汽车电子中常用的通信协议—控制器局部网介绍

01 首语

随着人们对汽车功能需求越来越多样化、智能化，汽车的零部件（ECU，Electronic Control Unit）的数量也越来越多、越来越复杂，像自动驾驶、主动安全等功能加入，普通汽车搭载ECU数量大约为50-100个，而豪华智能汽车的ECU数量平均可达到300个以上。在如此庞大数量的ECU的汽车中，各个ECU之间是如何进行信息交换、共同协作，以及ECU是如何完成在线升级（OTA，On The Air）的呢？本文将介绍汽车电子中常用的通信协议——控制器局部网（CAN，Controller Area Network）。

02 CAN基础概念介绍

CAN通信技术是由博世（BOSCH）公司于1986 年开发出面向汽车的一种通信协议，随后通过ISO-11898和ISO-11519对其进行标准化：

1、ISO-11898：定义了通信速率为 125 kbps～1 Mbps 的高速 CAN 通信标准，属于闭环总线，传输速率可达1Mbps，总线长度 ≤ 40米。

2、ISO-11519：定义了通信速率为 10～125 kbps 的低速 CAN 通信标准，属于开环总线，传输速率为40kbps时，总线长度可达1000米。

CAN通信网络是欧洲汽车网络的标准协议，在发展过程中，其高性能和可靠性被广泛认可，所以也会被使用在工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备中。

CAN是异步通信，与I2C、SPI这类具有时钟信号线的同步通信协议不同，CAN通信只有两根信号线CAN_HIGH和CAN_LOW来组成一对差分信号线，下图是在汽车电子中常见的ECU在CAN网络的连接图：

图1 ECU连接图

差分信号

差分信号又称差模信号，与传统使用单根信号线电压表示逻辑的方式有区别，晶体管-晶体管逻辑电平（TTL）信号就是用的单根信号线的电压值来表示逻辑值，其电平信号规定：+5V等价于逻辑1，0V等价于逻辑0。而使用差分信号传输时，需要两根信号线，这两个信号线的振幅相等，相位相反，通过两根信号线的电压差值（Vdiff，Voltage Difference）来表示逻辑0和逻辑1，Vdiff=CAN_H-CAN_L。CAN差分信号如下图所示。

图2 差分信号

CAN总线为隐性电平时代表逻辑1，CAN_H和CAN_L的电平为2.5V（电位差Vdiff为0V）；

CAN总线为显性电平时代表逻辑0，CAN_H和CAN_L的电平分别是3.5V和1.5V（电位差Vdiff为2.0V左右）。

位时序

前面提到CAN是一种异步通信，没有时钟信号线，其通信过程类似串口通信（Serial Communications），CAN控制器之间通过事先约定好的时序进行通信，但CAN通信还会采用位同步（Bit Synchronization）的方式来抗干扰、吸收误差，从而使得CAN控制器可以对总线信号进行正确采样，保证正常通信。

CAN 协议把每一个数据位的时序分解成如图3所示的 Sync_Seg 段、Prop_Seg 段、Phase_Seg1 段、Phase_Seg2 段，这四段的长度加起来为一个 CAN 数据位的长度。最小的时间单位是 Tq（Time Quantum），一个完整的位由 8-25 个 Tq 组成。

图3 位时间

Sync_Seg（同步段）

若通讯节点检测到总线上信号的跳变沿被包含在 Sync_Seg段的范围之内，则表示节点与总线的时序是同步的，当节点与总线同步时，采样点（Sampling Point）采集到的总线电平可被认为该位的电平。Sync_Seg的大小固定为 1Tq。

Prop_Seg（传播时间段）

这个时间段是用于补偿网络的物理延时时间。是总线上输入比较器延时和输出驱动器延时总和的两倍。Prop_Seg段的大小可以为 1-8Tq。

Phase_Seg1（相位缓冲段1）

这个时间段主要用来补偿边沿阶段的误差，它的时间长度在重新同步的时候可以加长。Phase_Seg1段的初始大小可以为 1-8Tq。

Phase_Seg2（相位缓冲段2）

这个时间段也是用来补偿边沿阶段误差的，它的时间长度在重新同步时可以缩短。Phase_Seg2段的初始大小可以为 2-8Tq。

CAN收发器

ECU需要从总线中获取CAN帧中的信号电平，转化为逻辑电平，也就是将图2 差分信号中的显性电平和隐性电平转换为对应的逻辑电平0和逻辑电平1，这样在总线中的CAN帧就被转换成程序中使用的CAN报文了。

