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1.汽车控制器局域网 (CAN) 概述

汽车 CAN 概述。 我们将介绍 应用程序、信令 和协议等内容。 这是一个典型的汽车 车身网络示例。 CAN 总线可让 汽车中的组件 进行无缝通信。 LIN 总线 可进一步扩展到 外围器件。 这种总线结构的设计原则 是节省成本、缩短接线。 电线是汽车中 最昂贵的组件之一。 它很重并且 经常手工制作, 因此成本很高。 人们已经使用了 各种办法来减少接线。 在汽车中,CAN 是主要的总线, 它允许不同的 模块相互通信, 这些模块 包括电动座椅、 车门模块和 车内氛围控制单元; 它还是一个 差分双线制接口, 运行速率高达 1Mb/s。 未来的 CAN FD 方案 将会实现比这更快的 速度。 汽车 CAN 接口由 ISO11898 标准决定。 该标准有六个部分。 第 1 部分是数据 链路层和物理信令; 第 2 部分是 高速媒体访问; 第 3 部分是低速 容错的媒体相关 接口; 第 4 部分是 时间触发通信; 第 5 部分是具有 低功耗模式的 高速媒体访问单元, 这包括第 2 部分中的 所有要求, 还增加了低功耗 模式要求; 第 6 部分是具有 选择性唤醒的 高速媒体访问单元, 有时被称为局部网络。 ISO11898 标准和 汽车制造商的命名惯例 都使用低速、中速 和高速等术语, 很容易导致混淆。 ISO11898 CAN 标准和 收发器实现分为两类: 第一类是高速 CAN,由该标准 第 2 部分、第 5 部分和 第 6 部分管理, 运行速率从 0b/s 直到 1Mb/s。 用于工业应用的 TI Turbo CAN 收发器 可以比 1Mb/s 的 ISO 规格更快。 第二类是由第 3 部分 规定的低速容错 CAN, 运行速率从大概 15Kb/s 直到 125Kb/s。 应该注意的是,在高速和 低速容错 CAN 之间,存在 从大概 10Kb/s 到 125Kb/s 的 运行速率重叠。 一些汽车制造商仅使用 由第 2 部分、第 5 部分和 第 6 部分管理的高速 CAN 物理层,但使用以下名称 描述其网络的 运行数据速率: 低速,是指 125Kb/s; 中速,是指 250Kb/s; 高速,是指 500Kb/s。 还有很多其他 基于 CAN 的标准 和协议。 更高层的协议 管理航空、农业、 嵌入式、工业自动化、 军事、船舶和 安全关键型应用。 在这些更高层协议中, 每一个都有用于 管理 EMC 和 ESD 的 附加测试标准。 CAN 物理层 有两条线, 即 CANH 和 CANL。 CANH 和 CANL 之间的 电压差称为 VD。 逻辑 1 用隐性状态表示, 定义为 VD 小于或 等于 0.5 伏。 逻辑 0 定义为显性状态, VD 大于或等于 0.9 伏。 符合 CAN 标准的驱动器 必须在典型的 60 欧姆负载下 产生至少 1.5 伏的电压。 CAN 可以使用具有 120 欧姆 特性阻抗的双绞线布线。 网络布线应该使用 尽可能限制 短线数量的拓扑。 应该使用与网络阻抗 匹配的电阻器, 在两端正确端接总线。 这有助于减少反射等 信号完整性问题。 如果从总线中 移除节点, 则必须小心对待 放置终端 电阻器的位置。 对于终端,可以 在每个总线端 使用一个 120 欧姆电阻器, 也可以使用分裂终端。 利用分裂终端 可以改善信号完整性 并减少电磁发射。 分裂终端可以 消除总线共模 电压电平的波动。 由于 CAN 网络可能 短路至电压源, 终端电阻器的额定功率 应考虑网络中 CAN 收发器的 短路电流保护。 CAN 数据帧 从帧起始开始, 这是一个显性位,用于开始帧 并发起仲裁。 接下来是信息标识符, 它是用于说明 仲裁优先级的 11 或 29 位标识符。 控制字段指定 要传输的数据长度。 接下来是 数据字段和 CRC。 ACK 字段用于确认 接收节点的 CRC 状态。 帧结束标记了 数据帧和 远程帧的结束。 CAN 物理层允许 基于优先级的仲裁, 也就是基于每个模块的 11 位标识符。 所有的“0”都是 最高优先级标识符, 所有的“1”都是 最低优先级标识符。 在标识符帧的每个位, 每个节点将监控总线, 并对比总线状态和 它正在驱动的状态。 如果收发器发送 逻辑 1 并收到逻辑 0, 它将停止发送。 在下一个帧间隔出现后, 该节点将尝试 再次访问总线。 CAN 中的环路时间。 CAN 总线的最大长度 和运行速率 取决于几个因素: CAN 控制器 IO,其中的 TXD 和 RXD 可以忽略不计; CAN 收发器驱动器 和接收器延迟, 通常称为 T 环路; 还有电缆长度, 40 米最大电缆长度 在 1Mb/s 的速率下 会产生每米 5 纳秒的典型延迟; 最后是由隔离器等 其他重要组件 引入的其他延迟。 