1、 CAN- 总线上的数据交换 III基本原理新世纪汽车技术研究中心培训手册 238服务2新 重要说明自学手册只讲述新技术的结构和功能，具体内容请参见相应的维修手册。具体的检查、调整和维修请参见维修手册。CAN总线可以将车上的控制单元连成网络，这样就可扩展控制单元在车上和自诊断方面的功能。自学手册SSP186中简要地介绍了CAN总线技术，本自学将详细说明CAN总线系统的基本功能。SSS SSS PPP 222 333 888 :讲述CAN系统的基本功能，通过举例来说明数据交换的过程SSS SSS PPP 222 666 999 :讲述具体的CAN总线，如驱动CAN和舒适CAN总线在大众和奥迪车上
2、的应用。238_0013目录导言.4总线系统有何用处?4布置、结构和基本特点6发展阶段8使用CAN总线的装置.9基本系统.11网络原理.11信息交换.12功能元件14控制单元.14CAN构件14收发器.14数据传递过程.18发送过程.19接收过程.20多个控制单元同时发送过程.22数据传递安全性，故障特点24内部故障管理24诊断说明26考考你28词语解释.304数据总线有何用处?车上使用CAN总线后，电子部件（如控制单元）和传感器（如转向角传感器）就可以彼此连成网络。CAN是Controller-AreaNetwork（控制器局域网络）的缩写，对于车上的整个系统来说，CAN总线有如下优点：控制
3、单元间的数据交换都在同一平台上进行。这个平台称为协议，CAN总线就起到所谓数据交换高速公路的作用。可以很方便地实现用控制单元来对系统进行控制，如控制ESP。可以很方便地加装选装装置。CAN总线是一个开放系统，它可以与各种传输媒质进行适配，如铜线和光纤导线。对控制单元的诊断可通过K线来进行，车内的诊断有时是通过CAN总线来完成（如安全气囊和车门控制单元），这就称为“虚拟K线”（见第7页）。将来的车上有可能取消K线。可同时通过多个控制单元进行系统诊断。导言从中央控制单元到网络系统Fahrzeug mit zentralem Steuergert238_002带有中央控制单元的车5带有三个控制单元和
4、总线系统的车 导言ABS-控制单元发动机控制单元组合仪表带有三个控制单元的CAN驱动网络带有三个控制单元的车CAN-总线238_003238_004238_005执行元件传感器6导言布置、结构和基本特点CAN总线系统上并联有多个元件。这就要求整个系统的布置满足以下要求：可靠性高：传输故障（不论是由内部还是外部引起的）应能准确识别出来。使用方便：如果某一控制单元出现故障，其余系统应尽可能保持原有功能，以便进行信息交换。数据密度大：所有控制单元在任一瞬时的信息状态均相同，这样就使得两控制单元之间不会有数据偏差。如果系统的某一处有故障，那么总线上所有连接的元件都会得到通知。数据传输快：连成网络的各元
5、件之间的数据交换速率必须很快，这样才能满足实时要求。目前CAN总线系统中的信号是采用数字方式经铜导线传输的。因此其最大稳定传输速率可达1000 Kbit/s (1 Mbit/s)。 大众和奥迪公司将最大标准传输速率规定为500Kbit/s考虑到信号的重复率及产生出的数据量，CAN总线系统分为三个专门的系统：CAN驱动总线（高速），500Kbit/s，可基本满足实时要求。CAN舒适总线（低速），100CAN“infotainment“总线（低速），100Kbit/s，用于对时间要求不高的情况。CAN总线系统数据传输速率1 2 3 4111 = 500 Kbit/s= CAN驱动总线222 = 1
