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汽车网络技术沈阳大学凌永成配套教材信息教材名称：汽车网络技术教材主编：凌永成教材定价：35RMB出版社：清华大学出版社出版时间：2012年3月国际标准书号（ISBN）：978-7-302-28149-8教材所属系列：普通高等院校汽车工程类规划教材第2章CAN总线2.1数据信号及其传输2.1.1数制在计算机和数据传输技术中有三种重要数制，即十进制、二进制、十六进制。1.十进制十进制是常用的阿拉伯数制。这种数制的基数是10。与此相适应，每个单个数位有十个不同的符号。图2-1十进制三位数365的结构2.二进制二进制是数据处理中最常用的数制之一。在二进制中只有两个数字值：0和1，或接通或关闭，或高电压或低电压，即所谓的二进制符号或位。在通信领域，也把这两个值称为逻辑0和逻辑1。每个数据信号都由一个二进制符号（位）的排列构成，如10010110。二进制有两种状态0和1，因此基数为2。十进制记数法中的数字5在二进制中可转换为为0101。图2-2一个二进制数的结构3.十六进制十六进制用作二进制数的简化表示。这种数制包括十六个符号，即0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。十六进制的基数是16。字母A至F对应十进制中的数字值10至15。用一个一位的十六进制数字可以表示一个四位的二进制数（四位组）。位3位2位1位0十六进制值十进制值0000000001110010220011330100440101550110660111771000881001991010A101011B111100C121101D131110E141111F15表2-1十六进制数与二进制数的对应关系从二进制数值转换成十六进制数值时，把二进制数值的各个四位组转换成十六进制数值，然后连在一起书写即可。例如，将二进制数值11010111转换成十六进制数值时，第1个四位组（1101）对应于十六进制数值D；第2个四位组（0111）对应于十六进制数值7。把这两个结果合并在一起，就可以得到十六进制数字D7。2.1.2数据信号的类别1.模拟信号“模拟”这个概念来源于希腊语（Analogos），表示“类似于”。模拟显示数据（信息）是指通过直接与数据成比例的连续变化物理量进行表示。图2-3模拟信号1—最大电压值；U—电压；t—时间2.数字信号“数字”这个概念来源于拉丁语“Digitus”，表示手指或脚趾，其本意是指可以用几个手指算清的所有事务，或者更确切第说，“数字”就是可以分解为各自独立的事务。数字表示方式就是以数字形式表示不断变化的物理量。尤其在计算机内，所有数据都以“0”和“1”的序列形式表示出来（二进制）。因此，“数字”是“模拟”的对立形式。图2-4数字信号U—电压；t—时间3.二进制信号“Bi”一词来源于希腊语，表示“2”。因此，一个二进制信号只能识别两种状态，即0和1，或高和低。如车灯点亮或车灯未亮；继电器触电断开或继电器触点闭合；供电或未供电；车门打开或车门关闭，等等。每个符号、图片甚至声音都可由特定顺序的二进制字符来表述，如10010110。通过这些二进制编码，计算机或控制单元可以处理信息或将信息发送给其它控制单元。图2-5二进制信号1—高；2—低；U—电压；t—时间4.信号电压为了能够清楚地区分高电压和低电压这两种状态，在汽车网络技术中对信号电压作了明确的规定，高电压为6~12V，低电压为0~2V，2~6V之间属于禁止范围，只用于识别故障。图2-6信号电压1—高电压范围；2—禁止使用的范围；3—低电压范围；U—电压；t—时间5.代码表示代码就是一组由字符、符号或信号码元以离散形式表示信息的明确的规则体系。莫尔斯电码的每个字母和数字都通过不同长度的信号序列进行加密的。图2-7莫尔斯发报机莫尔斯电码为：短短短——S；长长长——O；短短短——S。SOS（SaveOurSouls——拯救我们的生命）6.