仲裁是 CAN 网络的关键。 了解环路和往返延迟 至关重要。 每个节点必须 知道总的往返延迟, 以确保在采样总线数据之前 等待足够长的时间, 否则较快节点可能在 较慢节点传输位状态 之前采样总线数据。 系统中的每个组件 都对总往返延迟 有影响。 例如,往返延迟是 从节点 A 到节点 B 的 T 传播、 隔离器延迟、 收发器延迟和 控制器 IO 延迟的两倍。 每个节点都需要 知道自己的 TXD 到 RXD 环路延迟 及往返延迟, 才能使用适当的 采样点进行编程, 以适应网络中 最坏情况下的延迟。 较快的环路时间 允许隔离器件和/或 更长电缆具有更大的 传播延迟预算, 而不会影响数据速率。 有关时序和同步的特定参数 可以在 CAN 控制器中设置, 以匹配传播延迟。 在一个 CAN 帧中, 在相同极性的 五个连续位后插入 一个相反极性的位。 这种做法 叫做位填充, 其原因是该标准 采用了“非归零”编码。 填充的数据帧 由接收器解除填充。 由于使用了位填充, 六个同样类型的 连续位被视为错误。 CAN 协议的 另一个重要方面 是确认。 ACK 位出现在数据 和 CRC 字段后, 允许接收器 向发送器发回指示, 指明已经接收到帧。 在这个位中, 多个 CAN 收发器 可能同时处于 驱动显性状态。 这是 8 引脚 CAN 标准引脚排列。 所有 8 引脚 CAN 收发器 都有 TXD、RXD、CANH 和 CANL。 此外,一些收发器 可实现待机模式或 静音模式。 在待机模式,当接收器 处于低功耗唤醒模式时, 驱动器被禁用。 对于静音模式, 接收器被启用 并在驱动器禁用时 镜像总线。 VIO 即分离引脚, 也可以在一些收发器上使用。 VIO 引脚为收发器 IO 引脚、TXD 和 RXD 提供单独的电源电压。 SPLIT 引脚提供 一个 VCC/2 的输出, 用于稳定使用 分裂终端的应用的 总线共模电压。 这里是一个汽车 CAN 节点配置示例。 每个节点都有一个带 CAN 控制器 和收发器的处理器。 有些系统可能具有 可选的外部组件: 比如,超出 CAN 收发器 规格、用于在 CAN 总线 提供 ESD 或瞬态 保护的二极管; SPLIT 节点终端; 具有共模总线 稳定输出的 SPLIT 节点终端; 一些没有内部 上拉电阻器、 需要外部上拉电阻实现 快速数据速率的 MCU。 具有灵活数据 速率的 CAN 通常称为 CAN FD。 它是对 CAN 协议的改进, 能将可用带宽 提高到 2Mb/s 或更高。 CAN 和 CAN FD 协议 有两个关键区别,是 数据速率和 数据字段长度。 CAN FD 帧可以 为仲裁和数据部分 分别设置数据速率。 仲裁部分遵守 CAN, 而数据可以用 更高的数据速率 传输。 CAN FD 帧允许 最高 64 字节的数据字段, 比标准 CAN 多八倍。 带宽增加是 CAN FD 的 主要优势之一。 CAN 数据速率的 8 字节限制 制约了一些应用, 需要多条信息 才能发送到必要的数据。 使用 CAN FD,您可以 用标准 CAN 的一半时间 发送同样的数据, 或在相同的时间内 发送两倍的数据。 它的成本和复杂性 也相对较低, 只需小幅增加成本 即可增加带宽, 相比实施大的网络更改, 比如采用 FlexRay 或 以太网,复杂性更低。 快速闪存编程: CAN FD 也允许 对 ECU 中的模块 进行快速的线端闪存编程, 从而降低制造成本。 哪些系统组件 受 CAN FD 的影响? 微控制器中的 CAN 控制器就是其中之一。 硬件更改仅限 微控制器中的 CAN 控制器,并假设从未使用过 高于 1Mb/s 的数据速率。 微控制器中的 CAN 控制器或 协议引擎必须 更新为新的 CAN FD 标准。 CAN FD 将向后 兼容传统 CAN。 但是,原有 CAN 控制器 不会向前兼容 CAN FD。 物理层:也就是 PHY 或收发器。 符合 1Mb/s 的 CAN 要求的 原有 CAN 收发器、 电缆、连接器和 保护电路全部可以 用于 CAN FD, 速度高达 1Mb/s。 和 CAN 一样, CAN FD 将根据 布线长度和节点数 或负载来缩减 数据速率。 高于 1Mb/s 时, CAN FD 数据速率 可能需要更改。 软件:MCU 上 新型 CAN 控制器的 底层驱动器必须更新为 新寄存器映射和更长的 有效负载选项。 应用软件必须做出 调整以处理更长的数据 有效负载。 14 引脚 CAN 收发器 与 8 引脚收发器 具有相同的基本功能, 但增加了几个不同的功能, 比如能在低功耗 模式下耗尽电池电量, 高级故障检测功能, 以及根据 通过唤醒引脚或 CAN 总线发出的唤醒命令, 向系统其余部分发出 信号来实现启动的能力。 谢谢观看。

