第二節　CAN總線系統

一、概述

Bosch和Intel公司為信息傳輸（特別是車輛中的信息傳輸）開發了“控制器區域網絡”（CAN）。20世紀90年代初，這種總線技術首次在高級量產汽車中用作發動機和變速器控制系統與儀表板之間的高速網絡。CAN不斷拓展應用，在2001年已經在第一批低價中級車中安裝。CAN總線傳輸示意圖如圖1-17所示。

CAN已針對車輛中的數據交換統一了標準。借助這些全世界有效的標準，任意制造商的控制模塊都可相互交換數據。

可在CAN總線上連接控制模塊，這些控制模塊具有高度復雜的微電子裝置，并且每個控制模塊都像一部微型計算機。CAN總線上的控制模塊如圖1-18所示。

1—傳感器/執行器；2—控制器；3—濾波器；4—收發器；5—CAN

控制模塊的基本結構由三部分組成——收發器、濾波器和控制器。控制模塊通過收發器（發射器、接收器）連接在CAN上。收發器使控制模塊能夠通過CAN發射和接收信息。濾波器檢查接收的信息，并檢查接收的信息是否規定用于控制模塊，并只把規定用于控制模塊的信息轉發至控制器。控制器是控制模塊的核心件。控制器根據接收的信息推導出要執行的活動，并轉發至連接的執行器。控制器把從傳感器接收到的信號轉換成信息，并把這些信息通過收發器和CAN發送到其他控制模塊。

車輛中的每個控制模塊都是一部由電子部件（硬件）和程序（軟件）構成的微型計算機。一部這樣的微型計算機的優點是，通過改變程序可以更改控制模塊的性能，而不必更改控制模塊的硬件。這可與一臺PC機相比較，通過裝載相應的程序，PC機可完成各種各樣的任務（文本處理、游戲、播放音樂和視頻、備件目錄），而不必為此更改計算機的結構。新程序可通過診斷儀進行安裝，它把程序通過CAN傳遞到控制模塊（快擦寫）。

二、CAN的基本功能和優點

CAN由一根雙線導線構成，所有信號都通過此雙線導線在連接的控制模塊之間傳遞。在車輛中一般使用一根不帶屏蔽的對稱導線（雙絞線）。當兩根單根導線相互均勻絞合時，就形成一根這樣的對稱導線，如圖1-19所示。

傳輸以數字形式作為“0”和“1”信號（位）的序列進行。這時“0”和“1”分別對應于一個在標準或協議中定義的電平，不存在中間值。通過CAN傳遞的信號非常廣泛且復雜，這些信號由“0”和“1”信號排列組成。數字信號0和1的序列如圖1-20所示。

注意，進行CAN診斷和系統故障查詢時，決定性的不是傳遞的信息內容，而是要檢查總線上的信號電平是否對應于額定值和總線上的信號關系是否正常。如果這里不存在故障，則可認為總線無故障工作，車輛中出現的故障有其他原因。

總線的功能原則上可與通過郵局寄信相比較，如圖1-21所示。

寫給收信人的信件被插入信封中，在信封上寫上地址和發信人，不同發信人發給不同收信人的具有不同內容的許多信件被匯集在郵筒中。郵局寄發這些信件，并將信件送達收信人。這是一種把信息從發信人傳送到收信人的有效方法。如果每個發信人都親自把自己的信件帶給收信人，則會導致交通混亂。如果發送作為廣告宣傳品的成批信件，一位發信人向多位收信人發送相同的信息，對此同樣可利用郵寄途徑的有效方法。

在CAN上，發送控制模塊（發信人）的信息通過總線傳送到接收控制模塊（收信人）。借助地址和發信人信息，可把信息分配給正確的控制單元。車輛中的每個控制模塊都可通過CAN與其他控制模塊通信。通過總線系統傳送信息具有多重優點，除了減少電線束中的導線和控制模塊上的插頭連接外，還可以使數據同時發送到多個控制模塊。

多個控制模塊能夠同時接收數據如圖1-22所示。

A～D—控制模塊；1—采用數據；2—過濾數據；3—準備數據；4—接收數據；5—發送數據；6—數據總線導線

例如，控制模塊B發送一個規定用于控制模塊A和D的信息。信息通過控制模塊A和D中的濾波器，信息的數據被采用。控制模塊C中的濾波器識別到此信息不是規定用于控制模塊C的，因此不把信息的數據轉發到控制器。

