Android 车载应用开发指南 - CAN Bus 协议详解

雁行天下 發表於 2024-10-13 18:08:00

Android 车载应用开发指南 - CAN Bus 协议详解

在现代车载应用开发中，CAN（Controller Area Network）总线协议扮演着不可或缺的角色。作为一个汽车内部网络的标准协议，CAN Bus 已经成为了车载系统通信的基础。而在 Android 车载应用开发的过程中，理解并利用好 CAN Bus 协议是必不可少的。
那么，CAN Bus 到底是什么？它又是如何在车载应用中实现数据传输的？在这篇文章中，我们将深入探讨 CAN Bus 协议的工作原理及其在 Android 车载应用开发中的应用。
随着智能汽车的发展，CAN Bus 协议在车载网络通信中占据了重要地位。特别是在电动车和自动驾驶汽车中，CAN Bus 协议的可靠性和实时性显得尤为关键。无论是整车厂商还是第三方开发者，都需要深入理解 CAN Bus，以便开发出符合市场需求的应用。
 
 
<h1 style="text-align: center">概述</h1>
 
 
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1.1 背景
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汽车工业蓬勃发展，汽车的电子控制单元逐渐增多。各电控单元之间的信号交换导致汽车线束的级数增加，复杂粗大的线束与汽车有限的布线空间之间矛盾越来越突出，繁多的线束导致电气系统可靠性下降，同时增加了重量。
 
CAN Bus 将汽车内部各电控单元之间连接成一个局域网络，实现了信息的共享，大大减少了汽车的线束，如下图所示：
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CAN Bus 可以满足子系统数据传输的需求，可以实现汽车内互联系统由传统的点对点互联向总线式系统的进化，大大降低汽车内电子系统布线的复杂度。
 
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1.2 什么是 CAN Bus

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CAN（Control Area Network）Bus ，控制器局域网总线，是一种串行通信协议，能够让设备之间可靠而高效地传输数据。它广泛应用于车辆领域，像神经系统一样连接车辆内部的各个电子控制单元。
 
CAN Bus 最初由德国跨国工程技术巨头博世公司（Robert Bosch ）为汽车应用而设计。它是一种多主、多从、半双工、具有容错能力的协议，非常适合汽车领域的需求。它简单、低成本、可靠，能够在恶劣的环境中工作。CAN Bus 为车辆中所有电子控制单元提供了一个统一的接入点，方便进行连接和诊断。
 
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1.3 CAN Bus 发展简史

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CAN Bus 由博世在 20 世纪 80 年代初开发，旨在为汽车应用提供一种高效的通信系统，主要目的是简化车辆内部线束的复杂程度。
 
1986 年，博世发布了首个 CAN 协议，由于其可靠性和健壮性，很快受到了汽车制造商的青睐。1993 年，它成为 ISO-11898 国际标准。该协议演进过程大致如下： <img src="https://img2024.cnblogs.com/blog/2660544/202410/2660544-20241013175808113-2092703460.png" alt="">
 
 
<ul>
<li>
CAN 之前的版本：汽车 ECU 是复杂的点对点布线

</li>
<li>
1986 年：博世开发了 CAN 协议作为解决方案1991 年：博世发布了 CAN 2.0（CAN 2.0A：11 位，2.0B：29 位）

</li>
<li>
1993 年： CAN 被采用为国际标准（ISO 11898）

</li>
<li>
2003 年： ISO 11898 成为标准系列

</li>
<li>
2012 年：博世发布了 CAN FD 1.0

</li>
<li>
2015 年：CAN FD 协议标准化（ISO 11898-1）

</li>
<li>
2016 年：CAN 物理层，数据速率高达 5 Mbit / s，已通过 ISO 11898-2 标准化

</li>

</ul>
 <img src="https://img2024.cnblogs.com/blog/2660544/202410/2660544-20241013175831057-90487334.png" alt="">
 
