CAN总线入门

汽车安全 6个月前 admin

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引言

「控制器局域网络」（Controller Area Network，简称CAN）是一种由博世公司于1986年开发的通信协议，旨在解决汽车内部复杂布线问题，现已广泛应用于工业自动化、医疗设备等多个领域。CAN总线的设计优化了数据传输的可靠性和实时性，同时具备高度灵活的网络结构。

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CAN总线：汽车的“神经系统”

「在汽车领域，控制器局域网络（CAN总线）被比作汽车的“神经系统”，负责实现车辆内部各个电子控制单元（ECUs）之间的通信。」 这些ECUs类似于人体的各个部分，通过CAN总线相互连接，使得一个部分的感知信息可以共享给其他部分。例如，一个现代汽车可能包含高达70个ECUs，如引擎控制单元、气囊、音响系统等，它们都可能需要与网络中的其他部分共享信息。

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CAN总线系统的通信机制

CAN总线系统使每个ECU能够与所有其他ECUs通信，无需复杂的专用线路。具体来说，每个ECU可以准备并广播信息（如传感器数据）到CAN总线（包含两条线：CAN低电平和CAN高电平）。广播的数据被网络上的所有其他ECUs接收，每个ECU随后可以检查这些数据并决定是否接受。

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CAN总线的物理层和数据链路层

技术上，控制器局域网络由数据链路层和物理层描述。在高速CAN中，ISO 11898-1规定了数据链路层，而ISO 11898-2则规定了物理层。

CAN总线物理层规范如下：

「信号传输」：

差分信号：CAN总线使用差分信号传输技术，显著提高信号在噪声环境下的抗干扰能力。

「物理媒介和连接器」：

高速CAN（ISO 11898-2）：CAN节点必须通过两线总线连接，波特率可达1 Mbit/s（经典CAN）或5 Mbit/s（CAN FD）。
低速/容错CAN（ISO 11898-3）：提供更高的容错能力，使用两根线的非屏蔽双绞线，通信速率最高可达125 kbps。

「电气特性」：

电压水平：CAN总线的逻辑1（空闲状态）和逻辑0（主动状态）通过不同的电压水平区分。
终端电阻：为了防止信号反射，通常在CAN网络的两端加入120欧姆的终端电阻。

工作原理

CAN总线通过数据帧的结构化设计实现高效的数据传输。以下是其关键工作原理：

「1. 数据帧结构」：

「起始位」：标记数据帧的开始。
「仲裁字段」（包含ID和RTR位）：标识符（ID）决定了消息的优先级，ID越小，优先级越高。RTR（远程传输请求）位用于区分是数据帧还是请求帧。
「控制字段」：包含数据长度代码（DLC），指示数据字段的字节数。
「数据字段」：承载实际的数据，最多可以包含8字节。
「CRC校验序列」：用于错误检测。
「确认位」：接收方用来表示已成功接收数据帧。
「结束位」：标记数据帧的结束。

「2. 消息发送和接收」：

当一个节点需要发送数据时，它将数据帧放置到总线上。如果总线空闲，数据帧会被发送；如果总线正在被使用，节点会等待直到总线空闲。
所有连接到总线的节点都会监听传输的数据帧，并根据自己的需要处理这些帧。如果多个节点同时尝试发送数据，ID较小的帧将获得发送优先权，这种机制称为“非破坏性仲裁”。

「3. 错误处理」：CAN 总线具备高级的错误检测和处理机制，包括：

「位填充」：为了保持总线上的同步，如果在数据帧中连续出现五个相同的位，则自动插入一个相反的位。
「帧检查」：接收节点会检查数据帧的格式和CRC校验序列，确保数据的完整性。
「错误标志」：如果检测到错误，节点会发送错误帧，这会导致当前传输被中断并重新开始。

协议标准

「CAN 2.0A 和 CAN 2.0B」：

「CAN 2.0A」：使用11位的标识符（ID），适用于较小规模的网络。
「CAN 2.0B」：引入29位标识符的扩展帧，允许更多设备在同一网络上通信，同时保持与旧标准的兼容性。

