整车通信设计规范.docx
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整车通信设计规范
文件编号:
TKC/JS（S）-EV17
文件版本号:
0/A版
安徽天康特种车辆装备有限公司
整车CAN通信设计规范
编制:
审核:
批准:
发布日期：
2014年12月22日实施日期：
2014年12月22日
安徽天康特种车辆装备有限公司
前言
为使本公司整车CAN总线通信设计规范化，参考国际标准化组织协议以及国内外汽车总线总体设计的技术要求，结合本公司物流车开发车型的实际应用环境，编制本整车CAN总线通讯设计规范。
本规范满足公司快速发展的需要，并将在实践中进一步提高完善。
本规范由安徽天康特种车辆装备有限公司技术部提出。
本规范由安徽天康特种车辆装备有限公司技术部批准。
本规范主要起草人：
李劲松、查德国、和进军
本规范于2015年01月首次发布。
整车CAN通信设计规范
一、说明
1.1范围
本规范规定了安徽天康特种车辆装备有限公司（以下简称“天康”）生产的纯电动汽车CAN通信设计规范。
本规范适用于安徽天康特种车辆装备有限公司设计开发的纯电动汽车的CAN总线通信设计。
如果本标准与其它标准或规范不一致，则按照如下方式处理：
与SAEJ1939不一致，遵照本标准执行；
与ECU技术规范不一致，遵照ECU技术规范执行
1.2规范性引用文件
下列文件中的条款通过本规范的引用成为本规范的条款。
凡是注日期的引用文件，其随后的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本规范。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本规范。
表1参考文档
标号
标题
版本/修改日期
Ref.1
ISO-11898-1:
Roadvehicles—Controllerareanetwork（CAN）-Part1:
Datalinklayerandphysicalsignaling
2003
Ref.2
ISO-11898-2:
Roadvehicles—Controllerareanetwork（CAN）-Part2:
High-speedmediumaccessunit
2003
Ref.3
ISO-11898-5：
RoadVehicles——Controllerareanetwork（CAN）-Part5:
High-speedmediumaccessunitwithlow-powermode
Ref.4
SAE-J1939-11:
SurfaceVehicleRecommendedPractice—PhysicalLayer,250Kbits/s,TwistedShieldedPair
2006
Ref.5
SAE-J1939-21:
SurfaceVehicleRecommendedPractice—DataLinkLayer
2006
1.3术语和缩写
表2缩写
缩写
含义
ACK
Acknowledgment（应答）
CAN
ControllerAreaNetwork（控制器局域网）
DLC
DataLengthCode（数据长度码）
ECU
ElectronicControlUnit（电控单元）
EMC
ElectroMagneticCompatibility（电磁兼容）
ESD
Electro-StaticDischarge（静电阻抗器）
IGN
Ignition（点火开关）
ISO
InternationalOrganizationforStandardization（国际标准化组织）
LSB
LeastSignificantByte（最低有效字节）
Lsb
leastsignificantbit（最低有效位）
MSB
MostSignificantByte（最高有效字节）
Msb
mostsignificantbit（最高有效位）
PCB
PrintedCircuitBoard（印刷电路板）
SAE
TheSocietyofAutomotiveEngineers（美国汽车工程师学会）
SJW
SynchronizationJumpWidth（同步跳转宽度）
TBD
Tobedefined（待定）
二、物理层
本节详细规定了物理层的需求
2.1相关标准
所有ECU应遵从标准Ref.1、Ref.2或者Ref.4中的相关规定.
