單元（ECU）、ABS電控單元（ECU）等。CAN總線上的電控單元（ECU）與非網(wǎng)絡(luò)電控單元（ECU）不同，非網(wǎng)絡(luò)電控單元（ECU）不需要對外進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；而網(wǎng)絡(luò)上的電控單元（ECU）之間需要數(shù)據(jù)交換，例如發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元（ECU）中的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)除了控制發(fā)動(dòng)機(jī)的工況需要外，還需要經(jīng)CAN總線傳輸給自動(dòng)變速器電控單元（ECU），供自動(dòng)變速器自動(dòng)換檔控制使用；反過來，自動(dòng)變速器的換檔信號也要經(jīng)CAN總線傳輸給電控單元（ECU），使發(fā)動(dòng)機(jī)的工況適合自動(dòng)變速器的換檔要求。

圖2-3所示為CAN總線電控單元的原理圖，CAN總線電控單元由輸入電路、輸出電路、單片機(jī)、CAN控制器、光電隔離電路、CAN收發(fā)器組成，分述如下：

（1）輸入電路 輸入電路用來接收來自傳感器和控制開關(guān)的輸入信號，并將輸入信號轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可接收的數(shù)字信號。如果輸入信號是模擬信號，那么輸入電路里還含有模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A/D轉(zhuǎn)換），將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號。如冷卻液溫度傳感器的信號是模擬信號，需經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

（2）輸出電路 輸出電路將單片機(jī)輸出的控制信號轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器的功率信號，因此輸出電路包括放大驅(qū)動(dòng)電路。因?yàn)榇蟛糠謭?zhí)行器是模擬執(zhí)行器，所以首先要將單片機(jī)輸出的數(shù)字信號經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路（D/A轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換為模擬信號。

（3）單片機(jī) 單片機(jī)在工業(yè)控制技術(shù)中也常稱為微控制器。目前，汽車電控單元使用的單片機(jī)是汽車專用增強(qiáng)型單片機(jī)，是針對汽車較為復(fù)雜的振動(dòng)、高溫、低溫和惡劣的電磁環(huán)境而設(shè)計(jì)的。有的汽車單片機(jī)芯片內(nèi)已包含A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換和其他專用電路，有的甚至將CAN控制器也合成在一起。

（4）CAN控制器 獨(dú)立的CAN控制器是基于單片機(jī)控制的、專用于執(zhí)行CAN總線通信協(xié)議的獨(dú)立數(shù)字集成電路芯片。也有將單片機(jī)與CAN控制器合成的芯片，也稱為CAN控制器。圖2-4所示為一獨(dú)立的CAN控制器的原理圖。CAN控制器的各部分組成及功能見表2-2。

（5）光電隔離電路 以光為媒介傳送信號，對輸入和輸出電路進(jìn)行電氣隔離，因而能有效地抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地回路的干擾，有響應(yīng)速度較快、壽命長、體積小、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)。

（6）CAN收發(fā)器 由CAN接收器、CAN發(fā)送器和差分轉(zhuǎn)換處理電路組成。圖2-5所示為CAN收發(fā)器轉(zhuǎn)換信號的示意圖。

單片機(jī)的數(shù)據(jù)信號為正邏輯信號，經(jīng)CAN發(fā)送器中的差分放大器轉(zhuǎn)換為雙向的差分信號傳送到總線上。差分信號以負(fù)邏輯信號形式表示數(shù)據(jù)。

以高速CAN總線為例，當(dāng)單向脈沖信號為“0”，并且代表邏輯“0”時(shí)，差分信號的高電平信號用CAN-High表示，電壓為3.5V；低電平信號用CAN-Low表示，電壓為1.5V；差分電壓為2V，此時(shí)總線的狀態(tài)為“顯性位”，“顯性位”代表邏輯“0”。當(dāng)單向脈沖信號為“1”時(shí)，并且代表邏輯“1”時(shí)，差分信號的高電平信號和低電平信號均為2.5V；差分電壓為0V，此時(shí)總線的狀態(tài)為“隱性位”，“隱性位”代表邏輯“1”。

CAN-High信號和CAN-Low信號分別輸出到CAN總線上，即雙絞線上。接高電平信號的線對應(yīng)稱為CAN-High線，接低電平信號的線對應(yīng)稱為CAN-Low線。

