01 首語

隨著人們對汽車功能需求越來越多樣化、智能化，汽車的零部件（ECU，Electronic Control Unit）的數(shù)量也越來越多、越來越復(fù)雜，像自動駕駛、主動安全等功能加入，普通汽車搭載ECU數(shù)量大約為50-100個，而豪華智能汽車的ECU數(shù)量平均可達(dá)到300個以上。在如此龐大數(shù)量的ECU的汽車中，各個ECU之間是如何進(jìn)行信息交換、共同協(xié)作，以及ECU是如何完成在線升級（OTA，On The Air）的呢？本文將介紹汽車電子中常用的通信協(xié)議——控制器局部網(wǎng)（CAN，Controller Area Network）。

02 CAN基礎(chǔ)概念介紹

CAN通信技術(shù)是由博世（BOSCH）公司于1986 年開發(fā)出面向汽車的一種通信協(xié)議，隨后通過ISO-11898和ISO-11519對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化：

1、ISO-11898：定義了通信速率為 125 kbps～1 Mbps 的高速 CAN 通信標(biāo)準(zhǔn)，屬于閉環(huán)總線，傳輸速率可達(dá)1Mbps，總線長度 ≤ 40米。

2、ISO-11519：定義了通信速率為 10～125 kbps 的低速 CAN 通信標(biāo)準(zhǔn)，屬于開環(huán)總線，傳輸速率為40kbps時，總線長度可達(dá)1000米。

CAN通信網(wǎng)絡(luò)是歐洲汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，在發(fā)展過程中，其高性能和可靠性被廣泛認(rèn)可，所以也會被使用在工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備中。

CAN是異步通信，與I2C、SPI這類具有時鐘信號線的同步通信協(xié)議不同，CAN通信只有兩根信號線CAN_HIGH和CAN_LOW來組成一對差分信號線，下圖是在汽車電子中常見的ECU在CAN網(wǎng)絡(luò)的連接圖：

圖1 ECU連接圖

差分信號

差分信號又稱差模信號，與傳統(tǒng)使用單根信號線電壓表示邏輯的方式有區(qū)別，晶體管-晶體管邏輯電平（TTL）信號就是用的單根信號線的電壓值來表示邏輯值，其電平信號規(guī)定：+5V等價于邏輯1，0V等價于邏輯0。而使用差分信號傳輸時，需要兩根信號線，這兩個信號線的振幅相等，相位相反，通過兩根信號線的電壓差值（Vdiff，Voltage Difference）來表示邏輯0和邏輯1，Vdiff=CAN_H-CAN_L。CAN差分信號如下圖所示。

圖2 差分信號

CAN總線為隱性電平時代表邏輯1，CAN_H和CAN_L的電平為2.5V（電位差Vdiff為0V）；

CAN總線為顯性電平時代表邏輯0，CAN_H和CAN_L的電平分別是3.5V和1.5V（電位差Vdiff為2.0V左右）。

位時序

前面提到CAN是一種異步通信，沒有時鐘信號線，其通信過程類似串口通信（Serial Communications），CAN控制器之間通過事先約定好的時序進(jìn)行通信，但CAN通信還會采用位同步（Bit Synchronization）的方式來抗干擾、吸收誤差，從而使得CAN控制器可以對總線信號進(jìn)行正確采樣，保證正常通信。

CAN 協(xié)議把每一個數(shù)據(jù)位的時序分解成如圖3所示的 Sync_Seg 段、Prop_Seg 段、Phase_Seg1 段、Phase_Seg2 段，這四段的長度加起來為一個 CAN 數(shù)據(jù)位的長度。最小的時間單位是 Tq（Time Quantum），一個完整的位由 8-25 個 Tq 組成。

圖3 位時間

Sync_Seg（同步段）

若通訊節(jié)點(diǎn)檢測到總線上信號的跳變沿被包含在 Sync_Seg段的范圍之內(nèi)，則表示節(jié)點(diǎn)與總線的時序是同步的，當(dāng)節(jié)點(diǎn)與總線同步時，采樣點(diǎn)（Sampling Point）采集到的總線電平可被認(rèn)為該位的電平。Sync_Seg的大小固定為 1Tq。

