随着人们对汽车功能需求越来越多样化、智能化，汽车的零部件（ECU，Electronic Control Unit）的数量也越来越多、越来越复杂，像自动驾驶、主动安全等功能加入，普通汽车搭载ECU数量大约为50-100个，而豪华智能汽车的ECU数量平均可达到300个以上。在如此庞大数量的ECU的汽车中，各个ECU之间是如何进行信息交换、共同协作，以及ECU是如何完成在线升级（OTA，On The Air）的呢？本文将介绍汽车电子中常用的通信协议——控制器局部网（CAN，Controller Area Network）。

CAN通信技术是由博世（BOSCH）公司于1986 年开发出面向汽车的一种通信协议，随后通过ISO-11898和ISO-11519对其进行标准化：

1、ISO-11898：定义了通信速率为 125 kbps～1 Mbps 的高速 CAN 通信标准，属于闭环总线，传输速率可达1Mbps，总线长度 ≤ 40米。

2、ISO-11519：定义了通信速率为 10～125 kbps 的低速 CAN 通信标准，属于开环总线，传输速率为40kbps时，总线长度可达1000米。

CAN通信网络是欧洲汽车网络的标准协议，在发展过程中，其高性能和可靠性被广泛认可，所以也会被使用在工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备中。

差分信号

CAN总线为显性电平时代表逻辑0，CAN_H和CAN_L的电平分别是3.5V和1.5V（电位差Vdiff为2.0V左右）。

位时序

前面提到CAN是一种异步通信，没有时钟信号线，其通信过程类似串口通信（Serial Communications），CAN控制器之间通过事先约定好的时序进行通信，但CAN通信还会采用位同步（Bit Synchronization）的方式来抗干扰、吸收误差，从而使得CAN控制器可以对总线信号进行正确采样，保证正常通信。

• Prop_Seg（传播时间段）

这个时间段是用于补偿网络的物理延时时间。是总线上输入比较器延时和输出驱动器延时总和的两倍。Prop_Seg段的大小可以为 1-8Tq。

• Phase_Seg1（相位缓冲段1）

这个时间段主要用来补偿边沿阶段的误差，它的时间长度在重新同步的时候可以加长。Phase_Seg1段的初始大小可以为 1-8Tq。

• Phase_Seg2（相位缓冲段2）

这个时间段也是用来补偿边沿阶段误差的，它的时间长度在重新同步时可以缩短。Phase_Seg2段的初始大小可以为 2-8Tq。

CAN收发器

ECU需要从总线中获取CAN帧中的信号电平，转化为逻辑电平，也就是将图2 差分信号中的显性电平和隐性电平转换为对应的逻辑电平0和逻辑电平1，这样在总线中的CAN帧就被转换成程序中使用的CAN报文了。

这个步骤就是由CAN收发器（CAN Transceiver）来完成的，如图1 ECU连接图所示，其位于MCU和CAN Network之间，接收CAN总线上的CAN帧相关的信号电平并将其转化为逻辑信息电平转发给CAN控制器，并且也接收从CAN控制器传输过来的逻辑电平信息并将其转化为信号电平传从到CAN总线上。

CAN有五种帧的类型：数据帧（Data Frame）、远程帧（Remote Frame）、错误帧（Error Frame）、间隔帧（Can Interval Frame）和过载帧（Overload Frame），其中最复杂的帧类型为数据帧，其作用是传输数据，数据长度是可变的，一个经典CAN（Classical CAN）数据帧可传输0-8个字节的数据（数据内容长度，不含CAN帧的控制信息），而一个CAN FD（CAN with Flexible Data rate）的可传输的数据长度可达64个字节，后文提到的CAN为经典CAN。CAN帧会因其ID位数的不同而不同，以ID位数分为两类：标准帧（11位CAN Identifier）和扩展帧（29位CAN Identifier）。

标准帧

 

这个区域包含CAN Identifier的[28:18]，总共11位，其范围为0x000-0x7FF，CAN Identifier的值越小会在CAN总线仲裁时拥有更高的优先级（Priority）。RTR位用来指示该帧是否位远程帧（用来区分没有数据的数据帧和远程帧）。

