CAN總線目前已廣泛應(yīng)用在汽車電子領(lǐng)域，在整個(gè)自動(dòng)駕駛駕駛系統(tǒng)中也有著十分重要的作用，自動(dòng)駕駛汽車上的某些傳感器（如雷達(dá)、Mobileye）的信號傳遞也是通過CAN實(shí)現(xiàn)的。本文就帶大家了解一下CAN總線。

CAN 是Controller AreaNetwork 的縮寫，中文名為控制器局域網(wǎng)絡(luò)，是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，是一種用于實(shí)時(shí)應(yīng)用的串行通訊協(xié)議總線，它可以使用雙絞線來傳輸信號，是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。

因其具有高性能、高可靠性的通信機(jī)制，目前已廣泛應(yīng)用在汽車電子領(lǐng)域，CAN協(xié)議用于汽車中各種不同元件之間的通信，以此取代昂貴而笨重的配電線束。因此CAN總線在整個(gè)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中也有著十分重要的作用，自動(dòng)駕駛汽車上的某些傳感器（如雷達(dá)、Mobileye）的信號傳遞也是通過CAN實(shí)現(xiàn)的。

CAN 總線技術(shù)發(fā)展歷程

CAN 總線最早是由德國 Bosch 公司在 1986 年為汽車監(jiān)測和控制而設(shè)計(jì)，主要用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的通信。自寶馬公司 1989 年推出第一款使用 CAN-BUS的汽車后，CAN 總線就開始了其輝煌的歷程。CAN 的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面。CAN總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

CAN通信實(shí)時(shí)性與可靠性

CAN 總線從誕生之初就憑借著其優(yōu)良的實(shí)時(shí)性與可靠性迅速發(fā)展成為現(xiàn)場總線的領(lǐng)航者，但它仍存在一些缺陷。CAN 總線通信采用載波監(jiān)聽無損的仲裁技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較小時(shí)，CAN 總線實(shí)時(shí)性可以滿足各方面的需求，但隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不斷增大，信息在總線上碰撞的概率也隨之增大，如果繼續(xù)使用基本的 CAN 協(xié)議，優(yōu)先級較低的信息發(fā)送的實(shí)時(shí)性就會(huì)受到影響，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載到達(dá)一定程度后甚至?xí)顺隹偩€競爭。CAN總線協(xié)議采用靜態(tài)固定優(yōu)先級分配方式，這樣不同優(yōu)先級的信息就很難公平的共享總線使用權(quán)，這些缺陷成為制約其進(jìn)一步發(fā)展的問題。

CAN總線的基本工作原理

CAN協(xié)議的特性包括完整性的串行數(shù)據(jù)通訊、提供實(shí)時(shí)支持、傳輸速率高達(dá)1Mb/s、同時(shí)具有11位的尋址以及檢錯(cuò)能力。

CAN總線用戶接口簡單，編程方便。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線式結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，并且采用無源抽頭連接，系統(tǒng)可靠性高。通過CAN總線連接各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，形成多主機(jī)控制器局域網(wǎng)(CAN)。

信息的傳輸采用CAN通信協(xié)議，通過CAN控制器來完成。各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般為帶有微控制器的智能節(jié)點(diǎn)完成現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和基于CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點(diǎn)可以使用帶有在片CAN控制器的微控制器，或選用一般的微控制器加上獨(dú)立的CAN控制器來完成節(jié)點(diǎn)功能。傳輸介質(zhì)可采用雙絞線、同軸電纜或光纖。

如果需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，還可以在控制器和傳輸介質(zhì)之間加接光電隔離，電源采用DC-DC變換器等措施。這樣可方便構(gòu)成實(shí)時(shí)分布式測控系統(tǒng)。微控制器，或選用一般的微控制器加上獨(dú)立的CAN控制器來完成節(jié)點(diǎn)功能。傳輸介質(zhì)可采用雙絞線、同軸電纜或光纖。如果需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，還可以在控制器和傳輸介質(zhì)之間加接光電隔離，電源采用DC-DC變換器等措施。這樣可方便構(gòu)成實(shí)時(shí)分布式測控系統(tǒng)。