这个步骤就是由CAN收发器（CAN Transceiver）来完成的，如图1 ECU连接图所示，其位于MCU和CAN Network之间，接收CAN总线上的CAN帧相关的信号电平并将其转化为逻辑信息电平转发给CAN控制器，并且也接收从CAN控制器传输过来的逻辑电平信息并将其转化为信号电平传从到CAN总线上。

03 CAN帧

CAN有五种帧的类型：数据帧（Data Frame）、远程帧（Remote Frame）、错误帧（Error Frame）、间隔帧（Can Interval Frame）和过载帧（Overload Frame） ，其中最复杂的帧类型为数据帧，其作用是传输数据，数据长度是可变的，一个经典CAN（Classical CAN）数据帧可传输0-8个字节的数据（数据内容长度，不含CAN帧的控制信息），而一个CAN FD（CAN with Flexible Data rate）的可传输的数据长度可达64个字节，后文提到的CAN为经典CAN。CAN帧会因其ID位数的不同而不同，以ID位数分为两类：标准帧（11位CAN Identifier）和扩展帧（29位CAN Identifier）。

标准帧

如图4所示，一个带有11位CAN Identifier的帧以SOF（Start Of Frame）开始，以EOF（End Of Frame）结束，其中包含五个区域，分别为仲裁区（Arbitration Field）、控制区（Control Field）、数据区（Data Field）、校验区（CRC Field）、应答区（ACK Field）。

图4 标准数据帧

仲裁区

这个区域包含CAN Identifier的[28:18]，总共11位，其范围为0x000-0x7FF，CAN Identifier的值越小会在CAN总线仲裁时拥有更高的优先级（Priority）。RTR位用来指示该帧是否位远程帧（用来区分没有数据的数据帧和远程帧）。

控制区

IDE位用来指示该帧是否为扩展帧；r0为保留位；DLC指示该帧数据区的长度。

数据区

这里放着0-8个字节需要传输的数据。

校验区

CRC（Cyclic Redundancy Check）：循环冗余校验；Delimiter：分隔符。

应答区

ACK SLOT：应答槽，发送方会将此位作为隐性电平发送，接收方成功接收后会将此位重写，以此来让发送方知道此帧是否被成功发送。

扩展帧

设计扩展帧的目的是为了完成对更长的CAN Identifier的传输，所以扩展帧中的CAN Identifier使用到了ID[28:0]，一共是29位，如图5所示，扩展帧和标准帧大致相同，只有几个地方有一些小的区别。

图5 扩展数据帧

SRR位（Substitute Remote Request）：替代远程请求位

r0/r1位：保留位

04 CAN控制器

虽然有相应的标准来规范CAN通信，但是不同的芯片厂商对其功能的具体实现却各不相同，不同点主要在CAN外设在芯片中的寄存器设计，各自驱动程序自然也有区别，但在CAN总线上发出和接收的CAN帧都和标准规定的一致。下面是一些具体的例子来描述CAN控制器的大致工作机制。

Cypress Traveo II系列芯片是英飞凌专为汽车应用设计的32位MCU，其CAN控制器支持经典CAN和CAN FD（ISO 11898-1:2015）。收发CAN帧时支持多种模式，给应用带来更多可能，方便实现不同的场景需要。

消息区

Traveo II系列MCU的CAN控制器具有一块消息区（MRAM，Message RAM），其地址范围与程序运行时使用的RAM地址范围是隔离的，也就是说CAN控制器用来存储接收/发送的CAN帧以及自身的配置信息的MRAM和程序规定的堆、栈等RAM区域是不冲突的，这样也可以有效避免程序的可能存在的错误导致CAN帧的数据被篡改。图6是Trave II MRAM中关于CAN的配置。

图6 MRAM包含的区域

从图中可以看出，Traveo II 的CAN控制器的MRAM的地址是以32位对齐的，从上向下看，首先是CAN ID的配置信息，根据配置CAN控制器中相关寄存器，可将CAN ID初始化为11位或29位，并将不同的CAN ID写入不同的区域。

接下来是存储CAN帧的关键区域，这里存着CAN控制器从总线接收到符合上面已经配置好的CAN ID的CAN帧、即将要发送的CAN帧，从图中可以看出接收/发送时可以使用FIFO（实际也有Queue）模式和Buffer模式，后面会详细介绍不同的模式的工作方式以及CAN帧的内部构造。