Prop_Seg（傳播時間段）

這個時間段是用于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的物理延時時間。是總線上輸入比較器延時和輸出驅(qū)動器延時總和的兩倍。Prop_Seg段的大小可以為 1-8Tq。

Phase_Seg1（相位緩沖段1）

這個時間段主要用來補(bǔ)償邊沿階段的誤差，它的時間長度在重新同步的時候可以加長。Phase_Seg1段的初始大小可以為 1-8Tq。

Phase_Seg2（相位緩沖段2）

這個時間段也是用來補(bǔ)償邊沿階段誤差的，它的時間長度在重新同步時可以縮短。Phase_Seg2段的初始大小可以為 2-8Tq。

CAN收發(fā)器

ECU需要從總線中獲取CAN幀中的信號電平，轉(zhuǎn)化為邏輯電平，也就是將圖2 差分信號中的顯性電平和隱性電平轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的邏輯電平0和邏輯電平1，這樣在總線中的CAN幀就被轉(zhuǎn)換成程序中使用的CAN報文了。

這個步驟就是由CAN收發(fā)器（CAN Transceiver）來完成的，如圖1 ECU連接圖所示，其位于MCU和CAN Network之間，接收CAN總線上的CAN幀相關(guān)的信號電平并將其轉(zhuǎn)化為邏輯信息電平轉(zhuǎn)發(fā)給CAN控制器，并且也接收從CAN控制器傳輸過來的邏輯電平信息并將其轉(zhuǎn)化為信號電平傳從到CAN總線上。

03 CAN幀

CAN有五種幀的類型：數(shù)據(jù)幀（Data Frame）、遠(yuǎn)程幀（Remote Frame）、錯誤幀（Error Frame）、間隔幀（Can Interval Frame）和過載幀（Overload Frame） ，其中最復(fù)雜的幀類型為數(shù)據(jù)幀，其作用是傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度是可變的，一個經(jīng)典CAN（Classical CAN）數(shù)據(jù)幀可傳輸0-8個字節(jié)的數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)內(nèi)容長度，不含CAN幀的控制信息），而一個CAN FD（CAN with Flexible Data rate）的可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度可達(dá)64個字節(jié)，后文提到的CAN為經(jīng)典CAN。CAN幀會因其ID位數(shù)的不同而不同，以ID位數(shù)分為兩類：標(biāo)準(zhǔn)幀（11位CAN Identifier）和擴(kuò)展幀（29位CAN Identifier）。

標(biāo)準(zhǔn)幀

如圖4所示，一個帶有11位CAN Identifier的幀以SOF（Start Of Frame）開始，以EOF（End Of Frame）結(jié)束，其中包含五個區(qū)域，分別為仲裁區(qū)（Arbitration Field）、控制區(qū)（Control Field）、數(shù)據(jù)區(qū)（Data Field）、校驗(yàn)區(qū)（CRC Field）、應(yīng)答區(qū)（ACK Field）。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀

仲裁區(qū)

這個區(qū)域包含CAN Identifier的[28:18]，總共11位，其范圍為0x000-0x7FF，CAN Identifier的值越小會在CAN總線仲裁時擁有更高的優(yōu)先級（Priority）。RTR位用來指示該幀是否位遠(yuǎn)程幀（用來區(qū)分沒有數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀）。

控制區(qū)

IDE位用來指示該幀是否為擴(kuò)展幀；r0為保留位；DLC指示該幀數(shù)據(jù)區(qū)的長度。

數(shù)據(jù)區(qū)

這里放著0-8個字節(jié)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

校驗(yàn)區(qū)

CRC（Cyclic Redundancy Check）：循環(huán)冗余校驗(yàn)；Delimiter：分隔符。

應(yīng)答區(qū)

ACK SLOT：應(yīng)答槽，發(fā)送方會將此位作為隱性電平發(fā)送，接收方成功接收后會將此位重寫，以此來讓發(fā)送方知道此幀是否被成功發(fā)送。

擴(kuò)展幀

設(shè)計(jì)擴(kuò)展幀的目的是為了完成對更長的CAN Identifier的傳輸，所以擴(kuò)展幀中的CAN Identifier使用到了ID[28:0]，一共是29位，如圖5所示，擴(kuò)展幀和標(biāo)準(zhǔn)幀大致相同，只有幾個地方有一些小的區(qū)別。