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)如何解析CAN總線的數(shù)據(jù)

本段主要討論無人駕駛系統(tǒng)獲取到CAN消息后，如何根據(jù)CAN協(xié)議，解析出想要的數(shù)據(jù)？

從CAN總線中解析出傳感器的信息，是每個(gè)自動(dòng)駕駛工程師，甚至每一個(gè)汽車電子工程師必備的技能。

認(rèn)識CAN消息

以百度推出的Apollo開源的代碼為例做CAN消息的講解，我們先看到每一幀的CAN消息是如何被定義的。

可以看到這個(gè)名為CanFrame的消息結(jié)構(gòu)中包含4個(gè)關(guān)鍵信息，分別是：

1.uint32_t id （CAN消息的ID號）

由于CAN總線上傳播著大量CAN消息，因此兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，會(huì)先看id號，以確保這是節(jié)點(diǎn)想要的CAN消息。最初的CAN消息id號的范圍是000-7FF（16進(jìn)制數(shù)），但隨著汽車電控信號的增多，需要傳遞的消息變多，信息不太夠用了。工程師在CAN消息基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了id號的范圍，大大增加了id號的上限，并將改進(jìn)后的CAN消息稱為“擴(kuò)展幀”，舊版CAN消息稱為“普通幀”。

如果拿寫信做比較，這個(gè)id就有點(diǎn)類似寫在信件封面上的名字。

2.uint8_t len（CAN消息的有效長度）

每一幀CAN消息能夠傳遞最多8個(gè)無符號整形數(shù)據(jù)，或者說能夠傳遞8*8的bool類型的數(shù)據(jù)。這里的len最大值為8，如果該幀CAN消息中有些位沒有數(shù)據(jù)，這里的len就會(huì)小于8。

3.uint8_t data[8]（CAN消息的實(shí)際數(shù)據(jù)）

正如剛才提到的，每一幀CAN消息都包含至多8*8個(gè)bool類型的數(shù)據(jù)，因此可以通過8*8個(gè)方格，可視化CAN消息中的data。如下圖所示：

在沒有CAN協(xié)議幫助我們解析的情況下，這里的數(shù)據(jù)無異于亂碼，根本無法得到有用的消息，這也是CAN消息難以破解的原因之一。

4.timestamp（CAN消息的時(shí)間戳）

時(shí)間戳表示的是收到該CAN消息的時(shí)刻。通過連續(xù)多幀的時(shí)間戳，可以計(jì)算出CAN消息的發(fā)送周期，也可以用于判斷CAN消息是否被持續(xù)收到。

綜上，每幀CAN消息中最重要的部分其實(shí)是data，即8*8的bool值。所謂解析CAN消息，其實(shí)就是解析這8*8個(gè)bool類型的值。

認(rèn)識CAN協(xié)議

目前業(yè)界的CAN協(xié)議，都是以后綴名為dbc的文件進(jìn)行存儲的。德國Vector公司提供CANdb++ Editor是一款專門用于閱讀dbc文件的軟件。

如下圖所示，為Mobileye提供的車道線的dbc文件。（文末提供CANdb++ Editor安裝包和Mobileye車道線的dbc文件的獲取方法）

以id號為0x766的LKA_Left_Lane_A為例，這是Mobileye檢測無人車左側(cè)車道線的部分信息，包括了左側(cè)車道線的偏移量，曲率等。該幀CAN消息（Message）中的五個(gè)信號（Signal），分別是Lane_Type、Quality、Curvature、Curvature_Derivative、Width_left_marking、Position。

