第二节　CAN总线系统

一、概述

Bosch和Intel公司为信息传输（特别是车辆中的信息传输）开发了“控制器区域网络”（CAN）。20世纪90年代初，这种总线技术首次在高级量产汽车中用作发动机和变速器控制系统与仪表板之间的高速网络。CAN不断拓展应用，在2001年已经在第一批低价中级车中安装。CAN总线传输示意图如图1-17所示。

CAN已针对车辆中的数据交换统一了标准。借助这些全世界有效的标准，任意制造商的控制模块都可相互交换数据。

可在CAN总线上连接控制模块，这些控制模块具有高度复杂的微电子装置，并且每个控制模块都像一部微型计算机。CAN总线上的控制模块如图1-18所示。

1—传感器/执行器；2—控制器；3—滤波器；4—收发器；5—CAN

控制模块的基本结构由三部分组成——收发器、滤波器和控制器。控制模块通过收发器（发射器、接收器）连接在CAN上。收发器使控制模块能够通过CAN发射和接收信息。滤波器检查接收的信息，并检查接收的信息是否规定用于控制模块，并只把规定用于控制模块的信息转发至控制器。控制器是控制模块的核心件。控制器根据接收的信息推导出要执行的活动，并转发至连接的执行器。控制器把从传感器接收到的信号转换成信息，并把这些信息通过收发器和CAN发送到其他控制模块。

车辆中的每个控制模块都是一部由电子部件（硬件）和程序（软件）构成的微型计算机。一部这样的微型计算机的优点是，通过改变程序可以更改控制模块的性能，而不必更改控制模块的硬件。这可与一台PC机相比较，通过装载相应的程序，PC机可完成各种各样的任务（文本处理、游戏、播放音乐和视频、备件目录），而不必为此更改计算机的结构。新程序可通过诊断仪进行安装，它把程序通过CAN传递到控制模块（快擦写）。

二、CAN的基本功能和优点

CAN由一根双线导线构成，所有信号都通过此双线导线在连接的控制模块之间传递。在车辆中一般使用一根不带屏蔽的对称导线（双绞线）。当两根单根导线相互均匀绞合时，就形成一根这样的对称导线，如图1-19所示。

传输以数字形式作为“0”和“1”信号（位）的序列进行。这时“0”和“1”分别对应于一个在标准或协议中定义的电平，不存在中间值。通过CAN传递的信号非常广泛且复杂，这些信号由“0”和“1”信号排列组成。数字信号0和1的序列如图1-20所示。

注意，进行CAN诊断和系统故障查询时，决定性的不是传递的信息内容，而是要检查总线上的信号电平是否对应于额定值和总线上的信号关系是否正常。如果这里不存在故障，则可认为总线无故障工作，车辆中出现的故障有其他原因。

总线的功能原则上可与通过邮局寄信相比较，如图1-21所示。

写给收信人的信件被插入信封中，在信封上写上地址和发信人，不同发信人发给不同收信人的具有不同内容的许多信件被汇集在邮筒中。邮局寄发这些信件，并将信件送达收信人。这是一种把信息从发信人传送到收信人的有效方法。如果每个发信人都亲自把自己的信件带给收信人，则会导致交通混乱。如果发送作为广告宣传品的成批信件，一位发信人向多位收信人发送相同的信息，对此同样可利用邮寄途径的有效方法。

在CAN上，发送控制模块（发信人）的信息通过总线传送到接收控制模块（收信人）。借助地址和发信人信息，可把信息分配给正确的控制单元。车辆中的每个控制模块都可通过CAN与其他控制模块通信。通过总线系统传送信息具有多重优点，除了减少电线束中的导线和控制模块上的插头连接外，还可以使数据同时发送到多个控制模块。

多个控制模块能够同时接收数据如图1-22所示。

A～D—控制模块；1—采用数据；2—过滤数据；3—准备数据；4—接收数据；5—发送数据；6—数据总线导线

例如，控制模块B发送一个规定用于控制模块A和D的信息。信息通过控制模块A和D中的滤波器，信息的数据被采用。控制模块C中的滤波器识别到此信息不是规定用于控制模块C的，因此不把信息的数据转发到控制器。