圖5 擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀

SRR位（Substitute Remote Request）：替代遠(yuǎn)程請求位

r0/r1位：保留位

04 CAN控制器

雖然有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范CAN通信，但是不同的芯片廠商對其功能的具體實(shí)現(xiàn)卻各不相同，不同點(diǎn)主要在CAN外設(shè)在芯片中的寄存器設(shè)計(jì)，各自驅(qū)動程序自然也有區(qū)別，但在CAN總線上發(fā)出和接收的CAN幀都和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一致。下面是一些具體的例子來描述CAN控制器的大致工作機(jī)制。

Cypress Traveo II系列芯片是英飛凌專為汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)的32位MCU，其CAN控制器支持經(jīng)典CAN和CAN FD（ISO 11898-1:2015）。收發(fā)CAN幀時支持多種模式，給應(yīng)用帶來更多可能，方便實(shí)現(xiàn)不同的場景需要。

消息區(qū)

Traveo II系列MCU的CAN控制器具有一塊消息區(qū)（MRAM，Message RAM），其地址范圍與程序運(yùn)行時使用的RAM地址范圍是隔離的，也就是說CAN控制器用來存儲接收/發(fā)送的CAN幀以及自身的配置信息的MRAM和程序規(guī)定的堆、棧等RAM區(qū)域是不沖突的，這樣也可以有效避免程序的可能存在的錯誤導(dǎo)致CAN幀的數(shù)據(jù)被篡改。圖6是Trave II MRAM中關(guān)于CAN的配置。

圖6 MRAM包含的區(qū)域

從圖中可以看出，Traveo II 的CAN控制器的MRAM的地址是以32位對齊的，從上向下看，首先是CAN ID的配置信息，根據(jù)配置CAN控制器中相關(guān)寄存器，可將CAN ID初始化為11位或29位，并將不同的CAN ID寫入不同的區(qū)域。

接下來是存儲CAN幀的關(guān)鍵區(qū)域，這里存著CAN控制器從總線接收到符合上面已經(jīng)配置好的CAN ID的CAN幀、即將要發(fā)送的CAN幀，從圖中可以看出接收/發(fā)送時可以使用FIFO（實(shí)際也有Queue）模式和Buffer模式，后面會詳細(xì)介紹不同的模式的工作方式以及CAN幀的內(nèi)部構(gòu)造。

接收

前面提到接收有兩種工作模式，分別是FIFO（Queue）和Buffer，Buffer模式工作過程簡單，一旦有CAN幀被CAN控制器存入Buffer內(nèi)，相應(yīng)的中斷處理函數(shù)就會被觸發(fā)來處理對應(yīng)的CAN幀。而FIFO和Queue模式就復(fù)雜一些，如圖7所示，這是一個擁有8個Rx CAN幀塊（英飛凌Traveo II官方手冊中稱為Rx Element）的FIFO區(qū)域，不難看出，有兩個關(guān)鍵的標(biāo)志Get Pos和Put Pos，分別用來指示當(dāng)前CAN幀獲取位置和下一個CAN幀存放位置。此時FIFO區(qū)域中已經(jīng)存在了3個CAN幀等待讀取，當(dāng)驅(qū)動程序?qū)AN幀從MRAM中讀取完畢時，會設(shè)置對應(yīng)寄存器來通知CAN控制器，然后Get Pos和Put Pos會指向同一個CAN幀塊（為空狀態(tài)）。

圖7RxFIFO

如圖8所示，這是一個由CAN控制器從CAN收發(fā)器上傳來的CAN幀的內(nèi)部構(gòu)造，這里還是把它稱作Rx CAN幀塊，其內(nèi)容包含了一些前面講到的CAN數(shù)據(jù)幀的一些控制位、數(shù)據(jù)位，還有一些是為了兼容CAN FD所預(yù)留的，這里只介紹和經(jīng)典CAN的相關(guān)內(nèi)容，CAN FD的大同小異。

圖8 Rx CAN幀塊

XTD位：指示該幀為標(biāo)準(zhǔn)幀還是擴(kuò)展幀，若此位為0則該幀是標(biāo)準(zhǔn)幀，ID中[28:18]是有效CAN ID，即該幀CAN ID為11位；若此位為1則該幀是擴(kuò)展幀，ID中[28:0]全部是有效CAN ID內(nèi)容，即該幀CAN ID為29位。