汽车 CAN 概述。

我们将介绍 应用程序、信令

和协议等内容。

这是一个典型的汽车 车身网络示例。

CAN 总线可让 汽车中的组件

进行无缝通信。

LIN 总线 可进一步扩展到

外围器件。

这种总线结构的设计原则 是节省成本、缩短接线。

电线是汽车中 最昂贵的组件之一。

它很重并且 经常手工制作,

因此成本很高。

人们已经使用了 各种办法来减少接线。

在汽车中,CAN 是主要的总线,

它允许不同的 模块相互通信,

这些模块 包括电动座椅、

车门模块和 车内氛围控制单元;

它还是一个 差分双线制接口,

运行速率高达 1Mb/s。

未来的 CAN FD 方案 将会实现比这更快的

速度。

汽车 CAN 接口由

ISO11898 标准决定。

该标准有六个部分。

第 1 部分是数据 链路层和物理信令;

第 2 部分是 高速媒体访问;

第 3 部分是低速 容错的媒体相关

接口;

第 4 部分是 时间触发通信;

第 5 部分是具有 低功耗模式的

高速媒体访问单元,

这包括第 2 部分中的 所有要求,

还增加了低功耗 模式要求;

第 6 部分是具有 选择性唤醒的

高速媒体访问单元,

有时被称为局部网络。

ISO11898 标准和 汽车制造商的命名惯例

都使用低速、中速 和高速等术语,

很容易导致混淆。

ISO11898 CAN 标准和

收发器实现分为两类:

第一类是高速 CAN,由该标准 第 2 部分、第 5 部分和

第 6 部分管理, 运行速率从 0b/s 直到

1Mb/s。

用于工业应用的 TI Turbo CAN 收发器

可以比 1Mb/s 的 ISO 规格更快。

第二类是由第 3 部分 规定的低速容错 CAN,

运行速率从大概 15Kb/s 直到

125Kb/s。

应该注意的是,在高速和

低速容错 CAN 之间,存在

从大概 10Kb/s 到 125Kb/s 的

运行速率重叠。

一些汽车制造商仅使用 由第 2 部分、第 5 部分和

第 6 部分管理的高速 CAN 物理层,但使用以下名称

描述其网络的 运行数据速率:

低速,是指 125Kb/s;