6、00 Kbit/s= CAN舒适总线333 = 100 Kbit/s= CAN“Infotainment”总线444 = 1000 Kbit/s= 最大数据 传输速率238_051。 Kbit/s，用于对时间要求不高的情况。 7CCC AAA NNN -KKK舒适总线CCC AAA NNN -KKK舒适总线发动机控制单元制动控制单元转向角传感器. 变速器控制单元安全气囊控制单元空调控制单元倒车警报轮胎压力监控司机座椅记忆舒适控制单元司机车门控制单元副司机车门控制单元左后车门控制单元右后车门控制单元电话接口盒收音机无线电导航系统DSP .导言CAN总线系统(以2002年型的POLO车为例)238
7、_006助力转向组合仪表.CCC AAA NNN -AAA驱动总线(CCC AAA NNN -“infotainment”总线）网关控制单元车上插头实际K线虚拟K线.已规划的其它控制单元238_006b仅指Highline组合仪表诊断插头换档杆8导言生产中的使用和研发状况首次使用是大众公司的97年型PASSAT车上的舒适总线，速率为 62.5 kBit/s 。经历了以下发展阶段:98年型 GOLF和PASSAT车上的CAN驱动总线,速率为500kBit/s2000年型 GOLF和PASSAT车上的CAN网关K线 2000年型 大众集团内1 00kBit/s的CAN舒适总线已成为某些车的标准配置
8、,如SKODA Fabia车上的网关CAN驱动总线及CAN舒适总线2001年型 大众集团内100kBit/s的CAN舒适总线已成为某些车的标准配置,如PASSAT238_007238_008238_009238_010238_0119导言CAN总线CAN总线是车内电子装置中的一个独立系统，它就是数据线，用于在连接的控制单元之间进行信息交换。由于自身的布置和结构特点，CAN总线工作时的可靠性很高。如果CAN总线系统出现故障，故障就会存入相应的控制单元故障存储器内，可以用诊断仪读出这些故障。控制单元拥有自诊断功能，我们通过自诊断功能还可识别出与CAN总线相关的故障。用诊断仪（如VAS5051，50
9、52）读出CAN总线故障记录后，既可按这些信息准确地查寻故障。控制单元内的故障记录用于初步确定故障，还可用于读出排除故障后的无故障说明。如果想要更新故障显示内容，须重新起 动发动机。CAN总线正常的一个重要前提条件是：车在任何工况均不应有CAN总线故障记录。为了能够确定及排除故障，就需要了解CAN总线上的数据交换基本原理。10Notizen11基本系统基本系统有多个控制单元组成，这些控制单元通过所谓收发器（发射-接受放大器）并联在总线导线上，因此各控制单元的条件是相同的，这就是说：所有控制单元的地位均相同，没有哪个控制单元 有特权。在这个意义上也称之为多主机结构。信息交换是连续完成的（按顺序）
10、。原则上CAN总线用一条导线就足以满足功能要求了，但该总线系统上还是配备了第二条导线。在这个第二条导线上，信号是按相反顺序传送的，这样可有效抑制外部干扰。网络原理SSS ttteee uuu eee rrrggg eee rrr ttt AAA SSS ttteee uuu eee rrrggg eee rrr ttt BBB SSS ttteee uuu eee rrrggg eee rrr ttt CCCRX TX RX TX RX TXCAN-总线收发器Das Vernetzungsprinzip238_012为了易于说明数据传输的基本原理，下面以只有一条CAN总线导线的情况来讲述。控制
11、单元 A 控制单元 B 控制单元 C网络原理12基本系统信息交换想要交换的数据称为信息，每个控制单元均可发送和接收信息。信息包含在重要的物理量如发动机转速中，这时发动机转速是以二进制值（一系列0和1）来表示，例如：发动机转速为1800转/分时可表示成00010101。在发送过程中，二进制值先被转换成连续的比特流，该比特流通过TX线（发送线）到达收发器（放大器），收发器将比特流转化成相应的电压值，最后这些电压值按时间顺序依次被传送到CAN总线的导线上。在接收过程中，这些电压值经收发器又转换成比特流，再经RX线（接收线）传至控制单元，控制单元将这些二进制连续值转换成信息。例如：00010101这个
