第三節 CAN總線的應用

一、CAN總線的分類及特征

由于CAN總線在汽車上的具體應用領域（系統）和數據傳輸速率不同，故CAN總線有不同的類別。另外，對于功能相同或相近的CAN總線，不同的汽車公司，對其稱謂也不盡相同。如大眾集團的CAN總線分為驅動CAN總線、舒適CAN總線、信息/娛樂CAN總線、組合儀表CAN總線、診斷CAN總線五類；而寶馬汽車集團的CAN總線分為PT-CAN總線（動力傳輸CAN總線）、F-CAN總線（底盤CAN總線）、K-CAN總線（車身CAN總線）三類；奔馳汽車公司的CAN總線分為CAN B總線、CAN C總線兩大類等。

1．大眾公司的CAN總線

目前，德國大眾汽車集團公司生產的汽車中使用多種CAN數據總線。根據信號的重復率、產生的數據量和可用性（準備狀態），CAN數據總線系統分為如下五類：

（1）驅動CAN數據總線 驅動CAN數據總線屬于高速CAN總線，數據傳輸速率為5000kbit/s，用于將驅動系統中的控制單元聯成網絡。

（2）舒適CAN數據總線 舒適CAN數據總線屬于低速CAN總線，數據傳輸速率為100kbit/s，用于將舒適系統中的控制單元聯成網絡。

（3）信息/娛樂CAN數據總線 信息/娛樂CAN數據總線屬于低速CAN總線，數據傳輸速率為100kbit/s，用于將收音機、電話機和導航系統聯成網絡。

（4）組合儀表CAN總線 組合儀表CAN總線屬于低速CAN總線，數據傳輸速率為100kbit/s。

（5）診斷CAN總線 診斷CAN總線屬于高速CAN總線，數據傳輸速率為500kbit/s。

舒適CAN數據總線和信息CAN數據總線可以通過帶網關的組合儀表與驅動CAN數據總線進行數據交換。

2．CAN導線

CAN數據總線是一種雙線式數據總線，各個CAN系統的所有控制單元都并聯在CAN數據總線上。CAN數據總線的兩條導線分別稱為CAN-High導線和CAN-Low導線。在實際使用中，CAN-High導線和CAN-Low導線是扭結在一起的，稱為雙絞線，如圖2-27所示。

控制單元之間的數據交換就是通過這兩條導線完成的，這些數據可以是發動機轉速、冷卻液溫度、油箱油面高度、節氣門開度、加速踏板位置、車速等，也可以是車輪轉速、轉向盤轉角、發動機輸出轉矩、爆燃傾向等。

在大眾車系中，CAN導線的基色為橘色。對于驅動數據總線來說，CAN-High導線上還多加了黑色作為標志色；對于舒適CAN數據總線來說，CAN-High導線上的標志色為綠色；對于信息CAN數據總線來說，CAN-High導線上的標志色為紫色，而CAN-Low導線的標志色都是棕色。大眾車系CAN總線系統的顏色如圖2-28所示。

為易于識別，并與大眾車系維修手冊及VAS5051檢測儀相適應，在本書中，CAN導線分別用黃色和綠色來表示，CAN-High導線為黃色（在黑白圖中為灰色），CAN-Low導線為綠色（在黑白圖中為黑色），如圖2-29所示。

3．不同CAN總線的共性

1）不同類別的CAN總線在數據高速公路上采用同樣的交通規則（數據傳輸協議）進行數據傳輸。

2）為了保證信息傳輸的高抗干擾性（如來自發動機艙的強烈的電磁波），所有CAN數據總線都采用雙絞線（CAN-High導線和CAN-Low導線）系統，個別公司還采用三線系統（如寶馬車系，其PT-CAN總線中，除了CAN-High導線和CAN-Low導線之外，還有一根喚醒導線）。

3）將要發送的信號在發送控制單元的收發器內轉換成不同的信號電平，并輸送到兩條CAN導線上，只有在接收控制單元的差動信號放大器內才能建立兩個信號電平的差值，并將其作為唯一經過校正的信號繼續傳至控制單元的CAN接收區。

4）信息CAN數據總線與舒適CAN數據總線的特性是一致的。

4．不同CAN總線的區別

1）驅動CAN數據總線通過15號接線柱（亦稱總線端子15）切斷，或經過短時無載運行后自行切斷。

2）舒適CAN數據總線由30號接線柱（亦稱總線端子30）供電且必須保持隨時可用狀態。為了盡可能降低汽車電網的負荷，在“15號接線柱關閉”后，若汽車網絡系統不再需要舒適CAN數據總線工作，那么舒適CAN數據總線就進入“休眠模式”。

3）舒適CAN數據總線和信息CAN數據總線在一根導線短路或一根導線斷路時，可以使用另外一根導線繼續工作，這時系統會自動切換到“單線工作模式”。也就是說，舒適CAN數據總線和信息CAN數據總線可以單線工作（俗稱“瘸腿”工作）。

