GB/T 41588.3-2022 全文(道路车辆 CAN 第 3 部分:低速容错、媒介相关接口)
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标准信息:GB/T 41588.3-2022《道路车辆 控制器局域网(CAN)第 3 部分:低速容错、媒介相关接口》,采标 ISO 11898-3。 全文定位:完整正文站内查阅,章节结构与表格已保留(自动提取整理)。
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1 范围
本文件规定了基于 CAN 的道路车辆电子控制单元之间的数字信息的交互特性 ,低速 CAN 应用层 的容错行为以及基于 ISO/OSI层模型的媒介相关接口和物理媒介连接物理层 。 本文件适用于传输速率介于 40 kbps~ 125 kbps的 CAN 串行 通 信 协 议 , 支 持 分 布 式 控 制 和 多 路 复用 。
2 规范性引用文件
本文件没有规范性引用文件 。
3 术语和定义
下列术语和定义适用于本文件 。 3. 1 总线 bus 所有节点都是被动连接并允许双向传输的通信网络的拓扑 。 3.2 总线失效 busfailure 物理总线故障(比如断路 、短路)导致的失效 。 3.3 总线值 busvalue 总线具有两种互补逻辑值中的一种 :显性或隐性 。 注 : 显性代表逻辑 0, 隐性代表逻辑 1。在同时传输显性位和隐性位时 ,总线值为显性 。 3.4 总线电压 busvoltage 定义每个单独 CAN节点的总线 CAN_L 和 CAN_ H 相对于地的电压 。 注 : VCAN_L 和 VCAN_ H 表示总线电压 。 3.5 差分电压 differentialvoltage;Vdiff CAH_ H 和 CAN_L之间的电压 。 注 : Vdiff=VCAN_ H -VCAN_L 。 3.6 无故障通信 faultfreecommunication 没有信息丢失的工作模式 。 3.7 容错 faulttolerance 在特定的总线故障条件下 ,至少被降低性能的状态下的工作能力 。 示例 : 信噪比降低 。 3. 8 收发器环路延时 transceiverloop timedelay 一个逻辑信号从收发器的逻辑输入端发出到收发器的逻辑输出端检测到此信号的延迟时间 。 3.9 低功耗模式 low powermode 低功率消耗的工作模式 。 注 : 低功耗模式的节点不会干扰其他节点之间的通信 。 3. 10 节点 node 连接到通信网络 ,根据通信协议定义能够通过网络进行通信的装置 。 3. 11 正常模式 normalmode 收发器能有效的参与(发送和/或接收)网络通信的工作模式 。 3. 12 工作电容 operating capacitance;Cop 由网络拓扑和物理介质特性决定的总线和一个或多个可见的节点连接器之间的总电容 。 3. 13 物理层 physicallayer 连接 ECU 和总线的电路 。 3. 14 物理媒介(总线的) physicalmedium (ofthebus) 一对平行或双绞 ,屏蔽或非屏蔽的线束 。 注 : 单线表示成 CAN_ H 和 CAN_L。 3. 15 接收器 receiver 将物理信号转换成逻辑信息或数据信号的设备 。 3. 16 发送器 transmitter 将逻辑信息或数据信号转换成电信号以便通过物理媒介进行传输的设备 。 3. 17 收发器 transceiver 将逻辑信号转换成物理信号或物理信号转换成逻辑信号的设备 。
4 缩略语
ACK:应答(acknowledge) CAN:控制器局域网(controller area network) CRC:循环冗余校验(cyclic redundancy check) CSMA:载波侦听多路访问(carrier sense multiple access) DLC:数据长度编码(data length code) ECU : 电子控制单元(electronic control unit) EOF: 帧结束(end offrame) FCE:故障界定实体(faultconfinemententity) IC:集成芯片(integrated circuit) LAN:局域网(localarea network) LLC:逻辑链路控制(logical link control) LME:层管理实体(layer managemententity) LPDU :逻辑链路控制协议数据单元(LLC protocol data unit) LSB:最低有效位(leastsignificantbit) LSDU :逻辑链路控制服务数据单元(LLC service data unit) LS-MAU :低速媒介访问单元(low-speed medium access unit) MAC:媒介访问控制(medium access control) MAU :媒介访问单元(medium access unit) MDI:媒介相关接 口 (medium dependentinterface) MPDU :媒介访问控制协议数据单元(MAC protocol data unit) MSB:最高有效位(mostsignificantbit) MSDU :媒介访问控制服务数据单元(MAC service data unit) NRZ:非归零(non-return-to-zero) OSI:开放式系统互联(open system interconnection) PL:物理层(physical layer) PLS:物理信令(physical layer signalling) PMA:物理媒介连接(physical medium attachment) RTR:远程发送请求(remote transmission request) SOF: 帧起始(startofframe)
