汽车总线系统简介

1. 前言

• ASAM – ASAM联合组织；
• CAN – Controller Area Network，控制器区域网络；
• ECU – Electronic Control Unit，电子控制单元；
• CAN IF – CAN Interface，CAN 总线接口（模块）；
• CANDesc – CAN Diagnostic embedded software component，CAN总线诊断部分嵌入式软件组件；
• CAN TP – CAN Transport Layer，CAN总线传输层（模块）；
• CDD（Diagnostic）-- CANdela documents，CAN诊断数据文件；
• DBC – CAN Database，CAN总线数据库；
• DCM – Diagnostic Communication Manager，诊断通讯管理；
• DEM – Diagnostic Event Manager，诊断事件管理（DTC相关）；
• DFlash – Data Flash，可以用于存放bootloader代码，按照flash的命令去操作，按照sector去擦；
• PFlash – Program Flash，放代码或者数据的，主flash；
• EEPROM – Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，电可擦可编程只读存储器；
• NVM – Non-volatile Memory，非易失性内存；
• MOST – Media Oriented Systems Transport，面向媒体的系统传输；
• PDU – Protocol Data Unit，协议数据单元（地址信息、协议控制信息、数据）；
• HIS – Flash 硬件驱动器；

2. 总线系统简介

目前普遍采用的汽车总线有__局部互联协议LIN__和__控制器CAN__，以及__高速容错网络协议FlexRay__，用于__汽车多媒体和导航的MOST__，以及蓝牙、无线局域网等__无线技术__等。

LIN 是一种基于UART数据格式、单主多从模式、低成本的串行通信网络协议。主要应用于电动门窗、座椅调节、照明等低速网络控制。LIN属于A类网络，而A类网络大都采用通用异步收发器（UART）。

FlexRay 是一种支持总线间多种消息传递的框架，可应用于无源总线饿星型拓扑网络结构中或者两者的组合拓扑中。其将事件触发和时间触发相结合，具有高效的网络利用率和灵活性。FlexRay属于C类网络，C类网络主要应用于汽车安全相关的实时性要求比较高的地方，如动力系统等，速率125Kbps-1Mbps，支持实时的周期性参数传输。其中高速CAN可以包含在C类网络中。

CAN 是属于B类网络，B类网络是面向独立模块间数据共享的中速网络，主要应用于车身电子舒适性模块、仪表显示灯系统。

MOST 传输协议并不是正式的标准，其由分割的帧的数据块组成，帧中包括流数据、分组数据、控制数据。其允许采用星型、环形等多种拓扑结构。一个MOST网络总最多可有64个节点，启动之后全部节点同时激活。

IEEE1394 是一种信息系统专用协议，其速率在100Mbps。支持外设热插拔，可为外设提供电源，支持同步和异步数据传输，传输距离在100米左右。

备注：
时间触发： 是一个基于时间预定时间表运行的任务，具有及时性、周期性、背景性的任务特点。
事件触发： 根据系统当前的状态决定是否触发，如果系统状态满足触发条件才进行各种操作。

UART： 通用异步收发传输器，其将需要传输的数据在串行通信与并行通信之间转换。

汽车总线系统要求，如下图所示：

2. 总线系统协议与标准

2.1 总线网络模型

在ISO网络模型的对比下，汽车总线标准值采用了其中的部分协议层。
如常见的汽车总线CAN、LIN、FlexRay，一般只是确定0-2层或者是很多部分的精确说明。

3. 物理层和数据链路层

3.1 基础概念

半双工、全双工
半双工：只可以一个发送消息，另一个收消息；
全双工：双方可以同时收发消息；

单极信号、双极信号
单极信号：单极性码，有电压表示1，无电压表示0。没有特殊编码，会积累直流分量；
双极信号：双极性码，正电压表示1，负电压表示0，降低了功率要求并减小了高电平衰减，直流分量大大减少，进而有利于传输。RZ (归零制) 归零码的电压状态在某个信号状态后返回到零。归零码的脉冲较窄，根据脉冲宽度与传输频带宽度成反比的关系，因而归零码在信道上占用的频带较宽。

NRZ
Non Return Zero Code，不归零编码。其与RZ的区别是一个周期可以全部用来传输数据，带宽被全部利用。若是想使用NRZ传输高速同步数据，都需要带有时钟线，常见的有NRZ编码或者是差分NRZ编码。但NRZ编码无法传递时钟信号，所以需要做位插入处理。
RZ的几种编码方式

