关于CAN总线的基础

文章来源于Digikey

车载网络允许微控制器和发动机控制单元 (ECU) 处理器与传感器、执行器、指示器、显示器以及彼此进行通信。 车载网络的网络带宽取决于所支持的功能。 通常，基本的车身和舒适应用程序可以在低总线带宽下工作，而动力传动系统和底盘应用需要更多的带宽，安全功能使用中等带宽，信息娱乐应用程序使用高带宽，而高级驾驶员辅助系统（ADAS）需要非常高的带宽。

此外，车载网络可以使用多种网络架构，每种架构都与一组功能需求相匹配。经典的车载网络是CAN总线。

CAN总线功能和结构

CAN 已存在约三十年，并且仍在不断发展。 ISO 11898 标准中描述了经典的 CAN 总线。 它支持高达 1 兆位每秒 (Mbps) 的数据速率，并可满足中等带宽要求。

典型车辆的总线路由涉及大量连接。 图 1 显示了现代车辆典型的大量连接。 在此示例中，CAN 总线链接到速度较低的LIN，LIN传输速率为 20 kbps，并且对于低带宽需求而言具有成本效益。

图 1：使用 CAN 和 LIN 网络的典型总线。 （图片来源：TI）

车辆中线束的高成本和重量意味着必须预先认真考虑给定网络配置的影响。 图 1 中的总线配置非常经济高效。该网络并不是通过将每个传感器和执行器连接到控制器，而是通过更简单的有线连接来路由多个连接。LIN 总线使用单线进行通信，CAN 总线使用双绞线支持更高的速度。

如前所述，CAN 总线与所有有源网络一样，不断发展以满足行业需求。 CAN 灵活数据速率 (CAN FD) 将数据速率提高至 5 Mbps。 最新的 CAN 标准是 CAN Extra Long (CAN XL)，支持高达 10 Mbps 或更高的数据速率。CAN FD 和 CAN XL 向后兼容经典 CAN。

CAN 网络的物理层布线由 CAN 节点之间的双绞线布线组成，如图 2 所示。

图 2：CAN 总线使用端接双绞线接线，节点采用直插式连接。每个节点都有一个CAN收发器和一个具有CAN控制器功能的微控制器单元(MCU)（图片来源：TI）

CAN 网络的总线拓扑接线需要在总线两端使用 120 欧姆终端电阻，以最大程度地减少反射。 应尽量减少未端接的开放连接。 总线速率取决于 CAN 并受网络长度的影响。 网络越长，它可以维持的最大数据速率越低。 1 Mbps 额定数据速率适用于 40 米以内的网络。

CAN 网络上的通信依赖于使用双绞线中指定为 CANH 和 CANL 的两根导线的差分信号（图 3）。 CAN 收发器驱动器需要在端接双绞线的 60 Ω 差分负载上实现 1.5 V 差分信号。 信号电平被称为显性和隐性。 主电平或“1”电平的差分电压电平大于或等于 0.9 伏。 隐性或“0”电平的差分电压小于 0.5 伏。

图 3：所示为 CAN 总线 CANH 和 CANL 导线的差分信号定义。 （图片来源：TI）

总线驱动器能够主动将总线驱动至显性状态，而返回隐性状态则取决于通过终端的电阻放电。 这解释了从隐性状态转变为显性状态时上升时间较短的原因。 它还允许显性位覆盖隐性位状态。该功能用于确认和总线仲裁。

双绞线传输线的传播延迟为每米 5 纳秒 (ns/m)。 CAN 控制器针对与其耦合的网络的传播延迟进行配置，因此需要延迟信息来确保正确的总线仲裁和优先级。

CAN 收发器用于物理驱动总线，有 8 引脚和 14 引脚版本。 TI TCAN1042GDQ1 是支持 CAN FD 的 8 引脚版本。TI在 8 和 14 引脚版本上对前 8 个引脚使用通用引脚映射，从而允许直接更换。 该收发器与TI TMS5703137CGWTQEP 微控制器 (MCU) 兼容，该微控制器具有三个可用的 CAN 控制器（图 4）。

图 4：典型的 8 引脚收发器应用，其中收发器连接到包含多个 CAN 总线控制器的 MCU 的发送 (TXD) 和接收 (RXD) 端口。 （图片来源：TI）

14 引脚 CAN 收发器具有附加功能，包括辅助电源总线以及扩展的低功耗和睡眠模式。

TI TCAN1043GDRQ1 是一款 14 引脚 CAN 收发器，支持完整的CAN FD 5 Mbps传输。 它还与 TMS5703137CGWTQEP MCU 兼容（图 5）。

图 5：14 引脚 CAN 收发器的典型应用，包含通过额外的 6 个引脚控制的扩展低功耗和睡眠模式。 （图片来源：TI）

CAN 总线遵循标准化协议，允许网络在需要时寻址数据和命令（图 6）。

图 6：CAN 协议提供了一种用于通过总线传输数据并验证数据是否已接收的结构。 它还提供错误检查。 （图片来源：TI）

CAN 和 CAN FD 之间的差异

我们已经知道，CAN FD 的运行数据速率高达 5 Mbps，而 CAN 的最大数据速率为 1 Mbps。 这种改进是通过有选择地增加数据时钟速率来实现的； 因此得名 CAN FD（图 7）。

在CAN FD中，数据和CRC字段期间的时钟速率提高，使得在相同的时间内可以传输两倍的数据，或者可以在一半的时间内传输相同的数据量，从而使CAN FD具有更大的传输速度。 协议时间的其余部分保持不变。这种安排是向后兼容的，CAN FD设备可以在CAN环境中运行。此外，与CAN的8字节限制相比，CAN FD支持高达64字节的数据字段，这也提高了数据速率。

图 7：CAN FD 在数据和 CRC 帧中使用可变数据速率来提高传输的总体数据速率。 （图片来源：TI）

CAN总线的未来是什么？

车载网络的高级数据传输由 100BASE-T 和 1000BASE-T 以太网网络占据。 5 Mbps 的 CAN FD 等低速总线与这些高速总线之间存在相当大的差距。 目前，10 Mbps 领域有两个竞争者正在开发中，即 10BASE-T1S 和 CAN XL。

CAN XL 提高了数据速率和数据有效负载大小。 数据有效负载长度增加到最大 2048 字节，因此被称为“超长”。 CAN XL 仍然保持与 CAN 和 CAN FD 的向后兼容性，以便以较低的速度运行。

结论

CAN 总线双绞线接口已存在多年，并且不断发展以满足不断扩大的汽车连接需求。 它可以单独使用，也可以补充 LIN 等单线网络，以最大限度地减少总体重量和成本。