CAN接收器是差分式接收放大器，可將CAN總線上雙向的差分信號轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗虻拿}沖信號。CAN收發(fā)器在不發(fā)送信號時(shí)就處于接收狀態(tài)。

CAN總線在任意時(shí)刻只能處于一種狀態(tài)，要么是“隱性位”，要么是“顯性位”。圖2-6所示是用示波器在CAN總線測得的電壓波形。

2．CAN數(shù)據(jù)傳輸線

汽車上CAN數(shù)據(jù)傳輸線大都是雙絞線，分為CAN高電平數(shù)據(jù)線和低電平數(shù)據(jù)線，即CAN-High線和CAN-Low線。這種結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)能夠同時(shí)讀寫總線。數(shù)據(jù)使用差分電壓傳送，差分的電壓使CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)即使在一條數(shù)據(jù)線斷開或者在噪聲極大的環(huán)境中也能夠工作。車輛在使用過程中，電火花、電磁線圈開關(guān)、移動(dòng)電話和發(fā)送站等發(fā)出的電磁波都會影響或破壞CAN的數(shù)據(jù)傳送。為了防止數(shù)據(jù)在傳送時(shí)受到干擾，兩條數(shù)據(jù)傳輸線纏繞在一起，如圖2-7所示，這樣也可以防止數(shù)據(jù)線所產(chǎn)生的輻射噪聲。這兩條線的電位相反，如果一根數(shù)據(jù)線上的電壓約為0V，那么另一根線上的電壓就約為5V，這樣，兩根線的總電壓保持為一個(gè)常數(shù)，而且所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)也會由于極性相反而互相抵消，使向外輻射保持中性（即無輻射）。

3．CAN終端電阻

CAN兩端都接一個(gè)120Ω的電阻器，即連接在雙絞線的兩端，終端電阻可防止信號在傳輸線終端被反射并以回波的形式返回，影響數(shù)據(jù)的正確傳送。

五、CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸

1．CAN總線的廣播式傳輸

CAN數(shù)據(jù)總線在發(fā)送信息時(shí)，每個(gè)控制單元均可接收其他控制單元發(fā)送出的信息。在通信技術(shù)領(lǐng)域，也把該原理稱為廣播（圖2-8），就像一個(gè)廣播電臺發(fā)送廣播節(jié)目一樣，每個(gè)廣播網(wǎng)范圍內(nèi)的用戶（收音機(jī)）均可接收。這種廣播方式可以使得連接的所有控制單元總是處于相同的信息狀態(tài)。

數(shù)據(jù)傳輸總線中的數(shù)據(jù)傳遞又類似于一個(gè)電話會議。一個(gè)電話用戶（控制單元）將數(shù)據(jù)“講”入網(wǎng)絡(luò)中，其他用戶通過網(wǎng)絡(luò)“接聽”這個(gè)數(shù)據(jù)，對這個(gè)數(shù)據(jù)感興趣的用戶就會利用數(shù)據(jù)，而其他用戶則選擇忽略，如圖2-9所示。

數(shù)據(jù)傳輸總線是車內(nèi)電子裝置中的一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，用于在連接的控制單元之間進(jìn)行信息交換。由于自身的布置和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，數(shù)據(jù)傳輸總線工作時(shí)的可靠性很高。

如果數(shù)據(jù)傳輸總線系統(tǒng)出現(xiàn)故障，故障就會存入相應(yīng)的控制單元故障存儲器內(nèi)，可以用診斷儀讀出這些故障。控制單元擁有自診斷功能，通過自診斷功能，人們還可識別出與數(shù)據(jù)傳輸總線相關(guān)的故障。用診斷儀讀出數(shù)據(jù)傳輸總線故障記錄后，即可按這些信息準(zhǔn)確地查尋故障。控制單元內(nèi)的故障記錄用于初步確定故障，還可用于讀出排除故障后的無故障說明。數(shù)據(jù)傳輸總線正常的一個(gè)重要前提條件是：在任何工況均不應(yīng)有數(shù)據(jù)傳輸總線故障記錄。為了能夠確定及排除故障，需要了解數(shù)據(jù)傳輸總線上的數(shù)據(jù)交換基本原理。

基本車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由多個(gè)控制單元組成，這些控制單元通過所謂的收發(fā)器（發(fā)射—接收放大器）并聯(lián)在總線導(dǎo)線上，所有控制單元的地位均相同，沒有哪個(gè)控制單元有特權(quán)，如圖2-10所示。在這個(gè)意義上也稱為多主機(jī)結(jié)構(gòu)。信息交換是按順序連續(xù)完成的。

