关于汽车“CAN总线技术”教材改进的思考

韩静

摘 要：“CAN总线技术”是高职院校汽车类专业的一门核心课程，涉及汽車、电子、通信等综合知识。经调研，目前市面上的汽车“CAN总线技术”教材存在原理深奥、难懂、难教、难学的问题。为此，文章对“CAN总线技术”原理进行深入研究，对其重难点进行剖析，并提出教材改进建议，以使读者轻松掌握其原理和故障诊断技巧，提高教材的使用效果。

关键词：CAN总线；原理分析；故障诊断；教材改进

“CAN总线技术”（CAN，Controller Area Network，控制器局域网络）是高职院校汽车智能技术、汽车电子技术、汽车检测与维修技术等专业的核心课程，该课程涉及了汽车构造、电子信息、通信原理等综合知识。经过调研，目前汽车“CAN总线技术”教材在其原理分析时大量采用了电子、通信领域中的专业术语，从而导致汽车专业师生感觉“CAN总线技术”原理难懂、难教、难学，甚至望而却步。基于现实，对“CAN总线技术”原理进行了深入研究，对其中的重难点进行详细分析，并提出教材改进建议，以便提高教材的使用效果。

1 “CAN总线技术”原理重难点分析

1.1 CAN总线的网络结构和数据传输流程

CAN总线的网络结构如图1所示，一般将实现特定功能的模块作为CAN总线的一个节点，节点1向节点n传输数据的流程如下。

节点1的微控制器1对传感器1进行数据采集，然后将传感器1对应的数字信号附加一个数据ID号（类似于包裹单号）发送给CAN控制器1，CAN控制器1对数据进行打包，然后将数据包发送给CAN收发器1，CAN收发器1再将数字信号转换为对应的CAN总线电压信号；当节点n从CAN总线上接收到电压信号后，首先由CAN收发器n将总线电压信号转换为对应的数字信号，然后将其数字信号发送给CAN控制器n，CAN控制器n首先对其收到的数据进行验收滤波，判断收到的信号是否是自身节点需要的数据，若是，则接受此数据并对其进行解包，为节点n的微控制器n提供有效数据（节点1的传感器信号），微控制器n可根据节点1的传感器信号控制执行器n动作；否则，节点n放弃此次收到的CAN数据。

很明显地，上述流程与生活中的寄信、收信流程相似，因此，教材中可以给出“类比法”的提示，以便读者快速理解其原理。

1.2 CAN总线的仲裁机制分析

如果CAN总线上的多个节点同时向总线上发送数据时，多个数据就会在总线上出现“撞车”的现象，这就像生活中很多人在一起讨论问题，如果几个人同时讲话，就会乱套，此时需要进行仲裁，决定哪个人先讲，哪个人后讲。CAN总线的仲裁是基于数据优先级的竞争机制，从以下两个方面进行说明[1]。

（1）CAN总线的多个节点同时向总线上发送数据时，总线上的结果是多个数据的“逻辑与”值。例如，节点A向总线上发送数字信号0，而节点B向总线上发送数字信号1，则总线上的结果是0和1的“逻辑与”值0。可见，同时向总线上发送0和1时，0被显示出来，称为“显性位”，而1被隐蔽掉，称为“隐性位”；另外，也说明0的优先级比1的优先级高，正因如此，CAN总线利用“数据ID”来标识数据的优先级：数据ID号越小，数据的优先级越高；反之，数据的优先级越低。

（2）CAN收发器具有“边说边听”功能，即节点向CAN总线上发送数据时，同时也能监听到总线上的数据。

CAN总线采用的就是“边说边听”的非破坏性仲裁机制：每个节点在发送数据时，首先发送数据ID号，在发送数据ID号的过程中，逐位“边说边听”，当节点向总线上发送的数据和从总线上监听到的数据一致时，节点可以继续向总线发送数据，否则，节点停止向总线发送数据，而自动转变为“听众”。例如某个节点向总线上发送的是数字信号1，而从总线上监听到的是数字信号0，说明总线上有其他节点在发送更高优先级的数据，该节点即停止发送；待高优先级的数据发送完成后，低优先级的数据自动重发。

现以图2所示的汽车动力CAN总线上3个电控单元节点同时向CAN总线上发送数据为例，进一步说明CAN总线的仲裁机制，3个节点首先向总线发送各自的数据ID号，以便进行优先级竞争。

