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CAN总线数据通讯
第六章CAN-BUS数据总线
随着汽车电子控制单元以及汽车电子装置的不断增多,采用串行总线实现多路传输,组成汽车电子网络,是一种既可靠又经济的做法。
同时现代汽车基于安全性和可靠性的要求,正越来越多地考虑使用电控系统代替原有的机械和液压系统。
第一节多路传输的定义
所谓多路传输,即指在计算机局域网中,将多种信息混合或交叉通过一个通信信道传送的方式。
一个具有多路传输功能的网络允许多个计算机同时对它进行访问。
如果把这一源于信息网络中的多路传输技术应用于汽车上,可以实现:
1布线简化,降低成本。
2电控单元之间交流更加简单和快捷。
3传感器数目减少,实现信息资源共享。
4提高汽车总体运行可靠性。
网络技术应用于计算机领域已有几十年了,而汽车中使用的网络技术只是计算机网络的“简化版本”。
取拓扑技术,传输方式与计算机网络到相似,只是采用了特殊的数据传输协议。
多路传输通信网络是对多模块操作系统的命名。
模块由普通双绞线相互连接,并使用数据链接插口作为诊断接口。
信息的交换以类似于电话合用线的方式进行,模块之间使用信息及专用的企业标准协议进行通信。
信息内容涉及控制、状态或诊断信息以及运行参数等。
双绞线具有提供冗余备份的优点,即当一条线路中断时,可由另一条线路保证系统运行。
而且,双绞线降低了外界对多路通信网络的电子干扰,也降低了多路通信网络产生的电子干扰,见图6-1。
图6-1CAN网的互补数据对干扰的消除
目前,全球各大汽车制造商采用的车载电脑网络通信协议主要有:
VAN:
由法国标志-雪铁龙汽车集团与雷诺汽车公司和JAEGER公司联合开发的,主要应用于车身系统,在通信速率要求方面已进一步优化。
CAN:
由德国博士公司开发,应用于高速率网络传输。
J1850:
由美国汽车工程师协会开发,应用于车身系统,美国汽车公司和日本汽车公司多采用这一交流协议。
A-BUS:
由德国大众汽车公司开发,应用于低速率和高速率信息网络传输。
I-BUS:
低速率信息网络传输,由德国宝马汽车公司开发。
ST-FIAT:
由法国SGS-THOMSON公司和意大利菲亚特汽车公司联合开发,应用于低速率信息网络传输。
MI-BUS:
由美国摩托罗拉公司开发,低速率信息网络传输,应用于汽车车身和空调系统。
K-BUS:
德国宝马公司设计并使用。
BEAN:
日本丰田汽车公司设计并采用该系统。
见图6-2所示是丰田BEAN网络的通讯协议传输方式。
图6-2丰田BEAN协议
第二节CAN网络协议的基本知识
目前CAN网络协议是在汽车局域网中采用比较广泛的一种通讯协议。
在CAN协议中有三个部分占有主导部位:
高速CAN网物理层(CANHS),低速容错CAN网物理层(CANLSFT)和协议层。
高速CAN网容错物理层适用于速率为250kbit/s到1Mbit/s,而低速CAN网容错物理层适用于速率不超过125kbit/s。
第一种是自CAN网协议诞生之日起就存在的,第二种则起步较晚,主要是为了CAN网物理层的容错。
高速CAN和低速CAN网物理层由互补数据数据对组成(通讯媒介为导线时),其两条线分别叫做CAN-H(CAN高电平)和CAN-L(CAN低电平)。
在CAN-H和CAN-L上同时传送信息,CAN-H上传送的信息和CAN-L上传送的信息正好是相反的。
高速CAN网物理层,由于其内部结构的限制,不能提供任何容错方法。
因为高速CAN网的比较电路很简单,如果出现故障,比较器不会发送信号,也没有办法实现通信。
以下七种情况中,只有两种情况在物理层容错范围内,其他几种情况,网络是不能运行的,并且各个电控单元之间也不可以实现通信。
1CAN-H地线短路=>无法运行
2CAN-H正极短路=>在CAN-L上进行降级运行(在物理层容错范围内)
3CAN-L地线短路=>在CAN-H上进行降级运行(在物理层容错范围内)
4CAN-L正极短路=>无法运行
5CAN-H上开路=>无法运行
6CAN-L上开路=>无法运行
7CAN-H和CAN-L相互短路=>无法运行
低速CAN网物理层的电压水平也是标准化的。
但其电压振幅比高速CAN网物理层的要强,这是因为速率对应更慢。
低速容错CAN网物理层为故障提供一个容错功能,因为其差分电路是由3个共用模式的比较器组成的,而这3个比较器用来将CAN-H和CAN-L与参照电压进行比较。
在这种情况下,3个比较器中间至少有一个总是能保持运转的,故障形式如以下6条所示:
1CAN-H地线短路=>在CAN-L上进行降级运行。
2CAN-H正极短路=>在CAN-L上进行降级运行。
3CAN-L地线短路=>在CAN-H上进行降级运行。
4CAN-L正极短路=>在CAN-H上进行降级运行。