5 开放式系统互联(OSI)参考模型
根据图 2 的开放式系统互联参考模型 ,CAN架构描述了其中两层 : — 数据链路层 ; — 物理层 。 本文件描述了低速容错 CAN 收发器的物理层 。对数据链路层的影响仅给出了一部分 。 图 2 OSI参考模型/CAN层级架构
6 媒介相关接口(MDI)说明
- 1 物理媒介
-
- 1 概述 应用于 CAN广播式传输的物理媒介应为一对平行(或双绞)线 ,线束屏蔽或非屏蔽取决于 EMC 的 需求 。单根总线被表示为 CAN_ H 和 CAN_L。CAN_ L 的显性状态电压比隐性状态的电压低 ,CAN_ H 的显性状态电压比隐性状态的电压高 。
- 1.2 节点总线连接 CAN_ H 和 CAN_L两条线束的终端 ,其通过终端的节点实现 。 每条线束的总终端电阻应大于或 等于 100 Ω。然而 , 由于半导体厂商的限制 ,特定节点的终端电阻值不应低于 500 Ω。 隐性状态可以通 过 CAN_L短接到 VCC,CAN_ H 短接到 GND来得到 , 图 3 阐明了总线节点的正常终端连接 。 标引序号说明 : a 可选 。 图 3 单总线节点的终端 在图 3 中 ,终端电阻是可选的 。意味着若总的终端电阻的需求已满足 ,那么不是所有的节点都需要 单独的终端电阻 。
- 1.3 工作电容 以下说明对于汽车的单根线束模型是有效的 。它是由一对双绞铜线组成 ,拓扑连接如 6. 1. 4所示 。 图 4 和图 5 的基本模型用于计算 。 标引序号说明 : a— 驱动器 ; b— 导线部分 。 图 4 CAN 线的替代电路 标引序号说明 : a— 对称轴 ; b— 地 。 图 5 针对网络长度 L 的工作电容 工作电容计算采用公式(1) 。 Cop = l(C’+2C’12) + nCnode +kCplug ……………………( 1 ) 式中 : Cop — 工作电容 ; C’ — 参考线束长度 , 以米为单位的总线与地之间的电容 ; C’12 — 参考线束长度 , 以米为单位的两个线束之间的电容(假定是对称的) ; Cnode — 总线侧可见的连接到总线的节点电容 ; Cplug — 接入一个连接器的电容 ; l — 网络线缆的总长度 ; n — 节点的数量 ; k — 接插件的数量 。 示例 : 参考整个网络线缆长度 ,如下公式描述了典型网络工作电容的典型值 : C’+ 2C’12 = 120 pF/m
- 1.4 媒介定时 最大允许的工作电容受限于网络内部的固有参数 , 比如 : — 整个终端电阻 Rterm ; — 线束模型和拓扑 ; — 通信速率 ; — 采样点和电压阈值 ; — 地漂 ,等 。 公式(2)提供了一种方法来评估最大允许的工作电容 。 ……………………( 2 ) 式中 : Rterm — 整个网络终端电阻(大约 120 Ω) ,单位为欧姆(Ω) ; Cop — 工作电容 ,如公式(1)所述 ,单位为皮法(PF) ; τC — 总线的时间常数 ; sp — 一个位的采样点 ; fbit — 比特率或物理通信速率 ,单位为比特每秒(bit/s) ; t1 — 收发器设备的整个环路延时时间 ,单位为秒(s) ; tsync — 两个节点之间最大可能的同步延时 ,单位为秒(s) ; V0 — 总线最大电平(通常为 5 V) ,单位为伏特(V) ; Vth — 采样电压阈值(通常小于 0. 5 V) ,单位为伏特(V) ; VGND — 最大允许的有效地漂(最大 3 V) ,单位为伏特(V) 。 τC 的计算结果如图 6所示 。 标引序号说明 : X —τC (μs) ; Y — 采样点 ; Z — 通信速率(kbit/s) 。 条件 : V0 — 假设为 5 V; Vth — 假设为 0. 2 V; 假设没有地漂 。 假设总的内部环路延迟为 1. 5 μs。 图 6 相对 τC 的最大的通信速度和采样点 根据经验 ,可能的最大时间常数 τC 用公式(3)计算 : τC ≤ ……………………( 3 ) 式中 : fbit— 代表位频率或物理通信速度 ,用位每秒表示 。
6.2 物理信令
总线呈现两种逻辑状态隐性和显性中的一种(见图 7) 。差分电压按照公式(4) 计算 。采用差分电 压 Vdiff区分这两种状态 : Vdiff =VCAN_ H -VCAN_ L ……………………( 4 ) 式中 : VCAN_ H —CAN_ H 线的电平 ; VCAN_ L —CAN_L线的电平 。 隐性状态下 , 当 CAN_L线的电平被设定高于 CAN_ H 线时 ,会导致负的差分电压 Vdiff 。 隐性状态 在总线空闲或隐性位时进行传输 。 显性状态通过正的差分电压 Vdiff来表示 ,这意味着 CAN_ H 线被主动固定在高电平 ,CAN_L 线被 主动固定在低电平 。显性状态覆盖隐性状态 ,并在显性位进行传输 。 标引序号说明 : a— 隐性状态 ; b— 显性状态 。 图 7 物理位表现形式
6.3 电气特性
6.3. 1 ECU 电气边界电压 表 1 给定的参数应对最大节点连接情况下的电压有效 。 表 1 12V 系统和 42V 系统中 ECU 的VCANH 和VCANL 的额定值
| 符号 | 符号 | 电压值 | 电压值 |
|---|---|---|---|
| 符号 | 符号 | 最小值a/V | 最大值/V |
| 12 V 系统 | VCAN_L | -27. 0 | 40. 0 |
| 12 V 系统 | VCAN_ H | -27. 0 | 40. 0 |
表 1 12V 系统和 42V 系统中 ECU 的VCANH 和VCANL 的额定值 (续)