4）驅動CAN數據總線的電信號與舒適CAN數據總線、信息CAN數據總線的電信號是不同的。驅動CAN數據總線無法與舒適/信息CAN數據總線直接進行電氣連接，但可以通過網關連接在一起，構成一個更大的網絡。網關可以設置在某一個控制單元（如組合儀表控制單元或供電控制單元）內，也可以獨立設置，形成網關模塊。

二、驅動CAN總線

1．CAN導線上的電壓

如圖2-30所示，驅動CAN總線處于靜止狀態（即沒有數據傳輸）時，CAN-High導線和CAN-Low導線兩條導線上作用有預先設定的電壓，其電壓值約為2.5V。

CAN總線的靜止狀態亦稱隱性狀態，靜止狀態下CAN-High導線和CAN-Low導線的對地電壓稱為靜止電平（亦稱隱性電平），簡稱靜電平。當有數據傳輸時，驅動CAN總線處于顯性狀態。此時，CAN-High導線上的電壓值會升高一個預定值（至少為1V），而CAN-Low導線上的電壓值會降低一個同樣值（至少為1V）。

于是，在驅動CAN總線上，CAN-High導線就處于激活狀態（顯性狀態），其電壓不低于3.5V（2.5V+1V=3.5V），而CAN-Low導線上的電壓值最多可降至1.5V（2.5V-1V=1.5V）。

因此，在隱性狀態時，CAN-High導線與CAN-Low導線上的電壓差為0V，在顯性狀態時該差值最低為2V。

2．CAN收發器

控制單元是通過收發器連接到驅動CAN總線上的。在收發器內部的接收器一側設有差動信號放大器。差動信號放大器用于處理來自CAN-High導線和CAN-Low導線的信號，除此以外，還負責將轉換后的信號傳至控制單元的CAN接收區。這個轉換后的信號稱為差動信號放大器的輸出電壓。

如圖2-31所示，差動信號放大器用CAN-High導線上的電壓（U_CAN-High）減去CAN-Low導線上的電壓（U_CAN-Low），就得出了輸出電壓，用這種方法可以消除靜電平或其他任何重疊的電壓（如外來的電磁干擾）。

收發器的差動信號放大器在處理信號時，會用CAN-High導線上作用的電壓減去CAN-Low導線上作用的電壓，具體的處理過程如圖2-32所示。

3．CAN總線干擾信號的消除

由于CAN總線線束要布置在發動機艙內，所以CAN總線難免會遭受各種電磁干擾（圖2-33）。在對車輛進行維修、保養時要充分考慮線束對地短路（搭鐵）和蓄電池電壓、點火裝置的火花放電和靜態放電等因素對CAN總線的干擾。

CAN-High信號和CAN-Low信號經過差動信號放大器處理后（就是所謂的差動傳輸技術），可最大限度地消除干擾的影響。即使車上的供電電壓有波動（如起動發動機時），也不會影響各個控制單元的數據傳輸，這就大大提高了數據傳輸的可靠性。在圖2-34上可清楚地看到這種傳輸的效果。由于CAN-High導線和CAN-Low導線是扭絞在一起的雙絞線，所以干擾脈沖信號X對CAN-High導線和CAN-Low導線的作用是等幅值、等相位、同頻率的。

由于差動信號放大器總是用CAN-High導線上的電壓（3.5V-X）減去CAN-Low導線上的電壓（1.5V-X），因此在經過處理后，差動信號中就不再有干擾脈沖了。用數學關系式表示時就是：（3.5V-X）-（1.5V-X）=2V。

4．終端電阻（負載電阻）

收發器發送區的任務是將控制單元內的CAN控制器的較弱信號放大，使之達到CAN導線上的信號電平和控制單元輸入端的信號電平。從信號傳輸的角度看，連接在CAN數據總線上的控制單元相當于CAN導線上的一個負載電阻（只是控制單元內部裝有電子元器件），其阻抗取決于連接的控制單元數量及電阻阻值。

發動機控制單元會在驅動CAN總線的CAN-High導線和CAN-Low導線之間形成66Ω的電阻，而組合儀表和ABS控制單元則可在CAN總線上產生2.6kΩ的電阻，如圖2-35所示。根據連接的控制單元數量，所有控制單元形成的總電阻為53～66Ω。如果15號接線柱（點火開關）已切斷，就可以用歐姆表測量CAN-High導線和CAN-Low導線之間的電阻。

收發器將CAN信號輸送到CAN總線的兩條導線上，相應地在CAN-High導線上的電壓就升高，而在CAN-Low導線上的電壓就降低一個同樣大小的值。對于驅動CAN總線來說，一條導線上的電壓改變值不低于1V，對于舒適/信息CAN總線來說，這個值不低于3.6V。

與其他工業領域的CAN數據總線裝在兩根CAN導線末端的終端電阻不同，大眾汽車集團的CAN總線系統采用分配方式配置終端電阻。即將終端電阻“散布”于各個控制單元內部，且阻值不等。如發動機控制單元內部的終端電阻阻值為66Ω，組合儀表和ABS控制單元內部的終端電阻阻值為2.6kΩ。由于汽車內部的驅動CAN總線導線長度有限（不超過5m），所以不會有什么負面作用。因此，CAN標準中有關數據總線長度的規定就不適用于大眾集團的驅動CAN總線。

