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现代车辆CAN总线(CAN bus)概述
release time: 2024-07-18
CAN:Controller Area Network
控制器局域网
CAN总线技术是在1980年代末由博世公司开发的一种高度可靠的通信协议，旨在解决现代汽车中电子控制单元（ECU）之间的通讯问题。随着车辆电子化程度的不断提高，CAN总线已经成为汽车工业中的标准通信协议，并广泛应用于车身控制、动力传动、信息娱乐系统等多个领域。
CAN总线是一种多主机协议，允许多个ECU通过一条共享的通信线路互相传输数据。每个节点都可以在总线上发送和接收信息，通讯采用非破坏性仲裁机制，确保高优先级消息优先传输，避免总线冲突。
CAN总线的数据传输基于帧结构，主要包括以下几种帧：
1.数据帧：携带实际要传输的数据。
2.远程帧：请求发送某个特定的数据帧。
3.错误帧：在检测到传输错误时发送。
4.过载帧：用于提供额外的延时，以处理高优先级任务。
每个数据帧由标识符（ID）、控制字段、数据字段、CRC校验字段、确认字段和帧结束字段组成。标识符用于确定消息的优先级，控制字段包括消息长度信息，数据字段包含实际传输的数据，CRC校验字段用于错误检测。
1.高可靠性：CAN总线具有强大的错误检测和处理机制，确保数据传输的准确性和可靠性。
2.实时性：非破坏性仲裁机制保证了高优先级消息的实时传输，适用于需要实时响应的应用场景。
3.简化布线：相比于传统的点对点通信方式，CAN总线大大简化了车辆内部的布线，减少了线缆数量和安装成本。
4.扩展性好：CAN总线系统可以方便地增加新的ECU，无需对现有系统进行大规模修改。
1.动力传动系统：例如发动机控制单元（ECU）和变速器控制单元之间的通信。
2.车身控制：如车灯、雨刷、车窗、门锁等的集中控制和协调。
3.信息娱乐系统：如导航系统、音响系统和车载通信设备的集成。
4.高级驾驶辅助系统（ADAS）：如自适应巡航控制（ACC）、车道保持辅助（LKA）等。
尽管CAN总线在汽车工业中得到了广泛应用，但也面临一些挑战，主要包括以下几点：
传统的CAN总线速率最高为1 Mbps，面对现代车辆中海量的数据传输需求，这一带宽有时显得不足。为了解决这一问题，CAN FD（Flexible Data-rate）标准应运而生，允许更大的数据载荷和更高的传输速率。
随着汽车互联化的发展，CAN总线的安全性成为一个重要问题。CAN总线本身缺乏加密和认证机制，容易受到攻击。为此，行业内开始引入硬件安全模块（HSM）和网络安全协议，如IPsec和TLS，以增强CAN总线的安全性。
由于车辆环境中的复杂电磁环境，CAN总线容易受到电磁干扰。采用屏蔽电缆、差分信号传输和滤波技术，可以有效减少EMI的影响。
随着汽车技术的不断发展，CAN总线也在不断演进。以下是一些可能的未来发展方向：
1.更高的带宽：针对自动驾驶和车联网应用的需求，未来可能会开发出更高带宽的CAN总线标准，如CAN XL。
2.强化的安全性：随着网络安全威胁的增加，未来的CAN总线标准可能会增加更多的安全特性，如消息加密和认证。
3.集成化和智能化：CAN总线系统将进一步与其他通信协议（如以太网、LIN）集成，形成一个更为智能和高效的车载通信网络。
CAN总线作为现代车辆中不可或缺的通信技术，极大地推动了汽车电子化和智能化的发展。尽管面临一些挑战，但通过不断的技术创新，CAN总线在未来仍将继续发挥重要作用，为智能网联汽车和自动驾驶技术的发展提供有力支持。
这里用类比的方式来更直观的解释一下CAN总线原理：
想象一下，你在一家大型公司工作，公司里有许多团队，每个团队负责不同的任务。公司里有一个特别高效的消息传递系统（类似于CAN总线），可以让所有团队快速、可靠地交流信息。
1.团队成员：这些是公司的员工，每个人都有不同的职责，比如销售、财务、市场营销等。
2.任务：每个员工都有自己的任务和职责，比如销售人员负责联系客户，财务人员负责处理账单。
1.发送消息：任何员工可以随时在这个系统上发送消息，比如销售人员可以发送“已经完成销售”的消息，财务人员可以发送“账单已支付”的消息。
2.接收消息：所有员工都能看到系统上的消息，并根据需要采取行动。例如，市场营销人员看到“已经完成销售”的消息后，可以开始准备宣传材料。