三、通过CAN的数据传输

CAN的数据传输通过一根双线数据线进行。信息发射器必须通过这两根导线向接收器传送接收器需要的所有信息。为此，发射器必须告知信息适用于谁（地址）和信息的内容。为了识别传输时的故障，还传递用于校验的附加信息。信息传输通过大量数值为“0”或“1”的位的排列，即通过两个定义的电平实现。此排列受一个规定的分类系统控制，此系统一方面通过数字技术描述；另一方面在一个所谓的数据电码（也称数据协议）中专门为CAN作了规定。

（一）CAN数据电码的结构

这里简要介绍CAN数据电码的基本结构。在对总线系统进行诊断时，不是信息的内容具有决定意义，而是在总线导线上传送的信号的电平具有决定意义。CAN数据电码的结构如图1-23所示。

1—起始区（1位）；2—状态区（11位）；3—未用区（1位）；4—检查区（6位）；5—数据区（最大64位）；6—安全区（16位）；7—确认区（2位）；8—结束区（7位）

CAN数据电码已划分成各个区，而这些区又由规定数量的位组成。

①起始区标记一个待传送信息的开始。

②在状态区中说明信息规定用于哪个控制模块。此外，如果两个控制模块试图在相同的时刻传递一个信息，将在这里规定数据传输的优先权。

③检查区说明接着要传递的信息由多少位组成。

④数据区包括实际的信息，由最多一个64位的排列组成。

⑤安全区用于识别传输故障。

⑥信息接收器借助确认区的位通知发射器，它们已接收到信息。

⑦接收到有错误的信息时，结束区为接收器提供通知发射器的途径。因此发射器再次重复传送信息。

CAN数据电码由许多位构成。控制模块根据各个区中的位识别，数据区的信息规定用于哪个控制模块，信息有什么内容，信息的内容是否已被正确接收。并且所有信息只通过两根导线，各个位依次传递，即串行传递。

CAN总线系统设计成每个控制模块都能够发送和接收信息。为此没有固定的时间顺序，而是每个控制模块原则上能够随时向其他控制模块发送信息。假如同时有多个控制模块想发送信息，为了避免这种“自由”导致数据总线上发生混乱，CAN总线系统装备了一个优先权控制系统。

CAN数据电码的检查区内的位序列说明，相应的控制模块具有何种优先权。如果同时有多个控制模块想发送信息，则具有最高优先权的控制模块优先发送。优先权检测通过一种被称为按位仲裁的特殊技术实现。

（二）数据传输的抗干扰强度

通过导线进行的数据传输可能受车辆中的不同干扰源影响。车辆中的典型干扰源是在运行过程中或在通过开关断开或接通电路时产生火花的部件。其他干扰源包括移动电话和发射台，即所有产生电磁波的装置。通过导线进行数据传输时的典型干扰源如图1-24所示。

为了防止干扰数据传输，数据总线导线被相互绞合。数据的传递方式为，在两根导线上相应的电平反向。如果在一根数据总线导线上的电压约为0V，则在另一根导线上的电压约为5V；反之亦然。于是对信号差而言，产生一个比单个信号更大的电压振幅。如果干扰信号影响CAN双线数据线，则两根芯线中的每一根都在相同的方向上受到相同程度的影响。因为信息被以推挽的方式输入到导线上，每根导线的零位线将因干扰移动相同的量，然而两个电压的偏差保持不变。因此，干扰对要传递的信号没有影响。

CAN的两根导线被称为CAN H（高）和CAN L（低）。CAN H与CAN L上的反向电平抗干扰性如图1-25所示。

（三）传输速度

信息通过导线的传输速度受物理性能和与其相关的易受干扰性限制。传输速度取决于CAN总线导线的长度和电压振幅（信号电平）。传输速度以Bit/s为单位，即在1秒钟内传输的位数。