每個(gè)信號的具體描述顯示在軟件右側(cè)，其中與解析直接相關(guān)的三個(gè)要素已用綠色框選中。

1.Value Type（Unsigned或Signed）

某些物理量在描述時(shí)是有符號的，比如溫度。而描述另外一些量時(shí)，是沒有符號的，即均為正數(shù)，比如說曲率。

2.Factor 和 Offset

這兩個(gè)參數(shù)需要參與實(shí)際的物理量運(yùn)算，F(xiàn)actor是倍率，Offset是偏移量。例如Lane_Type和Quality信號的Factor為1，Offset為0，而其他信號的Factor均為小數(shù)。具體的計(jì)算方法請往下看。

雙擊LKA_Left_Lane_A，打開Layout頁，會(huì)發(fā)現(xiàn)很熟悉的方塊陣列，如下圖所示。

工程師真正關(guān)心的恰好是這塊彩色圖，因?yàn)樵搱D上的每個(gè)小方塊和data中的每一個(gè)bool量一一對應(yīng)。這就是CAN協(xié)議的真面目。

解析CAN信號

由于彩色方塊圖與data是一一對應(yīng)的，我們將兩個(gè)圖疊加，將得到如下圖所示的data圖。

每個(gè)信號物理量的計(jì)算公式為：

1.Factor為1的物理量

由于Lane_Type和Quality的Factor為1，Offset為0，因此十進(jìn)制值為多少，實(shí)際物理量即為多少。

從圖中就能直接看出Quality這個(gè)信號占據(jù)兩個(gè)位，二進(jìn)制數(shù)11，換算為十進(jìn)制是3（1*2 + 1*1）；Lane_Type占據(jù)四個(gè)位，二進(jìn)制數(shù)為0010，換算為十進(jìn)制是2（0*8 + 0*4 + 1*2 + 0*1）。

所以這一幀信號表示此時(shí)的左車道線Lane_Type值為2，Quality值為3。對于整數(shù)值，通信雙方可以約定規(guī)則，比如Mobileye就規(guī)定了，Quality為0或者1時(shí)表示車道線的置信度較低，不推薦使用此時(shí)的值；2表示置信度中等，3表示置信度較高，請放心使用。

2.Factor為小數(shù)的物理量

對于Factor不為1的物理量，比如Position，需要使用移位的方法進(jìn)行解析，但解析公式保持不變。以百度 Apollo提供的源碼為例進(jìn)行講解。

這里的bytes即為CAN消息中的data，首先將Position信號所在的行取出來，將第1行的8個(gè)bool值存儲在變量t1中，將第二行的8個(gè)bool值存儲在變量t0中。由于在這條CAN消息中，Position同時(shí)占據(jù)了高8位和低8位，因此需要將第一行和第二行的所有bool位拿來計(jì)算，高8位存儲在32位的變量x中，低8位存儲在32位的變量t中。

現(xiàn)在需要將高8位和低8位拼接，將高8位左移8位，然后與低8位求或運(yùn)算，即可得到Position的二進(jìn)制值。隨后進(jìn)行的左移16位，再右移16位的操作是為了將32位的變量x的高16位全部初始化為0。之后將x乘以Factor再加上Offset即可得到真實(shí)的Position值，給真實(shí)值加上單位meter，即可獲取實(shí)際的物理量。

與CAN類似的通信協(xié)議

VCU、雷達(dá)等通過CAN總線傳遞信號，隨著CAN的負(fù)載越來越高，很多傳感器選擇了其他通信方式。比如激光雷達(dá)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量太過龐大，使用的是局域網(wǎng)的方式進(jìn)行傳遞；再比如GPS和慣導(dǎo)使用的是串口進(jìn)行通信。

雖然通信方式和通信協(xié)議千差萬別，但解析的方法都是一樣的。

最后，提醒一下，由于不同ID的CAN消息的結(jié)構(gòu)不一樣，因此工程師在寫解析代碼時(shí)，需要十分仔細(xì)，否則會(huì)給后續(xù)處理帶來想不到的bug。