2.2物理介质
CAN传输线束应该满足表3描述的参数和如下的条件：
CAN线束采用非屏蔽双绞线；
CAN_H和CAN_L应该被保护屏蔽包裹，如果天康允许，可以使用不带保护层的CAN线束；
绞线率：
13～58twist/m。
表3物理介质参数
参数
符号
最小值
标称值
最大值
单位
特征阻抗
Z
108
120
132
Ω
单位电阻
（1）
rb
0
25
50
mΩ
单位电容
（2）
cb
0
40
75
pF/m
信号传播延迟时间
tp
-
5
-
ns/m
注
（1）：
在20℃测量
注
（2）：
CAN_H和CAN_L之间
2.3网络拓扑
CAN网络拓扑结构可以采用单网段的拓扑结构，也可以采用多个网段的拓扑结构。
具体的拓扑结构由普天制定。
此外，网络拓扑应该满足如下的条件以及表4规定的参数：
Ø为了避免终端反射，网络拓扑应该尽量使用线性结构；
Ø根据经验，尽量使用短支线连接ECU；
Ø为了减少干扰，CAN线束应该远离大电流和快速开关负载、连接ECU电源或地，以及连接起动机、雨刮继电器、转向灯继电器和控制灯的继电器；
Ø此外，为了减少驻波，各ECU距离干线的长度，即支线长度L1不能相等；同时应避免ECU在总线上等间距布置，即任何两个ECU之间d值不能相等，L1和d的定义见图1所示。
表4网络拓扑参数
参数
符号
最小值
标称值
最大值
单位
总线长度
L∑
0.1
-
40
m
支线长度
L1
0.1
-
1
m
节点间距
d
0.1
-
40
m
节点数量
-
-
-
15
-
图1网络拓扑参数
2.4连接器
网络连接器有足够的机械强度以保证即使在车上受到最大的振动也不会断开连接。
2.5位定时
总线传输速率为250kbit/s，位时间为4000ns±2ns。
供应商应该正确设置ECU位定时参数，采样点应该尽量靠近但不超过位时间的7/8，SAE推荐的位定时参数如表5所示。
表5位定时参数
时钟频率
时间段1
时间段2
同步跳转宽度
（1）
采样点位置
采样次数
16MHz
13
2
1
87.5%
1
20MHz
16
3
1
85%
1
注
（1）：
由于同步，使相位缓冲段1增长，或使相位缓冲段2缩短。
相位缓冲段加长或缩短的数量有一个上限，此上限由SJW（同步跳转宽度）给定。
位时间包括四个部分，如图2所示。
图1位时间分段
2.6推荐外围电路
本节给出建议的ECU内部CAN接口电路图。
所有节点供应商都应该向天康提供CAN接口电路图及相关电气部件的信息。
下图为CAN接口外围电路的示意，由于收发器的不同，部分因有些收发器提供了用于连接分裂式终端的SPLIT引脚（如：
NXPTJA1040、NXPTJA1041），而有些收发器无此引脚（如TJA1050）。
故根据收发器的不同，CAN接口外围电路也略有不同，如下图：
如果收发器有SPLIT引脚，应该连接该引脚（如图中虚线所示）；如无此引脚，可以不进行连接。
收发器的SPLIT管脚连接到分裂终端上有助于稳定总线隐性电平。
SPLIT管脚可以有效降低电磁辐射。
正常模式下，SPLIT管脚电压值为2.5V。
图2外围接口电路示意图
2.6.1CAN控制器
CAN控制器应该遵循Ref.1标准。
供应商对控制器的选择，需要得到天康的认可。
2.6.2CAN收发器
供应商选择的CAN收发器需符合Ref.2或者Ref.3的要求。
表6列出了推荐的CAN收发器，推荐使用TJA1040或者TJA1041作为CAN总线收发器。
表6推荐CAN收发器类型
编号
供应商
收发器类型
SPLIT功能
睡眠/唤醒
1
NXP
TJA1050
不支持
不支持
2
NXP
TJA1040
支持
支持
3
NXP
TJA1041A
支持
支持
4
NXP
TJA1042T
支持
支持
5
Infineon
TLE6251-DS
支持
支持
2.6.3共模电感
为了抑制共模干扰、提高电磁兼容性，ECU中必须使用共模电感。
如果控制器满足EMC特性要求，可以不安装共模电感，但必须预留共模电感的安装位置，可通过“零欧电阻”来实现旁路。
2.6.4总线终端
每个CAN网段都需安装俩个终端电阻。
终端电阻需采用图3所示的分裂式终端，R1必须和R2相等。
因某一控制器是否安装终端电阻（R1,R2和C1）由天康的网络拓扑决定，故终端电阻应尽可能放在容易替换的位置。
另，分裂式终端的中心与地之间必须接一个陶瓷电容（C1）。
陶瓷电容用于稳定分裂终端电压，提高系统的电磁兼容性。
下表给出了电容和电阻的相关参数。
表7R1,R2和C1
参数
标称值
R1=R2
60Ω±1%/250mW
C1
4.7nf±10%
2.6.5EMC电容
为了改善EMC特性（增强抗电磁干扰性），可以安装EMC电容。
EMC电容为选装器件，供应商在设计PCB需要预留该器件的安装位置，通常他们放置在EMC和ESD二极管之间。
要求C2和C3的数值相同，并且容差不超过10%；
表8C2和C3数值
参数
最小值
标称值
最大值
单位
C2/C3
0
47
100