三、通過CAN的數據傳輸

CAN的數據傳輸通過一根雙線數據線進行。信息發射器必須通過這兩根導線向接收器傳送接收器需要的所有信息。為此，發射器必須告知信息適用于誰（地址）和信息的內容。為了識別傳輸時的故障，還傳遞用于校驗的附加信息。信息傳輸通過大量數值為“0”或“1”的位的排列，即通過兩個定義的電平實現。此排列受一個規定的分類系統控制，此系統一方面通過數字技術描述；另一方面在一個所謂的數據電碼（也稱數據協議）中專門為CAN作了規定。

（一）CAN數據電碼的結構

這里簡要介紹CAN數據電碼的基本結構。在對總線系統進行診斷時，不是信息的內容具有決定意義，而是在總線導線上傳送的信號的電平具有決定意義。CAN數據電碼的結構如圖1-23所示。

1—起始區（1位）；2—狀態區（11位）；3—未用區（1位）；4—檢查區（6位）；5—數據區（最大64位）；6—安全區（16位）；7—確認區（2位）；8—結束區（7位）

CAN數據電碼已劃分成各個區，而這些區又由規定數量的位組成。

①起始區標記一個待傳送信息的開始。

②在狀態區中說明信息規定用于哪個控制模塊。此外，如果兩個控制模塊試圖在相同的時刻傳遞一個信息，將在這里規定數據傳輸的優先權。

③檢查區說明接著要傳遞的信息由多少位組成。

④數據區包括實際的信息，由最多一個64位的排列組成。

⑤安全區用于識別傳輸故障。

⑥信息接收器借助確認區的位通知發射器，它們已接收到信息。

⑦接收到有錯誤的信息時，結束區為接收器提供通知發射器的途徑。因此發射器再次重復傳送信息。

CAN數據電碼由許多位構成。控制模塊根據各個區中的位識別，數據區的信息規定用于哪個控制模塊，信息有什么內容，信息的內容是否已被正確接收。并且所有信息只通過兩根導線，各個位依次傳遞，即串行傳遞。

CAN總線系統設計成每個控制模塊都能夠發送和接收信息。為此沒有固定的時間順序，而是每個控制模塊原則上能夠隨時向其他控制模塊發送信息。假如同時有多個控制模塊想發送信息，為了避免這種“自由”導致數據總線上發生混亂，CAN總線系統裝備了一個優先權控制系統。

CAN數據電碼的檢查區內的位序列說明，相應的控制模塊具有何種優先權。如果同時有多個控制模塊想發送信息，則具有最高優先權的控制模塊優先發送。優先權檢測通過一種被稱為按位仲裁的特殊技術實現。

（二）數據傳輸的抗干擾強度

通過導線進行的數據傳輸可能受車輛中的不同干擾源影響。車輛中的典型干擾源是在運行過程中或在通過開關斷開或接通電路時產生火花的部件。其他干擾源包括移動電話和發射臺，即所有產生電磁波的裝置。通過導線進行數據傳輸時的典型干擾源如圖1-24所示。

為了防止干擾數據傳輸，數據總線導線被相互絞合。數據的傳遞方式為，在兩根導線上相應的電平反向。如果在一根數據總線導線上的電壓約為0V，則在另一根導線上的電壓約為5V；反之亦然。于是對信號差而言，產生一個比單個信號更大的電壓振幅。如果干擾信號影響CAN雙線數據線，則兩根芯線中的每一根都在相同的方向上受到相同程度的影響。因為信息被以推挽的方式輸入到導線上，每根導線的零位線將因干擾移動相同的量，然而兩個電壓的偏差保持不變。因此，干擾對要傳遞的信號沒有影響。

CAN的兩根導線被稱為CAN H（高）和CAN L（低）。CAN H與CAN L上的反向電平抗干擾性如圖1-25所示。

（三）傳輸速度

信息通過導線的傳輸速度受物理性能和與其相關的易受干擾性限制。傳輸速度取決于CAN總線導線的長度和電壓振幅（信號電平）。傳輸速度以Bit/s為單位，即在1秒鐘內傳輸的位數。