RTR位：用來區(qū)分該幀為遠(yuǎn)程請求幀還是數(shù)據(jù)幀，若此位為0則該幀是數(shù)據(jù)幀，若此位為1則該幀是遠(yuǎn)程請求幀。

DLC[3:0]：此4位數(shù)據(jù)用來指示該幀含有的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，本文只討論經(jīng)典CAN，所以DLC規(guī)定的范圍應(yīng)該在0-8字節(jié)。

R2-R3：這兩行數(shù)據(jù)就是數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)域中的內(nèi)容，經(jīng)典CAN最多傳輸8個字節(jié)數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，這樣一個CAN幀塊最大支持8個字節(jié)的數(shù)據(jù)，DB0-DB7。

發(fā)送

CAN控制發(fā)送過程就相對復(fù)雜一些，因?yàn)樯蠈討?yīng)用可能需要發(fā)多種CAN ID報文，其報文優(yōu)先級有高有低，高優(yōu)先級需要盡快發(fā)出，低優(yōu)先級則可以在緩沖區(qū)中等待優(yōu)先級更高的CAN幀發(fā)送完，再發(fā)出。

圖9 同時使用Tx Buffer和Tx FIFO

如圖9所示，當(dāng)同時使用Tx Buffer和Tx FIFO時，CAN控制器每次都會掃描這些區(qū)域，當(dāng)前狀態(tài)下，Tx Buffer中一個CAN ID為2的CAN幀等待發(fā)送，因?yàn)樗荰x Buffer區(qū)域中CAN ID最小的，并且比Tx FIFO中處于Get Pos的這一幀（CAN ID為4）小，所以它擁有最高優(yōu)先級，這一幀將會最先被發(fā)出去，第二次CAN控制器再次掃描這些區(qū)域，發(fā)現(xiàn)處于Tx FIFO中Get Pos的這一幀（CAN ID為4）是這些區(qū)域中最小的（包括Tx Buffer），所以第二次將會發(fā)送CAN ID為4的這一幀，如此往復(fù)，直到這些區(qū)域內(nèi)的所有Tx CAN幀塊被全部通過CAN收發(fā)器轉(zhuǎn)換為信號電平發(fā)送到總線上。

圖10 Tx Element

如圖10所示，與Rx Element類似，XTD、RTR、ID、DLC以及DB0-DB7的用法與Rx Element一致，只有部分內(nèi)容有不同。

MM[7:0]：Message Marker，這是一個與發(fā)送事件（Tx Event）相關(guān)的信息。

EFC（Event FIFO Control）位：該位表示該幀是否有將發(fā)送事件存在對應(yīng)的MRAM中。

FDF位：此位用來標(biāo)識該幀是否為一個CAN FD幀。

BRS（Bit Rate Switching）位：當(dāng)該幀位CAN FD幀（即FDF為1時），此位才有效，決定該幀在發(fā)送時是否啟用速率切換（Rate Switching），以更高的速度傳輸。

更多與Traveo II發(fā)送和接收CAN幀相關(guān)的細(xì)節(jié)，大家可以去查閱英飛凌提供的技術(shù)手冊TRM。

05 總結(jié)

CAN通信已經(jīng)存在了相當(dāng)長的時間了，其強(qiáng)大的性能和相對高的穩(wěn)定性讓其不僅在汽車領(lǐng)域大顯身手，還被廣泛用在各種有性能和穩(wěn)定性有要求的領(lǐng)域，但在人民日益增長的需求下，其缺點(diǎn)被逐漸放大，例如其每一幀的數(shù)據(jù)負(fù)載量較小（每一幀都需要帶有CANID和一些控制信息）、速率有限，好在CANFD的出現(xiàn)，將每一幀可傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)增加至64字節(jié)，并增加了波特率，極大的改進(jìn)了經(jīng)典CAN通信。

隨著時代的變化，大家對新能源車的要求越來越高，更復(fù)雜的娛樂功能、高級輔助駕駛、自動駕駛功能等等，CAN通信在這些功能的就有點(diǎn)力不從心了，現(xiàn)在出現(xiàn)FlexRay、車載以太網(wǎng)等一些新的通信技術(shù)，隨著這些有趣的技術(shù)快速發(fā)展，讓我們來看看會發(fā)生什么。