CAN规定在最大导线长度为40m时最大速度为1MBit/s。传输速度越低，导线长度可以越长。导线长度和传输速度之间的关系如图1-26所示。

有代表性的传输速度为102～106Bit/s。人们要求车辆中的电子系统像事件要求的那样迅速对事件作出反应。这就决定了为了主控控制模块能够及时作出反应，必须非常快地传递重要数据，特别是在控制和调节驱动装置时会产生重要数据。

PT-CAN（动力传动系=驱动装置）被设计成高速CAN，用于舒适性和娱乐性及时间要求不急迫的数据通过K-CAN（车身）传递。

（四）显性和隐性电位

在相应的数据电码中，为PT-CAN和K-CAN规定了0和1信号的电平。如果CAN导线的信号处在静止位置，人们就称其为隐性电位。如果有数据传递，则每根导线上的电平在隐性静止电位和显性工作电位之间波动。

PT-CAN的显性和隐性电位见表1-3。

PT-CAN的信号电平如图1-27所示。

K-CAN的显性和隐性电位见表1-4。

（五）单线运行模式

在K-CAN网络中，为了提高行驶安全性，如果导线之一有故障，那么收发器能够接收另一条导线的数据，即具有单线数据传输能力。这时两根CAN导线中的哪根有故障不重要，这种当前的运行模式被称作单线运行模式。

PT-CAN网络通常不提供这种能力，然而在特殊情况下可紧急运行，实现伪单线运行。

四、CAN总线扩展

车系不同，CAN总线的扩展方式也不同。例如，宝马车系扩展的CAN总线技术被用于车身和驱动装置范围内。这些总线系统被设计成线形双线总线系统。宝马车系的CAN总线类型见表1-5。

（一）K-CAN总线的扩展

K-CAN（车身控制器区域网络）在车身范围内传递信息。在宝马E65/66车型中，K-CAN已再次划分为K-CAN系统（K-CAN S）和K-CAN外围设备（K-CAN P）两个总线。K-CAN作为绞合的双线铜导线以100kBit/s的传输速度工作。整个总线系统通过中央网关模块（如SGM）连接在一起。宝马E65中的K-CAN总线如图1-28所示。

AHM—挂车模块；BZM—中央操控中心；BZMF—后中央操控中心；CAS—便捷进入及启动系统；CIM—底盘集成模块；CON—控制器；DWA—防盗报警系统；HKL—后行李厢盖提升装置；IHKA—自动恒温空调控制模块；LM—灯光模块；PDC—驻车距离报警系统；PM—供电模块；RDC—轮胎压力监控模块；RLS—雨天/行车灯传感器；SGM—安全和网关模块；SH—停车预热装置；SHD—活动天窗；SMBF—前乘客侧座椅调整模块；SMBFH—前乘客侧后部座椅调整模块；SMFA—驾驶员座椅调整模块；SMFAH—驾驶员侧后部座椅调整模块；TMBFT—前乘客侧车门模块；TMBFTH—前乘客侧后车门模块；TMFAT—驾驶员侧车门模块；TMFATH—驾驶员侧后车门模块；WIM—刮水器模块

（二）PT-CAN总线的扩展

动力传动系控制器区域网络（PT-CAN）在宝马车辆中用于驱动装置控制模块的联网，如发动机控制模块和动态稳定控制模块。

PT-CAN的总线结构与K-CAN的总线结构的区别仅在于第三根导线。这第三根导线用作唤醒导线。唤醒导线与PT-CAN本身的功能无关。唤醒导线能够将控制模块从休眠模式（省电模式）置于正常运行状态。宝马E60的PT-CAN总线如图1-29所示。

ACC—自适应巡航控制系统；AFS—主动转向控制系统；AHL—自适应转向大灯；ARS—主动式侧翻稳定装置；DME—数字式发动机电子伺控系统；DSC—动态稳定控制系统；EGS—电子变速器控制系统；EKP—电动燃油泵；SGM—安全和网关模块；SMG—自动换挡控制的手动变速器；WUP—唤醒导线

