1、信號(hào)角度

從信號(hào)角度，主要想再說(shuō)明下：信號(hào)在CAN總線上是電壓形式，在軟件中是二進(jìn)制數(shù)，這是怎么轉(zhuǎn)換的？信號(hào)在軟件中是如何變化的？

1.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換

通過(guò)本系列前面文章，我們知道ECU之間通過(guò)CAN總線通訊。從信號(hào)轉(zhuǎn)換角度：模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)，比如接收，如圖1所示。

其具體過(guò)程為：在CAN總線上，信號(hào)表現(xiàn)為電壓形式，其具體值根據(jù)ISO11898和ISO11519標(biāo)準(zhǔn)的定義而來(lái)。然后電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)CAN收發(fā)器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，即邏輯電平0和1。

接著這些邏輯電平序列將被ECU硬件單元處理，丟棄或存入寄存器。反之，發(fā)送過(guò)程其實(shí)就是一個(gè)數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程。

圖1 CAN總線到ECU的信號(hào)轉(zhuǎn)換

這里若需掌握各個(gè)環(huán)節(jié)的細(xì)節(jié)：

關(guān)于CAN總線特性，可通過(guò)ISO11898，ISO11519系列標(biāo)準(zhǔn)研究總線的電器和物理特性。

關(guān)于信號(hào)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)，可研究CAN收發(fā)器的原理與特性等。

關(guān)于寄存器存儲(chǔ)，可細(xì)讀相應(yīng)的芯片手冊(cè)，并動(dòng)手去配置芯片和調(diào)試代碼。

1.2 信號(hào)變化

上述的邏輯電平序列有什么規(guī)律？有什么作用？通過(guò)前面文章我們知道CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定義了這些邏輯電平序列，使這些數(shù)據(jù)有了實(shí)際意義，其實(shí)就是一些數(shù)據(jù)幀，遙控幀等的信息。

通過(guò)配置CAN硬件單元，比如利用IDE的數(shù)據(jù)就可以決定ECU是否接收某個(gè)CanId的數(shù)據(jù)，進(jìn)而再準(zhǔn)確將接收的相應(yīng)數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的寄存器，比如IDE存入IDE相關(guān)的寄存器，DLC存入長(zhǎng)度相關(guān)的寄存器。

當(dāng)軟件通過(guò)硬件接口訪問(wèn)相應(yīng)的寄存器，就可以讀取到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，比如長(zhǎng)度，數(shù)據(jù)等信息。這樣軟件按照OSI參考模型的架構(gòu)將這些讀取的數(shù)據(jù)以協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）格式逐層向上傳輸，直到將PDU解包成報(bào)文通訊協(xié)議規(guī)定的信號(hào)形式，整個(gè)過(guò)程如下圖2所示。



圖2 CAN通訊的信號(hào)變化過(guò)程 這里若研究各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)：

關(guān)于CAN幀定義，可細(xì)讀CAN協(xié)議和ISO11898-1標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)于寄存器的存儲(chǔ)與提取，可研究相應(yīng)的芯片手冊(cè)。

關(guān)于CAN通訊架構(gòu)，可參考OSI參考模型，ISO17356和AUTOSAR文檔等。

2、軟硬件角度

從軟硬件角度，要實(shí)現(xiàn)怎么樣CAN通訊功能，就決定了要用怎樣的硬件和軟件。那么從軟件工程師角度，是怎么看硬件？又是怎么看軟件的？

2.1 硬件

從軟件工程師角度，主要是根據(jù)芯片手冊(cè)，ECU原理圖和其他驅(qū)動(dòng)的用戶手冊(cè)來(lái)助于對(duì)軟件的理解，比如了解CAN的硬件連接，即從總線連接到哪個(gè)PIN，PIN連接到什么收發(fā)器，收發(fā)器連接到芯片的哪些引腳?；蛘吡私馓崛〖拇嫫鲾?shù)據(jù)，要對(duì)芯片進(jìn)行的哪些配置，怎么配置等?；蛘吒钊氲鼐褪怯布匦宰兓瘯?huì)對(duì)軟件產(chǎn)生怎樣的影響等等。

2.2 軟件

從前面文章我們知道，先明確了一個(gè)清晰的軟件架構(gòu)，如下圖3的中間部分，再?gòu)目刂屏骱蛿?shù)據(jù)流考慮。若采用一個(gè)極其簡(jiǎn)單的架構(gòu)，如圖3最左側(cè)部分，從寄存器提取完數(shù)據(jù)，直接給應(yīng)用層去解析。

但這樣的架構(gòu)顯然滿足不了軟件的安全性，可移植性，可重用性和可擴(kuò)展性等要求，所以為了滿足這些要求，會(huì)采用基于OSI參考模型的AUTOSAR架構(gòu)，如圖3最右側(cè)部分，只允許CAN Driver 訪問(wèn)硬件，向上只對(duì)接CAN Interface，與上層的模塊通訊均由CAN Interface統(tǒng)一管理，通過(guò)PduR路由到更多的上層模塊，減少接口等等。

