ADAS/AD控制器模块开发07 - CAN通信

前言

CAN通信模块对于汽车ECU来讲，算是最基本的模块了。与CAN通信模块同样基本的模块还有：基于CAN通信的UDS诊断模块、基于CAN通信的BootLoader刷写模块、基于CAN通信的EOL/Service/Online标定模块等。注意限定词“基于CAN通信的XXX”。

记得在德尔福工作时，问软件工程师都做什么样的高端编程工作，对方吐槽曰：“汽车软件三件套：诊断、标定、PBL”。一时语塞。冷静下来想想，其实也对。在外企上班，国内引用的技术都是在国外开发，到了国内都是平台化的技术，改的最多的也就剩诊断、标定、PBL了。注：PBL - Primary Bootloader，对应的还有SBL - Second BootLoader。

CAN通信

CAN的通信是通过CAN总线实现的。老东家博世公司发明的（PS：汽车工业哪都有他）。CAN通信都是以广播的形式发送接收消息的。不面向连接，不握手。

a. CAN总线中的OSI层：

按照OSI的七层架构物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层来分配的话，CAN总线只实现了物理层、数据链路层和应用层3层。原因是：CAN总线作为工业测控的底层网络，其信息传输量相对较少，网络连接方式相对简单，但是信息传输的实时性和可靠性非常高。

数据链路层在CAN总线中有分为逻辑链路控制（LLC）子层，和媒体访问控制（MAC）子层。逻辑链路控制子层的功能主要是报文滤波、超载通知和reset管理。媒体访问控制子层功能主要是传送规则，即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。物理层功能主要定义信号传输方式、完成电气连接、实现收发器特性。

b. CAN总线的硬件：

CAN总线的硬件主要由MCU（单片机）、CAN控制器、CAN收发器（也叫CAN驱动器）、CAN高CAN低双绞线构成。其中，MCU负责实现应用层、CAN控制器实现数据链路层、CAN收发器和双绞线实现物理层。实际产品中，一般的车用MCU中会集成CAN控制器模块。所以实际上只有带CAN控制器的MCU+CAN收发器+双绞线三种物理实体（如果你非要把连接双绞线与ECU主板之间的连接器也作为CAN总线实体的一部分，那就算四种物理实体吧...）。注意，这里的MCU就是前面系统架构和软件架构中提到的那个单片机（Host）哦！车载MCU里能放代码的芯片也就那几种，MCU是主要类型之一。

其中，CAN控制器主要用于生成CAN帧，并以二进制码流的方式发送；在此过程中进行位填充、添加CRC校验、应答检测等操作；将将接收到的二进制码流进行解析并存储，在此过程中进行收发对比、去位填充、执行CRC校验等操作。此外，还需要进行冲突判断、错误处理等诸多任务。

CAN收发器则主要将来自CAN控制器的二进制码流转换为差分信号，向CAN高CAN低双绞线上发送；也将双绞线上的差分信号转换为二进制码流接收，并转给CAN控制器。

最后是CAN高和CAN低这对双绞线。一般CAN高这条线是黄色的，CAN低这条线是绿色的。CAN高和CAN低这两条线的电平在静止状态（default状态）时都为2.5V，这个电平也叫作隐性电平。当发送信号时，CAN高会产生电平跳变，往高了跳，这个高电平一般为3.5V；而CAN低则会非常对称、互补的（要不然怎么叫差分信号呢！）往低了跳，这个低电平一般为1.5V。

c. 数据链路层的CAN报文（也叫“CAN帧”）：

先捋下对应关系：CAN帧-对应-数据链路层-对应-CAN控制器。

CAN帧有两种格式，标准的和长的。也叫标准帧（11位识别符）和扩展帧（对应29位识别符）。

CAN帧除了格式不同，还分为4中不同用途的帧类型：分别是数据帧、远程帧、错误帧和过载帧。其中数据帧负责传输数据；远程帧一般用于连接不同CAN网络的网关，在接收某个网络的消息后，再指定打包成另一个CAN网络上的消息转发出去；错误帧，任何节点检测到总线错误就发出错误帧；过载帧，用于已在先行的后续数据帧（或远程帧）之间提供一个附加的延时。

每个帧的结构一般是由以下几各段构成的：

1） 帧起始。表示数据帧开始的段；

2） 仲裁段。表示该帧的优先级的段；

3） 控制段。表示数据的字节数及保留位信息的段；

4） 数据段。数据的内容，一帧可发送0到8个字节的数据；

5） CRC段。检查帧的传输错误的段；

6） ACK段。表示确认正常接收的段；

7） 帧结束。 表示数据帧结束的段。

CAN帧的位时序。位速率：由发送单元在非同步的情况下发送的每秒钟的位数称为位速率。一个位可分为 4 段，包括同步段（SS）、传播时间段（PTS）、相位缓冲段1（PBS1）和相位缓冲段2（PBS2）。这些段又由可称为 Time Quantum（以下称为Tq）的最小时间单位构成。1 位分为4 个段，每个段又由若干个Tq 构成，称为位时序。

d. 应用层的CAN消息（CAN Message，简写Msg）：

实际上，对于大部分汽车工程师，日常工作中接触最多的关于CAN的内容，就属于CAN Message了，纯代码实现的一种数据结构。底层的东西，看一遍熟悉下就够了。CAN消息一般都是在MCU等芯片中实现的，其实就实现在Host应用软件中，是Host-SW中的一部分（可以参考前面关于软件架构的文章）。