| 符号 | 符号 | 电压值 | 电压值 |
|---|---|---|---|
| 符号 | 符号 | 最小值a/V | 最大值/V |
| 42 V 系统 | VCAN_L | -58. 0 | 58. 0 |
| 42 V 系统 | VCAN_ H | -58. 0 | 58. 0 |
| 收发器没有被破坏 。 | |||
| 收发器不宜影响网络通信 。 | |||
| 此处应用的电压值不考虑时间限制 。 | 收发器没有被破坏 。 | ||
| 收发器不宜影响网络通信 。 | |||
| 此处应用的电压值不考虑时间限制 。 | 收发器没有被破坏 。 | ||
| 收发器不宜影响网络通信 。 | |||
| 此处应用的电压值不考虑时间限制 。 | 收发器没有被破坏 。 | ||
| 收发器不宜影响网络通信 。 | |||
| 此处应用的电压值不考虑时间限制 。 | |||
| a 在 VGND连接断开或是在跳变的启动条件下 。 | a 在 VGND连接断开或是在跳变的启动条件下 。 | a 在 VGND连接断开或是在跳变的启动条件下 。 | a 在 VGND连接断开或是在跳变的启动条件下 。 |
共模总线电压 ,按照公式(5)计算 ,VCOM : ……………………( 5 ) 式中 : VCAN_ L—CAN_L线的电平 ; VCAN_ H—CAN_ H 线的电平 。 共模电压 VCOM ,对于正常工作模式下无干扰系统来说 ,必须保证在表 2设定的等级范围内 。 表 2 正常工作模式下 ,无干扰系统的共模电压
| 参数 | 符号 | 单位 | 电压值 | 电压值 | 电压值 |
|---|---|---|---|---|---|
| 参数 | 符号 | 单位 | 最小值 | 标称值 | 最大值 |
| 共模电压 | VCOM | V | -1 | 2. 5 | 6 |
6.3.2 物理信令的直流参数 见表 3~表 5。
表 3 连接到终端网络的 ECU 隐性状态的直流参数
| 参数 | 符号 | 单位 | 电压值 | 电压值 | 电压值 |
|---|---|---|---|---|---|
| 参数 | 符号 | 单位 | 最小值 | 标称值 | 最大值 |
| 总线电压 | VCAN_L | V | Vcc -0. 3a | — | — |
| 总线电压 | VCAN_ H | V | — | — | 0. 3 |
| 总线差分电压b | Vdiff | V | -Vcc | — | - Vcc +0. 6 |
| a VCC为正常 5 V 电压 。 | |||||
| b 差分电压是由隐性状态的所有 ECU 的输入负载决定的 。 因此 , 当连接到总线的 ECU 的数 目 增 加 时 ,Vdiff会 稍 微减少 。 | a VCC为正常 5 V 电压 。 | ||||
| b 差分电压是由隐性状态的所有 ECU 的输入负载决定的 。 因此 , 当连接到总线的 ECU 的数 目 增 加 时 ,Vdiff会 稍 微减少 。 | a VCC为正常 5 V 电压 。 | ||||
| b 差分电压是由隐性状态的所有 ECU 的输入负载决定的 。 因此 , 当连接到总线的 ECU 的数 目 增 加 时 ,Vdiff会 稍 微减少 。 | a VCC为正常 5 V 电压 。 | ||||
| b 差分电压是由隐性状态的所有 ECU 的输入负载决定的 。 因此 , 当连接到总线的 ECU 的数 目 增 加 时 ,Vdiff会 稍 微减少 。 | a VCC为正常 5 V 电压 。 | ||||
| b 差分电压是由隐性状态的所有 ECU 的输入负载决定的 。 因此 , 当连接到总线的 ECU 的数 目 增 加 时 ,Vdiff会 稍 微减少 。 | a VCC为正常 5 V 电压 。 | ||||
| b 差分电压是由隐性状态的所有 ECU 的输入负载决定的 。 因此 , 当连接到总线的 ECU 的数 目 增 加 时 ,Vdiff会 稍 微减少 。 |
表 4 连接到终端网络的 ECU显性状态的直流参数
| 参数 | 符号 | 单位 | 电压值 | 电压值 | 电压值 |
|---|---|---|---|---|---|
| 参数 | 符号 | 单位 | 最小值 | 标称值 | 最大值 |
| 总线电压 | VCAN_L | V | — | — | 1. 4 |
| 总线电压 | VCAN_ H | V | VCC -1. 4a | — | — |
| 总线差分电压 | Vdiff | V | VCC -2. 8 | — | Vcc |
| a VCC为正常 5 V 电压 。 | a VCC为正常 5 V 电压 。 | a VCC为正常 5 V 电压 。 | a VCC为正常 5 V 电压 。 | a VCC为正常 5 V 电压 。 | a VCC为正常 5 V 电压 。 |
表 5 连接到终端网络的 ECU低功耗状态的直流参数
| 参数 | 符号 | 单位 | 电压值 | 电压值 | 电压值 |
|---|---|---|---|---|---|
| 参数 | 符号 | 单位 | 最小值 | 标称值 | 最大值 |
| 总线电压 | VCAN_L | V | 5 | — | — |
| 总线电压 | VCAN_ H | V | — | — | 1 |
6.3.3 比较器的直流参数
见表 6 和表 7。 表 6 在正常模式和故障模式下显性 , 隐性和故障检测下的直流阈值
| 参数 | 符号 | 单位 | 电压值 | 电压值 | 电压值 |
|---|---|---|---|---|---|
| 参数 | 符号 | 单位 | 最小值 | 标称值 | 最大值 |
| 单终端总线收发器 | VthCAN_L_N | V | 2. 5 | — | 3. 9 |