开始时刻，3个节点同时向总线发送数字信号0，总线上是这3个数字信号0的“逻辑与”值0，因此，3个节点向总线上说的话和从总线上听到的话一致，它们都可以继续向总线发送数据。

下一时刻，ABS、发动机两个节点都向总线发送数字信号0，而自动变速箱节点向总线发送数字信号1，此时总线上是这3个数字信号的“逻辑与”值0，因此，ABS、发动机两个节点向总线上说的话和从总线上听到的话一致，它们都可以继续向总线发送数据，而自动变速箱节点向总线上说的话和从总线上听到的话不一致，即停止向总线发送数据，转为听众。

下一时刻，ABS节点向总线发送数字信号0，而发动机节点向总线发送数字信号1，此时总线上是这两个数字信号的“逻辑与”值0，因此，ABS节点向总线上说的话和从总线上听到的话一致，可以继续向总线发送数据，而发动机节点向总线上说的话和从总线上听到的话不一致，即停止向总线发送数据，转为听众。

下一时刻，ABS节点向总线发送数字信号1，此时，由于ABS节点独占总线而使总线上的信号也是1，因此，ABS节点向总线上说的话和从总线上听到的话一致，可以继续向总线发送数据。

至此，3个节点通过数据ID号进行优先级竞争的结果是ABS节点首先获得总线使用权，将其数据发送至CAN总线；待ABS节点将其数据发送完毕后，系统会自动使发动机节点、自动变速箱节点继续通过数据ID号进行优先级竞争总线的使用权而发送数据。可见，在CAN总线仲裁过程中，不会出现不同优先级数据之间的相互破坏，这就是所谓的“非破坏性仲裁”[2]。

1.3 CAN总线的验收滤波原理

每个节点的CAN控制器中都有两个寄存器：验收代码寄存器和验收屏蔽寄存器。当某节点的验收屏蔽寄存器设置为“有关”时，则该节点只能接受数据ID号与自身验收代码寄存器内容完全相同的数据；当某节点的验收屏蔽寄存器设置为“无关”时，则该节点“来者不拒”，可接受数据ID号为任意值的数据，这就是所谓的CAN验收滤波原理。借助验收滤波功能，可以灵活实现CAN总线的“点对点”“一点对多点（广播）”的数据通信方式。例如，汽车驾驶员侧的中央玻璃升降开关，可以分别控制4个车门的玻璃升降电机，属于“点对点”通信方式；而中控门锁开关，可以同时控制4个车门的闭锁器，属于“一点对多点（广播）”通信方式。

1.4 CAN总线中H和L的本质含义及应用

在汽车CAN总线故障检修中，常借助示波器检测CAN波形进行CAN线路故障诊断，但实践证明，对汽车维修工而言，很难区分波形中的CAN-H和CAN-L。究其原因，现在的汽车CAN总线教材基本都是提示读者牢牢记住CAN总线的正常电压值，以此为参考去判断CAN线路故障，但现实情况是很多维修工不容易记住CAN总线的电压值，这就增加了他们对CAN总线的故障诊断难度。

为了解决上述问题，在此建议教材中给出CAN-H和CAN-L中“H”和“L”的本质含义。“H”和“L”代表的不是“高”和“低”的电压值，而代表的是CAN波形在空闲状态基础上跳动的方向，“H”代表“向上”跳动，“L”代表“向下”跳动。例如，在图3所示的CAN波形中，上面的波形是在空闲状态基础上向上跳动，因此为CAN-H的波形；而下面的波形是在空闲状态基础上向下跳动，因此为CAN-L的波形[3-4]。

2 结语

本文针对汽车“CAN总线技术”原理深奥、难懂、难教、难学的问题，对“CAN总线技术”原理中的重难点进行了剖析。建议汽车“CAN总线技术”教材灵活利用“类比法”“拟人法”等通俗易懂的方式描述“CAN总线技术”原理，以降低其教学难度和学习难度，提高教材的使用效果。

[参考文献]

[1]王宜怀.嵌入式技术基础与实践[M].北京：清华大学出版社，2017.

[2]饶运涛.现场总线CAN原理与应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[3]龙超.汽车CAN总线技术及其检测维修探讨[J].中国设备工程，2018（19）：129-130.

[4]韦志魁，韩小伟.汽车总线技术分析[J].内燃机与配件，2018（9）：89-90.