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| 标准编号 | GB/T 36048-2018 (GB/T36048-2018) | | 中文名称 | 乘用车CAN总线物理层技术要求 | | 英文名称 | Passenger Cars Physical Layer Technical Specification of CAN Bus | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | T24 | | 国际标准分类 | 43.040.40 | | 字数估计 | 22,212 | | 发布日期 | 2018-03-15 | | 实施日期 | 2018-10-01 | | 发布机构 | 国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会 | GB/T 36048-2018
Passenger cars physical layer technical specification of CAN bus
ICS 43.040.40
T24
中华人民共和国国家标准
乘用车CAN总线物理层技术要求
2018-03-15发布
2018-10-01实施
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局
中国国家标准化管理委员会发布
前言
本标准按照GB/T 1.1-2009给出的规则起草。
本标准的主要内容是基于ISO 11898-1、ISO 11898-2、ISO 11898-5和ISO 11898-6系列标准的综
合内容,结合国内的实际应用情况而编写的,其中物理层的一般要求与物理层信令技术要求参考
ISO 11898-1编写;高速介质访问单元技术要求融合ISO 11898-2与ISO 11898-5编写;带低功耗模式
的高速介质访问单元技术要求参考ISO 11898-5编写;带选择性唤醒功能的高速介质访问单元技术要
求参考ISO 11898-6编写;总线失效管理技术要求参考ISO 11898-2编写。
本标准由中华人民共和国工业和信息化部提出。
本标准由全国汽车标准化技术委员会(SAC/TC114)归口。
本标准起草单位:浙江吉利汽车研究院有限公司、中国汽车技术研究中心。
本标准主要起草人:蔡伟杰、周广法、吴含冰、孟娜、许秀香、崔强、唐风敏、时开斌、王亚东、熊想涛、
王丽芳。
乘用车CAN总线物理层技术要求
1 范围
本标准规定了高速CAN总线物理层的术语和定义、物理层的一般要求、物理层信令、高速介质访
问单元和总线失效管理的技术要求。
本标准适用于125Kbit/s到1Mbit/s通讯速率的高速CAN总线。
2 术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
2.1
一种用于道路车辆的网络通信技术。
2.2
总线 bus
所有节点以双向传输的方式接入网络的网络通讯拓扑。
2.3
总线状态 busstate
两个相反的逻辑状态之一:显性或者隐性。
2.4
物理层 physicallayer
实现CAN节点连接到总线上的电气回路(总线比较器和总线驱动器),它由模拟电路,数字电路以
及CAN总线上的模拟信号与CAN节点内部数字信号接口电路三部分组成。
注:CAN总线上所允许连接的最大节点数取决于CAN总线的电气负载。
2.5
用于信号传输的一对屏蔽或非屏蔽双绞线。
2.6
位速率 bitrate
单位时间内传输的位的数量,与位的表示形式无关。
2.7
位时间 bittime
tB
一个位的持续时间。
2.8
帧 frame
数据链路层协议数据单元,其指定传送序列中的位或位字段的排列和含义。
2.9
节点 node
连接在通讯网络上,能按照某一通讯协议通过网络进行通讯的设备的集合。
注:CAN节点就是通过CAN网络通讯的节点。
2.10
协议 protocol
节点之间信息交换的正式协定或规则,包括帧管理、帧传输和物理层的规范。
2.11
总线电压 busvoltage
VCAN_H和VCAN_L表示总线CAN_H和CAN_L对各自CAN节点地测得的电压。
2.12
当连接到总线上的CAN节点达到最多数量时,能保证节点正常工作的VCAN_H和VCAN_L的电压
范围。
2.13
Cdiff
当CAN节点从总线上断开时,隐性状态下在CAN_H和CAN_L之间测得的电容。
2.14
Rdiff
当CAN节点从总线上断开时,隐性状态下在CAN_H和CAN_L之间测得的电阻。
2.15
Vdiff
CAN总线的差分电压:Vdiff=VCAN_H-VCAN_L。
2.16
Cin
当CAN节点从总线上断开时,隐性状态下在CAN_L(或CAN_H)和地之间测得的电容。