「CAN FD（Flexible Data-Rate）」：

「扩展数据传输率和负载」：允许在数据传输阶段使用更高的比特率，同时数据段的长度也从8字节增加到64字节。
「高效的资源利用」：通过动态调整比特率，优化网络的数据吞吐量和带宽利用率。

CAN总线的四大优势

「简单低成本」：ECUs通过单一CAN系统通信，避免了复杂的直接模拟信号线，减少了错误、重量、布线和成本。

「中央化系统网络」：CAN总线提供“单点进入”，便于与所有网络ECUs通信，实现中央诊断、数据记录和配置。

「抗电磁干扰强」：该系统对电气干扰和电磁干扰具有强大的抵抗能力，非常适合安全关键应用（如车辆）。

「帧ID优先级系统高效」：CAN帧通过ID进行优先级排序，使得优先级最高的数据可以立即访问总线，不会中断其他帧或引起CAN错误。

Ubuntu上的监控和检测工具

SocketCAN

「SocketCAN」 是一个开源的软件框架，将CAN通信集成到Linux操作系统中，使得开发者可以使用标准的网络编程方式来操作CAN设备。以下是其主要特性和使用方式：

「1. 安装和配置」：

在Ubuntu系统上安装can-utils：

sudo apt-get install can-utils

「2. 创建和配置虚拟CAN网络接口」：

创建和启动虚拟CAN接口：

sudo modprobe vcan
sudo ip link add dev vcan0 type vcan
sudo ip link set up vcan0

「3. 使用SocketCAN工具监控CAN数据」：

使用candump监听CAN网络上的数据：

candump vcan0

使用cansend向CAN网络发送消息：

cansend vcan0 123#1122334455667788

Python-CAN

「Python-CAN」 是一个强大的库，允许开发者使用Python语言来控制和监控CAN网络。以下是其安装和基本使用方法：

「1. 安装Python-CAN」：

使用pip安装：

pip install python-can

「2. 配置CAN接口」：

确保CAN接口已正确配置并启用：

sudo ip link set vcan0 type vcan bitrate 500000
sudo ip link set vcan0 up

「3. 发送和接收CAN消息」：

发送CAN消息的Python代码示例：

import can
def send_message():
    bus = can.interface.Bus(channel='vcan0', bustype='socketcan')
    message = can.Message(arbitration_id=0x123, data=[0x11, 0x22, 0x33, 0x44, 0x55, 0x66, 0x77, 0x88], is_extended_id=False)
    bus.send(message)
    print("Message sent on {}".format(bus.channel_info))
if __name__ == "__main__":
    send_message()

接收CAN消息的Python代码示例：

import can
def receive_message():
    bus = can.interface.Bus(channel='vcan0', bustype='socketcan')
    message = bus.recv()  # 阻塞直到接收到消息
    print("Received message: {}".format(message))
if __name__ == "__main__":
    receive_message()

查看 CAN 的状态

CAN（Controller Area Network）的状态（state）通常分为以下几种：

「ERROR-ACTIVE」：错误活动状态。此时，CAN 控制器正常运行并且能够发送和接收报文。若发生错误，它会增加内部错误计数器，但在错误计数器没有达到错误限制之前，控制器仍处于活动状态。
「ERROR-PASSIVE」：错误被动状态。此时，CAN 控制器仍然能够发送和接收报文，但其错误计数器已超过一个特定阈值。控制器在这种状态下发送报文时，不会主动传输错误帧（error frames），而是被动等待总线空闲。
「BUS-OFF」：总线关闭状态。此时，CAN 控制器的错误计数器已超过规定的最大值，因此停止参与总线通信。控制器必须通过软件重启或等待一段时间后自动重启，才能重新参与总线通信。
「STOPPED」：停止状态。CAN 控制器在这个状态下不会发送或接收任何报文，通常这是由用户主动设置的。
「SLEEPING」：休眠状态。在这个状态下，CAN 控制器的功耗较低，并且仅在收到特定的唤醒信号时恢复到活动状态。

在 Linux 系统中，你可以通过 ip link show 命令来查看 CAN 接口的状态。例如：

ip link show can0

输出会显示 CAN 接口的当前状态，如 ERROR-ACTIVE、ERROR-PASSIVE 或 BUS-OFF。了解这些状态可以帮助你诊断和解决 CAN 总线通信中的问题。