| 单终端总线收发器 | VthCAN_ H_N | V | 1. 5 | — | 2. 3 |
| 差分电压收发器 | VthDiff_N | V | -3. 9 | — | -2. 5 |
| 检测到 CAN_L短路到电源 | VthLxBAT_N | V | 6. 5 | — | 8. 0 |
| 检测到 CAN_ H 短路到电源 | VthHxBAT_N | V | 6. 5 | — | 8. 0 |
表 7 低功耗模式下唤醒和故障检测的直流阈值
| 参数 | 符号 | 单位 | 电压值 | 电压值 | 电压值 |
|---|---|---|---|---|---|
| 参数 | 符号 | 单位 | 最小值 | 标称值 | 最大值 |
| 唤醒的电压阈值 | Vth(wake)L | V | 2. 5 | 3. 2 | 3. 9 |
| 唤醒的电压阈值 | Vth(wake) H | V | 1. 1 | 1. 8 | 2. 5 |
| 唤醒的差分电压阈值 | ΔVth(wake) | V | 0. 8 | 1. 4 | — |
6.4 网络规范
6.4. 1 网络拓扑 单个 CAN节点通过总线拓扑 ,或者星型拓扑(见图 8 和图 9)的方式连接到通信网络 。 标引序号说明 : 1— 节点 1; 2— 节点 2。 图 8 连接模型 :节点连线的总线架构 为了实现容错机制 ,任何连接方式都需满足以下的需求 。 — 整个的网 络 终 端 电 阻 应 大 约 为 100 Ω(但 是 不 能 小 于 100 Ω) 。 终 端 概 念 的 详 细 说 明 请 见6. 4. 2。 — 最大的可能参与节点数量 不 应 小 于 20(在 速 率 为 125 kbps和 整 个 网 络 长 度 40 m 情 况 下) 。 实际节点的数量会随通信速率 ,容性网络负载 ,整体 CAN线长 , 网络终端形式等发生变化 。 — 为提供最大 125 kbps的通信速率 ,整个网络长度不应超过 40 m ,然而 ,通过降低实际通信速 率的方式来增加整个网络的长度也是可行的 。 标引序号说明 : 1— 节点 1; 2— 节点 2; 3— 节点 3; 4— 节点 4; 5— 节点 5; 6— 节点 6; 7— 节点 n。 图 9 星型总线连接模式 对于星型节点的配置 ,需满足以下额外的限制条件 : — 单独节点连接到一个或多个无源星型节点上 ,需要通过正常总线结构连接 ; — 甚至一些连接线(从星型连接器到节点)可能扩展到数米 ;不推荐用短接线 ; — 整个网络的长度(所有星型连接线的长度加起来) 和节点到节点之间的最大距离会影响网络 通信 。 示例 : 对于本文件中给出的大多数的例子 ,用到如下网络拓扑 : — 星型连接方式包含两个星型节点 ; — 网络终端总电阻 100 Ω; — 节点数量大约为 20个 ; — 整个网络长度大约为 40 m ; — 最大的节点到节点距离是 20 m ; — 线电容约为 120 pF/m。
6.4.2 网络终端
6.4.2. 1 概述 6. 2 描述的隐性总线电平是通过总线终端维持的 。显性总线电平会主动覆盖隐性总线状态 。显性 到隐性电平的转换也是通过终端电阻实现的 。然而没有特定的终端网络或电路 。此外 , 大部分参与通 信的节点连接了终端电阻 。
6.4.2.2 终端模式
原则上有两种主要的终端模式 : — 正常模式终端 ; — 低功耗模式终端 。 正如 8. 3 中描述的故障管理 ,实际的总线终端取决于收发器所处的故障模式 。 在任何一种模式(正常或 低 功 耗 模 式) 下 , 用 CAN_ H 线 短 接 到 地(用 一 个 下 拉 电 阻) 来 表 征 隐 性 状态 。 在正常电源模式下 ,通过上拉电阻将 CAN_L短接到 VCC 。然而 ,在低功耗模式下 ,CAN_L 通过收 发器内部的开关将终端电阻的高端短接到 VBAT 。
6.4.2.3 终端概念
连接 CAN_L线到收发器的 RTL管脚 ,连接 CAN_ H 到 RTH 管脚 ,实现终端(见图 3) 。 通过连接终端管脚 ,应考虑下述需求 : — 由于电路内部电流限制和 CAN 电压的原因 ,单线上的整个网络终端电阻(所有连接到 RTL 或 RTH 管脚的并联电阻)应当大约为 100 Ω; — 由于电路内部电流的限制 ,连接到单独 CAN 收发器的单个电阻不应低于 500 Ω。 推荐每个节点带有自己的终端电阻 。但这不是严格要求 。如果断线故障出现 ,终端做的不规范的 节点可能不能识别唤醒信号 。
7 物理媒介故障定义
- 1 物理故障 表 8定义的物理故障应由带容错功能的收发器进行处理 。
7.2 故障事件
7.2. 1 概述 收发器如果不处理物理故障 ,将会影响总线系统 。这些故障情形称为故障事件 ,可以分成两个主要 的组 : — 电源故障 ; — 总线故障 。 通常 ,故障事件的检测会导致收发器执行内部状态开关 。
7.2.2 电源故障
如果一个节点与地断开 连 接(或 是 受 到 地 偏 大 于 定 义 的 极 限 ± 1. 5 V 的 影 响) , 或 者 与 正 常 电 源 (VCC或 VBat)断开连接 ,这种故障称为电源故障 。
7.2.3 总线故障
不是所有的总线故障(表 8 的开路或短路故障)都能被收发器区分 。 因此 ,定义了一套缩减的故障 事件组(见表 9) 。 表 8 物理故障
| 总线故障的描述 | 网络总线上的行为 |
|---|---|
| 一个节点与总线断开a | 总线上的剩余节点保持通信 |
| 一个节点丢失电源b | 总线上的剩余节点至少在信噪比降低的情况下能够保持通信 |
| 一个节点丢失地b | 总线上的剩余节点至少在信噪比降低的情况下能够保持通信 |
| 开路和短路故障 | 总线上的所有节点至少在信噪比降低的情况下能够保持通信 |
