關(guān)于汽車“CAN總線技術(shù)”教材改進(jìn)的思考

韓靜

摘 要：“CAN總線技術(shù)”是高職院校汽車類專業(yè)的一門核心課程，涉及汽車、電子、通信等綜合知識(shí)。經(jīng)調(diào)研，目前市面上的汽車“CAN總線技術(shù)”教材存在原理深?yuàn)W、難懂、難教、難學(xué)的問題。為此，文章對(duì)“CAN總線技術(shù)”原理進(jìn)行深入研究，對(duì)其重難點(diǎn)進(jìn)行剖析，并提出教材改進(jìn)建議，以使讀者輕松掌握其原理和故障診斷技巧，提高教材的使用效果。

關(guān)鍵詞：CAN總線；原理分析；故障診斷；教材改進(jìn)

“CAN總線技術(shù)”（CAN，Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）是高職院校汽車智能技術(shù)、汽車電子技術(shù)、汽車檢測(cè)與維修技術(shù)等專業(yè)的核心課程，該課程涉及了汽車構(gòu)造、電子信息、通信原理等綜合知識(shí)。經(jīng)過調(diào)研，目前汽車“CAN總線技術(shù)”教材在其原理分析時(shí)大量采用了電子、通信領(lǐng)域中的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，從而導(dǎo)致汽車專業(yè)師生感覺“CAN總線技術(shù)”原理難懂、難教、難學(xué)，甚至望而卻步?；诂F(xiàn)實(shí)，對(duì)“CAN總線技術(shù)”原理進(jìn)行了深入研究，對(duì)其中的重難點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，并提出教材改進(jìn)建議，以便提高教材的使用效果。

1 “CAN總線技術(shù)”原理重難點(diǎn)分析

1.1 CAN總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸流程

CAN總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，一般將實(shí)現(xiàn)特定功能的模塊作為CAN總線的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)1向節(jié)點(diǎn)n傳輸數(shù)據(jù)的流程如下。

節(jié)點(diǎn)1的微控制器1對(duì)傳感器1進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后將傳感器1對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)附加一個(gè)數(shù)據(jù)ID號(hào)（類似于包裹單號(hào)）發(fā)送給CAN控制器1，CAN控制器1對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，然后將數(shù)據(jù)包發(fā)送給CAN收發(fā)器1，CAN收發(fā)器1再將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的CAN總線電壓信號(hào)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)n從CAN總線上接收到電壓信號(hào)后，首先由CAN收發(fā)器n將總線電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，然后將其數(shù)字信號(hào)發(fā)送給CAN控制器n，CAN控制器n首先對(duì)其收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)收濾波，判斷收到的信號(hào)是否是自身節(jié)點(diǎn)需要的數(shù)據(jù)，若是，則接受此數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行解包，為節(jié)點(diǎn)n的微控制器n提供有效數(shù)據(jù)（節(jié)點(diǎn)1的傳感器信號(hào)），微控制器n可根據(jù)節(jié)點(diǎn)1的傳感器信號(hào)控制執(zhí)行器n動(dòng)作；否則，節(jié)點(diǎn)n放棄此次收到的CAN數(shù)據(jù)。

很明顯地，上述流程與生活中的寄信、收信流程相似，因此，教材中可以給出“類比法”的提示，以便讀者快速理解其原理。

1.2 CAN總線的仲裁機(jī)制分析

如果CAN總線上的多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，多個(gè)數(shù)據(jù)就會(huì)在總線上出現(xiàn)“撞車”的現(xiàn)象，這就像生活中很多人在一起討論問題，如果幾個(gè)人同時(shí)講話，就會(huì)亂套，此時(shí)需要進(jìn)行仲裁，決定哪個(gè)人先講，哪個(gè)人后講。CAN總線的仲裁是基于數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，從以下兩個(gè)方面進(jìn)行說明[1]。