CAN規定在最大導線長度為40m時最大速度為1MBit/s。傳輸速度越低，導線長度可以越長。導線長度和傳輸速度之間的關系如圖1-26所示。

有代表性的傳輸速度為102～106Bit/s。人們要求車輛中的電子系統像事件要求的那樣迅速對事件作出反應。這就決定了為了主控控制模塊能夠及時作出反應，必須非常快地傳遞重要數據，特別是在控制和調節驅動裝置時會產生重要數據。

PT-CAN（動力傳動系=驅動裝置）被設計成高速CAN，用于舒適性和娛樂性及時間要求不急迫的數據通過K-CAN（車身）傳遞。

（四）顯性和隱性電位

在相應的數據電碼中，為PT-CAN和K-CAN規定了0和1信號的電平。如果CAN導線的信號處在靜止位置，人們就稱其為隱性電位。如果有數據傳遞，則每根導線上的電平在隱性靜止電位和顯性工作電位之間波動。

PT-CAN的顯性和隱性電位見表1-3。

PT-CAN的信號電平如圖1-27所示。

K-CAN的顯性和隱性電位見表1-4。

（五）單線運行模式

在K-CAN網絡中，為了提高行駛安全性，如果導線之一有故障，那么收發器能夠接收另一條導線的數據，即具有單線數據傳輸能力。這時兩根CAN導線中的哪根有故障不重要，這種當前的運行模式被稱作單線運行模式。

PT-CAN網絡通常不提供這種能力，然而在特殊情況下可緊急運行，實現偽單線運行。

四、CAN總線擴展

車系不同，CAN總線的擴展方式也不同。例如，寶馬車系擴展的CAN總線技術被用于車身和驅動裝置范圍內。這些總線系統被設計成線形雙線總線系統。寶馬車系的CAN總線類型見表1-5。

（一）K-CAN總線的擴展

K-CAN（車身控制器區域網絡）在車身范圍內傳遞信息。在寶馬E65/66車型中，K-CAN已再次劃分為K-CAN系統（K-CAN S）和K-CAN外圍設備（K-CAN P）兩個總線。K-CAN作為絞合的雙線銅導線以100kBit/s的傳輸速度工作。整個總線系統通過中央網關模塊（如SGM）連接在一起。寶馬E65中的K-CAN總線如圖1-28所示。

AHM—掛車模塊；BZM—中央操控中心；BZMF—后中央操控中心；CAS—便捷進入及啟動系統；CIM—底盤集成模塊；CON—控制器；DWA—防盜報警系統；HKL—后行李廂蓋提升裝置；IHKA—自動恒溫空調控制模塊；LM—燈光模塊；PDC—駐車距離報警系統；PM—供電模塊；RDC—輪胎壓力監控模塊；RLS—雨天/行車燈傳感器；SGM—安全和網關模塊；SH—停車預熱裝置；SHD—活動天窗；SMBF—前乘客側座椅調整模塊；SMBFH—前乘客側后部座椅調整模塊；SMFA—駕駛員座椅調整模塊；SMFAH—駕駛員側后部座椅調整模塊；TMBFT—前乘客側車門模塊；TMBFTH—前乘客側后車門模塊；TMFAT—駕駛員側車門模塊；TMFATH—駕駛員側后車門模塊；WIM—刮水器模塊

（二）PT-CAN總線的擴展

動力傳動系控制器區域網絡（PT-CAN）在寶馬車輛中用于驅動裝置控制模塊的聯網，如發動機控制模塊和動態穩定控制模塊。

PT-CAN的總線結構與K-CAN的總線結構的區別僅在于第三根導線。這第三根導線用作喚醒導線。喚醒導線與PT-CAN本身的功能無關。喚醒導線能夠將控制模塊從休眠模式（省電模式）置于正常運行狀態。寶馬E60的PT-CAN總線如圖1-29所示。

ACC—自適應巡航控制系統；AFS—主動轉向控制系統；AHL—自適應轉向大燈；ARS—主動式側翻穩定裝置；DME—數字式發動機電子伺控系統；DSC—動態穩定控制系統；EGS—電子變速器控制系統；EKP—電動燃油泵；SGM—安全和網關模塊；SMG—自動換擋控制的手動變速器；WUP—喚醒導線