中速,是指 250Kb/s;

高速,是指 500Kb/s。

还有很多其他 基于 CAN 的标准

和协议。

更高层的协议 管理航空、农业、

嵌入式、工业自动化、 军事、船舶和

安全关键型应用。

在这些更高层协议中,

每一个都有用于 管理 EMC 和 ESD 的

附加测试标准。

CAN 物理层 有两条线,

即 CANH 和 CANL。

CANH 和 CANL 之间的

电压差称为 VD。

逻辑 1 用隐性状态表示,

定义为 VD 小于或 等于 0.5 伏。

逻辑 0 定义为显性状态,

VD 大于或等于 0.9 伏。

符合 CAN 标准的驱动器 必须在典型的 60 欧姆负载下

产生至少 1.5 伏的电压。

CAN 可以使用具有 120 欧姆

特性阻抗的双绞线布线。

网络布线应该使用

尽可能限制 短线数量的拓扑。

应该使用与网络阻抗 匹配的电阻器,

在两端正确端接总线。

这有助于减少反射等

信号完整性问题。

如果从总线中 移除节点,

则必须小心对待 放置终端

电阻器的位置。

对于终端,可以 在每个总线端

使用一个 120 欧姆电阻器,

也可以使用分裂终端。

利用分裂终端 可以改善信号完整性

并减少电磁发射。

分裂终端可以 消除总线共模

电压电平的波动。

由于 CAN 网络可能 短路至电压源,

终端电阻器的额定功率

应考虑网络中 CAN 收发器的

短路电流保护。

CAN 数据帧 从帧起始开始,

这是一个显性位,用于开始帧

并发起仲裁。

接下来是信息标识符,

它是用于说明 仲裁优先级的

11 或 29 位标识符。

控制字段指定

要传输的数据长度。

接下来是 数据字段和 CRC。

ACK 字段用于确认

接收节点的 CRC 状态。

帧结束标记了 数据帧和

远程帧的结束。

CAN 物理层允许 基于优先级的仲裁,

也就是基于每个模块的 11 位标识符。

所有的“0”都是 最高优先级标识符,

所有的“1”都是 最低优先级标识符。

在标识符帧的每个位,

每个节点将监控总线, 并对比总线状态和

它正在驱动的状态。

如果收发器发送 逻辑 1 并收到逻辑 0,

它将停止发送。

在下一个帧间隔出现后,

该节点将尝试 再次访问总线。

CAN 中的环路时间。

CAN 总线的最大长度 和运行速率

取决于几个因素:

CAN 控制器 IO,其中的 TXD 和 RXD 可以忽略不计;

CAN 收发器驱动器 和接收器延迟,

通常称为 T 环路; 还有电缆长度,

40 米最大电缆长度 在 1Mb/s 的速率下

会产生每米 5 纳秒的典型延迟;