當(dāng)然前面文章出于內(nèi)容更易懂且精煉的考慮，采用了圖3中間部分的基于OSI參考模型的AUTOSAR架構(gòu)的簡(jiǎn)約版。

圖3 CAN通訊的軟件架構(gòu)，引自[1]

這個(gè)軟件架構(gòu)的CAN通訊控制流如下圖4所示。前面文章已經(jīng)大體上介紹了CAN發(fā)送與接收的控制過(guò)程，比如不同模塊如何進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，同一模塊中數(shù)據(jù)傳輸所需具備的條件。另外也介紹了這些過(guò)程所涉及的接收通知，發(fā)送，發(fā)送確認(rèn)的相關(guān)函數(shù)與動(dòng)作。抽象地講就是實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能需先要以一定的時(shí)序組織不同的模塊，然后各個(gè)模塊要滿足各自一定的條件才去采取執(zhí)行某些活動(dòng)，最后考慮這些活動(dòng)如何具體地一步一步實(shí)施。

圖4

當(dāng)然通過(guò)控制流不難發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)流也極其重要?；贠SI參考模型，協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）在不同的層會(huì)有不同的名字，比如數(shù)據(jù)鏈路層的PDU叫L-PDU，網(wǎng)絡(luò)層的PDU叫N-PDU，交互層的PDU叫I-PDU。我們根據(jù)這些PDU和其他信息的映射關(guān)系，鏈接關(guān)系，就可構(gòu)建起整個(gè)CAN通訊功能的數(shù)據(jù)流，類(lèi)似于圖5。

這樣使得我們能更好理解AUTOSAR配置工具，比如VECTOR或EB工具配置內(nèi)容的設(shè)置和鏈接關(guān)系；也能更深入AUTOSAR的CAN通訊實(shí)現(xiàn)原理與方法，比如硬件的訪問(wèn)機(jī)制，從L-PDU到N-PDU到I-PDU的映射邏輯等。

圖5 PDU的傳輸，引自[1]

這里若想研究軟件的各個(gè)模塊，可根據(jù)ISO11898-1， ISO17356-4和相關(guān)AUTOSAR文檔。

3、功能視角

功能需求決定了硬件和軟件，所以先看軟件實(shí)現(xiàn)了怎么樣的功能，然后再看軟件具體是怎樣實(shí)現(xiàn)的。正如目前文章介紹的只是最常見(jiàn)的CAN通訊發(fā)送與接收功能，沒(méi)有考慮通訊錯(cuò)誤的情況，也沒(méi)有考慮總線關(guān)閉的情況。為了完善CAN通訊基本功能，也為了強(qiáng)化CAN通訊功能，下面將大概列舉出來(lái)，也算是預(yù)告下后面文章的內(nèi)容。

對(duì)于CAN通訊錯(cuò)誤的情況，CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定義了一套完成的錯(cuò)誤處理機(jī)制。比如： 針對(duì)總線信號(hào)有定義錯(cuò)誤幀，下圖6所示。



圖6 錯(cuò)誤幀定義，引自[2]

針對(duì)總線通訊單元有定義主動(dòng)錯(cuò)誤，被動(dòng)錯(cuò)誤和總線關(guān)閉狀態(tài)，如圖7所示。




圖7 單元的錯(cuò)誤狀態(tài)，引自[2]

針對(duì)CAN通訊網(wǎng)絡(luò)有定義無(wú)通訊模式，靜默模式，完全通訊模式，如圖8所示。




圖8 CanSM狀態(tài)機(jī)，引自[3]

對(duì)于CAN數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不夠的情況，有提出一種更靈活的CAN數(shù)據(jù)幀，即CANFD。




圖9 CANFD概念，引自[4]

對(duì)于CAN通訊網(wǎng)絡(luò)能被喚醒的情況，如下圖10所示。



圖10 具備喚醒的CAN網(wǎng)絡(luò)示意，引自[5]

就先列出這些典型的CAN通訊功能，通過(guò)這些新功能不難發(fā)現(xiàn)：為了應(yīng)對(duì)日益增加的功能需求，不管是針對(duì)個(gè)人還是企業(yè)，硬件還是軟件，其實(shí)都需要不斷地進(jìn)行更新和強(qiáng)化。

到此我們就從3個(gè)視角既回顧了CAN通訊的基本發(fā)送與接收功能，也提出了CAN通訊的新功能，為了讓大家更加全面且系統(tǒng)地了解CAN通訊功能，后面文章將在CAN發(fā)送與接收的主樹(shù)干上繼續(xù)生枝發(fā)葉。

審核編輯：劉清