《汽車計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》 課件 3 車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)

第13單元：車載網(wǎng)絡(luò)概述第14單元：CAN通信技術(shù)及應(yīng)用車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)篇

第13單元車載網(wǎng)絡(luò)概述

隨著汽車電子控制系統(tǒng)的增多，傳統(tǒng)的布線方式會(huì)帶來布線復(fù)雜、占用空間、成本提高、可靠性和可維修性降低等諸多問題。為此，車載網(wǎng)絡(luò)（汽車總線）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

單元學(xué)習(xí)任務(wù)和目標(biāo)：（1）熟悉車載網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生背景、分類和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。（2）以2015年款大眾帕薩特轎車為例，熟悉車載網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用。【單元導(dǎo)讀】任務(wù)13.1熟悉車載網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生背景、分類和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1、車載網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生背景汽車電子控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)布線方式（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）任務(wù)13.1熟悉車載網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生背景、分類和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1、車載網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生背景利用CAN將汽車電子控制系統(tǒng)進(jìn)行互連【思考】對(duì)比傳統(tǒng)布線方式，總結(jié)采用總線布線有何好處？任務(wù)13.1熟悉車載網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生背景、分類和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2、車載網(wǎng)絡(luò)的分類任務(wù)13.1熟悉車載網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生背景、分類和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3、車載網(wǎng)絡(luò)的的常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)CAN、LIN、FlexRayMOSTByteflight任務(wù)13.2熟悉車載網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用Passat2015車載網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖任務(wù)13.2熟悉車載網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用1、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)任務(wù)13.2熟悉車載網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用2、底盤數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)任務(wù)13.2熟悉車載網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用3、舒適系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)任務(wù)13.2熟悉車載網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用4、信息娛樂系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)任務(wù)13.2熟悉車載網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用5、擴(kuò)展CAN數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)任務(wù)13.2熟悉車載網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用6、診斷系統(tǒng)CAN數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)【同步練習(xí)13】分析信號(hào)傳輸流程。第13單元：車載網(wǎng)絡(luò)概述第14單元：CAN通信技術(shù)及應(yīng)用車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)篇

第14單元CAN通信技術(shù)及應(yīng)用

CAN（控制器局域網(wǎng)）是由德國Bosch公司針對(duì)汽車電子領(lǐng)域開發(fā)的具有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線，具有很強(qiáng)的可靠性、安全性和實(shí)時(shí)性，廣泛應(yīng)用于汽車電子、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)控制、機(jī)電產(chǎn)品等領(lǐng)域的分布式測控系統(tǒng)中。

單元學(xué)習(xí)任務(wù)和目標(biāo)：（1）理解CAN的通用知識(shí)，包括CAN的相關(guān)概念、硬件結(jié)構(gòu)、通信原理和優(yōu)點(diǎn)。（2）掌握CAN底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件頭文件的使用方法。（3）掌握基于CAN的嵌入式局域網(wǎng)的設(shè)計(jì)方法。（4）掌握CAN應(yīng)用層程序設(shè)計(jì)方法。（5）了解汽車CAN總線故障檢測技術(shù)及應(yīng)用?！締卧獙?dǎo)讀】任務(wù)14.1理解CAN的通用知識(shí)14.1.1CAN系統(tǒng)的總體構(gòu)成和CAN節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)120Ω120Ω負(fù)載電阻（終端電阻）的作用是防止反射波干擾CAN系統(tǒng)主要由若干個(gè)節(jié)點(diǎn)、兩條數(shù)據(jù)傳輸線（CAN-H和CAN-L）及負(fù)載電阻組成。1、CAN系統(tǒng)的總體構(gòu)成任務(wù)14.1理解CAN的通用知識(shí)14.1.1CAN系統(tǒng)的總體構(gòu)成和CAN節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)2、CAN節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)CAN節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)主要由傳感器、MCU、CAN控制器、CAN收發(fā)器、執(zhí)行器組成。任務(wù)14.1理解CAN的通用知識(shí)14.1.2CAN的網(wǎng)絡(luò)通信原理1、CAN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：CAN控制器硬件實(shí)現(xiàn)CAN收發(fā)器硬件實(shí)現(xiàn)