原則上數(shù)據(jù)傳輸總線用一條導(dǎo)線就足以滿足功能要求了，但通常總線系統(tǒng)上還是配備了第二條導(dǎo)線（通用別克等車型采用單線傳輸）。第二條導(dǎo)線上的傳輸信號與第一條導(dǎo)線上的傳輸信號成鏡像關(guān)系，這樣可有效抑制外部干擾。

2．CAN總線系統(tǒng)防干擾措施及原理

汽車在使用過程中，電火花、電磁開關(guān)、移動(dòng)電話和發(fā)送站、電焊機(jī)等電磁設(shè)備發(fā)出的電磁波都會影響或破壞CAN的數(shù)據(jù)傳送。為了防止數(shù)據(jù)在傳送時(shí)受到干擾，CAN總線采用較多的防干擾措施。

（1）雙絞線的抗外電磁干擾作用 圖2-11所示為雙絞線抗外電磁干擾原理圖。圖2-11a所示為雙平行線易受電磁波干擾的示意圖，根據(jù)電磁感應(yīng)定律和右手定則，雙平行線和兩端的通信設(shè)備構(gòu)成一個(gè)空間閉合回路和導(dǎo)線閉合回路，穿過雙平行線的磁感應(yīng)線可在回路中形成方向一致的干擾性感應(yīng)電流，對有用信號形成干擾。

圖2-11b所示為雙絞線抗電磁波干擾的示意圖，雙絞線與兩端的通信設(shè)備雖然構(gòu)成一個(gè)大的導(dǎo)線閉合回路，但由于雙絞線是雙線扭絞而成，在空間上構(gòu)成一個(gè)一個(gè)的小閉合回路，穿過雙絞線的磁感應(yīng)線在相鄰的兩個(gè)“絞孔”的空間上雖然感應(yīng)電動(dòng)勢方向相同，但在同一根導(dǎo)線上的感應(yīng)電動(dòng)勢方向方卻是相反的，因此，起著抵消的作用。

（2）差分信號和差分式接收器的抗干擾作用CAN發(fā)送器發(fā)送的數(shù)據(jù)信號是差分信號，CAN接收器是差分式接收器（差分又稱差動(dòng)），它們的結(jié)合起著很好的抗干擾作用。圖2-12所示是差分信號和差分式接收器的抗干擾示意圖。為了方便說明，以分立元器件組成的差分放大電路為例（集成電路的原理相同）。

圖2-12中差分放大電路由NPN型晶體管VT₁、VT₂，集電極電阻R_C1、R_C2，基極電阻R_B1、R_B2，發(fā)射極電阻R_E1、R_E2組成。受干擾的雙向差分信號從差分放大電路左端輸入，由于一級放大具有反向作用，所以將高電平信號輸入差分放大電路的下端，將低電平信號輸入差分放大電路的上端。輸入信號電壓u_i=u_iH-u_iL，當(dāng)受電磁干擾時(shí)，高電平信號和低電平信號的電位同時(shí)變化（輸入信號的電位差u_i不變），經(jīng)差分放大電路放大，輸出電壓u_O1和u_O2也同時(shí)變化，結(jié)果使輸出信號電壓u_O=u_O1-u_O2不變，使輸出的單向脈沖信號與不受電磁干擾的信號相同，達(dá)到抗干擾的目的。

由于CAN總線上的數(shù)字信號是10101（負(fù)邏輯），差分放大電路輸出的單向脈沖信號是01010，與CAN總線上的數(shù)字信號邏輯關(guān)系相反，所以要經(jīng)反相器反相，才能得到與CAN總線邏輯關(guān)系一致的數(shù)據(jù)信號10101（正邏輯）。

（3）其他防干擾措施 除以上防干擾措施外，還有光電隔離電路和軟件處理等措施。

六、CAN總線的數(shù)據(jù)類型

CAN總線所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)又稱為報(bào)文，是一幀一幀地傳送，每幀數(shù)據(jù)由一組二進(jìn)制數(shù)或數(shù)字脈沖組成，這組二進(jìn)制數(shù)按功能又分為一段一段的，每一段稱為幀的域或場。