最后是由隔离器等

其他重要组件 引入的其他延迟。

仲裁是 CAN 网络的关键。

了解环路和往返延迟 至关重要。

每个节点必须 知道总的往返延迟,

以确保在采样总线数据之前 等待足够长的时间,

否则较快节点可能在 较慢节点传输位状态

之前采样总线数据。

系统中的每个组件 都对总往返延迟

有影响。

例如,往返延迟是

从节点 A 到节点 B 的 T 传播、

隔离器延迟、 收发器延迟和

控制器 IO 延迟的两倍。

每个节点都需要 知道自己的

TXD 到 RXD 环路延迟 及往返延迟,

才能使用适当的 采样点进行编程,

以适应网络中 最坏情况下的延迟。

较快的环路时间 允许隔离器件和/或

更长电缆具有更大的 传播延迟预算,

而不会影响数据速率。

有关时序和同步的特定参数

可以在 CAN 控制器中设置,

以匹配传播延迟。

在一个 CAN 帧中, 在相同极性的

五个连续位后插入

一个相反极性的位。

这种做法 叫做位填充,

其原因是该标准

采用了“非归零”编码。

填充的数据帧 由接收器解除填充。

由于使用了位填充, 六个同样类型的

连续位被视为错误。

CAN 协议的 另一个重要方面

是确认。

ACK 位出现在数据 和 CRC 字段后,

允许接收器 向发送器发回指示,

指明已经接收到帧。

在这个位中, 多个 CAN 收发器

可能同时处于 驱动显性状态。

这是 8 引脚 CAN 标准引脚排列。

所有 8 引脚 CAN 收发器 都有 TXD、RXD、CANH 和

CANL。

此外,一些收发器 可实现待机模式或

静音模式。

在待机模式,当接收器 处于低功耗唤醒模式时,

驱动器被禁用。

对于静音模式, 接收器被启用

并在驱动器禁用时 镜像总线。

VIO 即分离引脚, 也可以在一些收发器上使用。

VIO 引脚为收发器 IO 引脚、TXD 和 RXD

提供单独的电源电压。

SPLIT 引脚提供 一个 VCC/2 的输出,

用于稳定使用 分裂终端的应用的

总线共模电压。

这里是一个汽车 CAN 节点配置示例。

每个节点都有一个带 CAN 控制器 和收发器的处理器。

有些系统可能具有

可选的外部组件:

比如,超出 CAN 收发器 规格、用于在 CAN 总线

提供 ESD 或瞬态 保护的二极管;

SPLIT 节点终端; 具有共模总线

稳定输出的 SPLIT 节点终端;

一些没有内部 上拉电阻器、

需要外部上拉电阻实现 快速数据速率的 MCU。

具有灵活数据 速率的 CAN

通常称为 CAN FD。

它是对 CAN 协议的改进,

能将可用带宽 提高到 2Mb/s

或更高。

CAN 和 CAN FD 协议 有两个关键区别,是

数据速率和 数据字段长度。

CAN FD 帧可以 为仲裁和数据部分

分别设置数据速率。

仲裁部分遵守 CAN,

而数据可以用 更高的数据速率

传输。

CAN FD 帧允许 最高 64 字节的数据字段,

比标准 CAN 多八倍。

带宽增加是 CAN FD 的 主要优势之一。

CAN 数据速率的 8 字节限制

制约了一些应用,

需要多条信息 才能发送到必要的数据。

使用 CAN FD,您可以 用标准 CAN 的一半时间

发送同样的数据, 或在相同的时间内

发送两倍的数据。

它的成本和复杂性 也相对较低,

只需小幅增加成本 即可增加带宽,

相比实施大的网络更改,

比如采用 FlexRay 或 以太网,复杂性更低。

快速闪存编程: CAN FD 也允许

对 ECU 中的模块 进行快速的线端闪存编程,

从而降低制造成本。

哪些系统组件 受 CAN FD 的影响?

微控制器中的 CAN 控制器就是其中之一。

硬件更改仅限 微控制器中的

CAN 控制器,并假设从未使用过

高于 1Mb/s 的数据速率。

微控制器中的 CAN 控制器或

协议引擎必须 更新为新的 CAN FD

标准。

CAN FD 将向后 兼容传统 CAN。

但是,原有 CAN 控制器

不会向前兼容 CAN FD。

物理层:也就是 PHY 或收发器。

符合 1Mb/s 的 CAN 要求的

原有 CAN 收发器、 电缆、连接器和

保护电路全部可以

用于 CAN FD, 速度高达 1Mb/s。

和 CAN 一样, CAN FD 将根据

布线长度和节点数 或负载来缩减

数据速率。

高于 1Mb/s 时, CAN FD 数据速率

可能需要更改。

软件:MCU 上 新型 CAN 控制器的

底层驱动器必须更新为 新寄存器映射和更长的

有效负载选项。

应用软件必须做出 调整以处理更长的数据

有效负载。

14 引脚 CAN 收发器 与 8 引脚收发器

具有相同的基本功能, 但增加了几个不同的功能,

比如能在低功耗 模式下耗尽电池电量,

高级故障检测功能, 以及根据

通过唤醒引脚或 CAN 总线发出的唤醒命令,

向系统其余部分发出 信号来实现启动的能力。

谢谢观看。

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视频简介

1.汽车控制器局域网 (CAN) 概述

所属课程:汽车接口概述 (CAN/LIN) 发布时间:2022.12.12 视频集数:2 本节视频时长:00:14:10

该培训视频概述了汽车应用中的控制器局域网 (CAN) 标准。我们将深入探讨 CAN 应用、信号和协议。

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