 
除了汽车领域外，CAN Bus 协议还逐渐应用于其它行业，例如工业自动化系统（CANopen）和船用电子设备（NMEA 2000）。它的广泛应用主要得益于它能够在恶劣的条件下稳定运行，并且实施成本较低。
 
 
<blockquote>
1.4 CAN Bus 优点

</blockquote>
CAN Bus 标准已被广泛接受，几乎用于所有车辆和多种设备。这主要由于其具备以下多种优点： 
<span class="cke_widget_wrapper cke_widget_inline cke_widget_image cke_image_nocaption cke_widget_selected" data-cke-display-name="图像" data-cke-filter="off" data-cke-widget-id="19" data-cke-widget-wrapper="1"><img src="https://i-blog.csdnimg.cn/direct/96f9bbe10b824d9cb5ff1f4a4a91636d.png" alt="" class="cke_widget_element" src="https://i-blog.csdnimg.cn/direct/96f9bbe10b824d9cb5ff1f4a4a91636d.png" data-cke-widget-data="%7B%22hasCaption%22%3Afalse%2C%22src%22%3A%22https%3A%2F%2Fi-blog.csdnimg.cn%2Fdirect%2F96f9bbe10b824d9cb5ff1f4a4a91636d.png%22%2C%22alt%22%3A%22%22%2C%22width%22%3A%22%22%2C%22height%22%3A%22%22%2C%22lock%22%3Atrue%2C%22align%22%3A%22none%22%2C%22classes%22%3Anull%7D" data-cke-widget-keep-attr="0" data-widget="image"><img src="https://img2024.cnblogs.com/blog/2660544/202410/2660544-20241013180845061-2096955849.gif" width="15" height="15" class="cke_reset cke_widget_drag_handler" title="点击并拖拽以移动" data-cke-widget-drag-handler="1"><img src="https://img2024.cnblogs.com/blog/2660544/202410/2660544-20241013175844554-732750756.png" alt="">
 
 
<ul>
<li>
简单且低成本：ECU 通过单个 CAN 系统进行通信，而不是直接的复杂模拟信号线通信，这样减少了错误，重量，接线和成本

</li>
<li>
完全集中：CAN 总线提供了“一个进入点”，可以与所有网络 ECU 进行通信——支持集中诊断，数据记录和配置

</li>
<li>
极其稳健：CAN 总线具有强大的抗电干扰和抗电磁干扰能力，非常适合对安全要求严格的应用（例如车辆）

</li>
<li>
非常高效：CAN 帧按 ID 号划分优先级。最优先的数据可以立即访问总线，而不会造成其他帧的中断

</li>

</ul>
 
当需要对复杂系统进行分布式控制时，CAN 是一种理想的协议。它减少了繁重的布线，从而降低了成本和重量。芯片的成本较低，并且由于协议设计简洁，实现 CAN 相对容易。
 
 
<h2 style="text-align: center">CAN Bus 工作原理</h2>
 
 
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2.1 物理连接及协议工作原理
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CAN Bus 是一种分布式的通信协议。它的分布式特点使它非常适合对可靠性和实时性有较高要求的应用，如汽车和工业系统。
 
在 CAN 网络中，所有的节点都通过双绞线或光纤相连。每个节点都有自己的微控制器，负责处理收到的消息和发送的消息。数据由节点在共享总线上广播，所有其它节点都能收到。
 
通信过程的几个关键阶段包括：
<ol>
<li>
仲裁：为了避免多个节点同时发送数据产生冲突，CAN 采用了一种基于消息优先级的仲裁过程。消息的标识符值越小，优先级越高