| CAN_L断路 e | 总线上的所有节点至少在信噪比降低的情况下能够保持通信 |
| CAN_ H 断路 e | 总线上的所有节点至少在信噪比降低的情况下能够保持通信 |
| CAN_L短路到电源电压 c | 总线上的所有节点至少在信噪比降低的情况下能够保持通信 |
| CAN_ H 短路到地 c,e | 总线上的所有节点至少在信噪比降低的情况下能够保持通信 |
| CAN_L短路到地 c | 总线上的所有节点至少在信噪比降低的情况下能够保持通信 |
| CAN_ H 短路到电源电压 c | 总线上的所有节点至少在信噪比降低的情况下能够保持通信 |
| CAN_L线短路到 CAN_ H 线 d | 总线上的所有节点至少在信噪比降低的情况下能够保持通信 |
| CAN_L线和 CAN_ H 线在同 一 | |
| 位置断路a | 完整系统没有通信行为 。 |
| 在剩余的子系统中的节点可能继续保持通信 | |
| a 由于分布式终端的概念 ,这种故障不会影响到剩余的节点间的通信 ,并且不会被收发器检测到 。 因此 ,这种 情 况不被处理且不作为本文件的一部分 。 | |
| b 两种故障被当作电源故障来处理 。 | |
| c 在地偏为 ±1. 5 V 的范围内 ,可能发生短路故障 。 | |
| d 这种故障可以被“CAN_L短路到地 ”的故障覆盖 。 | |
| e 这些故障不会导致收发器内任何的改善行为 ,是可以被接受的 。 | a 由于分布式终端的概念 ,这种故障不会影响到剩余的节点间的通信 ,并且不会被收发器检测到 。 因此 ,这种 情 况不被处理且不作为本文件的一部分 。 |
| b 两种故障被当作电源故障来处理 。 | |
| c 在地偏为 ±1. 5 V 的范围内 ,可能发生短路故障 。 | |
| d 这种故障可以被“CAN_L短路到地 ”的故障覆盖 。 | |
| e 这些故障不会导致收发器内任何的改善行为 ,是可以被接受的 。 |
表 9 故障事件
| 事件名称a | 描述 |
|---|---|
| CAN-H 对电源电压短路 | 故障的典型发生场景 :CAN_ H 线短路到电源电压 VBat |
| CAN-H 对供电电压短路 | 故障的典型发生场景 :CAN_ H 线短路到供电电压 VCC |
| CAN-L对电源电压短路 | 故障的典型发生场景 :CAN_L线短路到电源电压 VBat |
| CAN-L对地短路 | 故障的典型发生场景 :CAN_L线短路到地 |
| a 故障事件可能发生在 N(正常模式)和 LP(低功耗模式)下 。 | a 故障事件可能发生在 N(正常模式)和 LP(低功耗模式)下 。 |
8 物理媒介连接(PMA)
- 1 概述 物理媒介连接规范描述了 ECU需求 ,尤其是参与 CAN 网络通信的收发器的需求 。
8.2 时间要求
8.2. 1 概述 为使在最长的线束中获得最大的通信速率 ,收发器内部的环回时间是有限制 , 因此 , 收发器应满足 所有可能失效情况下给定的约束条件 。
8.2.2 约束
图 10显示了 ECU应满足的时间要求 :如 : —Tx,s为发送节点的数字输入信号 ; —Rx,s为发送节点(从总线上回读的)的数字输出信号 ; —Rx,d为目标节点的数字输出信号 ; —CAN_L 和 CAN_ H 为总线上的物理信号 。 隐性到显性(a→ b)和显性到隐性(b→ a)的转换均应满足特定时间需求 。 标引序号说明 : a— 隐性 ; b— 显性 。 图 10 无地漂移的差分工作时间实例
8.2.3 测量电路环延时
收发器应保证对 Tx 输 入 信 号 的 最 大 环 延 时 。 图 10 定 义 的 环 延 时 tLoopRD 和 tLoopDR 参 数 可 按 照 表 10、图 11方式测量 。 表 10 单个收发器的环路延迟
| 故障事例 | tLoopRD ;tLoopDR | 条件 |
|---|---|---|
| 无故障 | 最大值 1. 5 μs | VTX输出 50 kHZ,50%的占空比的方波信号 ,斜率时间小于 10 ns, |
| CRX = 10 pF, RRTL = RRTH = 500 Ω, CCAN_L = CCAN_ H = 1 nF, | ||
| RCAN_L = RCAN_ H = 125 Ω | ||
| 除 CAN_L短路到 | ||
| CAN_ H 之外的所有故障 | 最大值 1. 9 μs | VTX输出 50 kHZ,50%的占空比的方波信号 ,斜率时间小于 10 ns, |
| CRX = 10 pF, RRTL = RRTH = 500 Ω, CCAN_L = CCAN_ H = 1 nF, | ||
| RCAN_L = RCAN_ H = 125 Ω | ||
| CAN_L短路到 CAN_ H | 最大值 1. 9 μs | VTX输出 50 kHZ,50%的占空比的方波信号 ,斜率时间小于 10 ns, |
| CRX = 10 pF, RRTL = RRTH = 500 Ω, CCAN_L = CCAN_ H = 1 nF, | ||
| RCAN_ H = 125 Ω; RCAN_L >1 MΩ |
标引序号说明 : a— 故障发生器 。 图 11 收发器时间参数测量示意图
8.2.4 测量电路 ,地偏能力