（1）CAN總線的多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，總線上的結(jié)果是多個(gè)數(shù)據(jù)的“邏輯與”值。例如，節(jié)點(diǎn)A向總線上發(fā)送數(shù)字信號(hào)0，而節(jié)點(diǎn)B向總線上發(fā)送數(shù)字信號(hào)1，則總線上的結(jié)果是0和1的“邏輯與”值0。可見，同時(shí)向總線上發(fā)送0和1時(shí)，0被顯示出來，稱為“顯性位”，而1被隱蔽掉，稱為“隱性位”；另外，也說明0的優(yōu)先級(jí)比1的優(yōu)先級(jí)高，正因如此，CAN總線利用“數(shù)據(jù)ID”來標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)：數(shù)據(jù)ID號(hào)越小，數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)越高；反之，數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)越低。

（2）CAN收發(fā)器具有“邊說邊聽”功能，即節(jié)點(diǎn)向CAN總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，同時(shí)也能監(jiān)聽到總線上的數(shù)據(jù)。

CAN總線采用的就是“邊說邊聽”的非破壞性仲裁機(jī)制：每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先發(fā)送數(shù)據(jù)ID號(hào)，在發(fā)送數(shù)據(jù)ID號(hào)的過程中，逐位“邊說邊聽”，當(dāng)節(jié)點(diǎn)向總線上發(fā)送的數(shù)據(jù)和從總線上監(jiān)聽到的數(shù)據(jù)一致時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以繼續(xù)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，否則，節(jié)點(diǎn)停止向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，而自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)椤奥牨姟薄＠缒硞€(gè)節(jié)點(diǎn)向總線上發(fā)送的是數(shù)字信號(hào)1，而從總線上監(jiān)聽到的是數(shù)字信號(hào)0，說明總線上有其他節(jié)點(diǎn)在發(fā)送更高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)，該節(jié)點(diǎn)即停止發(fā)送；待高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)自動(dòng)重發(fā)。

現(xiàn)以圖2所示的汽車動(dòng)力CAN總線上3個(gè)電控單元節(jié)點(diǎn)同時(shí)向CAN總線上發(fā)送數(shù)據(jù)為例，進(jìn)一步說明CAN總線的仲裁機(jī)制，3個(gè)節(jié)點(diǎn)首先向總線發(fā)送各自的數(shù)據(jù)ID號(hào)，以便進(jìn)行優(yōu)先級(jí)競(jìng)爭(zhēng)。

開始時(shí)刻，3個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)字信號(hào)0，總線上是這3個(gè)數(shù)字信號(hào)0的“邏輯與”值0，因此，3個(gè)節(jié)點(diǎn)向總線上說的話和從總線上聽到的話一致，它們都可以繼續(xù)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。

下一時(shí)刻，ABS、發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都向總線發(fā)送數(shù)字信號(hào)0，而自動(dòng)變速箱節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送數(shù)字信號(hào)1，此時(shí)總線上是這3個(gè)數(shù)字信號(hào)的“邏輯與”值0，因此，ABS、發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)向總線上說的話和從總線上聽到的話一致，它們都可以繼續(xù)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，而自動(dòng)變速箱節(jié)點(diǎn)向總線上說的話和從總線上聽到的話不一致，即停止向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)為聽眾。

下一時(shí)刻，ABS節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送數(shù)字信號(hào)0，而發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送數(shù)字信號(hào)1，此時(shí)總線上是這兩個(gè)數(shù)字信號(hào)的“邏輯與”值0，因此，ABS節(jié)點(diǎn)向總線上說的話和從總線上聽到的話一致，可以繼續(xù)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，而發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)點(diǎn)向總線上說的話和從總線上聽到的話不一致，即停止向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)為聽眾。

下一時(shí)刻，ABS節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送數(shù)字信號(hào)1，此時(shí)，由于ABS節(jié)點(diǎn)獨(dú)占總線而使總線上的信號(hào)也是1，因此，ABS節(jié)點(diǎn)向總線上說的話和從總線上聽到的話一致，可以繼續(xù)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。