12、值又被转换成1800转/分这个发动机转速。每个控制单元均可接收发送出的信息。人们也把该原理称为广播，就像一个广播电台发送某一节目一样，每个连接的用户均可接收。这种广播方式可以使得连接的所有控制单元总是处于相同的信息状态。广播原理：一个发送，所有的接收238_01313并行的信息连续的比特流发动机转速 发动机转速 发动机转速0001 0101 0001 0101 0001 0101RX TX RX TX RX TX收发器Steuergert ASteuergert BSteuergert C0001 01011010 10001010 1000按时间顺序的电信号传输基本系统信号电平t (时间)C
13、AN总线上的信息交换（广播原理）5V0V238_014238_015电信号传输一个发送，所有的接收控制单元 A 控制单元 B 控制单元 C14功能元件控制单元控制单元接收来自传感器的信号，将其处理后再发送到执行元件上。控制单元中的重要构件：一个微控制器，其上带有输入输出存储器和程序存储器。控制单元接收到的传感器值（如发动机温度或转速）会被定期查询并按顺序存入输入存储器。这个过程在原理上就相当于一个带有旋转式输入选择开关的机械步进选择器（见图）。微控制器按事先规定好的程序来处理输入值，处理后的结果存入相应的输出存储器内，然后到达各个执行元件。为了能够处理CAN信息，各控制单元内还有一个CAN存储
14、区，用于容纳接收到的和要发送的信息。CAN构件CAN构件用于数据交换，它分为两个区，一个是接收区，一个是发送区。CAN构件通过接收邮箱或发送邮箱与控制单元相连，该构件一般集成在控制单元的微控制器芯片内。收发器收发器就是一个发送-接收放大器，它把CAN构件连续的比特流（逻辑电平）转换成电压值（线路传输电平），或反之。这个电压值适合铜导线上的数据传输。收发器通过TX-线（发送导线）或RX-线（接收导线）与CAN构件相连。RX-线通过一个放大器直接与CAN总线相连，总在监听总线信号。K-线K-线是用于在自诊断时连接VAS检测仪的。15功能元件控制单元CAN构件收发器输入选择开关输入存储器输出存储器微
15、处理器带有时间换算的CAN区故障记录接收邮箱 发送邮箱接收区 发送区RX TXCAN-总线功能元件：控制单元，CAN构件和收发器传感器，例如：转速传感器温度传感器机油压力表等等.执行元件,例如:发动机节气门电磁阀发光二极管等等.KKKK- 线逻辑电平：0或1信号电平：0V或5V238_01616功能元件一个特点就是TX线与总线的耦合，这个耦合过程是通过一个断路式集流器电路来实现的。因此总线导线上就会出现两种状态：状态1： 截 止状态，晶体管截止（开关未接合）无源： 总线电平=1，电阻高状态0： 接通状态，晶体管导通（开关已接合）有源： 总线电平=0，电阻低收发器的特点与TX线耦合的收发器RX
16、TX5V+ 5V总线导线一个开关的图示三个收发器耦合在一根总线导线上（原理），收发器 C有源开关未接合表示1（无源）；开关已接合表示0（有源）三个收发器接到一根总线导线上收发器 A 收发器 B 收发器 C+ 5 V+ 5 V+ 5 V总线导线(0V)238_019238_018238_01717功能元件因此可以完成下述步骤：如果总线处于状态1（无源），那么此状态可以由某一个控制单元使用状态0（有源）来改写。我们将无源的总线电平称为隐性的，有源的总线电平称为显 性的。其意义体现在：a) 发送传输错误信号时（错误帧故障信息）。b) 冲突识别时（如果几个控制单元想同时发送）。从前面讲的示例中（就是三