图 12所示的功能测试电路 ,用于检测地偏 。测量电路应结合本地正负地偏 ,允许应用不同的失效 案例 。节点间线束应越短越好 ,且总长不应超过 1 m。根据所用的失效案例 ,收发器主要在以下三种状 态工作 : — 差分驱动和接收 ; —CAN_L线的单线工作 ; —CAN_ H 线的单线工作 。 根据图 12所示的设置 ,应考虑结合最大为 ±1. 5V 的地偏 ,应用以下总线失效案例 : — 无故障 ; —CAN_L线断路 ; —CAN_ H 线断路 ; —CAN_L短路到 VBAT ; —CAN_ H 短路到地 ; —CAN_L短路到地 ; —CAN_ H 短路到 VBAT ; —CAN_L短路到 CAN_ H。 若不考虑应用中的总线故障和地偏的情况 ,所有的 Rx信号应正确的展现 Tx 的被驱动形式 。 标引序号说明 : a — 源节点 ; b — 目标节点 ; c — 地偏 ; d — 总线故障 ; f1 — 总线负载 ; f2 — 总线负载 ; f3 — 总线负载 。 图 12 收发器地偏的测试方法
8.3 故障管理
8.3. 1 故障检测 为处理第 7章所列的故障 ,应采用表 11和表 12列举的方案 。 表 11 正常模式下故障事件检测表
| 事件a | 状态b | 阈值 | 定时 e |
|---|---|---|---|
| CAN_ H 对电源电压短路 c | |||
| (正常模式下) | D | CAN_ H >VthHxBAT_N | >7 μs |
| CAN_ H 对电源电压短路 c | |||
| (正常模式下) | R | CAN_ H <VthHxBAT_N | >125 μs |
| CAN_ H 对供电电压短路 | |||
| (正常模式下) | D | CAN_ H >VthCAN_ H_N | >1. 6 ms |
| CAN_ H 对供电电压短路 | |||
| (正常模式下) | R | CAN_ H <VthCAN_ H_N | >tbit × 12 ms |
| CAN_L对电源电压短路 | |||
| (正常模式下) | D | CAN_L >VthLxBAT_N | >7 μs |
| CAN_L对电源电压短路 | |||
| (正常模式下) | R | CAN_L <VthLxBAT_N | >125 μs |
| CAN_L对地短路d | |||
| (正常模式下) | D | Vdiff>VthDiff_N | >tbit × 12<1. 6 ms |
| CAN_L对地短路d | |||
| (正常模式下) | R | Vdiff<VthDiff_N | >7 μs |
| CAN-L对电源电压短路 (正常模式下)变量 1f | D | Tx显性且 CAN_L >VthCAN_L_N | 3 μs<t<40 μs |
表 11 正常模式下故障事件检测表 (续)
| 事件a | 状态b | 阈值 | 定时 e |
|---|---|---|---|
| CAN-L对电源电压短路 (正常模式下)变量 2g | D | 最大两倍的(Tx 显性到隐性的 边缘电压 CAN_L >VthCAN_L_N ) | __ |
| a 见图 10的注释 。 | |||
| b D表示检测到 ,R表示恢复 。 | |||
| c 这种故障被认为是可选的 , 因为主要的故障处理可以通过检测到 CAN_ H 对供电电压 VCC 的故障来实施 。 | |||
| d 这种故障检测也包含了 CAN_ H 对 CAN_L 的短路故障(两条线互相短路) 。 | |||
| e 类似的故障检测和恢复定时器的设置仅应该依赖于连续的输入条件 。数字定时器的采样率应小于 4 μs。 f 用于验证(正常模式下)CAN_L对电源电压故障的变量 1。 | |||
| g 用于验证(正常模式下)CAN_L对电源电压故障的变量 2。 | a 见图 10的注释 。 | ||
| b D表示检测到 ,R表示恢复 。 | |||
| c 这种故障被认为是可选的 , 因为主要的故障处理可以通过检测到 CAN_ H 对供电电压 VCC 的故障来实施 。 | |||
| d 这种故障检测也包含了 CAN_ H 对 CAN_L 的短路故障(两条线互相短路) 。 | |||
| e 类似的故障检测和恢复定时器的设置仅应该依赖于连续的输入条件 。数字定时器的采样率应小于 4 μs。 f 用于验证(正常模式下)CAN_L对电源电压故障的变量 1。 | |||
| g 用于验证(正常模式下)CAN_L对电源电压故障的变量 2。 | a 见图 10的注释 。 | ||
| b D表示检测到 ,R表示恢复 。 | |||
| c 这种故障被认为是可选的 , 因为主要的故障处理可以通过检测到 CAN_ H 对供电电压 VCC 的故障来实施 。 | |||
| d 这种故障检测也包含了 CAN_ H 对 CAN_L 的短路故障(两条线互相短路) 。 | |||
| e 类似的故障检测和恢复定时器的设置仅应该依赖于连续的输入条件 。数字定时器的采样率应小于 4 μs。 f 用于验证(正常模式下)CAN_L对电源电压故障的变量 1。 | |||
| g 用于验证(正常模式下)CAN_L对电源电压故障的变量 2。 | a 见图 10的注释 。 | ||
| b D表示检测到 ,R表示恢复 。 | |||
| c 这种故障被认为是可选的 , 因为主要的故障处理可以通过检测到 CAN_ H 对供电电压 VCC 的故障来实施 。 | |||
| d 这种故障检测也包含了 CAN_ H 对 CAN_L 的短路故障(两条线互相短路) 。 | |||
| e 类似的故障检测和恢复定时器的设置仅应该依赖于连续的输入条件 。数字定时器的采样率应小于 4 μs。 f 用于验证(正常模式下)CAN_L对电源电压故障的变量 1。 | |||
| g 用于验证(正常模式下)CAN_L对电源电压故障的变量 2。 |
表 12 低功率模式下故障事件检测表
| 事件a | 状态b | 阈值 | 定时 e |
|---|---|---|---|
| CAN_ H 对电源电压短路 c | |||
| (低功耗模式下) | D | CAN_ H > VthHxBAT_N | >7 μs |