比特和字节计算机中的所有信息都以位（bit，亦称比特，是二进制数字的最小信息单位）为单位进行存储和处理的。最常用的系统和代码用8个位构成一个字节。因此，可以对256个字节进行设码。1千字节（KB）=210字节，即1024字节1兆字节（MB）=220字节，即1024KB（1048576字节）1千兆字节（GB）=230字节，即1024MB（1073741824字节）注意：换算系数不是1000，而是1024。因此，必须将所有数据（字母、数字、声音、图片等）转换成二进制代码，以便在计算机中进行处理。2.1.3总线与接口1.总线总线技术最早应用在计算机内部。电信号在计算机系统组件、微处理器、存储器与输入/输出器件之间以并行方式传输，为此目的而使用的线路称为总线（BUS）。图2-8计算机系统内总线线路的示意图1—地址总线；2—数据总线；3—控制总线；CPU—中央处理器；ROM—只读存储器；RAM—随机存储器；I—输入；O—输出图2-9车用计算机（电子控制单元）电路板1—输出模块；2—输入模块；3—存储器模块；4—微处理器；5—线圈；6—电容器；7—二极管；8—特殊模块（特定应用）2.接口接口负责建立计算机与周围环境（其他设备）之间的连接。图2-10接口1—计算机；2—接口；3—软件；4—硬件通过接口连接不同设备时有点对点连接和多点连接两种连接方式。①点对点连接。②多点连接。2.1.4数据传输方式根据发送装置向接收装置传输信息时各字节的传输方式不同，数据传输方式分为并行传输和串行传输两种形式。1.并行传输图2-13并行传输1—发送装置；2—数据；3—接收装置；MSB—最高值数位；LSB—最低值数位2.串行传输图2-14串行传输1-发送装置；2-数据；3-接收装置数据的传输速率（速度）一般使用位传输速率（亦称比特率）表示，其定义为每秒传输的数据位数（bit），单位为bit/s。目前汽车上并行数据传输方式多在控制单元内部线路中使用，而在控制单元外部传输信息则大都以串行传输方式进行。串行数据传输既可以采用同步传输方式，也可以采用异步传输方式。3.同步数据传输使用一个共同的时钟脉冲发生器可保持发送装置和接收装置时间管理的同步性。这种方式就是同步传输方式。图2-15同步传输方式1—同步脉冲；2—数据；3—停止；4—起始；5—接收装置4.异步数据传输发送和接收装置之间最常用的时间管理方式是异步传输方式。进行异步数据传输时，发送和接收装置之间没有共同的系统节拍。图2-16异步数据传输时数据帧的结构1—接收装置；2—起始位；3—最低值数位；4—5-8位数据；5—最高值数位；6—检查位；7~8—停止位；9—发送装置5.数据总线上的信息流方向①单工通信。②双工通信。2.2CAN总线的工作原理2.2.1CAN总线简介CAN是ControllerAreaNetwork（控制器局域网）的缩写，是国际标准化的串行通信协议。目前，CAN总线是汽车网络系统中应用最多、也最为普遍的一种总线技术。图2-18双工通信图2-17单工通信1.CAN总线的优点①控制单元间的数据交换都在同一平台上进行。这个平台称为协议，CAN总线起到数据交换“高速公路”的作用。图2-19控制单元间的数据交换都在同一平台上进行图2-20CAN总线相当于数据交换的“高速公路”②可以很方便地实现用控制单元来对系统进行控制，如发动机控制、变速器控制、ESP控制等。③可以很方便地加装选装装置，为技术进步创造了条件，为新装备的使用埋下了伏笔。④CAN总线是一个开放系统，可以与各种传输介质进行适配，如铜线和光导纤维（光纤）。⑤对控制单元的诊断可通过K线来进行，车内的诊断有时通过CAN总线来完成（如安全气囊和车门控制单元），称为“虚拟K线”。随着技术的进步，今后有逐步取消K线的趋势。⑥可同时通过多个控制单元进行系统诊断。2.CAN总线的结构特点①可靠性高；②使用方便；③数据密度大；④数据传输快；⑤采用双线传输，抗干扰能力强，数据传输的可靠性高。3.CAN总线的传输速率目前，CAN总线系统中的信号是采用数字方式经铜导线传输的，其最大稳定传输速率可达1000Kbit/s（1Mbit/s）。