终端电阻
为了应对波纹效应，即传输导线末端和分支线、插座结合处的反射,而需要在导线末端添加。但是一般低速总线的反射较小，不需要添加终端电阻。

信号的显隐性
低电平优先/显性，或者说是差分信号之间的线与，之后由谁对最终信号其决定性作用，谁就是显性信号。有点生物基因中的显隐的类似意思。

3.2 总线系统

3.2.1 总线拓扑结构

常见总线拓扑结构如下：
1、线性拓扑，如CAN总线、FlexRay总线；
2、星型拓扑，如FlexRay总线；
3、环形拓扑，如Most总线；
4、树状拓扑，如车载网络系统结构图；

注：总线系统之间的连接点有收发器、中继器、网关、（后面这几者通常会被网关代替）开关、集线器、路由；

3.2.2 总线数据帧、协议栈、服务

数据帧/包/块 基础结构有帧头、有效数据、帧尾、帧间间隔；
__协议栈__包括协议数据单元PDU、协议控制信息PCI、服务数据单元SDU；
服务 是指协议栈中每层可提供的功能；

注：当数据超过协议最大数据时，发送数据的时候数据会被分组，相反，接收端在对数据进行重组；

3.2.3 总线通讯

有面向连接和无连接两种。
面向连接 是指需要通过连接的建立、数据的交换、和连接撤销过程，预先建立通信通路之后，才开始进行交互。
无连接 是指不需要事先建立连接，而直接进行数据的收发，如广播、多播、单播、等待出错通知等。

3.2.3.1 总线寻址

有基于设备寻址和基于内容寻址（标识符）两种。
基于设备寻址 是指通信设备有自己的设备地址，可以清楚的通过地址被识别到，数据的接受分析很简单，如单播方式就仅仅需要将数据发送到一个目标地址。
基于内容寻址 是指数据信息配置了一定、类似地址的名称（标识符），其可以减轻总线负载，使数据保持较好的连贯性。

注：掩码： 定义了要保留位和要清除位，常见的方式有按位与（提取位值）、按位或（设置位值）、按位异或（位值取反或值交换）；

3.2.3.2 总线数据传输

传输方式有基于字符传输（异步传输/启动停止/基于UART传输）和基于比特流传输（同步传输）两种。
字符传输 一般应用于较低比特率，如K线，LIN等。被传输信息包括帧头和帧尾，8位为一组（即一个字符），每个字符单独传输。字符起止处有起始位和停止位以及奇偶校验位。收端的时钟发生器通过信号脉冲，与其起始位的始端向同步。
比特传输 一般应用于较高比特率，如CAN、FlexRay等。其数据包括帧头和帧尾，数据收发端有自己的局域时钟发生器。由于比特传输数据长度较长，往往都会存在一定误差，时钟发生器接受期间必须进行后期同步。

3.2.3.3 总线访问方式

1、主从模式；
2、令牌环路；
3、TDMA时分多址；

3.2.3.4 位定时与位同步

位同步 是指数据通信系统中，数据信号以码元形式逐一的发送和接收，遍要求收发端的时钟有稳定而可靠的同步关系。位同步的方法主要有外同步法和自同步法两种：外同步法。外同步的方法是，发送端发送数据之前先发送同步时钟信号，接收方用这一同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率，以此来达到收发双方位同步的目的；自同步法。接收方利用包含有同步信号的特殊编码（如曼彻斯特编码）从信号自身提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率，达到同步目的。（来源于百度百科）

位速率（比特率/信息传输速率），表示的是单位时间内总线传输的信息量，即每秒能够传输的二进制位的数量，单位是bps（bit per second）。
波特率（传码率、信号传输率），表示的是单位时间内传输的码元的数量，当两相调制时，一个码元用一个二进制位表示，此时波特率在数值上和比特率是一样的，如CAN总线。

位时间 由时间份额、位时间、同步段、传播段、相位缓冲段1、相位缓冲段2、同步跳转宽度组成。
有如下位时间关系：tBit=tSS+tPS+tPBS1+tPBS2
tBit:位时间/tSS:同步段时间/tPS:传播段时间/tPBS1:时间段1/tPBS2:时间段2。

同步机制 有硬同步和重同步。

注：CAN总线的位同步只有在节点检测到“隐性位”（逻辑1）到“显性位”（逻辑0）的跳变时才会产生，当跳变沿不位于位周期的同步段之内时将会产生相位误差e。
一个位时间内只允许一种同步方式；
任何由“隐形”到“显性”的下降沿可用于同步；
硬同步发生在帧起始SOF位，重同步发生自SOF位之外的其他位；
发送节点补执行重同步，只有接收节点执行重同步；

