CAN總線

基本概念

在當前的汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應“減少線束的數(shù)量”、“通過多個LAN，進行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，1986 年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN 通信協(xié)議。此后，CAN 通過ISO11898 及ISO11519 進行了標準化，現(xiàn)在在歐洲已是汽車網(wǎng)絡的標準協(xié)議?，F(xiàn)在，CAN 的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設備、工業(yè)設備等方面。現(xiàn)場總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一,被譽為自動化領域的計算機局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強有力的技術支持。

CAN總線優(yōu)勢

CAN屬于現(xiàn)場總線的范疇,它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網(wǎng)絡。較之目前許多RS-485基于R線構建的分布式控制系統(tǒng)而言, 基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性：

網(wǎng)絡各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強

首先,CAN控制器工作于多主方式,網(wǎng)絡中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(取決于報文標識符)采用無損結構的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù),且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼,而代之以對通信數(shù)據(jù)進行編碼,這可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù),這些特點使得CAN總線構成的網(wǎng)絡各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強,并且容易構成冗余結構,提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。而利用RS-485只能構成主從式結構系統(tǒng),通信方式也只能以主站輪詢的方式進行,系統(tǒng)的實時性、可靠性較差;

縮短了開發(fā)周期

CAN總線通過CAN收發(fā)器接口芯片82C250的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連,而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài),CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會出現(xiàn)象在RS-485網(wǎng)絡中,當系統(tǒng)有錯誤,出現(xiàn)多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時,導致總線呈現(xiàn)短路,從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能,以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響,從而保證不會出現(xiàn)象在網(wǎng)絡中,因個別節(jié)點出現(xiàn)問題,使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。而且,CAN具有的完善的通信協(xié)議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實現(xiàn),從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度,縮短了開發(fā)周期,這些是只僅僅有電氣協(xié)議的RS-485所無法比擬的。

已形成國際標準的現(xiàn)場總線

另外,與其它現(xiàn)場總線比較而言,CAN總線是具有通信速率高、容易實現(xiàn)、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標準的現(xiàn)場總線。這些也是目前 CAN總線應用于眾多領域,具有強勁的市場競爭力的重要原因。

最有前途的現(xiàn)場總線之一

CAN 即控制器局域網(wǎng)絡,屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇。與一般的通信總線相比,CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。由于其良好的性能及獨特的設計,CAN總線越來越受到人們的重視。它在汽車領域上的應用是最廣泛的,世界上一些著名的汽車制造廠商,如BENZ(奔馳)、BMW(寶馬)、PORSCHE(保時捷)、ROLLS-ROYCE(勞斯萊斯)和JAGUAR(美洲豹)等都采用了CAN總線來實現(xiàn)汽車內部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機構間的數(shù)據(jù)通信。同時,由于CAN總線本身的特點,其應用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè),而向自動控制、航空航天、航海、過程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織機械、農(nóng)用機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械及傳感器等領域發(fā)展。CAN已經(jīng)形成國際標準,并已被公認為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。其典型的應用協(xié)議有： SAE J1939/ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000等。

CAN總線的產(chǎn)生與發(fā)展

控制器局部網(wǎng)（CAN－CONTROLLER AREA NETWORK）是BOSCH公司為現(xiàn)代汽車應用領先推出的一種多主機局部網(wǎng)，由于其高性能、高可靠性、實時性等優(yōu)點現(xiàn)已廣泛應用于工業(yè)自動化、多種控制設備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門。控制器局部網(wǎng)將在我國迅速普及推廣。隨著計算機硬件、軟件技術及集成電路技術的迅速發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)已成為計算機技術應用領域中最具活力的一個分支，并取得了巨大進步。由于對系統(tǒng)可靠性和靈活性的高要求，工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展主要表現(xiàn)為：控制面向多元化，系統(tǒng)面向分散化，即負載分散、功能分散、危險分散和地域分散。分散式工業(yè)控制系統(tǒng)就是為適應這種需要而發(fā)展起來的。這類系統(tǒng)是以微型機為核心，將 5C技術--COMPUTER（計算機技術）、CONTROL（自動控制技術）、COMMUNICATION（通信技術）、CRT（顯示技術）和 CHANGE（轉換技術）緊密結合的產(chǎn)物。它在適應范圍、可擴展性、可維護性以及抗故障能力等方面，較之分散型儀表控制系統(tǒng)和集中型計算機控制系統(tǒng)都具有明顯的優(yōu)越性。典型的分散式控制系統(tǒng)由現(xiàn)場設備、接口與計算設備以及通信設備組成。現(xiàn)場總線（FIELDBUS）能同時滿足過程控制和制造業(yè)自動化的需要，因而現(xiàn)場總線已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領域中最為活躍的一個領域?，F(xiàn)場總線的研究與應用已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領域的熱點。盡管目前對現(xiàn)場總線的研究尚未能提出一個完善的標準，但現(xiàn)場總線的高性能價格比將吸引眾多工業(yè)控制系統(tǒng)采用。同時，正由于現(xiàn)場總線的標準尚未統(tǒng)一，也使得現(xiàn)場總線的應用得以不拘一格地發(fā)揮，并將為現(xiàn)場總線的完善提供更加豐富的依據(jù)?？刂破骶植烤W(wǎng) CAN（CONTROLLER AERANETWORK）正是在這種背景下應運而生的。由于CAN為愈來愈多不同領域采用和推廣，導致要求各種應用領域通信報文的標準化。為此，1991年 9月 PHILIPS SEMICONDUCTORS制訂并發(fā)布了 CAN技術規(guī)范（VERSION 2.0）。該技術規(guī)范包括A和B兩部分。2.0A給出了曾在CAN技術規(guī)范版本1.2中定義的CAN報文格式，能提供11位地址；而2.0B給出了標準的和擴展的兩種報文格式，提供29位地址。此后，1993年11月ISO正式頒布了道路交通運載工具--數(shù)字信息交換--高速通信控制器局部網(wǎng)（CAN）國際標準（ISO11898），為控制器局部網(wǎng)標準化、規(guī)范化推廣鋪平了道路。