（三）F-CAN總線的擴展

CAN家族的另一個總線是F-CAN，表示底盤控制器區域網絡。這種總線的結構和功能與K-CAN完全相同，但F-CAN只用于底盤組件的數據傳輸。動態穩定控制系統是采用F-CAN的典型控制模塊。寶馬E60中的F-CAN總線如圖1-30所示。

1—DSC傳感器1；2—DSC傳感器2；3—主動轉向控制伺服電機；4—轉向柱開關中心；5—動態穩定控制模塊（DSC）；6—主動轉向控制模塊（AFS）；F-CAN—底盤CAN總線

五、CAN的診斷原理

一般情況下CAN構造堅固且抗短路。對地短路、對車載網絡電壓短路和導線相互短路不會損壞控制模塊。在最壞的情況下有故障的總線系統失靈。然而車輛中的總線系統不僅會遭受短路，而且當水汽侵入時可能在接地、正極和CAN導線之間出現接觸電阻。

CAN故障信息通常被存儲在故障碼存儲器中。然而故障記錄僅在個別情況下允許簡單的診斷。絕大多數時候必須進行詳細的檢查。短路和因水汽引起的接觸電阻所產生的故障通常只能用示波器可靠診斷。對于用示波器進行的診斷，推薦使用存儲器示波器。為了能夠同時顯示CAN H和CAN L導線上的信號，此示波器應具有兩個通道。

在連接測量導線并調整示波器后，可以切合實際地對顯示的示波圖進行分析。在分析電平時要注意，在用示波器進行測量時必須考慮一個最大10%的測量誤差。在無故障的情況下，在示波圖中可看到，CAN H和CAN L的脈沖始終沿相反的方向移動。在查找 CAN H和CAN L時將首先查找隱性電位。在隱性電位時，總線停留大多數的時間。CAN H的脈沖信號以隱性電位為基點向上方跳躍。對于CAN L，導線上的脈沖以隱性電位為基點向下方跳躍。

PT-CAN的無故障波形圖如圖1-31所示。

K-CAN的無故障波形圖如圖1-32所示。

一根CAN導線上對工作電壓短路的波形如圖1-33所示。

如果總線導線之間短路，那么總線可能進入單線運行模式。如果一根總線導線上的信號電壓沒有達到極限值，而僅在其方向上移動某個值，則不存在直接短路。導線已通過一個電阻與該電位連接。通過電阻的間接短路通常會在車輛發生滲水時出現。此外，污垢、清洗劑和鹽可能導致任意的接觸電阻。另一種可能是，一根總線電纜磨損并通過油漆、污垢和氧化鐵與接地連接。

必須非常細致地判斷由此產生的示波圖，因為故障癥狀與接觸電阻的大小有關，并可能差別很大。對于CAN導線，由于電阻引起的所有負載，隱性電位能夠略微移動，它們總是向負載電阻拉動的方向移動，如果負載電阻向接地拉動，則這些電位向0V方向移動。當電阻向12V拉動時，電位向12V方向移動。顯性信號也同樣受影響。

例如，CAN L導線已通過一個560Ω的接觸電阻與接地連接。隱性電平明顯向0V移動，顯性電平仍保持額定值，CAN H的電平通過終端電阻拉動，如圖1-34所示。

六、CAN導線的維修部位

控制模塊通過插頭連接在CAN上。在插頭的壓接點中始終只能連接一根導線。這就導致第二根導線必須在一個規定點上連接到CAN線束上。在通常情況下，這需要通過壓接點進行連接。

為了避免在維修CAN導線時把新的、可能影響安全的故障無意間引入車輛系統中，CAN的壓接點絕對不能打開和通過維修更新。如果要脫開CAN導線，則只允許在與下個壓接節點相距≥100mm處進行，如圖1-35所示。

1—絞合只可解開最長50mm；2—CAN導線斷開處要與下一個壓接節點相距至少100mm

CAN導線的絞合對于CAN的干擾影響具有決定意義。只有絞合不受損壞，才能保證CAN抗干擾地工作。出于這個原因，在維修CAN導線時只允許盡量少地干涉該絞合。