</li>
<li>
错误检测：内置的错误检测机制保证了 CAN 网络中数据的完整性。这些机制包括循环冗余校验（CRC）、帧校验序列（FCS）以及接收节点确认位

</li>
<li>
故障界定：如果节点在传输过程中检测到错误或故障，它会进入“被动错误”状态，直到问题解决。这种机制可以防止故障对整个系统功能造成干扰

</li>

</ol>
这些特性相互配合，使得 CAN Bus 能够高效运行，确保车辆或工厂自动化设备等复杂系统中各个组件之间的可靠通信。
 
 
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2.2 消息结构

</blockquote>
在 CAN Bus 系统中，消息结构对于设备间的高效通信非常重要。CAN 总线的通信是通过 CAN 报文完成的。
 
消息长度有两种变体：标准长度和扩展长度。
 
下图是带有 11 位标识符（CAN ID）的标准帧（CAN 2.0A），这是大多数汽车中使用的类型。
扩展的 29 位标识符（CAN ID）报文（CAN 2.0B）除了更长的 ID 外，其它部分都是相同的。
 
它主要在重型车辆的 J1939 协议中使用。
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CAN Bus 的 8 个报文字段 
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仲裁字段包含消息标识号和远程传输请求位。越重要的消息具有越低的 ID 号。
如果多个节点同时传输，它们会启动同时仲裁。具有最低消息 ID 号的节点获得优先权。
 
显性位会覆盖 CAN 总线上的隐性位。消息标识符的长度可以是 11 位（标准 CAN，2048 个不同的消息标识符）或 29 位（扩展 CAN，5.37 亿个不同的消息标识符）。远程传输请求位占主导地位，表示正在传输数据。
 
在大多数系统中，逻辑 1 代表高电平，逻辑 0 代表低电平。但在 CAN 总线上则相反。因此，CAN 收发器通常在驱动器输入和接收器输出上使用上拉电阻，以便设备默认为隐性总线状态。
 
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2.3 CAN Bus 的种类

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ISO 11898 标准定义了 CAN 的多个版本。汽车行业使用的主要 CAN 类型有：
 
低速 CAN
 
低速 CAN，也叫做容错 CAN 或 ISO 11898-3，最高传输速度为 125 kbps。
 
它适用于像车身控制模块、门锁、窗户控制等不太重要的系统，这些系统对数据传输速度的要求不高。它的主要特点是即使总线中的一根线断了，也能继续正常工作。
 
高速 CAN
 
高速 CAN，或 ISO 11898-2，传输速度最高可达 1 Mbps。
 
通常用于需要高更新率和高数据准确性的关键子系统之间的通信（例如防抱死制动系统、电子稳定控制、安全气囊、发动机控制单元等）。高速 CAN 比低速更快，但是，它没有低速网络的容错能力。
 
CAN FD
 
CAN FD 由博世在 2012 年推出，是高速网络的扩展版，具有更高的数据传输速度，最高可达 8 Mbps，同时向后兼容现有高速设备。
 
这项技术的主要优势在于它比传统的 CAN 能更有效地传输更大的载荷，使其非常适合现代车辆日益复杂的电子系统。
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CAN FD 还向后兼容，支持 CAN 2.0 通信协议以及 SAE J1939 等特殊协议，其中 CAN 输出用作只读。CAN FD 本质上是 ISO 11898-1 中指定的原始 CAN 标准的扩展，并且与经典 CAN 系统完全兼容。
 
CAN FD 是向前迈出的重要一步，因为它允许 ECU 动态改变其传输速率并根据实时要求选择更大或更小的消息大小。它现在已出现在高性能车辆中，但随着 ECU 性能的提高和 CAN FD 硬件成本的下降，CAN FD 进入几乎所有车辆只是时间问题。
 
 
<h2 style="text-align: center">CAN 在车载开发中的应用</h2>
 
 
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3.1 车载中的总线协议

</blockquote>
目前汽车上普遍采用的汽车总线有局部互联协议 LIN 和控制器局域网 CAN，正在发展中的汽车总线技术还有高速容错网络协议 FlexRay、用于汽车多媒体和导航的 MOST 以及与计算机网络兼容的蓝牙、无线局域网等无线网络技术。
 