CAN總線特點

CAN總線是德國BOSCH公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率可達1MBPS。
完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理

CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作。

使網(wǎng)絡內的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制

CAN協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點可使網(wǎng)絡內的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標識碼可由11位或29位二進制數(shù)組成，因此可以定義211或229個不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設計，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一。

可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信

CAN總線采用了多主競爭式總線結構，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。CAN總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡上其它節(jié)點發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信。CAN總線協(xié)議已被國際標準化組織認證，技術比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價比高，特別適用于分布式測控系統(tǒng)之間的數(shù)通訊。CAN總線插卡可以任意插在PC AT XT兼容機上，方便地構成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。

結構簡單

只有2根線與外部相連，并且內部集成了錯誤探測和管理模塊。

CAN總線技術介紹

位仲裁

要對數(shù)據(jù)進行實時處理,就必須將數(shù)據(jù)快速傳送,這就要求數(shù)據(jù)的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個站同時需要發(fā)送數(shù)據(jù)時,要求快速地進行總線分配。實時處理通過網(wǎng)絡交換的緊急數(shù)據(jù)有較大的不同。一個快速變化的物理量,如汽車引擎負載,將比類似汽車引擎溫度這樣相對變化較慢的物理量更頻繁地傳送數(shù)據(jù)并要求更短的延時。CAN總線以報文為單位進行數(shù)據(jù)傳送,報文的優(yōu)先級結合在11位標識符中,具有最低二進制數(shù)的標識符有最高的優(yōu)先級。這種優(yōu)先級一旦在系統(tǒng)設計時被確立后就不能再被更改?？偩€讀取中的沖突可通過位仲裁解決。如圖2所示,當幾個站同時發(fā)送報文時,站1的報文標識符為011111;站2的報文標識符為0100110;站3的報文標識符為0100111。所有標識符都有相同的兩位01,直到第3位進行比較時,站1的報文被丟掉,因為它的第3位為高,而其它兩個站的報文第3位為低。站2和站3報文的4、5、6位相同,直到第7位時,站3的報文才被丟失。注意,總線中的信號持續(xù)跟蹤最后獲得總線讀取權的站的報文。在此例中,站2的報文被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優(yōu)點在于,在網(wǎng)絡最終確定哪一個站的報文被傳送以前,報文的起始部分已經(jīng)在網(wǎng)絡上傳送了。所有未獲得總線讀取權的站都成為具有最高優(yōu)先權報文的接收站,并且不會在總線再次空閑前發(fā)送報文。CAN具有較高的效率是因為總線僅僅被那些請求總線懸而未決的站利用,這些請求是根據(jù)報文在整個系統(tǒng)中的重要性按順序處理的。這種方法在網(wǎng)絡負載較重時有很多優(yōu)點,因為總線讀取的優(yōu)先級已被按順序放在每個報文中了,這可以保證在實時系統(tǒng)中較低的個體隱伏時間。

對于主站的可靠性,由于CAN協(xié)議執(zhí)行非集中化總線控制,所有主要通信,包括總線讀取 (許可)控制,在系統(tǒng)中分幾次完成。這是實現(xiàn)有較高可靠性的通信系統(tǒng)的唯一方法。

