ADAS/AD開發07

阿新 • • 發佈：2018-12-10

前言

CAN通訊模組對於汽車ECU來講，算是最基本的模組了。與CAN通訊模組同樣基本的模組還有：基於CAN通訊的UDS診斷模組、基於CAN通訊的BootLoader刷寫模組、基於CAN通訊的EOL/Service/Online標定模組等。注意限定詞“基於CAN通訊的XXX”。

記得在德爾福工作時，問軟體工程師都做什麼樣的高階程式設計工作，對方吐槽曰：“汽車軟體三件套：診斷、標定、PBL”。一時語塞。冷靜下來想想，其實也對。在外企上班，國內引用的技術都是在國外開發，到了國內都是平臺化的技術，改的最多的也就剩診斷、標定、PBL了。注：PBL - Primary Bootloader，對應的還有SBL - Second BootLoader。

CAN通訊

CAN的通訊是通過CAN匯流排實現的。老東家博世公司發明的（PS：汽車工業哪都有他）。CAN通訊都是以廣播的形式傳送接收訊息的。不面向連線，不握手。

a. CAN匯流排中的OSI層：

按照OSI的七層架構物理層、資料鏈路層、網路層、傳輸層、會話層、表示層和應用層來分配的話，CAN匯流排只實現了物理層、資料鏈路層和應用層3層。原因是：CAN匯流排作為工業測控的底層網路，其資訊傳輸量相對較少，網路連線方式相對簡單，但是資訊傳輸的實時性和可靠性非常高。

資料鏈路層在CAN匯流排中有分為邏輯鏈路控制（LLC）子層，和媒體訪問控制（MAC）子層。邏輯鏈路控制子層的功能主要是報文濾波、超載通知和reset管理。媒體訪問控制子層功能主要是傳送規則，即控制幀結構、執行仲裁、錯誤檢測、出錯標定和故障界定。物理層功能主要定義訊號傳輸方式、完成電氣連線、實現收發器特性。

b. CAN匯流排的硬體：

CAN匯流排的硬體主要由MCU（微控制器）、CAN控制器、CAN收發器（也叫CAN驅動器）、CAN高CAN低雙絞線構成。其中，MCU負責實現應用層、CAN控制器實現資料鏈路層、CAN收發器和雙絞線實現物理層。實際產品中，一般的車用MCU中會整合CAN控制器模組。所以實際上只有帶CAN控制器的MCU+CAN收發器+雙絞線三種物理實體（如果你非要把連線雙絞線與ECU主機板之間的聯結器也作為CAN匯流排實體的一部分，那就算四種物理實體吧...）。注意，這裡的MCU就是前面系統架構和軟體架構中提到的那個微控制器（Host）哦！車載MCU裡能放程式碼的晶片也就那幾種，MCU是主要型別之一。

其中，CAN控制器主要用於生成CAN幀，並以二進位制碼流的方式傳送；在此過程中進行位填充、新增CRC校驗、應答檢測等操作；將將接收到的二進位制碼流進行解析並存儲，在此過程中進行收發對比、去位填充、執行CRC校驗等操作。此外，還需要進行衝突判斷、錯誤處理等諸多工。

CAN收發器則主要將來自CAN控制器的二進位制碼流轉換為差分訊號，向CAN高CAN低雙絞線上傳送；也將雙絞線上的差分訊號轉換為二進位制碼流接收，並轉給CAN控制器。

最後是CAN高和CAN低這對雙絞線。一般CAN高這條線是黃色的，CAN低這條線是綠色的。CAN高和CAN低這兩條線的電平在靜止狀態（default狀態）時都為2.5V，這個電平也叫作隱性電平。當傳送訊號時，CAN高會產生電平跳變，往高了跳，這個高電平一般為3.5V；而CAN低則會非常對稱、互補的（要不然怎麼叫差分訊號呢！）往低了跳，這個低電平一般為1.5V。

c. 資料鏈路層的CAN報文（也叫“CAN幀”）：

先捋下對應關係：CAN幀-對應-資料鏈路層-對應-CAN控制器。

CAN幀有兩種格式，標準的和長的。也叫標準幀（11位識別符）和擴充套件幀（對應29位識別符）。

CAN幀除了格式不同，還分為4中不同用途的幀型別：分別是資料幀、遠端幀、錯誤幀和過載幀。其中資料幀負責傳輸資料；遠端幀一般用於連線不同CAN網路的閘道器，在接收某個網路的訊息後，再指定打包成另一個CAN網路上的訊息轉發出去；錯誤幀，任何節點檢測到匯流排錯誤就發出錯誤幀；過載幀，用於已在先行的後續資料幀（或遠端幀）之間提供一個附加的延時。