CAN應(yīng)用系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是對(duì)其應(yīng)用層程序進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層——實(shí)時(shí)性強(qiáng)任務(wù)14.1理解CAN的通用知識(shí)14.1.2CAN的網(wǎng)絡(luò)通信原理2、CAN的數(shù)據(jù)傳輸流程數(shù)據(jù)打包并/串轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)→電壓信號(hào)邊說邊聽電壓信號(hào)→數(shù)字信號(hào)驗(yàn)收過濾串/并轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)解包ID

+長度+相關(guān)數(shù)據(jù)CRC應(yīng)答信號(hào)任務(wù)14.1理解CAN的通用知識(shí)14.1.2CAN的網(wǎng)絡(luò)通信原理3、CAN總線電壓信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的關(guān)系CAN收發(fā)器11位以上的隱性位：空閑CAN-H與CAN-L的電壓值具有何特點(diǎn)？任務(wù)14.1理解CAN的通用知識(shí)14.1.2CAN的網(wǎng)絡(luò)通信原理4、CAN的幀ID、數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)、數(shù)據(jù)的仲裁

CAN為多主工作方式，任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向CAN總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，而不分主從。

若有多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向CAN總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，那么在CAN系統(tǒng)中是如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的仲裁（決定哪個(gè)數(shù)據(jù)先發(fā)，哪個(gè)數(shù)據(jù)后發(fā)）？——需要先理解幀ID和數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)的關(guān)系

節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包實(shí)時(shí)性要求越高，優(yōu)先級(jí)越高，對(duì)應(yīng)的幀ID就越小。

原理：當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，總線上的結(jié)果是這多個(gè)數(shù)據(jù)“邏輯與”的值。節(jié)點(diǎn)A發(fā)送數(shù)據(jù):

0節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)：

10—顯性位1—隱性位0優(yōu)先級(jí)高！總線上顯示數(shù)據(jù)：

0在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)該按照數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)，給每個(gè)數(shù)據(jù)包分配一個(gè)唯一的ID。任務(wù)14.1理解CAN的通用知識(shí)14.1.2CAN的網(wǎng)絡(luò)通信原理4、CAN的幀ID、數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)、數(shù)據(jù)的仲裁

當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)向CAN總線上發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，首先向總線上發(fā)送自己的幀ID。

在發(fā)送幀ID的過程中，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)向總線上發(fā)送的數(shù)據(jù)和從總線上接收到的數(shù)據(jù)一致，那么該節(jié)點(diǎn)就可以繼續(xù)向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)；否則，該節(jié)點(diǎn)就要停止向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)。

3個(gè)節(jié)點(diǎn)通過幀ID進(jìn)行優(yōu)先級(jí)競爭的結(jié)果：節(jié)點(diǎn)1首先獲得總線使用權(quán)；在節(jié)點(diǎn)1將其數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢后，若總線處于空閑狀態(tài)，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)使節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3繼續(xù)通過發(fā)送幀ID重新競爭總線的使用權(quán)（自動(dòng)重發(fā)）。

在仲裁過程中，不會(huì)出現(xiàn)不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)包之間的相互破壞——“非破壞性仲裁”?！就骄毩?xí)14-2】CAN通信優(yōu)先級(jí)分析及應(yīng)用。任務(wù)14.1理解CAN的通用知識(shí)14.1.2CAN的網(wǎng)絡(luò)通信原理5、CAN驗(yàn)收過濾功能的實(shí)現(xiàn)過濾器標(biāo)識(shí)符寄存器：100101102

過濾器掩碼寄存器：

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有關(guān)有關(guān)發(fā)送：101+數(shù)據(jù)A？？接收放棄接收接收

放棄接收發(fā)送：102+數(shù)據(jù)A發(fā)送：***+數(shù)據(jù)A

過濾器掩碼寄存器：

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無關(guān)無關(guān)例：三個(gè)節(jié)點(diǎn)：A（發(fā)送）、B（接收）、C（接收）

節(jié)點(diǎn)A節(jié)點(diǎn)B節(jié)點(diǎn)CCAN-BUS

幀ID過濾器掩碼寄存器：

無關(guān)

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-----？接收過濾器標(biāo)識(shí)符寄存器：100101102例：三個(gè)節(jié)點(diǎn)：A（接收）、B（發(fā)送）、C（發(fā)送）