| CAN_ H 对电源电压短路 c | |||
| (低功耗模式下) | R | CAN_ H < VthHxBAT_N | >125 μs |
| CAN_ H 对供电电压短路 | |||
| (低功耗模式下) | D | CAN_ H > VthCAN_ H_N | >1. 6 ms |
| CAN_ H 对供电电压短路 | |||
| (低功耗模式下) | R | CAN_ H < VthCAN_ H_N | >tbit × 12 ms |
| CAN_L对电源电压短路 | |||
| (低功耗模式下) | D | 没有检测到 | |
| CAN_L对电源电压短路 | |||
| (低功耗模式下) | R | 没有检测到 | |
| CAN_L对地短路d | |||
| (低功耗模式下) | D | CAN_ H >Vth(wake) H 与/或 CAN_L < Vth(wake)L | >0. 1<1. 6 ms |
| CAN_L对地短路d | |||
| (低功耗模式下) | R | CAN_ H < Vth(wake) H | |
| 或/与 CAN_L >Vth(wake)L | >7 μs | ||
| a 见图 10的注释 。 | |||
| b D表示检测到 ,R表示恢复 。 | |||
| c 这种故障被认为是可选的 , 因为主要的故障处理可以通过检测到 CAN_ H 对供电电压 VCC 的故障来实施 。 | |||
| d 这种故障检测也包含了 CAN_ H 对 CAN_L 的短路故障(两条线互相短路) 。 | |||
| e 类似的故障检测和恢复定时器的设置仅应该依赖于连续的输入条件 。数字定时器的采样率应小于 4 μs。 | a 见图 10的注释 。 | ||
| b D表示检测到 ,R表示恢复 。 | |||
| c 这种故障被认为是可选的 , 因为主要的故障处理可以通过检测到 CAN_ H 对供电电压 VCC 的故障来实施 。 | |||
| d 这种故障检测也包含了 CAN_ H 对 CAN_L 的短路故障(两条线互相短路) 。 | |||
| e 类似的故障检测和恢复定时器的设置仅应该依赖于连续的输入条件 。数字定时器的采样率应小于 4 μs。 | a 见图 10的注释 。 | ||
| b D表示检测到 ,R表示恢复 。 | |||
| c 这种故障被认为是可选的 , 因为主要的故障处理可以通过检测到 CAN_ H 对供电电压 VCC 的故障来实施 。 | |||
| d 这种故障检测也包含了 CAN_ H 对 CAN_L 的短路故障(两条线互相短路) 。 | |||
| e 类似的故障检测和恢复定时器的设置仅应该依赖于连续的输入条件 。数字定时器的采样率应小于 4 μs。 | a 见图 10的注释 。 | ||
| b D表示检测到 ,R表示恢复 。 | |||
| c 这种故障被认为是可选的 , 因为主要的故障处理可以通过检测到 CAN_ H 对供电电压 VCC 的故障来实施 。 | |||
| d 这种故障检测也包含了 CAN_ H 对 CAN_L 的短路故障(两条线互相短路) 。 | |||
| e 类似的故障检测和恢复定时器的设置仅应该依赖于连续的输入条件 。数字定时器的采样率应小于 4 μs。 |
8.3.2 故障处理
8.3.2. 1 电源故障 对于电源故障处理 ,本文件不做声明 ,但收发器在电源故障下所做出的反应满足 8. 3 中的操作模式 需求 。
8.3.2.2 总线故障
总线故障的处理 ,可通过收发器内部的状态机来实现 。本文件虽没有要求收发器应执行内部状态 机 。但收发器的行为应当满足如下规定 。 一般应用的状态图如图 13所示 。该转换关系可应用于正常模式和低功耗模式 。然而 ,实际可能存 在低功耗模式下的收发器需唤醒进入正常模式下执行状态转换 ,此后重回低功耗模式 。 图 13示意了如下常用的状态 : — 状态 0:正常工作状态 ,没有检测到故障 ,默认状态 ; — 状态 E1:预期/检测到 CAN_L故障 ; — 状态 E2:检测到 CAN_ H 故障 。 标引序号说明 : a — 状态 0:正常工作模式 ,无故障 ,默认状态 ; b —CAN_L对电源电压短路(正常模式下)或 CAN_L对地短路(正常模式下/低功耗模式下) ; b1—CAN_L对电源电压短路(正常模式下) ; b2—CAN_L对地短路(正常模式下/低功耗模式下) ; c — E1状态 :预判或是已被检测到 CAN_L故障 ; c1 — E1a状态 :没有发生 CAN_L故障 ; c2 — E1b状态 :检测到 CAN_L故障 ; d — 没有故障发生 ; e —CAN_H对供电电压短路(正常模式下/低功耗模式下)或 CAN_H对电源电压短路(正常模式下/低功耗模式下) ; f — 非[CAN_ H 对供电电压短路(正常模式下/低功耗模式下)或 CAN_ H 对电源电压短路(正常模式下/低功耗 模式下)]且[CAN_L对地短路(正常模式下/低功耗模式下)或 CAN_L对电源电压短路(正常模式下)] ; f1 — 非[CAN_ H 对供电电压短路(正常模式下/低功耗模式下)或 CAN_ H 对电源电压短路(正常模式下/低功耗 模式下)]且 CAN_L对电源电压短路(正常模式下) ; f2 — 非[CAN_ H 对供电电压短路(正常模式下/低功耗模式下)或 CAN_ H 对电源电压短路(正常模式下/低功耗 模式下)]且 CAN_L对地短路(正常模式下/低功耗模式下) ; g —CAN_H对供电电压短路(正常模式下/低功耗模式下)或 CAN_H对电源电压短路(正常模式下/低功耗模式下) ; h — E2状态 :检测到 CAN_ H 线故障 ; i —CAN_L对电源电压短路(正常模式下)变量 1 或 CAN_L对电源电压短路(正常模式下)变量 2。 图 13 CAN收发器内部状态 根据图 13的状态关系 ,收发器通过切换对应的驱动器 ,接收器和终端到不同的模式 。 表 13和表 14列举了正常模式和低功耗模式下 ,收发器对于总线故障的内部处理措施 。 表 13 正常模式状态描述