17、个收发器接到一根总线导线上），可以得出下列开关状态：三个收发器接在一根总线导线上时可能的开关位置，接收器 C有源Transceiiiver A Transceiiiver B Transceiiiver C Bus-Leiiitttung1 1 1 1 (5V)1 1 0 0 (0V)1 0 1 0 (0V)1 0 0 0 (0V)0 1 1 0 (0V)0 1 0 0 (0V)0 0 1 0 (0V)0 0 0 0 (0V)过程：如果某一开关已接合，电阻上就有电流流过，于是总线导线上的电压就为0V。如果所有开关均未接合，那么就没有电流流过，电阻上就没有压降，于是总线导线上的电压就为5 V。收
18、发器A 收发器B 收发器C 总线导线18数据传递过程数据传递（以转速接收传递显示过程为例）下面的例子将向您展示出转速信息从接收到在转速表上显示的一个完整信息交换过程，从中可以清楚地看到数据传递的时间顺序以及CAN构件与控制单元之间的配合关系。 首先是发动机控制单元的传感器接收到转速值。该值以固定的周期（循环往复地）到达微控制器的输入存储器内。由于瞬时转速值还用于其它控制单元，如组合仪表，所以该值应通过CAN总线来传递。于是转速值就被复制到发动机控制单元的发送存储器内。该信息从发送存储器进入CAN构件的发送邮箱内。如果发送邮箱内有一个实时值，那么该值会由发送特征位（举起的小旗）显示出来。将发送任
19、务委托给CAN构件，发动机控制单元就完成了此过程中的任务。发动机转速值按协议被转换成CAN的特殊格式。协议的重要组成成分有：CAN信息的结构原理 标识：（标识符11位） 用于识别信息信息内容 ：数字区 最大 8XX8位 aa 包含信息的内容(111666 -BBB位CRC校验）数据安全的校验和数(确认 （2位数据收到信号）收到信号发动机信息包括例如：标识=发动机_1，内容=转速。也可包括其它值，如怠速、扭矩等。在下面的流程图中，CAN信息是作为信来说明的。238_02019数据传递过程CAN构件通过RX-线来检查总线是否有源（是否正在交换别的信息），必要时会等待，直至总线空闲下来为止。（某一时
20、间段内的电平1（无源） ）如果总线空闲下来，发动机信息就会被发送出去。一个发送过程的开始发送过程发动机控制单元转速表输出ABS-控制单元组合仪表转速传感器eee举起小旗CCC AAA NNN -BBB uuu sss查询总线空闲？详示：总线空闲查询总线空闲？是等待nnn否RRR XXX -LLL线?238_021238_022RX TX RX TX RX TX20T数据传递过程接收过程接收过程分两步：第一步：检查信息是否正确（在监控层）第二步：检查信息是否可用（在接受层）连接的所有装置都接收发动机控制单元发送的信息。该信息是通过RX-线到达CAN构件各自的接收区。详细说明：接收区，监控和接受层
21、发动机控制单元zzz aaa hhh lll-转速表输出ABS-控制单元组合仪表温度rrr传感器CCC AAA NNN - 总线监控层接受层是否是否是否是238_025238_023238_024接收过程RX TX RX TX RX TX否21数据传递过程接收器接收发动机的所有信息，并且在相应的监控层检查这些信息是否正确。这样就可以识别出只在某种情况下某一控制单元上出现的局部故障。这导致数据密度较高（前面提到过），可参见“数据传递安全性，故障特点”一章。所有连接的装置都接收发动机控制单元发送的信息（广播），可以通过监控层内所谓的CRC校验和数来确定是否有传递错误。CRC是Cycling Red
22、undancy Check的缩写，意思是“循环冗余码校验”。在发送每个信息时，所有数据位会产生并传递一个16位的校验和数。接收器按同样的规则从所有已经接收到的数据位中计算出校验和数。随后接收到的校验和数与计算出的校验和数进行比较。如果确定无传递错误，那么连接的所有装置会给发射器一个确认回答，这个回答就是所谓的“信息收到符号”（Acknowledge，简写为Ack),它位于校验和数后。BBB eee sss ttt tttiiiggg uuu nnn ggg (222 bbb iiittt AAA ccc kkk ):信息收到符号信息流，确认，印戳然后已接收到的正确信息会到达相关CAN-构件的接