CAN總線所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀和過載幀4種類型。

CAN的幀有兩種不同的幀格式，不同之處為識別符的長度不同：具有11位識別符的幀稱為標(biāo)準(zhǔn)幀，而含有29位識別符的幀為擴(kuò)展幀。

1．?dāng)?shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)幀的功能是將數(shù)據(jù)從發(fā)送器傳到接收器。數(shù)據(jù)幀由開始域、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、安全域、應(yīng)答域和結(jié)束域7個(gè)不同的域組成，如圖2-13所示。

（1）開始域 標(biāo)志數(shù)據(jù)幀的起始，僅由一個(gè)“顯性”（即0）位組成，帶有約5V的電壓的1位被送入CAN高位傳輸線，帶有約0V電壓的1位被送入CAN低位傳輸線。開始域由控制芯片完成。

（2）仲裁域 仲裁域包括標(biāo)識符和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位（RTR）。識別符代表數(shù)據(jù)的身份和優(yōu)先權(quán)，標(biāo)準(zhǔn)格式下標(biāo)識符的長度為11位，這些位按ID.10～I(xiàn)D.0的順序發(fā)送，最低位是ID.0。7個(gè)高位（ID.10～I(xiàn)D.4）必須不能全是“隱性”。在標(biāo)準(zhǔn)幀里，識別符后是遠(yuǎn)程發(fā)送請求位（RTR），該位若為“顯性”（即0），代表發(fā)送的信息是數(shù)據(jù)；若為“隱性”（即1），代表發(fā)送的信息是數(shù)據(jù)請求。

只要總線空閑，各控制單元均可向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，如果各個(gè)控制單元要同時(shí)發(fā)送各自的數(shù)據(jù)，那么系統(tǒng)必須決定哪一個(gè)控制單元先進(jìn)行發(fā)送。系統(tǒng)規(guī)定具有最高優(yōu)先權(quán)的數(shù)據(jù)先發(fā)送，標(biāo)識符的二進(jìn)制值越小，其優(yōu)先權(quán)就越高。不同數(shù)據(jù)的優(yōu)先權(quán)根據(jù)數(shù)據(jù)的重要性和緊迫性等因素由人為編程時(shí)確定。

例如，發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元、ABS電控單元和自動(dòng)變速器電控單元相比較，制動(dòng)信號的優(yōu)先權(quán)最高，三者仲裁域的標(biāo)識符如下：

0 1 0 1 000 0000（發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元標(biāo)識符）

00 1 1 0 1 0 0000（ABS電控單元標(biāo)識符）

1 00 0 1 00 0000（自動(dòng)變速器電控單元標(biāo)識符）

可以看出，ABS電控單元的標(biāo)識符數(shù)值設(shè)定得最小，優(yōu)先權(quán)最高；自動(dòng)變速器電控單元標(biāo)識符數(shù)值最大，優(yōu)先權(quán)最低；發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元標(biāo)識符數(shù)值居中。當(dāng)以上三個(gè)電控單元同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)就先發(fā)送ABS電控單元發(fā)送的數(shù)據(jù)，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元和自動(dòng)變速器電控單元轉(zhuǎn)化為接收器接收數(shù)據(jù)。總線一旦空閑，系統(tǒng)會發(fā)送其他電控單元的數(shù)據(jù)。

（3）控制域 控制域由6個(gè)位組成，其中4位是數(shù)據(jù)長度代碼，即數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)量，另兩位作為擴(kuò)展用的保留位。所發(fā)送的保留位必須“顯性”。控制域供接收器檢查是否已經(jīng)接收到所傳來的所有信息。接收器接收和認(rèn)可所有由“顯性”和“隱性”的任意組合在一起的位。

數(shù)據(jù)長度代碼見表2-3。其中，DLC3～DLC0代表數(shù)據(jù)長度代碼的位，DLC0是最低位，DLC3是最高位。數(shù)據(jù)長度代碼最大為8，表示數(shù)據(jù)幀允許的數(shù)據(jù)長度為0～8字節(jié)。