| 状态 | 驱动器 | 接收器 | 终端 |
|---|---|---|---|
| 0 | 所有的驱动器被打开 | 差分接收器打开 | CAN_ H 短接到地 ,CAN_L短接到 供 电 电 压 VCC |
表 13 正常模式状态描述 (续)
| 状态 | 驱动器 | 接收器 | 终端 |
|---|---|---|---|
| E1 | 驱动器 CAN_L被打开或 关闭 | 单线接地 ,CAN_ H 接收器关闭 | CAN_ H 短接到地 ,CAN_L虚接到 VCC |
| E1a | 驱动器 CAN_L被打开 | 单线接 地 ,关 闭 CAN_ H 接 收 器 或差分收发器或 CAN_ H/CAN_ L 的收发器 | CAN_ H 短接到地 ,CAN_L虚接到 VCCa |
| E1b | 驱动器 CAN_L被关闭 | 单线接地 ,CAN_ H 接收器关闭 | CAN_ H 短接到地 ,CAN_L虚接到 VCC |
| E2 | 驱动器 CAN_ H 被关闭 | 单线接地 ,CAN_L接收器关闭 | CAN_ H 虚接到地 ,CAN_L短接到 VCC |
| a 在由 LP(低功耗模式)发生模式变换时 ,允许 CAN_L短接到 VCC 。 | a 在由 LP(低功耗模式)发生模式变换时 ,允许 CAN_L短接到 VCC 。 | a 在由 LP(低功耗模式)发生模式变换时 ,允许 CAN_L短接到 VCC 。 | a 在由 LP(低功耗模式)发生模式变换时 ,允许 CAN_L短接到 VCC 。 |
表 14 低功耗模式状态描述
| 状态 | 驱动器 | 接收器 | 终端 |
|---|---|---|---|
| 0 | 所有驱动器被关闭 | 降低到故障确认 | CAN_ H 短接到地 CAN_L短接到电压(≥5V) |
| E1 | 所有驱动器被关闭 | 降低到故障确认 | CAN_ H 对地短路 ,CAN_L悬空 |
| E2 | 所有驱动器被关闭 | 降低到故障确认 | CAN_ H 线悬空 ,CAN_L短接到电压(≥5V) |
8.4 工作模式
8.4. 1 概述 工作模式是依据 6. 1. 4 中的典型的网络参数定义的 ,其描述了遵循本文件的收发器应采取的措施 。 这些工作模式可被一致性测试所覆盖 。
8.4.2 开路故障
遵循本文件的收 发 器 应 该 能 够 处 理 所 有 情 况 下 的 开 路 故 障 。 这 意 味 着 无 论 是 否 检 测 到 开 路 故 障 ,收发器应保持通信进行 。 图 14描述了开路的故障及其故障状态下的工作模式 。 标引序号说明 : X — 电阻的范围 ,单位为 Ω,表示在任意给出的电阻值 ,开路都有可能发生 ; a —CH_OW , 即 CAN_ H 线与总线连接断开 ; b — 故障且无通信的情况发生 ; c — 故障状态 ; d —CL_OW , 即 CAN_L线与总线连接断开 ; e — 故障 , 即故障已被确认且对应的响应正在执行 ; f — 无故障 , 即没有检测到故障 。 图 14 开路状态工作模式
8.4.3 短路故障
单线的短路故障是二维故障 。一方面 ,短路发生时电平会变化 ;另一方面 ,在总线和外部电平之间 可能存在不同的电阻 。 图 15列举了短路工作区域 。 由于地偏工作区域(阴影区域) 至少在 ±1. 5 V 范 围内变化 , 电池电压是个标称电压值 ,可能在宽大范围内短时变化 , 比如从 6. 5 V~ 27 V(12 V 系统)或 者是从 21V~ 58V(42V 系统) 。 标引序号说明 : a— 支持正常的网络行为 ; b— 不需要支持正常的网络行为 。 图 15 短路工作模式的定义
8.4.4 电源故障
与 ECU 的正常供电电源相关的故障 , 比如地丢失(地偏不在规定的范围内) ,Vcc丢失(Vcc不在规定 的范围内)或 VBat丢失(电源电压不在规定的范围内) ,收发器应采用同一种处理方式 。 只要外部正常通 信条件满足 , 电源故障模式下的节点应恢复网络通信 。 无论何时 , 由于电源故障而导致不能进行网络通信时 , 收发器不应干扰剩余的网络 。 图 16说明了 收发器状态转换时的电源状态 ,并给出一个模糊的表示 。 标引序号说明 : a—VBat或是 Vcc≤4. 6 V; b— 正常状态 ; c— 无电流倒灌 ,不对网络产生影响的状态 ; d—VBat或是 Vcc≥4. 6 V。 图 16 电源工作模式 参 考 文 献 [1] GB/T 41588. 1 道路车辆 控制器局域网(CAN) 第 1部分 :数据链路层和物理信令 [2] GB/T 41588. 2 道路车辆 控制器局域网(CAN) 第 2部分 :高速媒介访问单元 . 中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准 道路车辆 控制器局域网(CAN) 第 3 部分 :低速容错、媒介相关接口 GB/T 41588. 3—2022/ISO 11898-3:2006 * 中 国 标 准 出 版 社 出 版 发 行 北京市朝阳区和平里西街甲 2 号(100029) 北京市西城区三里河北街 16号(100045) 网址:www. spc. org. cn 服务热线 :400-168-0010 2022年 7 月第一版 * 书号 : 155066 · 1-70285 版权专有 侵权必究
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