23、受区。在那里来决定该信息是否用于完成各控制单元的功能。如果不是，该信息就被拒收。如果是，该信息就会进入相应的接收邮箱。连接的组合仪表根据升起的“接收旗”就会知道：现在有一个信息（如转速）在排队等待处理。组合仪表调出该信息并将相应的值复制到它的输入存储器内。于是通过CAN-构件发送和接收信息的过程就结束了。在组合仪表内，转速经微控制器处理后到达执行元件并最后到达转速表。这个信息交换过程按设定好的循环时间（例如每10ms)在持续地重复进行。238_026确 认 （ 2 位 A c k ) 22数据传递过程多个控制单元同时发送信息MMM ooo tttooo rrr-SSS ttteee uuu e
24、ee rrrggg eee rrr tttABS-SttteuergertttSalllttttttafelll-eiiinsatttzDDD aaa ttteee nnn -BBB uuu sss -LeiiitttungTXRXTXRXTXRX如果多个控制单元同时发送信息，那么数据总线上就必然会发生数据冲突，为了避免发生这种情况，CAN总线采用了如下的措施：每个控制单元在发送信息时通过发送发送标识符来识别。所有的控制单元都是通过各自的RX-线来跟踪总线上的一举一动并获知总线的状态。每个发射 器将TX-线和RX-线的状态一位一位地进行比较，他们可以不一致。CAN是这样来进行调整的：TX-信号
25、上加有一个“0”的控制单元的控制单元必须退出总线。用标识符中位于前部的“0”的个数就可调整信息的重要程度，从而就可保证按重要程度的顺序来发送信息。规则：标识符中的号码越小，表示该信息越重要。这种方法称为仲裁。Arbitrierungsvorgang zur Kollisionsvermeidun 238_027有分配功能并保持在发送模式无分配功能并进入接收模式无分配功能并进入接收模式发动机控制单元ABS控制单元组合仪表数据总线避免数据冲突的仲裁过程23在下面的例子中可看出：当数个控制单元想同时发送信息时，转向角传感器（Lenkwinkel)拥有最高的优先级别，它的信息就先被发送。说明：数字最小
26、的（前面的“0”最多）转向角传感器先执行。数据传递过程传感器值的传送（以转速为例）CAN传送数据的可靠性很高，因此它可以准确识别出CAN系统中的所有故障（如电气故障或断路）。1800转/分这个转速值正确传送或因故障根本无法传送（无显示，转速表显示“0”）。假如出现了不可靠的转速值，原因不在于数据传送（CAN），而在于传感器损坏、仪表损坏或供电线有故障。Motor_1Bremse_1Kombi_1LLL eee nnn kkk www iiinnn kkk eee lll_ 111Getriebe_1CAN驱动总线可能的标识符 238_027b标识符 二进制 十六进制24数据传递安全性，故障特点
27、内部故障管理为了保证数据的安全性，CAN系统具有很强的内部故障管理功能。这样就可以识别出可能出现的数据传递故障，从而采取相应的措施。 无法识别故障的几率，也就是所谓的剩余误差概率6个二进制显性位）故障存储器：控制单元内的存储器，用VAS检测仪可以读出其内容。标识符:一条信息的起始部分，用于识别和区分信息的 优先等级，K-线:售后服务专用线，控制单元与车上诊断接口的连线，用于连接VAS检测仪。逻辑电平：系统内一个连接点的两种状态，0或1。微控制器:是一个单片计算机，包括CPU、存储器和输入输出组件.RX-线:CAN构件和收发器之间接收一侧的连接导线。发送邮箱:是个存储器，用于存放CAN构件中控制单元将要发送的信息。传感器:车上的电子感应装置，用于接收运行状态信号。信号电平:某根导线上的电压状态。收发器:是电子发送-接收放大器，用于CAN构件与总线导线之间的耦合。TX-线:CAN构件和收发器之间发送一侧的连接导线。