pF
2.6.6静电释放和过压保护
静电释放保护和过压保护器件有助于保护控制器不受静电放电（ESD）事件的破坏。
静电释放保护和过压保护器件应满足下表要求。
若控制器能满足下表中静电保护要求，可以不安装ESD保护器件，但应预留D1和D2（如图3所示）的安装位置。
表9静电释放保护推荐值
释放介质
最大测试电压
空气式（Air）
±15kV
接触式（Contact）
±8kV
2.7晶振
晶振为CAN控制器的定时提供了参考。
为了保证正确的CAN通信，晶振频率必须是CAN网络通信波特率的整倍数。
晶振频率越高，定时稳定性也即越高。
时钟发生器只允许使用石英晶振，不允许使用其他时钟发生器，如陶瓷晶振。
晶振在各种条件下的误差必须少于±0.4%，包括受到温度、老化的影响。
下表给出CAN通信工作电压范围：
表10CAN通信正常电压范围
电压范围名称
供电电压
备注
最小值（V）
最大值（V）
vLow
-
8
不需要CAN通信；
如果ECU能正常通信，允许CAN通信。
vActive
8
18
所有ECU能正确的通信。
vHigh
18
-
不需要CAN通信；
如果ECU能正常通信，允许CAN通信。
在规定的过电压和欠电压条件下，为确保汽车关键部件的正常通信，要求不能有ECU干扰或中断总线通信，即使电源电压超出了正常工作电压范围。
这可能要求在一定电压条件下，收发器及其他电子器件暂时、完全停用。
如果本地ECU供电电压降低到特定数值以下或供电电压增加到特定数值以上的时间少于100ms，ECU应忽视电压变化。
例如：
ECU供电电压降到vActive最小值时，应在持续低于vActive最小值的时间超过100ms之后才允许停止CAN通信，当ECU从低电压恢复到vActive最小值时，应在持续高于vActive最小值的时间超过100ms之后才恢复CAN通信。
其他类似。
2.8总线电压
CAN总线电压值如表11和表12所示。
在隐性状态或总线空闲期间，电压值由终端电阻及节点输入电路的高阻抗共同决定。
仲裁期间显性状态时，隐性状态将被覆盖，显性状态差分电压值取决于多少个单元同时处于显性状态。
表11总线输出显性电压
电压
最小值（V）
标称值（V）
最大值（V）
V[CAN_H]
3.0
3.5
5.0
V[CAN_L]
0
1.5
2.0
V[Diff]
1.5
2.0
3.0
表12总线输出隐性电压
电压
最小值（V）
标称值（V）
最大值（V）
V[CAN_H]
2.0
2.5
3.0
V[CAN_L]
2.0
2.5
3.0
V[Diff]
-1.20
0
0.05
2.9上升沿与下降沿时间
根据Ref.1标准，不同CAN信号的跳变应在规定时间内完成。
图4所示为计算上升沿和下降沿时间的方法，差分电压的上升沿时间和下降沿时间见表13。
图2信号的上升沿与下降沿
表13信号上升沿与下降沿时间的范围
参数
符号
最小值
标称值
最大值
单位
上升沿时间
trdiff
20
－
200
ns
下降沿时间
tfdiff
20
－
500
ns
当信号值跳变并且跳变后的1μs内，CAN_H和CAN_L输出电压应该在稳态电压的81%到150%范围之内（图5中的V1）。
当信号值跳变并且经过1μs后，CAN_H和CAN_L输出电压应该在稳态电压的95%到105%范围之内（图5中的V2）。
图3信号值跳变后总线输出电压
2.10地偏移
节点地偏移：
在正常的操作电压范围内，如果节点地偏移未超过±2V，ECU应该可以正常通信，没有错误帧。
三、数据链路层
数据链路层用于在发送方将报文封装成数据帧；在接收方从数据帧中提取报文。
数据链路层的任务是由CAN控制器硬件完成的，它在硬件上实现了CAN协议并且以CAN驱动的方式提供了与其他通信层CAN协议的接口。
就总线接口而言，CAN协议标准化和一致性测试确保不同半导体供应商之间的兼容性。
CAN控制器和MCU之间的内部接口是由CAN驱动程序来处理。
3.1数据帧
数据帧的帧格式遵循CAN29位标识符的扩展帧格式，扩展帧格式如图6所示。
图4CAN扩展帧结构
3.2协议数据单元（PDU）
数据帧是通过PDU进行组织的。
PDU由数据帧中的29位标识符和数据场组成，ID又可划分为6个部分：
优先级P（3位），扩展数据页EDP位，数据页DP位，PDU格式PF，PDU细节PS（8位），源地址SA（8位）。
扩展帧协议数据单元及场分布如图7所示。
图5协议数据单元
）
优先级包含3位，位于ID的最前面，用来优化报文传输到总线的传输延迟。
一条报文的优先级可以从最高0（0002）设置到最低7（1112）。
当前所有报文的EDP位均设置为0。
应用层在分配参数组编号PGN时，只有DP0（DP=0）中的报文分配完以后，才允许分配DP1（DP=1）中的报文。
当前所有报文的PGN都设置为0，即所有报文的PGN都分配在DP0中。
）
PF域是一个8位域，它的取值确定了一条报文的PDU格式。
PDU格式定义了两种，分别为：
格式PDU1和格式PDU2。