每個幀的結構一般是由以下幾各段構成的：

1）幀起始。表示資料幀開始的段；

2）仲裁段。表示該幀的優先順序的段；

3）控制段。表示資料的位元組數及保留位資訊的段；

4）資料段。資料的內容，一幀可傳送0到8個位元組的資料；

5） CRC段。檢查幀的傳輸錯誤的段；

6） ACK段。表示確認正常接收的段；

7）幀結束。表示資料幀結束的段。

CAN幀的位時序。位速率：由傳送單元在非同步的情況下發送的每秒鐘的位數稱為位速率。一個位可分為 4 段，包括同步段（SS）、傳播時間段（PTS）、相位緩衝段1（PBS1）和相位緩衝段2（PBS2）。這些段又由可稱為 Time Quantum（以下稱為Tq）的最小時間單位構成。1 位分為4 個段，每個段又由若干個Tq 構成，稱為位時序。

d. 應用層的CAN訊息（CAN Message，簡寫Msg）：

實際上，對於大部分汽車工程師，日常工作中接觸最多的關於CAN的內容，就屬於CAN Message了，純程式碼實現的一種資料結構。底層的東西，看一遍熟悉下就夠了。CAN訊息一般都是在MCU等晶片中實現的，其實就實現在Host應用軟體中，是Host-SW中的一部分（可以參考前面關於軟體架構的文章）。

既然CAN訊息大家都用，那一定就不是簡單的理論知識了，必須要有工具才能講“使用”。在汽車行業，工程師接觸到最多的CAN工具就是Vector的CANoe。本章節就結合CANoe的使用，來直觀的介紹應用層的CAN訊息。

CAN訊息矩陣一般是主機廠的網路架構組來負責，是一個巨大的Excel檔案，裡面的各種sheet定義了不同的CAN訊息列表，便於更新維護，類似於圖1。

圖1 某主機廠某款車型的AD_CAN矩陣中名字為“ACC1”的CAN訊息截圖

dbc是按照CAN矩陣建立的可以作為CANoe軟體的CAN訊息資料庫使用的一種檔案，所謂的dbc其實也就是DataBase of CAN的意思，如圖2。

圖2 一些dbc檔案

所謂的CAN訊息是怎樣一種存在呢？如圖3所示。

實際上每個CAN訊息都對應一個本CAN網路內的唯一ID，如下圖中的ABM2訊息，對應的ID就是小括號內的0x245,。需要說明一點，ABM2其實就是整車上ABM安全氣囊控制器ECU發的一個訊息，且訊息ID是16進位制的，0x代表16進位制，245是ID號。裡面有一堆的訊號，其中的Checksum訊號、RollingCounter訊號為ABM2這個訊息的安全相關訊號，其他的訊號為代表不同實際意義的訊號。

圖3 某主機廠某款車型的dbc的CAN訊息和訊息內承載的訊號

需要注意的是，這裡的訊息（Message）其實只是一艘船，一個載體；裡面承載的訊號（Signals）才是真正有意義的資訊。那麼訊息（Message）與訊號（Signal）的關係是什麼呢？請看下圖。

圖4 訊號在訊息中的layout

一條訊息一般有8個Byte位元組（0~7byte），每個Byte又有8個bit位（0~7bit）。就這樣形成一個8x8的矩陣，每個矩陣小框代表一個bit。每個訊號佔用多少bit（位），佔用了8*8矩陣（訊息的layout矩陣）的哪幾個bit，通過上圖，可以看得清清楚楚。上圖中不同顏色的條狀物，即代表一個訊號（signal）。例如，藍色部分，代表Checksum訊號，它佔用了整個Byte0（0~7位）的空間；橘色部分，代表WehDynYawRateValid訊號，它佔用了第7個byte的第5位（bit）的空間，也就是說，ABM2這條訊息的第7Byte的第5bit，表示WehDynYawRateValid訊號。WehDynYawRateValid實際是車輛動態Yawrate有效性的意思，是個bool值。Yawrate搞自動駕駛的都知道，是車輛偏航角速率的意思。

e. 整車CAN網路架構

整車一般不止一個CAN網路，一般會分為動力CAN、車身CAN、底盤CAN、舒適CAN、多媒體CAN、診斷CAN等等。CAN網路裡有各種各樣的ECU節點，例如上文提到的ABM安全氣囊控制器模組，就屬於動力CAN（當然，這完全有OEM根據自身架構自己定義的）網路上，而IFC智慧前視攝像頭模組，就在AD_CAN上。CAN網路與CAN網路之間如果需要通訊，就需要搞一個閘道器（Gateway）來轉發訊號，當然這個閘道器，你可以專門搞一個控制器做閘道器，也可以拿其他有既有功能的ECU做閘道器（只要實現閘道器的功能，硬體上也有兩路CAN的收發器，兩路CAN也都接線接好了），比如說BCM車身控制器，經常就充當閘道器使用。再提一點，在這裡，遠端幀的意義就在於此了。為什麼有遠端幀，就是因為多個CAN網路的存在，閘道器需要轉發message。假設A網路有個a控制器，B網路有個b控制器，a控制器想聯絡b控制器，就需要發個遠端幀給閘道器，告訴閘道器在B網路裡b的ID，閘道器會按照a發的遠端幀的資訊，將訊息向B網路轉發（這次轉發就是普通的資料幀，不再是遠端幀了），傳遞給b控制器。最後，貼一張某主機廠某個車型的CAN網路拓撲圖，自己體會吧~