电动汽车CAN总线（电动汽车动力总成解读）
电动汽车CAN总线（电动汽车动力总成解读）4.1 CAN报文/信号/物理量4. CAN总线报文是如何传输的？(传输方式)1. 什么是CAN总线技术？2. 为什么需要CAN总线？3. 为什么是Can总线被广泛应用？
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之前在文章《电动汽车动力总成解读︱模拟世界与数字世界》中提到的，我们所处的世界，是一个由用无限多种颜色、无数种音调，无数种气味绘制而成的世界，所有的这些元素都可以理解成一个模拟信号，他们是构建这个世界的元素。而CAN总线技术(Controller Area Network)，类似于我们的神经系统，遍布于我们身体的各个部分，通过某种规则，与身体的各个节点之间交互，接收和发送信息，从而感受世界、改造世界。今天我们就来聊聊上80年代由BOSCH公司开发的CAN总线技术。
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文章结构如下:
1. 什么是CAN总线技术？
2. 为什么需要CAN总线？
3. 为什么是Can总线被广泛应用？
4. CAN总线报文是如何传输的？(传输方式)
4.1 CAN报文/信号/物理量
4.2 模拟信号与数字信号
4.3 CAN总线物理结构
4.4 传输方式
5. CAN协议帧结构
6. OSI网络结构与AUTOSAR架构
6.1 OSI网络结构
6.2 AUTOSAR架构
7. CAN报文的发送、确认和接收
7.1 报文的发送、确认
7.2 报文的接收
1. 什么是CAN总线技术？
CAN，即Controller Area Network，二十世纪八十年代由BOSCH公司为解决现代汽车中众多ECU之间的数据交换而开发的一种单工穿行通信协议。
可以将CAN总线理解成我们的神经系统，它遍布于我们身体的各个部分，通过某种规则，与身体的各个节点之间交互，发送或接收消息。
也可以将其理解成电话会议，一旦某一节点有发送请求，该信息将输入网络，其他节点共同接收，接收节点判断是否使用该信息。
备注： 单工 ， 指 同一时间，只能有一个ECU单元向总线发送数据，而其他ECU只能做为接收节点。
2. 为什么需要CAN总线？
正如之前在文章《电动汽车动力总成解读︱模拟世界与数字世界》中提到的，我们所处的世界，是一个由用无限多种颜色、无数种音调，无数种气味绘制而成的世界，所有的这些元素都可以理解成一个模拟信号，他们是构建这个世界的元素。
而人类，作为高级动物，正式通过相互交流、合作，对这个世界进行了改造。将这一概念放到汽车上：人类通过文字、声音、图像来交流，为了提升交流效率，诞生了“网络”技术；汽车不同部件之间则通过线束来实现，同样，为了提升信息交换的效率、简化系统，诞生了“总线”技术。
3. 为什么是CAN总线被广泛应用？
早期的网络结构有很多，为什么CAN总线技术得以推广应用，主要以下几点原因：
- 低成本
- 中央集成控制
- 鲁棒性高
- 高效（仲裁机制）
- 灵活性高
4. CAN总线报文是如何传输的？(传输方式)
4.1 CAN报文/信号/物理量
介绍之前先对CAN报文/信号/物理量的概念做下区分，三句话概括：
- 任何报文都可以在总线的节点之间传递
- 任何报文的数据字节都可以分解成信号
- 信号可以用物理量形式表示
4.2 模拟信号与数字信号
之前我们介绍过模拟信号与数字信号，详见文字《电动汽车动力总成解读︱模拟世界与数字世界》。
我们所处的世界，是一个由用无限多种颜色、无数种音调，无数种气味绘制而成的世界，所有的这些元素都可以理解成一个模拟信号，他们是构建这个世界的元素。ECU之间通过CAN总线的通讯过程，与人类通过音频、视频的过程是一样的，即数字量与模拟量之间的转换。
4.3 CAN总线物理结构
如下图所示为CAN总线物理结构，基本形式为： CAN_H CAN_L 各个节点（Nodes）。
其中，
CAN_H/CAN_L：以双绞形式缠绕；
节点：CAN收发器（Transceiver） CAN控制器（Controller），控制器的 Tx 发送端脚、Rx 接收端脚，而收发器直接连接在双绞线上。
CAN总线上的信号，即为电压形式表现的差分信号，由 CAN_H和CAN_L两根信号线组成，分为显性电平(dominant)和隐性电平(recessive)两种类型。其中显性电平规定为逻辑0，隐性电平则为逻辑1，如下图所示。
4.4 传输方式
当CPU需要发送数据时候，CAN Controller给Transceiver传送需求的数据，CAN Transceiver将其发送给CAN 总线，通过CAN_H和CAN_L两根线实现整车各ECU节点之间的串联，接收数据类似过程。
综上，整车ECU各节点之间CAN总线的通讯方式，简单理解如下：