節(jié)點(diǎn)A節(jié)點(diǎn)B節(jié)點(diǎn)CCAN-BUS發(fā)送：***+數(shù)據(jù)B

幀ID發(fā)送：***+數(shù)據(jù)C

幀ID

通過CAN控制器中過濾器的標(biāo)識(shí)符寄存器和掩碼寄存器實(shí)現(xiàn)?！c(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（廣播式）、多點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)【同步練習(xí)14-3】（1）CAN驗(yàn)收過濾應(yīng)用分析。（2）總結(jié)幀ID的作用。任務(wù)14.1理解CAN的通用知識(shí)14.1.2CAN的網(wǎng)絡(luò)通信原理6、CAN數(shù)據(jù)幀的組成

在CAN節(jié)點(diǎn)之間的通信中，若將數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送器傳輸?shù)搅硪粋€(gè)節(jié)點(diǎn)的接收器，則必須發(fā)送數(shù)據(jù)幀。發(fā)送方：寫1接收方正確接收：寫0總線值：0由CAN控制器硬件自動(dòng)處理幀內(nèi)應(yīng)答實(shí)時(shí)性強(qiáng)由CAN控制器硬件自動(dòng)完成有效數(shù)據(jù)：0~8字節(jié)，由用戶通過編程設(shè)定主要包括有效數(shù)據(jù)的長度，由用戶通過編程設(shè)定：0~8字節(jié)

主要包括幀ID和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位（RTR），由用戶通過編程設(shè)定。

由CAN控制器硬件自動(dòng)完成由CAN控制器硬件自動(dòng)完成

標(biāo)準(zhǔn)格式幀的ID為11位，擴(kuò)展格式幀的ID為29位。RTR=0，表示該幀為數(shù)據(jù)幀任務(wù)14.1理解CAN的通用知識(shí)8.1.2CAN的網(wǎng)絡(luò)通信原理7、CAN的波特率（各節(jié)點(diǎn)必須使用相同的波特率才能正常通信）8、CAN-H與CAN-L中的“H”和“L”的真正含義CAN-HCAN-L任務(wù)14.1理解CAN的通用知識(shí)14.1.3CAN的優(yōu)點(diǎn)——具有很強(qiáng)的高可靠性、安全性和實(shí)時(shí)性（1）采用雙絞線和差分電壓機(jī)制——“既能防人，又不害人”（2）采用“邊說邊聽”方式的非破壞性仲裁機(jī)制（3）采用短幀格式，核心的有效數(shù)據(jù)最多8字節(jié)——高實(shí)時(shí)性和可靠性（4）采用先進(jìn)的循環(huán)冗余校驗(yàn)——高可靠性（5）采用幀內(nèi)應(yīng)答機(jī)制——高實(shí)時(shí)性1、KEA128的CAN模塊

KEA128芯片具有一個(gè)CAN模塊，其發(fā)送數(shù)據(jù)引腳為CAN0_TX，接收數(shù)據(jù)引腳為CAN0_RX，可以配置為CAN模塊的引腳見表14-3，具體使用的引腳，可參照can.h頭文件中的相關(guān)宏定義。任務(wù)14.2掌握CAN底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的使用方法任務(wù)14.2掌握CAN底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的使用方法2、KEA128的CAN底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件及使用方法CAN具有初始化、發(fā)送和接收三種基本操作。其中，CAN發(fā)送是主動(dòng)任務(wù)，不必采用中斷方式；而CAN接收是被動(dòng)任務(wù)，為了確保及時(shí)接收到對(duì)方發(fā)送來的每幀數(shù)據(jù)，CAN接收一般采用中斷方式。

CAN底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件由can.h頭文件和can.c源文件組成，若要使用CAN底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件，只需將這兩個(gè)文件添加到所建工程的04_Driver（MCU底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件）文件夾中，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN的操作。見工程文件：..EmbeddedSource\03-Software\KEA128\KEA128.uvprojx

其中，can.h頭文件主要包括相關(guān)頭文件的包含、一些必要的宏定義、CAN通信的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)體聲明、對(duì)外接口函數(shù)的聲明，而can.c源文件則是對(duì)外接口函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)，初學(xué)者不必深究。

用戶只要熟悉can.h頭文件的內(nèi)容，即可使用CAN底層驅(qū)動(dòng)構(gòu)件進(jìn)行編程。任務(wù)14.3多機(jī)之間的CAN通信與調(diào)試用兩個(gè)帶有CAN通信接口的KEA128實(shí)驗(yàn)板作為兩個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B。實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)A的開關(guān)控制節(jié)點(diǎn)B的小燈亮滅功能，CAN通信