CAN與其它通信方案的比較

在實踐中,有兩種重要的總線分配方法:按時間表分配和按需要分配。在第一種方法中 ,不管每個節(jié)點是否申請總線,都對每個節(jié)點按最大期間分配。由此,總線可被分配給每個站并且是唯一的站,而不論其是立即進行總線存取或在一特定時間進行總線存取。這將保證在總線存取時有明確的總線分配。在第二種方法中,總線按傳送數(shù)據(jù)的基本要求分配給一個站 ,總線系統(tǒng)按站希望的傳送分配(如:Ethernet CSMA/CD)。因此,當多個站同時請求總線存取時,總線將終止所有站的請求,這時將不會有任何一個站獲得總線分配。為了分配總線,多于一個總線存取是必要的。

CAN實現(xiàn)總線分配的方法,可保證當不同的站申請總線存取時,明確地進行總線分配。這種位仲裁的方法可以解決當兩個站同時發(fā)送數(shù)據(jù)時產(chǎn)生的碰撞問題。不同于Ethernet網(wǎng)絡的消息仲裁,CAN的非破壞性解決總線存取沖突的方法,確保在不傳送有用消息時總線不被占用。甚至當總線在重負載情況下,以消息內容為優(yōu)先的總線存取也被證明是一種有效的系統(tǒng)。雖然總線的傳輸能力不足,所有未解決的傳輸請求都按重要性順序來處理。在CSMA/CD這樣的網(wǎng)絡中,如Ethernet,系統(tǒng)往往由于過載而崩潰,而這種情況在CAN中不會發(fā)生。

CAN的報文格式

在總線中傳送的報文,每幀由7部分組成。CAN協(xié)議支持兩種報文格式,其唯一的不同是標識符(ID)長度不同,標準格式為11位,擴展格式為29位。在標準格式中,報文的起始位稱為幀起始(SOF),然后是由11位標識符和遠程發(fā)送請求位 (RTR)組成的仲裁場。RTR位標明是數(shù)據(jù)幀還是請求幀,在請求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)?？刂茍霭俗R符擴展位(IDE),指出是標準格式還是擴展格式。它還包括一個保留位 (ro),為將來擴展使用。它的最后四個字節(jié)用來指明數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)的長度(DLC)。數(shù)據(jù)場范圍為0～8個字節(jié),其后有一個檢測數(shù)據(jù)錯誤的循環(huán)冗余檢查(CRC)。應答場(ACK)包括應答位和應答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平(邏輯1),這時正確接收報文的接收站發(fā)送主控電平(邏輯0)覆蓋它。用這種方法,發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡中至少有一個站能正確接收到報文。報文的尾部由幀結束標出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位,如果這時沒有站進行總線存取,總線將處于空閑狀態(tài)。

數(shù)據(jù)錯誤檢測

不同于其它總線,CAN協(xié)議不能使用應答信息。事實上,它可以將發(fā)生的任何錯誤用信號發(fā)出。CAN協(xié)議可使用五種檢查錯誤的方法,其中前三種為基于報文內容檢查。3.4.1 循環(huán)冗余檢查(CRC) 　　在一幀報文中加入冗余檢查位可保證報文正確。接收站通過CRC可判斷報文是否有錯。3.4.2 幀檢查 　這種方法通過位場檢查幀的格式和大小來確定報文的正確性,用于檢查格式上的錯誤。3.4.3.應答錯誤 　　如前所述,被接收到的幀由接收站通過明確的應答來確認。如果發(fā)送站未收到應答,那么表明接收站發(fā)現(xiàn)幀中有錯誤,也就是說,ACK場已損壞或網(wǎng)絡中的報文無站接收。CAN協(xié)議也可通過位檢查的方法探測錯誤。3.4.4 總線檢測 　有時,CAN中的一個節(jié)點可監(jiān)測自己發(fā)出的信號。因此,發(fā)送報文的站可以觀測總線電平并探測發(fā)送位和接收位的差異。3.4.5 位填充 　一幀報文中的每一位都由不歸零碼表示,可保證位編碼的最大效率。然而,如果在一幀報文中有太多相同電平的位,就有可能失去同步。為保證同步,同步沿用位填充產(chǎn)生。在五個生。在五個連續(xù)相等位后,發(fā)送站自動插入一個與之互補的補碼位;接收時,這個填充位被自動丟掉。例如,五個連續(xù)的低電平位后,CAN自動插入一個高電平位。CAN通過這種編碼規(guī)則檢查錯誤,如果在一幀報文中有6個相同位,CAN就知道發(fā)生了錯誤。
如果至少有一個站通過以上方法探測到 一個或多個錯誤,它將發(fā)送出錯標志終止當前的發(fā)送。這可以阻止其它站接收錯誤的報文,并保證網(wǎng)絡上報文的一致性。當大量發(fā)送數(shù)據(jù)被終止后,發(fā)送站會自動地重新發(fā)送數(shù)據(jù)。作為規(guī)則,在探測到錯誤后23個位周期內重新開始發(fā)送。在特殊場合,系統(tǒng)的恢復時間為31個位周期。但這種方法存在一個問題,即一個發(fā)生錯誤的站將導致所有數(shù)據(jù)被終止,其中也包括正確的數(shù)據(jù)。因此,如果不采取自監(jiān)測措施,總線系統(tǒng)應采用模塊化設計。為此,CAN協(xié)議提供一種將偶然錯誤從永久錯誤和局部站失敗中區(qū)別出來的辦法。這種方法可以通過對出錯站統(tǒng)計評估來確定一個站本身的錯誤并進入一種不會對其它站產(chǎn)生不良影響的運行方法來實現(xiàn),即站可以通過關閉自己來阻止正常數(shù)據(jù)因被錯誤地當成不正確的數(shù)據(jù)而被終止。