- 发送 ：Transceiver 将上层传递的数据进解析成电压信号 （根据ISO 11898/ISO11519定义），并传递至BUS。
- 接收 : Transceiver 将BUS信号转变为二进制信号给CAN Controller；CPU将CAN Controller传送的数据进行解析、提取，经过相应运算，控制传感器和执行器。
了解了CAN总线上报文的传递方式和逻辑电平序列的应用，那么这些逻辑电平序列要如何使用呢？
5. CAN协议帧结构
为了说明上述逻辑电平序列的使用方式，需要了解CAN协议帧的结构。
CAN协议标准里对这些逻辑点评序列做了定义，使这些数据字段有了灵魂，标准中对CAN协议帧的定义有以下4种类型：
- 数据帧：用于发送单元向接收单元传输数据的帧
- 遥控帧：用于接收单元向具有相同ID的发送单元请求数据的帧
- 错误帧：用具当检测出错误时，向其他单元通知错误的帧
- 过载帧：用于接收单元通知其尚未做好接收准备的帧
简单来讲，正式通过上述对报文信号协议帧的规范，使我们ECU之间的通讯定位准确、逻辑清楚、信息完善、响应及时、鲁棒性高，限于篇幅，具体帧结构的展开形式和应用方法本文不做详细介绍，感兴趣的可以自行搜索，如有时间我也会再做总结。
通讯逻辑和方法已大致了解，那么具体要怎么实现CAN通讯功能呢？
6. OSI网络结构与AUTOSAR架构
为了满足软件的可以执行、可扩展性和安全性能等，我们引入基于OSI网络结构的AUTOSAR架构，如下图所示。
6.1 OSI网络结构
OSI网络结构定义如下，其核心目的时为了将协议、服务和接口明确区分，解决异种节点互联时的兼容性问题。
对于车规级CAN网络通讯，只对 物理层、数据链路层、应用层 做了逻辑上定义，其他暂无需关注。
- 物理层： 利用传输介质对数据链路层提供物理连接，负责数据流的物理传输，传输单位是0和1。
- 数据链路层： 在通信实体间建立数据链路联接，传输的基本单位为“帧”，可分为两部分MAC(介质访问控制子层) LLC(逻辑链路控制子层)。
- 其中，MAC——规定如何在物理线路上传输帧，LLC——对在同一条网络链路上的设备之间的通信进行管理。
- 应用层：实现对物理层数据层数据的解析，即VCU通过哪些ID通信，报文长度，数据所代表的信号，信号含义等。
6.2 AUTOSAR架构
下图为基于OSI网络结构的AUTOSAR架构中的通讯站。可以看出，HW访问只有通过Driver实现，CAN If模块与其对接，同时，CAN If统一管理与service层的通讯，通过PDUR路由到更多上层模块，减少了接口。
7. CAN报文的发送、确认和接收
7.1 报文的发送、确认
简单来讲，报文发送的过程，即用户向服务提供者发出请求（request），然后提供者向用户确认请求结果（confirm）的过程，如下图所示：
详细说明下这一过程：
- Step1. BSW通过Com_SendSignal周期性调度Com模块中的Com_MainFunctionTx函数，Com模块从缓存中读取需要发送的数据；
- Step2. Com模块的Com_MainFunction_Tx函数将调用PduR模块的PduR_ComTransmit函数，将数据传递给PduR
- Step3. PduR模块路由到下层模块，调用CanIf模块的CanIf_Transmit函数，数据被传递至下层CanIf
- Step4. CanIf模块调用Can Driver模块Can_Write函数
- Step5. Can_Write函数将访问仲裁、数据长度和数据寄存器，通过Can Driver访问Can HW，将数据写入相应寄存器（通过数数据协议单元PDU）
- Step6. 以POLLING作为CAN 发送的处理方式（三种，详见标准），BSW Scheduler周期性调度Can Driver模块的Can_MainFunction_Write函数
- Step7. Can Driver 通过Can_MainFunction_Write函数访问Can HW中相关寄存器，读取数据供上层确认
- Step8. 读取后，调用CanIf的CanIf_TxComfirmation函数，将数据上传至CanIf
- Step9. CanIf调用PduR模块的PduR_TxConfirmation函数，将数据传到PduR模块
- Step 10. PduR模块路由到Com模块，调用Com_TxConfirmation函数，确认发送状态。
其中1~5为发送阶段，6~10为确认阶段，其中具体的函数调用规则和定义可参见《AUTOSAR- Specification of CAN Interface》。
7.2 报文的接收
报文接收的过程，即服务提供者通知所服务用户的过程（indication），过程与上述确认过程类似，这里不做赘述。
以上就是关于CAN总线技术的基本内容，实际应用中会涉及很多细节，标准中对应章节有规范，对某一方面感兴趣或者有疑问的读者可以后台留言，欢迎交流。