接收

前面提到接收有两种工作模式，分别是FIFO（Queue）和Buffer，Buffer模式工作过程简单，一旦有CAN帧被CAN控制器存入Buffer内，相应的中断处理函数就会被触发来处理对应的CAN帧。而FIFO和Queue模式就复杂一些，如图7所示，这是一个拥有8个Rx CAN帧块（英飞凌Traveo II官方手册中称为Rx Element）的FIFO区域，不难看出，有两个关键的标志Get Pos和Put Pos，分别用来指示当前CAN帧获取位置和下一个CAN帧存放位置。此时FIFO区域中已经存在了3个CAN帧等待读取，当驱动程序将CAN帧从MRAM中读取完毕时，会设置对应寄存器来通知CAN控制器，然后Get Pos和Put Pos会指向同一个CAN帧块（为空状态）。

图7RxFIFO

如图8所示，这是一个由CAN控制器从CAN收发器上传来的CAN帧的内部构造，这里还是把它称作Rx CAN帧块，其内容包含了一些前面讲到的CAN数据帧的一些控制位、数据位，还有一些是为了兼容CAN FD所预留的，这里只介绍和经典CAN的相关内容，CAN FD的大同小异。

图8 Rx CAN帧块

XTD位：指示该帧为标准帧还是扩展帧，若此位为0则该帧是标准帧，ID中[28:18]是有效CAN ID，即该帧CAN ID为11位；若此位为1则该帧是扩展帧，ID中[28:0]全部是有效CAN ID内容，即该帧CAN ID为29位。

RTR位：用来区分该帧为远程请求帧还是数据帧，若此位为0则该帧是数据帧，若此位为1则该帧是远程请求帧。

DLC[3:0]：此4位数据用来指示该帧含有的数据的字节数，本文只讨论经典CAN，所以DLC规定的范围应该在0-8字节。

R2-R3：这两行数据就是数据帧中的数据域中的内容，经典CAN最多传输8个字节数据，从图中可以看出，这样一个CAN帧块最大支持8个字节的数据，DB0-DB7。

发送

CAN控制发送过程就相对复杂一些，因为上层应用可能需要发多种CAN ID报文，其报文优先级有高有低，高优先级需要尽快发出，低优先级则可以在缓冲区中等待优先级更高的CAN帧发送完，再发出。

图9 同时使用Tx Buffer和Tx FIFO

如图9所示，当同时使用Tx Buffer和Tx FIFO时，CAN控制器每次都会扫描这些区域，当前状态下，Tx Buffer中一个CAN ID为2的CAN帧等待发送，因为它是Tx Buffer区域中CAN ID最小的，并且比Tx FIFO中处于Get Pos的这一帧（CAN ID为4）小，所以它拥有最高优先级，这一帧将会最先被发出去，第二次CAN控制器再次扫描这些区域，发现处于Tx FIFO中Get Pos的这一帧（CAN ID为4）是这些区域中最小的（包括Tx Buffer），所以第二次将会发送CAN ID为4的这一帧，如此往复，直到这些区域内的所有Tx CAN帧块被全部通过CAN收发器转换为信号电平发送到总线上。

图10 Tx Element

如图10所示，与Rx Element类似，XTD、RTR、ID、DLC以及DB0-DB7的用法与Rx Element一致，只有部分内容有不同。

MM[7:0]：Message Marker，这是一个与发送事件（Tx Event）相关的信息。

EFC（Event FIFO Control）位：该位表示该帧是否有将发送事件存在对应的MRAM中。

FDF位：此位用来标识该帧是否为一个CAN FD帧。

BRS（Bit Rate Switching）位：当该帧位CAN FD帧（即FDF为1时），此位才有效，决定该帧在发送时是否启用速率切换（Rate Switching），以更高的速度传输。

更多与Traveo II发送和接收CAN帧相关的细节，大家可以去查阅英飞凌提供的技术手册TRM。

05 总结

CAN通信已经存在了相当长的时间了，其强大的性能和相对高的稳定性让其不仅在汽车领域大显身手，还被广泛用在各种有性能和稳定性有要求的领域，但在人民日益增长的需求下，其缺点被逐渐放大，例如其每一帧的数据负载量较小（每一帧都需要带有CANID和一些控制信息）、速率有限，好在CANFD的出现，将每一帧可传输的字节数增加至64字节，并增加了波特率，极大的改进了经典CAN通信。

随着时代的变化，大家对新能源车的要求越来越高，更复杂的娱乐功能、高级辅助驾驶、自动驾驶功能等等，CAN通信在这些功能的就有点力不从心了，现在出现FlexRay、车载以太网等一些新的通信技术，随着这些有趣的技术快速发展，让我们来看看会发生什么。