大众和奥迪公司将最大标准传输速率规定为500Kbit/s，并将CAN总线系统分为三个专门的系统：①驱动CAN总线（高速），亦称动力CAN总线，其标准传输速率为500Kbit/s，可基本满足实时要求，主要用于发动机、变速器、ABS、转向助力等汽车动力系统的数据传输。②舒适CAN总线（低速），其标准传输速率为100Kbit/s，主要用于空调系统、中央门锁（车门）系统、座椅调节系统的数据传输。③信息CAN总线（低速），其标准传输速率为100Kbit/s，主要用于对时间要求不高的领域，如导航系统、组合音响系统、CD转换控制等。4.CAN总线的自诊断功能①控制单元具有自诊断功能，通过自诊断功能还可识别出与CAN总线相关的故障。②用诊断仪读出CAN总线故障记录之后，即可按这些提示信息按图索骥、顺藤摸瓜，快速、准确地查寻并排除故障。③控制单元内的故障记录用于初步确定故障，还可用于读出排除故障后的无故障说明，即确认故障已经被排除。如果想要更新故障显示内容，必须重新起动发动机。④CAN总线正常工作的前提条件是车辆在任何工况均不应有CAN总线故障记录。2.2.2CAN总线的组成1.CAN总线的基本系统CAN总线的基本系统由多个控制单元和两条数据线组成，这些控制单元通过所谓收发器（发射-接收放大器）并联在总线导线上。图2-21CAN总线的数据传输与公交车载运乘客相似CAN总线系统采用双绞线进行数据传输。这两根导线中，一根称为CAN-High导线，另一根导线称为CAN-Low导线。在双绞线上，信号是按相反相位传输的，这样可有效抑制外部干扰。图2-22CAN总线的双绞线2.CAN总线的数据结构CAN总线所传递的每条完整信息由7个区构成，信息最大长度为108bit。在两条CAN导线上，所传输的数据内容是相同的，但是两条导线的电压状态相反。图2-23CAN总线的信息结构①开始区。开始区（长度为1bit）标志数据开始，CAN-High导线的电压大约为5V（具体数值视系统而定），CAN-Low导线的电压大约为0V。图2-23CAN总线的信息结构②状态区。状态区（长度为11bit）用于确定所传数据的优先级。如果在同一时刻有两个控制单元都想发送数据，则优先级高的数据先行发出。③检验区。检验区（长度为6bit）用于显示数据区中的数据数量，以便让接收器（接收数据的控制单元）检验自己接收到的、来自发送器（发送数据的控制单元）的数据是否完整。④数据区。数据区（长度不确定，视具体情况而定，最大长度为64bit）是信息的实质内容。图2-23CAN总线的信息结构⑤安全区。安全区（长度为16bit）用于检验数据在传输中是否出现错误。⑥确认区。确认区（长度为2bit）是数据接收器发给数据发送器的确认信号，表示接收器已经正确、完整地收到了发送器发送的数据。如果检测到在数据传输中出现错误，则接收器会迅速通知发送器，以便发送器重新发送该数据。⑦结束区。结束区（长度为7bit）标志着数据的结束。3.信息的发送与接收CAN数据总线在发送信息时，每个控制单元均可接收其他控制单元发送出的信息。在通信技术领域，也把该原理称为广播。图2-26单线CAN总线数据传输示意图图2-27CAN总线上的信息交换（广播原理）2.2.3CAN总线系统元件的功能图2-28按时间顺序的电信号传输CAN总线系统元件主要由K-线、控制单元、CAN构件、收发器等组成。1.K-线K-线用于在CAN总线系统自诊断时连接汽车故障检测仪（如VAS5051），属于诊断用的通讯线。2.控制单元控制单元接收来自传感器的信号，将其处理后再发送到执行元件上。图2-29CAN总线系统元件3.CAN构件CAN构件用于数据交换，为两个区，一个是接收区，一个是发送区。CAN构件通过接收邮箱或发送邮箱与控制单元相连。图2-30邮局收发邮件4.收发器收发器就是一个发送-接收放大器，在接收数据时，收发器把CAN构件连续的比特流（亦称逻辑电平）转换成电压值（线路传输电平）；当发送数据