• 控制区

IDE位用来指示该帧是否为扩展帧；r0为保留位；DLC指示该帧数据区的长度。

• 数据区

这里放着0-8个字节需要传输的数据。

• 校验区

CRC（Cyclic Redundancy Check）：循环冗余校验；Delimiter：分隔符。

• 应答区

ACK SLOT：应答槽，发送方会将此位作为隐性电平发送，接收方成功接收后会将此位重写，以此来让发送方知道此帧是否被成功发送。

扩展帧

r0/r1位：保留位

虽然有相应的标准来规范CAN通信，但是不同的芯片厂商对其功能的具体实现却各不相同，不同点主要在CAN外设在芯片中的寄存器设计，各自驱动程序自然也有区别，但在CAN总线上发出和接收的CAN帧都和标准规定的一致。下面是一些具体的例子来描述CAN控制器的大致工作机制。

Cypress Traveo II系列芯片是英飞凌专为汽车应用设计的32位MCU，其CAN控制器支持经典CAN和CAN FD（ISO 11898-1:2015）。收发CAN帧时支持多种模式，给应用带来更多可能，方便实现不同的场景需要。

消息区

接下来是存储CAN帧的关键区域，这里存着CAN控制器从总线接收到符合上面已经配置好的CAN ID的CAN帧、即将要发送的CAN帧，从图中可以看出接收/发送时可以使用FIFO（实际也有Queue）模式和Buffer模式，后面会详细介绍不同的模式的工作方式以及CAN帧的内部构造。

接收

图7 Rx FIFO

 

RTR位：用来区分该帧为远程请求帧还是数据帧，若此位为0则该帧是数据帧，若此位为1则该帧是远程请求帧。

DLC[3:0]：此4位数据用来指示该帧含有的数据的字节数，本文只讨论经典CAN，所以DLC规定的范围应该在0-8字节。

R2-R3：这两行数据就是数据帧中的数据域中的内容，经典CAN最多传输8个字节数据，从图中可以看出，这样一个CAN帧块最大支持8个字节的数据，DB0-DB7。

发送

CAN控制发送过程就相对复杂一些，因为上层应用可能需要发多种CAN ID报文，其报文优先级有高有低，高优先级需要尽快发出，低优先级则可以在缓冲区中等待优先级更高的CAN帧发送完，再发出。

图9 同时使用Tx Buffer和Tx FIFO

如图9所示，当同时使用Tx Buffer和Tx FIFO时，CAN控制器每次都会扫描这些区域，当前状态下，Tx Buffer中一个CAN ID为2的CAN帧等待发送，因为它是Tx Buffer区域中CAN ID最小的，并且比Tx FIFO中处于Get Pos的这一帧（CAN ID为4）小，所以它拥有最高优先级，这一帧将会最先被发出去，第二次CAN控制器再次扫描这些区域，发现处于Tx FIFO中Get Pos的这一帧（CAN ID为4）是这些区域中最小的（包括Tx Buffer），所以第二次将会发送CAN ID为4的这一帧，如此往复，直到这些区域内的所有Tx CAN帧块被全部通过CAN收发器转换为信号电平发送到总线上。

图10 Tx Element

如图10所示，与Rx Element类似，XTD、RTR、ID、DLC以及DB0-DB7的用法与Rx Element一致，只有部分内容有不同。

MM[7:0]：Message Marker，这是一个与发送事件（Tx Event）相关的信息。

EFC（Event FIFO Control）位：该位表示该帧是否有将发送事件存在对应的MRAM中。

FDF位：此位用来标识该帧是否为一个CAN FD帧。

BRS（Bit Rate Switching）位：当该帧位CAN FD帧（即FDF为1时），此位才有效，决定该帧在发送时是否启用速率切换（Rate Switching），以更高的速度传输。

更多与Traveo II发送和接收CAN帧相关的细节，大家可以去查阅英飞凌提供的技术手册TRM。