判断当前正在使用哪个 CAN 接口

下面是几种方法来帮助你确定当前使用的 CAN 接口：

「检查接口状态」：查看接口的 state 和 berr-counter 来判断哪个接口正在活动传输。state 是 ERROR-ACTIVE，表示处于活动状态。berr-counter 的值，是传输过程中记录的错误数量。
「查看接口流量」：可以使用 ip -s -d link show can0 命令来查看接口的流量统计信息，例如接收和发送的帧数。
「通过 candump 工具捕获数据」：使用 candump 工具来捕获并查看 CAN 总线上的数据流量：

candump can0

通过查看哪个接口输出的数据流量，可以判断当前使用的是哪个接口。

C++ 示例代码

使用 C++ 实现 CAN 总线数据读写

以下是一个完整的示例，展示如何使用C++在Ubuntu上通过SocketCAN框

架来读取和发送CAN消息：

#include <linux/can.h>
#include <linux/can/raw.h>
#include <net/if.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <iostream>
#include <cstring>

int main() {
    int s = socket(PF_CAN, SOCK_RAW, CAN_RAW); // 创建CAN套接字
    if (s < 0) {
        perror("Socket");
        return 1;
    }

    struct sockaddr_can addr;
    struct ifreq ifr;
    strcpy(ifr.ifr_name, "vcan0");
    ioctl(s, SIOCGIFINDEX, &ifr); // 指定vcan0接口

    addr.can_family = AF_CAN;
    addr.can_ifindex = ifr.ifr_ifindex;

    if (bind(s, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr)) < 0) { // 绑定套接字
        perror("Bind");
        return 1;
    }

    struct can_frame frame;
    frame.can_id = 0x123;
    frame.can_dlc = 8;
    frame.data[0] = 0x11;
    frame.data[1] = 0x22;
    frame.data[2] = 0x33;
    frame.data[3] = 0x44;
    frame.data[4] = 0x55;
    frame.data[5] = 0x66;
    frame.data[6] = 0x77;
    frame.data[7] = 0x88;

    if (write(s, &frame, sizeof(struct can_frame)) != sizeof(struct can_frame)) { // 发送CAN帧
        perror("Write");
        return 1;
    }

    std::cout << "Message sent successfully" << std::endl;

    if (read(s, &frame, sizeof(struct can_frame)) < 0) { // 接收CAN帧
        perror("Read");
        return 1;
    }

    std::cout << "Received message with CAN ID " << std::hex << frame.can_id << std::endl;
    std::cout << "Data: ";
    for (int i = 0; i < frame.can_dlc; ++i) {
        std::cout << std::hex << static_cast<int>(frame.data[i]) << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    close(s); // 关闭套接字
    return 0;
}

编译和运行

「保存代码」：将上面的代码保存为can_example.cpp。
「编译代码」：使用以下命令编译：

g++ -o can_example can_example.cpp

「运行代码」：在运行之前，确保vcan0接口已经配置并启动。如果使用的是虚拟CAN接口，可以使用以下命令设置并启动：

sudo modprobe vcan
sudo ip link add dev vcan0 type vcan
sudo ip link set up vcan0

然后运行编译好的程序：

./can_example

应该能看到显示：

Message sent successfully

另起一个终端会话往 vcan0 接口发送一组数据：

cansend vcan0 123#1122334455667788

应该就能看到输出并程序退出：

Received message with CAN ID 123
Data: 11 22 33 44 55 66 77 88

这个简单的程序将会发送一个CAN帧并试图读取任何响应的CAN帧，用于在开发初期验证CAN接口的功能性。

参考资料：

https://www.csselectronics.com/pages/can-bus-simple-intro-tutorial

https://www.ni.com/en/shop/seamlessly-connect-to-third-party-devices-and-supervisory-system/controller-area-network–can–overview.html

https://www.intechopen.com/chapters/77277

原文始发于微信公众号（AI酷应用）：CAN总线入门

版权声明：admin 发表于 2024年5月16日下午11:44。
转载请注明：CAN总线入门 | CTF导航

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