详细描述如表14所示。
表14PDU类型
PF取值范围
PDU格式
PS含义
PDU功能
PF<239
PDU1
DA
特定目标地址发送
PF=239
私有PDU1
240≤PF<255
PDU2
GE
全局目标地址发送
PF=255
私有PDU2
天康CAN网络全局通信应使用PDU2中PF=255（0xFF），组扩展（GE）应统一分配以避免冲突。
）
PS场是一个8位场。
PS场的内容取决于PF场的取值。
具体描述如上表14所示。
DA场定义的特定目标地址要求任何源地址与该目标地址不同的节点忽略此报文。
DA场定义的全局目标地址（DA＝255），则要求所有节点对该报文都要做出监听和响应。
GE场与PF场的低4位（当PF场高4位全部置1时表示PS场是组扩展）提供每个数据页4096种参数组。
对于每个数据页有4096个参数组只在PDU2格式下可用；此外，还有240个参数组只在PDU1的格式下可用。
当前，两个数据页共有8672个参数组可用。
）
SA场是一个8位场。
给定的一个源地址在网络中应当只有一个设备与其相对应。
因此，源地址与CAN标识一样，应保证其唯一性。
数据场中包含了一条CAN数据帧要发送的数据内容。
）
PGN是一个24位的数值，用于定义CAN数据帧中数据场的一个参数组。
这24位数值包含如下组成部分：
第一个字节最高6位全置0，其后依次是EDP位，DP位；第二个字节为PF场；最后一个字节，如果为PDU1格式则设置为0x00，如果为PDU2格式，这字节的值为组扩展场GE的值，如图8所示。
图6PGN的组成
四、传输协议
当被传输的数据大于8字节时，需要使用多包传输功能进行数据传输。
一个多包传输报文最多可传送255包数据（每包7个数据字节），一个多包报文最多传输1785个字节的数据。
多包传输功能主要分为如下两个功能：
●打包和重组；
●连接管理。
具体传输协议应遵从标准Ref.5中的相关规定。
五、交互层
CAN通信是基于报文的交换，报文与CAN标识符、DLC一起打包，以数据帧的形式发送至CAN总线。
信号有自己的属性，其属性影响包含该信号的报文的传输。
5.1位格式和字节格式
为保证CAN报文的正确传输，图9定义了位和字节格式。
图7位和字节格式
每个数据场包括1到8个字节，每字节中位索引为位“0~7”。
位“7”是最高有效位（msb），位“0”是最低有效位（lsb）。
字节的发送顺序为：
首先发送byte0（LSB），然后byte1，byte2……（MSB）发送。
信号应按Motorola格式（大端格式）进行编码。
信号的起始位从最低有效字节（LSB）的最低有效位（lsb）开始。
如图10所示，为一个数据场中包含10比特信号的Motorola格式的报文，其起始位为28位。
图810位信号的报文排布（Motorolaformat）
报文中未使用的位须设为0，未使用的字节须设为0x00。
5.2报文发送方式
报文的四种发送方式：
1）周期
周期报文按周期时间T循环发送，如下图所示。
图9周期型发送
周期报文的发送周期偏差不可大于±10%。
当周期时间小于20ms时，周期偏差不可大于±20%。
2）事件
事件报文的发送取决于事件是否触发，如下图所示。
图10事件型报文
为了避免报文丢失，报文应该在事件发生后重复发送Nrepet次。
重复发送的时间间隔为Trepet，如表15所示。
表15事件发送类型的参数推荐
参数
符号
标称值
单位
备注
报文重复发送次数
Nrepet
-
在CAN通信矩阵中定义，必须得到普天确认
报文间隔时间
Trepet
-
ms
在CAN通信矩阵中定义，必须得到普天确认
3）周期和事件
当事件未发生时，报文以周期时间T循环发送，事件发生时，报文以Trepet周期发送Nrepet次，见上表15。
事件报文与周期报文发送的时间间隔不应小于20ms。
如果事件发生在周期报文发送之后20ms内，则事件报文延迟到周期报文发送20ms后再发送。
如果事件发生在周期报文发送之前20ms内，则周期报文延迟到事件报文发送20ms后再发送。
图11周期事件型报文
4）使能
和事件型发送类型一样，使能发送类型由报文中的一个或多个信号触发，引起报文传输。
当触发信号的“当前信号值≠非使能值时”，约束条件满足，触发条件发生。
非使能值应该在通信矩阵中定义。
当信号值等于使能值时，使能报文立刻以周期时间T循环发送。
当信号值由使能值变为非使能值时并且此时再无其它使能信号，相应报文发送NArepet次，见下图。
图12使能型报文
使能报文重复发送的时间间隔为tRepetitionA，参数定义如表16所示。
表16使能型发送类型的参数推荐
参数
符号
标称值
单位
备注
报文发送次数
NArepet
-
在CAN通信矩阵中定义，必须得到天康确认
报文间隔时间
TArepet
T
ms
在CAN通信矩阵中定义，必须得到天康确认
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