CAN總線可靠性

為防止汽車在使用壽命期內由于數(shù)據(jù)交換錯誤而對司機造成危險,汽車的安全系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)傳輸具有較高的安全性。如果數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃宰銐蚋?或者殘留下來的數(shù)據(jù)錯誤足夠低的話,這一目標不難實現(xiàn)。從總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)的角度看,可靠性可以理解為,對傳輸過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯誤的識別能力。殘余數(shù)據(jù)錯誤的概率可以通過對數(shù)據(jù)傳輸可靠性的統(tǒng)計測量獲得。它描述了傳送數(shù)據(jù)被破壞和這種破壞不能被探測出來的概率。殘余數(shù)據(jù)錯誤概率必須非常小,使其在系統(tǒng)整個壽命周期內,按平均統(tǒng)計時幾乎檢測不到。計算殘余錯誤概率要求能夠對數(shù)據(jù)錯誤進行分類 ,并且數(shù)據(jù)傳輸路徑可由一模型描述。如果要確定CAN的殘余錯誤概率,我們可將殘留錯誤的概率作為具有80～90位的報文傳送時位錯誤概率的函數(shù),并假定這個系統(tǒng)中有5～10個站,并且錯誤率為1/1000,那么最大位錯誤概率為10—13數(shù)量級。例如,CAN網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸率最大為1Mbps,如果數(shù)據(jù)傳輸能力僅使用50%,那么對于一個工作壽命4000小時、平均報文長度為 80位的系統(tǒng),所傳送的數(shù)據(jù)總量為9×1010。在系統(tǒng)運行壽命期內,不可檢測的傳輸錯誤的統(tǒng)計平均小于10—2量級。換句話說,一個系統(tǒng)按每年365天,每天工作8小時,每秒錯誤率為0. 7計算,那么按統(tǒng)計平均,每1000年才會發(fā)生一個不可檢測的錯誤。

應用舉例

某醫(yī)院現(xiàn)有5臺16T/H德國菲斯曼燃氣鍋爐，向洗衣房、制劑室、供應室、生活用水、暖氣等設施提供5kg/cm2的蒸汽，全年耗用天然氣1200萬m3,耗用20萬噸自來水。醫(yī)院采用接力式方式供熱，對熱網(wǎng)進行地域性管理，分四大供熱區(qū)。其中冬季暖氣的用氣量很大，據(jù)此設計了基于CAN現(xiàn)場總線的分布式鍋爐蒸汽熱網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)場應用表明：該樓宇自動化系統(tǒng)具有抗干擾能力強，現(xiàn)場組態(tài)容易，網(wǎng)絡化程度高，人機界面友好等特點。

CAN總線典型特征

CAN總線有如下基本特點 　　

廢除傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼，可以多主方式工作； 　

采用非破壞性仲裁技術，當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡上傳送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線沖突；

采用短幀結構，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，數(shù)據(jù)傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時間短；

每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?，適于在高干擾環(huán)境下使用；

節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其他操作不受影響；

可以點對點，一對多及廣播集中方式傳送和接受數(shù)據(jù)。 　　

CAN總線的優(yōu)點

具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優(yōu)點；

采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作；

具有優(yōu)先權和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN 控制器掛到CAN-bus 上，形成多主機局部網(wǎng)絡；

可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文；

可靠的錯誤處理和檢錯機制；

發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)；

節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能；

報文不包含源地址或目標地址，僅用標志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。