<span class="cke_widget_wrapper cke_widget_inline cke_widget_image cke_image_nocaption cke_widget_selected" data-cke-display-name="图像" data-cke-filter="off" data-cke-widget-id="24" data-cke-widget-wrapper="1"><img src="https://i-blog.csdnimg.cn/direct/36c366d7b904473b8e89e83a1ba43b55.png" alt="" class="cke_widget_element" src="https://i-blog.csdnimg.cn/direct/36c366d7b904473b8e89e83a1ba43b55.png" data-cke-widget-data="%7B%22hasCaption%22%3Afalse%2C%22src%22%3A%22https%3A%2F%2Fi-blog.csdnimg.cn%2Fdirect%2F36c366d7b904473b8e89e83a1ba43b55.png%22%2C%22alt%22%3A%22%22%2C%22width%22%3A%22%22%2C%22height%22%3A%22%22%2C%22lock%22%3Atrue%2C%22align%22%3A%22none%22%2C%22classes%22%3Anull%7D" data-cke-widget-keep-attr="0" data-widget="image"><img src="https://img2024.cnblogs.com/blog/2660544/202410/2660544-20241013180845061-2096955849.gif" width="15" height="15" class="cke_reset cke_widget_drag_handler" title="点击并拖拽以移动" data-cke-widget-drag-handler="1"><img src="https://img2024.cnblogs.com/blog/2660544/202410/2660544-20241013180017119-647952536.png" alt="">
 
 
Notes: * UTP = unshielded twisted pair（非屏蔽双绞线）
 
与任何联网和互操作系统一样，汽车总线的选择最好以需求为导向，同时关注成本和预期的行业要求和趋势。
 
显然，如果有更好的总线可供选择，而且部署成本相当或更低，那么汽车制造商就不会在新设计中采用旧总线。
 
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3.2 CAN Bus 在车载开发中的应用

</blockquote>
 
作为 Android 应用开发你可能会问：CAN Bus 属于底层的东西，我们掌握了能有什么用？
 
其实，CAN 报文与应用开发也息息相关，学习并掌握 CAN Bus 协议是必要的！ 以下就举例一个车载空调应用开发的场景，解释为什么应用开发也需要掌握 CAN Bus。
 
熟悉手机应用开发的同学都知道，在代码开发完成后需要进行实机调试，而调试环境其实搭建起来很简单，基本只需要有对应 Android 版本的工程机就可以在自己的工位前模拟调试大部分场景。如果你连实机都没有！用 Android 模拟器也能覆盖大部分调试场景。
 
但是，对于车载应用开发而言，想在实车上的车载系统调试其实是很奢侈的事。因为实车资源少，所以大部分时候只能在自己工位旁的模拟车载系统上开发调试。而模拟车载系统通常只有主机、显示屏等外设，汽车上的传感器、天线等各种 ECU 是不具备的。
 
那么对于车载空调应用开发，其环境温度、出风口角度、出风速度等变量都无法动态反馈到车载系统中，进而影响调试。这时候就轮到 CAN Bus 出场了。
 
可以通过 CAN 分析仪连接车载系统主机，使用 ZCANPRO 等信号模拟软件 读取上行 CAN 信号或者模拟发出下行信号。只有对 CAN 信号中的帧结构熟悉，才能读懂和模拟收发信号。
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VHAL 通过 CAN 总线或其他车辆专用总线系统与车辆 ECU 建立通信。这些专用互连网络充当车辆内组件通信的骨干网。
 
为了检索车辆数据（例如速度），车载信息娱乐 (IVI) ECU 与其他 ECU 交互，并且车辆 HAL 精心地将提取的信息存储为车辆属性。 
 
Android 框架将数据传输协议和网络选择（包括车载网络）留给 VHAL 的实现。这种灵活性不仅允许 CAN 总线集成，还允许连接到本地互连网络 (LIN) 等内部网络和未来的车载通信标准。
CAN Bus 协议为车载系统提供了稳定高效的通信方式。在 Android 车载应用开发中，合理利用 CAN Bus 协议，不仅可以提升应用的功能性，还能为用户提供更加智能化的驾驶体验。
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“CAN Bus 协议不仅是汽车的通信枢纽，更是智能驾驶的起点。”
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来源：https://www.cnblogs.com/zhuuque23/p/18462679

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