2.17
Tnode
在发送或接收过程中发生的所有异步延时的总和,与各个CAN节点集成电路的位定时逻辑单元
相关。
2.18
Rin
当CAN节点从总线上断开时,隐性状态下在CAN_L(或CAN_H)和地之间测得的电阻。
2.19
供电电压 Vcc
在正常工作模式下给总线发送器、接收器和可选的分离式终端提供的电压。
2.20
VSplit
CAN节点的分离式终端相对于模块信号地的输出电压。
2.21
传播时间 propagationtime
tProp
从介质访问单元的一个发送数据输入沿到相应的接收数据输出沿的时间。
2.22
唤醒报文 wake-upframe
一种用于唤醒一个或多个CAN节点的CAN数据帧。
2.23
唤醒过滤时间 wake-upfiltertime
twake
在总线CAN_H和CAN_L上能迫使CAN节点唤醒的显性信号持续时间。
2.24
活动过滤时间 activityfiltertime
CAN_H和CAN_L总线上显性和隐性电平持续的时间,用来监测CAN总线上的活动是否有效。
2.25
收发器 transceiver
将逻辑信号转化成物理层信号的部件,反之亦然。
3 物理层的一般要求
3.1 功能模型
物理层划分为三个部分,如图1所示:
a) 物理层信令:包含与位表示、定时和同步相关的功能。
b) 物理介质附件:包含总线发送/接收的功能电路和提供总线失效检测的方法。
c) 介质附属接口:包括物理介质和与介质访问单元之间的机械和电气接口。
介质访问单元是物理层的一部分功能,用来将节点连接到传输介质。介质访问单元由物理介质附
件和介质附属接口两部分组成。
图1 物理层功能模型
3.2 物理层信令与介质访问控制的接口
物理层应提供两个对等介质访问控制子层之间交换数据位的服务,包括物理层信令数据请求和物
理层信令数据指示。
物理层信令数据请求服务由介质访问控制子层发到物理层,请求一个显性或隐性位的发送。
物理层信令数据指示服务由物理层发到介质访问控制子层,指示一个显性或者隐性位的到达。
3.3 物理层信令与物理介质附件的接口
3.3.1 物理层信令到物理介质附件的消息
当物理层信令收到来自物理介质附件的信号,物理层信令应向物理介质附件发送一个显性或隐性
的输出消息。
当物理层信令收到总线关闭请求时,物理层信令应向物理介质附件发送总线关闭消息。
当物理层信令收到总线关闭释放请求时,物理层信令应向物理介质附件发送总线关闭释放消息。
3.3.2 物理介质附件到物理层信令的消息
当介质访问单元接收到来自介质的一个位,物理介质附件应向物理层信令发送一个输入消息。该
输入消息向物理层信令表明一个显性或者隐性位的到达。
4 物理层信令
4.1 位编码和解码
4.1.1 位时间
在一个位时间内实现的总线管理功能包括CAN节点同步,网络传输延时补偿,采样点定位,都应
按照可编程位定时逻辑执行,该逻辑由CAN集成电路给定。
标称位时间划分为4个互不重叠的时间段,如图2所示:
---同步段:用于同步总线上不同的节点,这个时间段内有一个跳变沿;
---传播时间段:用于补偿网络内的物理延时,这些延时包括总线上的信号传输时间和CAN节点
内部延时;
---相位缓冲段1,相位缓冲段2:这两个相位缓冲段用于补偿跳变沿相位误差,可通过重同步加长
或者缩短实现。
图2 位时间划分
采样点是读取并解析总线上各位值的时间点,它位于相位缓冲段1末端。信息处理时间是以采样
点开始,为计算下一个位电平所预留的时间段。
重同步的结果会引起相位缓冲段1加长或相位缓冲段2缩短。同步跳转宽度决定了相位缓冲段加
长或缩短的上限值。
CAN节点内部延时tnode,是在发送或接收过程中发生的所有异步延时的总和,与各个CAN节点集
成电路的位定时逻辑单元相关,如图3所示。
图3 仲裁时CAN节点A和B位定时的时间关系和延时
CAN节点输入输出延迟的总和与位定时逻辑密切相关,由式(1)计算得出:
tnode=toutput+tinput (1)
式中:
tnode ---节点内部延时;
toutput ---节点输出延时;
tinput ---节点输入延时。
为实现正确的仲裁,需满足式(2)的条件:
tProp_Seg≥tnodeA+tnodeB+2tbusline (2)
式中:
tProp_Seg---节点传播延时;
tnodeA ---节点A内部延时;
tnodeB ---节点B内部延时;
tbusline ---节点总线延时。
4.1.2 位时间编程
位时间的编程取决于下列时间段参数。
a) 时间片
时间片是由晶振周期和可编程分频器确定的固定时间单元。该分频器的数值范围为1~32的
整数。以最小时间片为单位,时间片的长度为:
时间片=m×最小时间片,m 为分频器的数值
b) 时间段的标称长度(在非同步情况下)---同步段的长度为一个时间片。