消息优先级：每条消息都有一个优先级，优先级高的消息会被优先处理。例如，“火灾警报”这样的紧急消息会比“咖啡机需要维修”这样的普通消息优先显示和处理。
故障检测：系统中有一套机制，可以检测消息是否传递成功。如果有问题，系统会自动重发消息，确保所有重要信息都能被正确传达。
BCU（车身控制单元）：类似于公司的行政部门，负责日常办公环境的管理，比如门禁系统、空调控制等。
ECU（发动机控制单元）：类似于公司的技术部门，负责核心业务的管理和运作，比如软件开发、服务器维护等。
在这个类比中：
.员工就像汽车中的各种传感器和执行器。
.消息传递系统就像CAN总线，用于传递各个传感器和控制单元之间的信息。
.消息优先级确保重要信息优先处理。
.故障检测机制保证信息传递的可靠性。
通过这个类比，可以看到CAN总线系统是如何在车辆内部实现各个部件之间的高效通信和协调的。
通俗讲：在车辆的每个工作部件都可以在总线上发出信号，而这个系统是去中心化的，即这个系统中没有我们常规理解的手机电脑需要中央处理器来向下级硬件进行任务分发。
1.去中心化通信：在车辆的CAN总线上，每个工作部件都能发送和接收信息，没有一个中央控制器来管理所有通信。这样，每个部件都能直接与其他部件交流。
2.自主决策：像BCU（车身控制单元）、ECU（发动机控制单元）和仪表盘等关键部件，会根据来自其他部件的信息，通过自身预设的逻辑或判定标准，决定自己需要执行什么操作。
.传感器发送数据：当车速传感器检测到速度变化时，它会在CAN总线上广播这个信息。
.控制单元接收数据并决策：比如，ECU接收到速度信息后，可能会调节燃油喷射量，而BCU可能根据车速信息判断是否需要调整车内灯光。
.仪表盘显示信息：仪表盘会接收各类传感器的数据，并根据设定显示车速、燃油水平等信息。
以转向灯为例当你按下左转向灯开关时，会发生什么。
按下左转向灯开关：当你按下左转向灯开关时，开关会生成一个信号。
信号广播：这个信号会通过CAN总线广播一条消息，内容可能是“左转向灯开启”。
消息接收：所有连接在CAN总线上的相关控制单元都会接收这个消息。其中，车身控制单元（BCU）会特别关注这条消息。
BCU的处理：BCU接收到“左转向灯开启”的消息后，会根据内置的逻辑作出决策，可能会进一步将具体的控制信号发送给左侧的所有转向灯。
转向灯点亮：左侧的转向灯接收到来自BCU的具体控制信号后，会开始闪烁。
消息广播：按下左转向灯开关生成的信号会在CAN总线上进行广播。
去中心化处理：虽然信号是广播的，但具体的控制逻辑和信号处理是在BCU等控制单元内部完成的。
执行操作：最终，转向灯会根据从BCU接收到的具体控制信号来执行操作（闪烁）。
你按下左转向灯开关。
开关在CAN总线上广播一条消息：“左转向灯开启”。
BCU接收到这条消息后，产生一条控制信号：“左侧所有转向灯闪烁”。
左侧的转向灯接收到这条控制信号后，开始闪烁。
当你按下左转向灯开关时，确实会在CAN总线上广播一条消息。这条消息会被相关的控制单元（如BCU）接收和处理，BCU再根据内部逻辑发出具体的控制信号，最终使得所有左侧的转向灯开始闪烁。这体现了CAN总线系统的去中心化和高效性。
名词解释：
BCU（Body Control Unit），即车身控制单元，是一种专门用于管理和控制车辆车身功能的电子控制单元。它是现代汽车电气系统的核心组件之一。
主要功能
灯光控制：BCU负责控制前大灯、尾灯、刹车灯、转向灯等车身灯光系统。
车窗和车门控制：管理车窗升降、车门锁定和解锁，以及后视镜调整等功能。
车内舒适性功能：包括空调系统、加热座椅、雨刷器、车内照明等。
安全与报警系统：管理防盗系统、倒车雷达、气囊等安全相关功能。
信息传递和协调：BCU通过车载网络（如CAN总线）与其他控制单元（如ECU）进行通信，协调各个系统的工作。
ECU（Electronic Control Unit），即电子控制单元，是一种小型计算机，专门用于控制车辆的某些特定功能。现代汽车中通常包含多个ECU，每个ECU负责不同的功能。
主要功能
发动机控制单元（Engine Control Unit）：管理发动机的运行参数，如燃油喷射、点火时间、进气控制等。
变速器控制单元（Transmission Control Unit）：负责自动变速器的换挡逻辑和控制。
防抱死制动系统（ABS ECU）：监控和控制车轮制动，防止车轮在制动时抱死。
车身控制单元（BCU）：如前文所述，管理车身功能。
信息娱乐控制单元：管理车载娱乐系统、导航系统和信息显示。
下一个：嵌件成型概念及大致流程