5CAN-H上呈开路=>在CAN-L上进行降级运行。
6CAN-H和CAN-L相互短路=>CAN-L自动切断,在CAN-H上运行降级运行。
由于车内局域网采用的是串行通信的方式进行数据的传输,所以在针对车内局域网的维修检查时,和正常车辆的导线检测是存在很大不同之处的,除了利用汽车生产厂家提供的检测仪器对系统进行检查外,很重要的一项检测手段,就是利用示波器来进行检测。
当然对于高速网络来言,需要采样频率更高的示波器才能作到正确的观测到传输的数字信息。
第三节CAN网络波形及分析
下面以一汽大众宝来1.8T的舒适系统的CAN网络的检测波形来说明一下低速容错局域网的波形检测与分析。
一、CAN-Bus线波形
见图6-3所示是CAN-BUS的正常波形,CAN-H与CAN-L波形一致,但极性相反。
图6-3CAN-BUS系统波形
CAN-Bus线波形
图6-4CAN-H、L线的波形
见图6-4,这是使用通用示波器功能测得的CAN-BUS的正常波形,CAN-H与CAN-L波形一致,但极性相反。
二、CAN-Bus线波形(睡眠状态)
图6-5睡眠状态时的CAN信号波形
当CAN-BUS系统处于休眠状态时,电控单元通过EN和STB接头把蓄电池电压导入CAN-H和CAN-L线路,此时,CAN-H电压接近12V(电瓶电压),CAN-L电压接近0V,见图6-5。
电控单元利用Wake接头(顾客操作使车辆解锁)唤醒网络,而Wake接头正是消耗了CAN网CAN-L线上的电流,这就使主系统电控单元检测到电流。
检测到电流后,主系统电控单元控制EN接头和STB接头以离开休眠模式。
这时,CAN-L和CAN-H不再是蓄电池电压,由主系统将蓄电池电压转换成+CAN信号。
这样CAN网就被唤醒了。
通信就可以进行了。
睡眠和苏醒
使用者在使用车辆时,多路转换通信系统(MPX)处于“苏醒”状态,但是,该系统判断使用者离开车辆时,系统停止所有节点(ECU)的通信,这样防止寄生电流。
这种状态叫“睡眠”状态。
此时,除“苏醒检测”功能外,所有的ECU就进入节能模式。
在睡眠状态中,如果操作任何相关开关(例如:
用户打开车门或用钥匙开门锁时),检测到该操作的电子控制单元(ECU)就离开节能方式并重新开始通信。
在“苏醒”后首次传输时,它会把“苏醒”信息发送给其他电子控制单元(ECU)以唤醒他们。
提示:
当点火开关被设置到ACC或LOCK位置上并且所有的车门已被关闭,而且在最后开关操作后预定时间已过,电子控制单元(ECU)同时入睡。
当有一个电子控制单元(ECU)从睡眠中苏醒过来时,会唤醒其他电子控制单元(ECU)。
三、CAN-Bus线波形(H线对地短路)
图6-6CAN-H线对地短路的波形
见图6-6中,兰色线为CAN-H信号对地短路的波形,信号电压为0V。
红色线为CAN-L正常传输信号的波形。
四、CAN-Bus线波形(L线对地短路)
图6-7CAN-L线对地短路的波形
见图6-7中,红色线为CAN-L信号对地短路的波形,信号电压为0V。
兰色线为CAN-H正常传输信号的波形。
五、CAN-Bus线波形(H和L线对地短路)
图6-8CAN-H、L对地短路的波形
当CAN-H和CAN-L同时对地短路时,见图6-8所示,其信号电压均为0V。
六、CAN-Bus线波形(H和L线相互短路)
图6-9CAN-H、L互相短路的波形
见图6-9所示,CAN-H和CAN-L线互相短路时,其信号电压极性相同,CAN-L自动切断,在CAN-H上运行降级运行。
表现在波形趋于一致。
其工作原理见图6-10所示。
图6-10CAN-H和CAN-L相互短路,CAN-L自动切断
七、CAN-Bus线波形(H线对电源短路)
图6-11CAN-H对正极短路的波形
见图6-11中,CAN-H(兰色)线对电源短路时,CAN-L(红色)线波形正常。
八、CAN-Bus线波形(L线对电源短路)
图6-12CAN-L对正极短路的波形
见图6-12中,CAN-L(红色)线对电源短路时,电压始终为12V,CAN-H(兰色)线波形正常。
九、CAN-Bus线波形(H和L对电源短路)
图6-13CAN-H、L同时对电源短路的波形
当CAN-H(红色)和CAN-L(兰色)线同时对电源短路时,其电压都为电瓶电压。
波形见图6-13所示。
十、CAN-Bus线波形(H线断路)
图6-14CAN-H线断路的波形
CAN-H线断路时,CAN-L线波形保持不变,见图6-14中兰色线,而CAN-H线(红色)则始终处于高电位为5V。
十一、CAN-Bus线波形(L线断路)
图6-15CAN-L断路的波形
见图6-15所示,当CAN-L(红色)线断路时,L线的电压处于高电位,保持在5V,CAN-H线(兰色)波形保持不变。
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