3.2.3.5 错误识别与修正

奇偶校验 针对的是单个字符的校验；
校验和 针对整个数据信息校验和；
确认信息（ACK） 对接收数据的确认，

4. 总线

4.1 K线

面向字节的协议，能与每个控制器和运算器中的串行接口进行连接，根据UART（异步中集器和收发器）完成简单的诊断任务；主要用于诊断任务；

4.2 CAN简介

CAN，Controller Area Network，是为解决现代汽车中众多控制单元、测试仪器之间的实时数据交换的一种串行通信协议。是面向比特流的线性总线；最大比特率为1Mbit/s，总线<40m；总线长度与比特率成反比；适用于高低速总线系统；由Bosch公司研发；理论上可以挂接无数个节点，但在实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。

4.3 CAN版本演化与标准

CAN1.0
CAN2.0
CAN2.0A
CAN2.0B ACTIVE - 可兼容11为29位ID报文
CAN2.0B PASSIVE - 忽略29位ID报文

4.3.1 CAN总线特性

1、有高速CAN（C级网，>=250kibit/s）和低速CAN（B级网，<=125kbit/s）；
2、控制器插座，9针Sub-Miniatur-D插座等；
3、双绞线导线，进而产生的信号为双线差分信号，波阻抗-经典值为120欧姆；
4、广播方式发送消息；
5、CSMA/CA总线访问方式（载波监听/多路访问/冲突避免），即总线空闲检测、ID优先级识别（优先级ID-ID越小优先级越高）、报文内容识别（报文标识符）；
载波侦听 - 网络上各节点发送数据之前都要检测总线上是否由数据传输。
多路访问 - 网络上的所有节点收发数据，使用同一条总线，且是以广播方式发送数据。
冲突检测 - 网络上节点在发送数据时，需要不断检测发送的数据，确定是否与其他节点数据有冲突。
6、总线上的节点数量无限制；
7、报文过滤(进行数据位匹配，屏蔽寄存器将需要接受的数据位置1，不需要接受的数据位置0)
8、数据一致性(错误检测/错误处理)
9、NRZ编码/曼彻斯特编码(NRZ缺点–容易造成误差累计；其次是电磁兼容（EMV）的辐射干扰比较大，会导致出现脉冲信号)；
10、位填充(发送“5个连续极性”位后在位流中自动插入“1个极性相反位”，平均每个数据信息只能进行3~4次位填充；不需要做位填充：SOF前的空闲区；CRC后的位域区)；
接收端清除填充(与位填充的处理过程刚好相反)；
12、0-8位数据字节，6-8位数据信息，最大的有效数据长度为8Byte；
13、报文回读（数据正确传输的确认）；

4.3.2 CAN控制器结构

1、软件式CAN，双层缓冲器，收发存储器采用FIFO数据结构；
2、硬件式CAN，8~16位数据信息存储器，接受过滤由CAN控制器硬件完成；
3、软硬混合CAN控制器，硬件接收过滤器指定存储器，软件接收过滤器为收发数据指定存储器；
4、CAN控制器被微控制器Host初始化；
5、常见CAN类型：
CAL/CANOPEN(CiA)
DeviceNet(ODVA)
SDS(Honeywell)
NMEA-2000(NMEA)
J1939(SAE)
不同厂商有自己的上层协议标准
注：接收寄存器AR、接收掩码AM、有效接收过滤AF；

4.3.3 CAN协议层结构

• 物理层
  PLS，physical signaling sublayer，物理信令子层
PMA，physical medium attachment，物理介质连接
MDI，medium dependent interface，介质相关接口

• 数据链路层
  基础概念
  按位仲裁；
位插入（每5位插入一位，平均每个数据只能进行3-4位插入）；
数据的报文格式检验、校验和、数据、数据帧区域末尾；
数据传输的连续性；
远程数据帧；
  基本组成
  LLC，logical link control，逻辑链路控制
MAC，medium access control，媒介访问控制

• 传输层

• 应用层（高层协议）

4.3.4 帧结构

帧类型有数据帧、远程帧、错误帧、重(超)载帧、帧空间(间歇帧、总线空闲)。
常见帧标记或字段如下：
SOF，start of frame，用于同步；
EOF，end of frame，是7个连续隐性位；
ACK，ACKnowledgement，接收应答，正确接收到报文-ACK发送显性；未正确接收报文-ACK发送隐性；
RTR，remote transmission request，远程传输请求标志。0表示数据帧，1表示远程帧；
IDE，identifier extension，标识符扩展。0表示标准帧，11位ID。1表示扩展帧，29位ID；
ITM，intermission，间歇场；
r0，r1，保留位；
DLC，data length Code，数据长度码。即指的是数据场字节数，有效位0-8；
SRR，substitute remote request，远程代替请求标识位；
ID，标识符；
Data Field
CRC，校验和；