大眾汽車集團的驅動CAN總線所連接的控制單元有發動機控制單元、ABS控制單元、ESP控制單元、變速器控制單元、安全氣囊控制單元、組合儀表等，如圖2-36所示。

5．驅動CAN總線上的信號變化

圖2-37所示為一個真實的驅動CAN總線的實測電壓波形。該總線信號由一個收發器產生并發送到CAN總線上，連接汽車診斷檢測儀VAS5051之后，利用VAS5051的數字存儲式示波器（DSO）接收下來并進行圖像凍結，就得到了驅動CAN總線的實測電壓波形。

由圖2-37可見，CAN-High導線的電壓和CAN-Low導線的電壓是對稱變化的，且變化方向相反。CAN-High導線上的顯性電壓約為3.5V，CAN-Low導線的顯性電壓約為1.5V。兩個電平之間的疊加信號變化表示2.5V的隱性電平。

三、舒適/信息CAN總線

1．舒適/信息CAN總線的特點

舒適/信息CAN總線用于將舒適CAN總線和信息CAN總線所控制的控制單元（如全自動空調/空調控制單元、車門控制單元、舒適控制單元、收音機和導航顯示控制單元等）連成網絡。

與所有CAN總線系統一樣，舒適/信息CAN總線也是雙線式數據總線，其數據傳輸速率為100kbit/s，所以也稱為低速CAN總線。

控制單元通過舒適/信息CAN總線的CAN-High導線和CAN-Low導線來進行數據交換，如車門打開/關閉、車內燈點亮/熄滅、車輛導航系統（GPS）等。由于使用同樣的脈沖頻率，所以舒適CAN總線和信息CAN總線可以共同使用同一組導線，當然前提條件是相應的汽車上裝備了這兩種數據總線。

舒適/信息CAN總線的特點是：控制單元內的負載電阻不是作用于CAN-High導線和CAN-Low導線之間，而是連接在每根導線對地或對+5V電源之間。如果蓄電池電壓被切斷，那么電阻也就沒有了，這時用歐姆表無法測出電阻。

2．舒適/信息CAN導線上的電壓變化

為了使低速CAN總線抗干擾性強且電流消耗低，與動力CAN數據總線相比做了一些改動。

首先，由于使用了單獨的驅動器（功率放大器），這兩個CAN信號就不再有彼此依賴的關系了。與動力CAN數據總線不同，舒適/信息CAN總線的CAN-High線和CAN-Low線不是通過電阻相連的，也就是說，CAN-High線和CAN-Low線不再彼此相互影響，而是彼此獨立作為電壓源來工作的。

另外舒適/信息CAN總線還放棄了共同的中壓，在隱性狀態（靜電平）時，CAN-High信號為0V，在顯性狀態時≥3.6V。對于CAN-Low信號來說，隱性電平為5V，顯性電平≤1.4V，如圖2-38所示。

在差動信號放大器內相減后，隱性電平為-5V，顯性電平為2.2V，那么隱性電平和顯性電平之間的電壓變化（電壓提升）就提高到≥7.2V。

為清楚起見，CAN-High信號和CAN-Low信號彼此分開了，從圖2-38中所示的不同的零點即可看出這一點。

從圖2-39中可清楚地看出，CAN-High信號和CAN-Low信號的靜電平是不同的。還可看出，與驅動CAN總線相比，舒適/信息CAN總線的電壓提升增大了（達到7.2V）。

3．舒適/信息CAN總線的CAN收發器

舒適/信息CAN總線收發器的結構如圖2-40所示，其工作原理與動力CAN數據總線收發器基本是一樣的，只是輸出的電壓電平和出現故障時切換到CAN-High線或CAN-Low線（單線工作模式）的方法不同。另外，CAN-High線和CAN-Low線之間的短路會被識別出來，并且在出現故障時會關閉CAN-Low驅動器，在這種情況下，CAN-High和CAN-Low信號是相同的。

CAN-High線和CAN-Low線上的數據傳遞由安裝在收發器內的故障邏輯電路監控，故障邏輯電路檢驗兩條CAN導線上的信號，如果出現故障，如某條CAN導線斷路，那么故障邏輯電路會識別出該故障，從而使用完好的另一條導線（單線工作模式）。在正常的工作模式下，使用的是CAN-High“減去”CAN-Low所得的信號（差動數據傳遞），這樣就可將干擾對舒適/信息CAN數據總線的兩條導線的影響降至最低（與動力CAN數據總線一樣）。

4．單線工作模式下的舒適/信息CAN總線

如果因斷路、短路或與蓄電池電壓相連而導致兩條CAN導線中的一條不工作了，那么就會切換到單線工作模式。在單線工作模式下，只使用完好的CAN導線中的信號，這樣就使得舒適/信息CAN總線仍可工作。同時，控制單元記錄一個故障信息：系統工作在單線模式。舒適/信息CAN總線處于單線工作模式下的實測電壓波形如圖2-41所示。