表中“0”為“顯性”，“1”為“隱性”。

（4）數(shù)據(jù)域 數(shù)據(jù)域由數(shù)據(jù)幀發(fā)送的數(shù)據(jù)組成，可以為0～8個(gè)字節(jié)，每字節(jié)包含了8個(gè)位，所以數(shù)據(jù)幀最大為64位。數(shù)據(jù)域是如何表示數(shù)據(jù)的呢？例如，要表達(dá)節(jié)氣門開度信號，假如把節(jié)氣門的開度按最大開度的百分?jǐn)?shù)表示，每10%為一個(gè)等級，那么節(jié)氣門開度信號在數(shù)據(jù)域的代碼見表2-4。其中，“0%”表示節(jié)氣門關(guān)閉，發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài)，“100%”表示節(jié)氣門全開，發(fā)動(dòng)機(jī)處于全負(fù)荷狀態(tài)。

同理，可以用更多的位表示更精確的節(jié)氣門開度變化，如8個(gè)位可表示256個(gè)節(jié)氣門開度位置變化。對更復(fù)雜的數(shù)據(jù)，如果1個(gè)字節(jié)不夠表示，可以用2個(gè)字節(jié)或多個(gè)字節(jié)表示，但不能超過8個(gè)字節(jié)。

（5）安全域 安全域用來檢測傳遞數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤。CAN系統(tǒng)用于電噪聲很大的環(huán)境，這個(gè)環(huán)境中的數(shù)據(jù)最容易丟失或破壞。CAN協(xié)議提供了5種錯(cuò)誤檢測和修正的方法，因此如果數(shù)據(jù)被破壞，能夠被檢測出來，而且網(wǎng)絡(luò)中的所有的電控單元都會忽略這個(gè)數(shù)據(jù)。這5種錯(cuò)誤檢測類型分別為位錯(cuò)誤、填充錯(cuò)誤、校驗(yàn)（CRC）錯(cuò)誤、形式錯(cuò)誤和應(yīng)答錯(cuò)誤。

1）位錯(cuò)誤：各控制單元在發(fā)送位的同時(shí)也對總線進(jìn)行監(jiān)視。如果所發(fā)送的位值與所監(jiān)視的位值不相符合，則在此位時(shí)間里檢測到一個(gè)位錯(cuò)誤。

2）填充錯(cuò)誤：如果在使用位填充法進(jìn)行編碼的信息中，出現(xiàn)了第6個(gè)連續(xù)相同的位電平時(shí)，將檢測到一個(gè)填充錯(cuò)誤。

3）校驗(yàn)錯(cuò)誤：校驗(yàn)序列包括發(fā)送器的校驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，接收器計(jì)算校驗(yàn)的方法與發(fā)送器相同。如果接收器的計(jì)算結(jié)果與接收到校驗(yàn)序列的結(jié)果不相符，則檢測到一個(gè)校驗(yàn)錯(cuò)誤。

4）形式錯(cuò)誤：當(dāng)一個(gè)固定形式的域含有一個(gè)或多個(gè)非法位，則檢測到一個(gè)形式錯(cuò)誤。

5）應(yīng)答錯(cuò)誤：只要在應(yīng)答間隙期間所監(jiān)視的位不為“顯性”，則發(fā)送器會檢測到一個(gè)應(yīng)答錯(cuò)誤。

（6）應(yīng)答域 應(yīng)答域用來反映接收器通知發(fā)送器是否已經(jīng)正確接收到數(shù)據(jù)。當(dāng)接收器正確地接收到有效的數(shù)據(jù)，接收器就會在應(yīng)答間隙期間內(nèi)向發(fā)送器發(fā)送一個(gè)“顯性”位以應(yīng)答，而應(yīng)答界定符始終是“隱性”位。

如果檢查到錯(cuò)誤，接收器立即通知發(fā)送器，然后發(fā)送器再發(fā)送一次數(shù)據(jù)，直到該數(shù)據(jù)被準(zhǔn)確接收為止，但從檢測出錯(cuò)誤到下一數(shù)據(jù)的傳送開始為止，發(fā)送時(shí)間最多為29個(gè)位的時(shí)間。

應(yīng)答域長度為2個(gè)位，包含應(yīng)答間隙和應(yīng)答界定符，常態(tài)下發(fā)送兩個(gè)“隱性”位。

（7）結(jié)束域 結(jié)束域標(biāo)志著數(shù)據(jù)報(bào)告結(jié)束，由7個(gè)“隱性”位組成。這是顯示錯(cuò)誤并重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)的最后一次機(jī)會。

2．遠(yuǎn)程幀

CAN總線上電控單元的數(shù)據(jù)發(fā)布，有以下兩種基本形式。

第一種形式是按設(shè)定或需要主動(dòng)發(fā)布。例如制動(dòng)信號，當(dāng)踩制動(dòng)踏板時(shí)ABS電控單元就會主動(dòng)發(fā)布，發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元接收后就會立即調(diào)控發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由高速降為低速。