（三）F-CAN总线的扩展

CAN家族的另一个总线是F-CAN，表示底盘控制器区域网络。这种总线的结构和功能与K-CAN完全相同，但F-CAN只用于底盘组件的数据传输。动态稳定控制系统是采用F-CAN的典型控制模块。宝马E60中的F-CAN总线如图1-30所示。

1—DSC传感器1；2—DSC传感器2；3—主动转向控制伺服电机；4—转向柱开关中心；5—动态稳定控制模块（DSC）；6—主动转向控制模块（AFS）；F-CAN—底盘CAN总线

五、CAN的诊断原理

一般情况下CAN构造坚固且抗短路。对地短路、对车载网络电压短路和导线相互短路不会损坏控制模块。在最坏的情况下有故障的总线系统失灵。然而车辆中的总线系统不仅会遭受短路，而且当水汽侵入时可能在接地、正极和CAN导线之间出现接触电阻。

CAN故障信息通常被存储在故障码存储器中。然而故障记录仅在个别情况下允许简单的诊断。绝大多数时候必须进行详细的检查。短路和因水汽引起的接触电阻所产生的故障通常只能用示波器可靠诊断。对于用示波器进行的诊断，推荐使用存储器示波器。为了能够同时显示CAN H和CAN L导线上的信号，此示波器应具有两个通道。

在连接测量导线并调整示波器后，可以切合实际地对显示的示波图进行分析。在分析电平时要注意，在用示波器进行测量时必须考虑一个最大10%的测量误差。在无故障的情况下，在示波图中可看到，CAN H和CAN L的脉冲始终沿相反的方向移动。在查找 CAN H和CAN L时将首先查找隐性电位。在隐性电位时，总线停留大多数的时间。CAN H的脉冲信号以隐性电位为基点向上方跳跃。对于CAN L，导线上的脉冲以隐性电位为基点向下方跳跃。

PT-CAN的无故障波形图如图1-31所示。

K-CAN的无故障波形图如图1-32所示。

一根CAN导线上对工作电压短路的波形如图1-33所示。

如果总线导线之间短路，那么总线可能进入单线运行模式。如果一根总线导线上的信号电压没有达到极限值，而仅在其方向上移动某个值，则不存在直接短路。导线已通过一个电阻与该电位连接。通过电阻的间接短路通常会在车辆发生渗水时出现。此外，污垢、清洗剂和盐可能导致任意的接触电阻。另一种可能是，一根总线电缆磨损并通过油漆、污垢和氧化铁与接地连接。

必须非常细致地判断由此产生的示波图，因为故障症状与接触电阻的大小有关，并可能差别很大。对于CAN导线，由于电阻引起的所有负载，隐性电位能够略微移动，它们总是向负载电阻拉动的方向移动，如果负载电阻向接地拉动，则这些电位向0V方向移动。当电阻向12V拉动时，电位向12V方向移动。显性信号也同样受影响。

例如，CAN L导线已通过一个560Ω的接触电阻与接地连接。隐性电平明显向0V移动，显性电平仍保持额定值，CAN H的电平通过终端电阻拉动，如图1-34所示。

六、CAN导线的维修部位

控制模块通过插头连接在CAN上。在插头的压接点中始终只能连接一根导线。这就导致第二根导线必须在一个规定点上连接到CAN线束上。在通常情况下，这需要通过压接点进行连接。

为了避免在维修CAN导线时把新的、可能影响安全的故障无意间引入车辆系统中，CAN的压接点绝对不能打开和通过维修更新。如果要脱开CAN导线，则只允许在与下个压接节点相距≥100mm处进行，如图1-35所示。

1—绞合只可解开最长50mm；2—CAN导线断开处要与下一个压接节点相距至少100mm

CAN导线的绞合对于CAN的干扰影响具有决定意义。只有绞合不受损坏，才能保证CAN抗干扰地工作。出于这个原因，在维修CAN导线时只允许尽量少地干涉该绞合。