至此，3個(gè)節(jié)點(diǎn)通過數(shù)據(jù)ID號(hào)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果是ABS節(jié)點(diǎn)首先獲得總線使用權(quán)，將其數(shù)據(jù)發(fā)送至CAN總線；待ABS節(jié)點(diǎn)將其數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)使發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)點(diǎn)、自動(dòng)變速箱節(jié)點(diǎn)繼續(xù)通過數(shù)據(jù)ID號(hào)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)競(jìng)爭(zhēng)總線的使用權(quán)而發(fā)送數(shù)據(jù)?？梢?，在CAN總線仲裁過程中，不會(huì)出現(xiàn)不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)之間的相互破壞，這就是所謂的“非破壞性仲裁”[2]。

1.3 CAN總線的驗(yàn)收濾波原理

每個(gè)節(jié)點(diǎn)的CAN控制器中都有兩個(gè)寄存器：驗(yàn)收代碼寄存器和驗(yàn)收屏蔽寄存器。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)收屏蔽寄存器設(shè)置為“有關(guān)”時(shí)，則該節(jié)點(diǎn)只能接受數(shù)據(jù)ID號(hào)與自身驗(yàn)收代碼寄存器內(nèi)容完全相同的數(shù)據(jù)；當(dāng)某節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)收屏蔽寄存器設(shè)置為“無關(guān)”時(shí)，則該節(jié)點(diǎn)“來者不拒”，可接受數(shù)據(jù)ID號(hào)為任意值的數(shù)據(jù)，這就是所謂的CAN驗(yàn)收濾波原理。借助驗(yàn)收濾波功能，可以靈活實(shí)現(xiàn)CAN總線的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”“一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（廣播）”的數(shù)據(jù)通信方式。例如，汽車駕駛員側(cè)的中央玻璃升降開關(guān)，可以分別控制4個(gè)車門的玻璃升降電機(jī)，屬于“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”通信方式；而中控門鎖開關(guān)，可以同時(shí)控制4個(gè)車門的閉鎖器，屬于“一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（廣播）”通信方式。

1.4 CAN總線中H和L的本質(zhì)含義及應(yīng)用

在汽車CAN總線故障檢修中，常借助示波器檢測(cè)CAN波形進(jìn)行CAN線路故障診斷，但實(shí)踐證明，對(duì)汽車維修工而言，很難區(qū)分波形中的CAN-H和CAN-L。究其原因，現(xiàn)在的汽車CAN總線教材基本都是提示讀者牢牢記住CAN總線的正常電壓值，以此為參考去判斷CAN線路故障，但現(xiàn)實(shí)情況是很多維修工不容易記住CAN總線的電壓值，這就增加了他們對(duì)CAN總線的故障診斷難度。

為了解決上述問題，在此建議教材中給出CAN-H和CAN-L中“H”和“L”的本質(zhì)含義?！癏”和“L”代表的不是“高”和“低”的電壓值，而代表的是CAN波形在空閑狀態(tài)基礎(chǔ)上跳動(dòng)的方向，“H”代表“向上”跳動(dòng)，“L”代表“向下”跳動(dòng)。例如，在圖3所示的CAN波形中，上面的波形是在空閑狀態(tài)基礎(chǔ)上向上跳動(dòng)，因此為CAN-H的波形；而下面的波形是在空閑狀態(tài)基礎(chǔ)上向下跳動(dòng)，因此為CAN-L的波形[3-4]。

2 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)汽車“CAN總線技術(shù)”原理深?yuàn)W、難懂、難教、難學(xué)的問題，對(duì)“CAN總線技術(shù)”原理中的重難點(diǎn)進(jìn)行了剖析。建議汽車“CAN總線技術(shù)”教材靈活利用“類比法”“擬人法”等通俗易懂的方式描述“CAN總線技術(shù)”原理，以降低其教學(xué)難度和學(xué)習(xí)難度，提高教材的使用效果。

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