第二種形式是受請求后發(fā)布。例如A電控單元需要B電控單元的數(shù)據(jù)，A電控單元先發(fā)布請求信號，這個(gè)請求信號的數(shù)據(jù)形式就是遠(yuǎn)程幀。CAN總線上的所有電控單元都可接收到這個(gè)遠(yuǎn)程幀，并對遠(yuǎn)程幀中的標(biāo)識符進(jìn)行識別，需要?jiǎng)t接收，不需要?jiǎng)t不處理。在對各電控單元編程時(shí)，已設(shè)定B電控單元接收這個(gè)遠(yuǎn)程幀，并隨即發(fā)布A電控單元所需要的數(shù)據(jù)。

例如，自動(dòng)變速器在自動(dòng)換檔決策前，根據(jù)程序要求需要發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，以便確定最佳換檔工況，那么自動(dòng)變速器電控單元要先發(fā)布遠(yuǎn)程幀，請求發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元發(fā)布發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元收到這個(gè)遠(yuǎn)程幀的請求后，隨即發(fā)布發(fā)動(dòng)機(jī)的即時(shí)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，自動(dòng)變速器電控單元收到發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)后，再決定是否換檔或等待發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定數(shù)值后再換檔。

遠(yuǎn)程幀由開始域、仲裁域、控制域、安全域、應(yīng)答域和結(jié)束域6個(gè)不同的域組成。與數(shù)據(jù)幀相反，遠(yuǎn)程幀的遠(yuǎn)程發(fā)送請求位（RTR位）是“隱性”的（即邏輯“1”）。它沒有數(shù)據(jù)域，數(shù)據(jù)長度代碼的數(shù)值是不受制約的（可以標(biāo)注為容許范圍內(nèi)0～8的任何數(shù)值）。其余域功能同數(shù)據(jù)幀。

3．錯(cuò)誤幀

任何電控單元檢測到總線錯(cuò)誤就發(fā)出錯(cuò)誤幀。錯(cuò)誤幀的功能是對所發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測、錯(cuò)誤標(biāo)定及錯(cuò)誤自檢。錯(cuò)誤幀由兩個(gè)不同的域組成：第一個(gè)域?yàn)椴煌刂茊卧峁╁e(cuò)誤標(biāo)志的疊加，第二個(gè)域是錯(cuò)誤界定符。

（1）錯(cuò)誤標(biāo)志 錯(cuò)誤標(biāo)志包括主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志和被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志兩種形式。主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志由6個(gè)連續(xù)顯性位組成，檢測到錯(cuò)誤條件的“錯(cuò)誤主動(dòng)”控制單元通過發(fā)送主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志以指示錯(cuò)誤。被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志由6個(gè)連續(xù)隱性位組成，除非被其他CAN控制器的顯性位改寫，檢測到錯(cuò)誤條件的“錯(cuò)誤被動(dòng)”控制單元通過發(fā)送被動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志以指示錯(cuò)誤。

（2）錯(cuò)誤界定 錯(cuò)誤界定符由8個(gè)隱性位組成。傳送了錯(cuò)誤標(biāo)志以后，每一節(jié)點(diǎn)就發(fā)送一個(gè)隱性位，并一直監(jiān)視總線直到檢測出一個(gè)隱性位為止，然后就開始發(fā)送其余7個(gè)隱性位。

4．過載幀

過載幀用以在先行的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀（或遠(yuǎn)程幀）之間提供一附加的延時(shí)。接收器在電路尚未準(zhǔn)備好或在間歇域期間檢測到一個(gè)“顯性”位時(shí)，會發(fā)送過載幀，以延遲數(shù)據(jù)的傳送。過載幀包括過載標(biāo)志和過載界定符兩個(gè)域。

5．幀間空間

數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀與其前面幀的隔離是通過幀間空間實(shí)現(xiàn)的，無論其前面的幀為何類型。所不同的是過載幀與錯(cuò)誤幀之前沒有幀間空間，多個(gè)過載幀之間也不是由幀間空間隔離的。幀間空間包括間歇域和總線空閑域。

總線空閑域的長度是任意的。只要總線被認(rèn)定為空閑，等待發(fā)送信息的控制單元就會訪問總線。