4.3.4.1 数据帧

作用：装载数据信息
标准数据帧

扩展数据帧

4.3.4.2 远程帧

用于请求特定标识的数据。
标准数据远程帧

扩展数据远程帧

4.3.4.3 帧空间

用于分隔数据帧、远程帧与其前面帧。
主动错误节点帧空间格式

被动错误节点帧空间格式

4.3.4.4 超载帧

用于帧间延时

4.3.4.5 错误帧

用于通报检测到的错误。

1、CRC，数据校验和计算不符合(接收节点)；
2、FROM，数据位格式错误(接收节点)；
3、STUFF，填充位错误(接收节点)；
4、ACK，未接收到正确数据的“显性”标记位(发送节点)；
5、BIT，位错误(发送节点，发出的电平与从总线上回读的电平不一致)；
不属于位错误的特殊情况：
1）仲裁区-节点仲裁失败；
2）ACK槽-表示该节点发送帧至少被一个数据节点接收；
3）总线的“线与机制”；

错误计数器：
发送主动错误flag、被动错误flag、过载flag后，超过最大容忍显性位之后，收发计数器各+8；

• 接收错误计数器
  接收节点发现一个错误，计数器+1；
  接收节点发现错误帧之后的第一位为显性位，计数器+8；
  接收节点接收主动错误flag/过载flag时发现一个位错误，计数器+8；
  成功接收一个报文，计数器-1；
  值重置，接收错误计数器值>127,重置位119-127；

• 发送错误计数器
  发送一个错误帧，计数器+8；
  发送节点发送主动错误flag/过载flag过时发现一个位错误，计数器+8；
  成功发送一个报文，计数器-1；

注意事项：节点为Bus off状态，总线连续出现128个连续11位隐性位，收发错误计数器值置0；

节点错误状态：
1、主动错误状态：可收可发-主动错误标记；
2、被动错误状态：只收不发-被动错误标记；
3、关闭状态：不参与任何活动；

注：若总线上只有一个节点，该节点是无法得到应答的，此节点将会进入被动错误状态，而不是关闭状态。

疑问：
1、各种类型的错误帧发送时间，发送顺序是如何规定的？
位错误、填充错误、格式错误、ACK错误产生后，当前发送的下一位发送错误帧；
CRC错误随ACK界定符后的位发送错误帧；
错误帧发出后，重发有错的数据帧；
2、错误帧为什么还分为局部错误和公共错误？
3、什么叫做“线与机制”？
4、超载帧的作用是什么？

4.3.5 CAN传输协议ISO-TP

ISO-TP主要管理端到端控制和差错校验以确保完整的数据传输。
在总线系统中，ISO-TP将4中传输协议数据报文复制到CAN数据帧中；将较大的4095B数据块进行分组与重组；定义收发端的流量控制；将KWP2000收发端地址复制到CAN报文ID中；用于应用和传输层之间的通信传输。

ISO-TP 中包含五种传输层协议，从传输层协议类 0 到传输层协议类 4（TP0、TP1、TP2、 TP3 和 TP4），协议复杂性依次递增。TP0-3 只适用于面向连接通信，在该通信方式下，任何数据发送之前，必须先建立会话连接；而 TP4 既可以用于面向连接通信也可以用于无连接通信。（来源于百度知道）

4.3.5.1 数据分配关系

PCI协议控制信息：

4.3.5.2 TP1.6（略）

4.3.5.3 TP2.0

面向连接；标识符是动态配置的；复制10个不同的传输协议报文；CAN报文分组；超时重传。

4.3.5.4 SAE J1939/21（略）

5. 诊断协议（应用层）

目前国内汽车诊断主要以基于CAN线和基于K线为主。基于CAN线的诊断协议有UDS，基于K线的诊断协议有KWP2000。

5.1 KWP 2000

又称为关键字协议，其在系统进入时会做关键字校验。

汽车诊断协议，（K线/CAN总线、kwp2000、ISO14230、ISO1575…）_巴山夜雨-CSDN博客

5.2 通信模型

6. 测量/标定/诊断

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7.参考资料

1.汽车CAN总线详解
2.汽车主要总线梳理
3.汽车研发测试大全
4.汽车基础知识大全
5.帧错误
6.CAN帧传输协议
7.CAN常用协定协议
8.CAN总线技术基础讲解