---同步段的长度为一个时间片;
---信息处理时间小于或等于两个时间片;
---传播时间段的长度可编程为1,2,3,,8或者更多时间片。它用于补偿实际网络中的延
时,以最接近的整数时间片取整;
---相位缓冲段1的长度可编程为1,2,3,,8或者更多时间片;
---相位缓冲段2取相位缓冲段1和消息处理时间的较大值;
---同步跳转宽度为可编程值,在1到相位缓冲段1和4的较小值之间取值。
一个位时间的时间片总数可在8~25之间编程设定。
为了提供一个系统范围内特定的时间片,不同节点的晶振频率需要互相协调。CAN集成电路可接
受的晶振频率允差和潜在的误同步由相位缓冲段1和相位缓冲段2共同决定。
4.2 同步
4.2.1 概述
同步有硬同步和重同步两种形式。它们应遵循以下规则:
a) 一个位时间内只允许一次同步(在两个采样点之间)。
b) 仅当检测到之前采样点的总线状态不同于采样点边沿后的总线状态时,才把隐性到显性跳变
沿用于同步。
c) 当在帧间隔出现隐性到显性的跳变沿时应执行硬同步(除了第一个位间歇)。
d) 满足规则a)和规则b)的所有其他的隐性到显性跳变沿应用于重同步。下述情况除外,当隐
性到显性跳变沿具有正的相位误差时,发送显性位的节点不执行重同步。
4.2.2 同步沿的相位误差
同步沿的相位误差e与同步段相关,以时间片为单位测量。相位误差的符号定义如下:
a) 当跳变沿落在同步段内,e=0;
b) 当跳变沿落在采样点之前,e >0;
c) 当跳变沿落在采样点之后,e< 0。
4.2.3 硬同步
硬同步后,位定时逻辑单元将位时间从同步段开始重启。因此,硬同步将迫使引起硬同步的跳变沿
处于开始重启的位时间同步段之内。
4.2.4 重同步
当引起重同步的跳变沿相位误差幅值小于或等于重同步跳转宽度的设定值时,重同步应加长或缩
短位时间以确保采样点位置的正确。当相位误差的幅值大于重同步跳转宽度时:
---如果相位误差e为正,则相位缓冲段1增加与重同步跳转宽度相等的值;
---如果相位误差e为负,则相位缓冲段2缩短与重同步跳转宽度相等的值。
如果相位缓冲段2缩短至小于信息处理时间,后续位电平的计算可以在相位缓冲段2之后完成。
4.2.5 晶振频率的允差
晶振频率fosc与晶振标称频率fnom的允差取决于相位缓冲段1、相位缓冲段2、重同步跳转宽度和
位时间。晶振频率fosc应满足式(3):
(1-df)·fnom ≤fosc≤ (1+df)·fnom (3)
式中:
fosc ---晶振频率;
fnom ---晶振标称频率;
df ---fosc的最大允差。
晶振频率fosc的最大允差df应同时满足式(4)和式(5):
df≤
t(phase_seg1,phase_seg2)min
2×(13×tbit-tphase_seg2)
(4)
df≤
tSJW
20×tbit
(5)
式中:
df ---fosc的最大允差;
t(Phase_Seg1,Phase_Seg2)min ---相位缓冲段1和相位缓冲段2两者较短的时间;
tPhase_Seg2 ---相位缓冲段2的时间;
tbit ---位时间;
tSJW ---同步跳转宽度的时间。
两个晶振频率之间最大的差值为:
fdif=2×df×fnom (6)
式中:
fdif ---两个晶振频率之间最大的差值;
df ---fosc的最大允差;
fnom ---晶振标称频率。
5 高速介质访问单元
5.1 功能描述
5.1.1 物理介质附件
5.1.1.1 概述
如图4所示,总线终端包括终端A和终端B,用于抑制信号反射。
图4 推荐的电气连接
当所有CAN节点的总线驱动关闭,总线应处于隐性状态。这种情况下,中值电压由终端电阻和各
CAN节点接收电路的内部高电阻产生。
当至少一个节点的总线驱动开启,则有一个显性位发送到总线。这会引起电流通过终端电阻,从而
在总线的双线之间产生差分电压。
通过将总线差分电压转换为接收电路比较器输入所对应的隐性电平和显性电平,来检测显性和隐
性状态。
5.1.1.2 总线电平
总线电平有两种逻辑状态:隐性或显性,如图5所示。
隐性状态下,VCAN_H和VCAN_L均设置为中值电压,此电压由总线终端确定。Vdiff小于最大阈值。总
线空闲或发送隐性位时,总线为隐性状态。
Vdiff大于最小阈值时,总线为显性状态。显性状态覆盖隐性状态,并在显性位期间进行发送。
仲裁期间,各 CAN节点可同时发送显性位。这种情况下的Vdif大于由一个 CAN节点驱动
的Vdif。
图5 物理电平状态表示
5.1.2 介质附属接口
将CAN节点连接到总线上的连接器,应满足电气技术要求。
5.1.3 物理介质
为了避免线束反射波的影响,CAN网络的拓扑应当尽可能接近于单线结构,如图6所示。
说明:
L ---总线长度;
l ---支线长度;