既然CAN消息大家都用，那一定就不是简单的理论知识了，必须要有工具才能讲“使用”。在汽车行业，工程师接触到最多的CAN工具就是Vector的CANoe。本章节就结合CANoe的使用，来直观的介绍应用层的CAN消息。

CAN消息矩阵一般是主机厂的网络架构组来负责，是一个巨大的Excel文件，里面的各种sheet定义了不同的CAN消息列表，便于更新维护，类似于图1。

图1 某主机厂某款车型的AD_CAN矩阵中名字为“ACC1”的CAN消息截图

 

dbc是按照CAN矩阵创建的可以作为CANoe软件的CAN消息数据库使用的一种文件，所谓的dbc其实也就是DataBase of CAN的意思，如图2。

图2 一些dbc文件

 

所谓的CAN消息是怎样一种存在呢？如图3所示。

实际上每个CAN消息都对应一个本CAN网络内的唯一ID，如下图中的ABM2消息，对应的ID就是小括号内的0x245,。需要说明一点，ABM2其实就是整车上ABM安全气囊控制器ECU发的一个消息，且消息ID是16进制的，0x代表16进制，245是ID号。里面有一堆的信号，其中的Checksum信号、RollingCounter信号为ABM2这个消息的安全相关信号，其他的信号为代表不同实际意义的信号。

图3 某主机厂某款车型的dbc的CAN消息和消息内承载的信号

 

需要注意的是，这里的消息（Message）其实只是一艘船，一个载体；里面承载的信号（Signals）才是真正有意义的信息。那么消息（Message）与信号（Signal）的关系是什么呢？请看下图。

图4 信号在消息中的layout

 

一条消息一般有8个Byte字节（0~7byte），每个Byte又有8个bit位（0~7bit）。就这样形成一个8x8的矩阵，每个矩阵小框代表一个bit。每个信号占用多少bit（位），占用了8*8矩阵（消息的layout矩阵）的哪几个bit，通过上图，可以看得清清楚楚。上图中不同颜色的条状物，即代表一个信号（signal）。例如，蓝色部分，代表Checksum信号，它占用了整个Byte0（0~7位）的空间；橘色部分，代表WehDynYawRateValid信号，它占用了第7个byte的第5位（bit）的空间，也就是说，ABM2这条消息的第7Byte的第5bit，表示WehDynYawRateValid信号。WehDynYawRateValid实际是车辆动态Yawrate有效性的意思，是个bool值。Yawrate搞自动驾驶的都知道，是车辆偏航角速率的意思。

 

e. 整车CAN网络架构

整车一般不止一个CAN网络，一般会分为动力CAN、车身CAN、底盘CAN、舒适CAN、多媒体CAN、诊断CAN等等。CAN网络里有各种各样的ECU节点，例如上文提到的ABM安全气囊控制器模块，就属于动力CAN（当然，这完全有OEM根据自身架构自己定义的）网络上，而IFC智能前视摄像头模块，就在AD_CAN上。CAN网络与CAN网络之间如果需要通信，就需要搞一个网关（Gateway）来转发信号，当然这个网关，你可以专门搞一个控制器做网关，也可以拿其他有既有功能的ECU做网关（只要实现网关的功能，硬件上也有两路CAN的收发器，两路CAN也都接线接好了），比如说BCM车身控制器，经常就充当网关使用。再提一点，在这里，远程帧的意义就在于此了。为什么有远程帧，就是因为多个CAN网络的存在，网关需要转发message。假设A网络有个a控制器，B网络有个b控制器，a控制器想联系b控制器，就需要发个远程帧给网关，告诉网关在B网络里b的ID，网关会按照a发的远程帧的信息，将消息向B网络转发（这次转发就是普通的数据帧，不再是远程帧了），传递给b控制器。最后，贴一张某主机厂某个车型的CAN网络拓扑图，自己体会吧~

图5 网络拓扑图

 

f. CAN通信常见配置参数汇总：

总结

综上，介绍CAN通信最主要的意义，其实是为了引出CAN消息和信号，这些消息和信号才是ADAS/AD开发人员感兴趣的领域。本文主要是写给一些对车辆不太了解的人，每当讨论到自动驾驶系统从车上获取相关信号、并发出相关信号的时候，让人能够有一定画面感，即这个信号到底是以哪种方式进行传播的。