车载网络技术——CAN总线基础

在之前一文，简单介绍了一下具有概括性的车载网络技术的基础知识点，那么在本文，将专注于介绍CAN总线的相关知识。

首先，回忆一下之前提到的现场总线，它是工业环境下的一种应用技术，在工业环境下一定是有特殊要求的，比如要在汽车中这样的环境中使用，对现场总线、车载网络就一定要有要求：1.采用串行总线拓扑；2.节点数目可以动态改变；3.具有良好的抗干扰能力，要有可靠性；4.差错检测和处理；5.满足信息的实时性需求；6.具备故障诊断和处理能力；7.简单成本较低。思考一下我们生活中见到的汽车，其实这些要求是必需的，因为有这些要求，所以有了CAN。

1.CAN协议

CAN是符合国际标准ISO 11898，优点在于：1.采用双线差分信号，对节点数量没有限制，数量可以动态改变；2.其支持广播发送，也意味着原来是点对点，现在是一个点对多个点，信息发到总线上，连在总线上的其他节点便都能接收这个信息；3.其多主站结构也就意味着各节点是平等的；4.拥有优先级，相关性过滤（这些是数据链路层的部分，依赖消息的ID）短帧结构。5.另外，其通信介质选择比较灵活，选择双绞线；6.节点价格比较低，成本就比较低；开发技术比较简便；系统数据一致性好。

说了CAN这么多优点，那么它具体是什么东西呢？CAN是一种协议，类似于互联网的协议，规定的是数据怎样传输，协议定义了数据的传输方式。如下图1所示一个CAN的节点结构，两个矩形代表两个节点，下面两条线代表双绞线，一条是CAN_H，一条是CAN_L，两个节点连在这个总线上。在节点内传感器发送信号，执行器接收信号，传感器发送信号给模块控制器（可以是一个微控制器），模块控制器处理的的信号发给CAN控制器（比如SJA1000），CAN控制器再去控制CAN收发器（比如82C250）。把信息发到总线，当然会进行回读检查信息是否成功发送到总线上，另一个节点如果觉得这个信息有用就会接收。比如图2所示要节点发送一个“0-bit”，电压变化便表现为：两根线原本都是2.5V，CAN_H升高到3.5V，CAN_L降低到1.5V，“0-bit”发送完就会回归到2.5V，如此以来两根线中间便有2V的差分电压，这就是显性的0-bit，而没有差分电压的时候便是隐性的1-bit。所以双线差分电压便是2V。

 图1

 图2

2.拓扑结构

CAN协议严格的规定了总线的拓扑结构

如图：矩形代表两个节点，中间总线（也称干线）相连，总线上有其他支线，两节点之间的距离称为节点距，另外整个结构上还存在终端电阻（下面会介绍），它们的范围规定如图3所示。

 

 图3

3.双绞线

CAN规定的总线采用的是双绞线。那为什么要用双绞线？双绞线是如图4是一对电线相互缠绕。因为与一根一根地散线相比其特征阻抗Z0是稳定的，比较抗干扰（如同DNA结构也是缠绕在一起的，这是一种稳定的结构），而双绞线较之两根平行线相比机械强度较好，与同轴电缆相比成本比较低。

图4

CAN对传输介质双绞线也有规定，分为屏蔽式双绞线和非屏蔽式双绞线，对其规定了特征阻抗Z0，范围是95-140Ω，名义值是120欧姆，单位电阻是70mΩ(毫欧)/m，单位延迟5ns(纳秒)/m。

4.特征阻抗与终端反射

双绞线既然是一对电线相互缠绕，那么特征阻抗（也叫特性阻抗）就主要是由于电线之间的距离以及电线之间绝缘体的电气性能有关，不同的电缆有不同的特征阻抗。那么特征阻抗受什么影响呢？1.导线截面积；2.有无屏蔽层；3.绞率（可以理解为两条线交叉的紧密程度）；4.通电频率。

特征阻抗的信号延迟会产生一种终端反射的现象，信号在传送到终端发生反射，举个例子，大家讲绳的一段固定于墙壁上，另一端牵在手上，用手将绳子抖出波纹传播到墙壁上，波纹可能触墙反弹在传递回你手中。这就好似电流的终端发射现象。那么传递过程中的电伏就会叠加反射回的电伏，很有可能烧坏电线。具体产生这种现象的原因有兴趣的读者可去查阅一下。那么我们要避免这种现象就要加终端电阻，使其消失。解决反射问题都需要用终端电阻进行阻抗匹配。