d ---节点间距。
图6 网络拓扑
5.2 电气技术要求
5.2.1 概述
下列电气技术要求适用于双绞差分总线。终端电阻的值在表9中定义。
图7 终端类型(单电阻终端和分离式终端)
高速介质访问单元定义了两种不同的终端模型,如图7所示:
---CAN_H和CAN_L之间的单电阻终端;
---分离式终端将单个电阻划分为两个相同值的串行连接的电阻,中间连接一个对地电容和一个
可选的专用分离式电压。
5.2.2 物理介质附件
在每个CAN节点在工作条件内都应满足表1~表5中规定的参数。
表1 隐性状态时总线电压参数
参数 符号 单位
最小 标称 最大
条件
总线共模电压
VCAN_H
VCAN_L
-12.0
2.5
2.5
12.0
每个CAN节点相对于地测得
总线差分电压a Vdiff mV -120 0 12 在与总线相连的CAN节点处测得
a 总线差分电压由隐性状态下所有的CAN节点的输出特性共同确定,因此Vdiff接近于0,见表4。
表2 显性状态时总线电压参数
参数 符号 单位
最小 标称 最大
条件
总线共模电压a
VCAN_H
VCAN_L
-12.0
3.5
1.5
12.0
每个CAN节点相对于地测得
总线差分电压b Vdiff V 1.2 2.0 3.0 在与总线相连的CAN节点处测得
aVCAN_H的最小值等于VCAN_L的最小值加上Vdiff的最小,VCAN_L的最大值等于VCAN_H的最大值减去Vdiff的最小。
b 总线负载随着接入网络的CAN节点增加而增加,Rdiff增加,导致Vdiff减小。Vdiff的最小值由总线允许连接的最
大CAN节点数确定。Vdiff的最大值由仲裁期间CAN节点数的上限决定。
表3 CAN节点VCAN_H和VCAN_L的标称值
标称电池电压V 符号
电压值Va
最小 最大
VCAN_H -27.0 +40.0
VCAN_L -27.0 +40.0
VCAN_H -58.0 +58.0
VCAN_L -58.0 +58.0
VCAN_H -58.0 +58.0
VCAN_L -58.0 +58.0
a 确保不能损坏总线驱动电路。
表4 CAN节点的隐性输出直流参数
参数 符号 单位
最小 标称 最大
条件
总线输出电压
VCAN_H
VCAN_L
2.0
2.0
2.5
2.5
3.0
3.0
无负载
总线差分输出电压 Vdiff mV -500 0 50 无负载
内部差分电阻 Rdiff kΩ 10 - 100 无负载a
内部电阻b Rin kΩ 5 - 50
输入差分电压c Vdiff V -1.0 - 0.5 d
a 负载连接在CAN_H和CAN_L之间。对于内部没有集成终端电阻的CAN节点(正常应用时),这个电阻是
RL/2;对于内部集成终端电阻的CAN节点电阻为RL。
b CAN_H和CAN_L的Rin的偏差不超过3%。
c 接收显性位和隐性位的阈值要承受分别为0.3V和0.5V的传导抗扰度。
d 接收隐性位的阈值。
表5 CAN节点的显性输出直流参数
参数 符号 单位
最小 标称 最大
条件
输出电压
VCAN_H
VCAN_L
2.75
0.5
3.5
1.5
4.5
2.25
负载RL/2a
输出差分电压 Vdiff V 1.5 2.0 3.0 负载RL/2a
输入差分电压b Vdiff V 0.9 - 5.0 负载RL/2a,c
a 负载连接在CAN_H和CAN_L之间。对于内部没有集成终端电阻的CAN节点(正常应用时),这个电阻是
RL/2;对于内部集成终端电阻的CAN节点电阻为RL。
b 接收显性位和隐性位的阈值要承受分别为0.3V和0.5V的传导抗扰度。
c 接收隐性位的阈值。
5.2.3 CAN节点
5.2.3.1 概述
在CAN节点与总线断开时,在各个CAN节点的CAN_H和CAN_L引脚处测得的参数应符合表
3中的规定。
在各个CAN节点的CAN_H和CAN_L引脚处测得的参数应符合表4和表5中的规定。
5.2.3.2 CAN节点交流参数
在CAN节点与总线断开时,在各个CAN节点的CAN_H和CAN_L引脚处测得的交流参数应符
合表6中的规定。
表6 与总线断开的CAN节点的交流参数
参数 符号 单位
最小 标称 最大
条件
位时间 tB μs 1 - - a
内部电容 Cin pF-20 - c
内部差分电容b Cdiff pF - 10 - 1Mbit/s
a 最小位时间对应的最大位速率为1Mbit/s。
b 除了内部电容限制外,总线连接的电感也要尽可能的小。Cin和Cdiff的最小值可为0。电容的最大值由位时间
和网络拓扑参数L 和d决定,详见表10。当CAN节点产生的线束反射波没有使显性差分电平低于Vdiff=
......
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