CAN總線技術(shù)詳解

起源

20世紀(jì)80年代，Robert Bosch 公司在 SAE(汽車工程協(xié)會(huì))大會(huì)上介紹了一種新型的串行總線——CAN控制器局域網(wǎng)，那也是 CAN 誕生的時(shí)刻。今天，在歐洲幾乎每一輛新客車均裝配有 CAN 局域網(wǎng)。同樣，CAN也用于其他類型的交通工具，從火車到輪船或者用于工業(yè)控制。CAN 已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)最重要的總線之一 —— 甚至領(lǐng)導(dǎo)著串行總線。

CAN總線的工作原理

CAN總線使用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，可以1Mb/s的速率在40m的雙絞線上運(yùn)行，也可以使用光纜連接，而且在這種總線上總線協(xié)議支持多主控制器。CAN與I2C總線的許多細(xì)節(jié)很類似，但也有一些明顯的區(qū)別。

當(dāng)CAN總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)(站)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它以報(bào)文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)。對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)來說，無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的，都對(duì)其進(jìn)行接收。每組報(bào)文開頭的11位字符為標(biāo)識(shí)符，定義了報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，這種報(bào)文格式稱為面向內(nèi)容的編址方案。在同一系統(tǒng)中標(biāo)識(shí)符是唯一的，不可能有兩個(gè)站發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的報(bào)文。當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)總線讀取時(shí)，這種配置十分重要。

當(dāng)一個(gè)站要向其它站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該站的CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標(biāo)識(shí)符傳送給本站的CAN芯片，并處于準(zhǔn)備狀態(tài);當(dāng)它收到總線分配時(shí)，轉(zhuǎn)為發(fā)送報(bào)文狀 態(tài)。CAN芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報(bào)文格式發(fā)出，這時(shí)網(wǎng)上的其它站處于接收狀態(tài)。每個(gè)處于接收狀態(tài)的站對(duì)接收到的報(bào)文進(jìn)行檢測(cè)，判斷這些報(bào)文是否是發(fā)給自己的，以確定是否接收它。

由于CAN總線是一種面向內(nèi)容的編址方案，因此很容易建立高水準(zhǔn)的控制系統(tǒng)并靈活地進(jìn)行配置。我們可以很容易地在CAN總線中加進(jìn)一些新站而無需在硬件或 軟件上進(jìn)行修改。當(dāng)所提供的新站是純數(shù)據(jù)接收設(shè)備時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不要求獨(dú)立的部分有物理目的地址。它允許分布過程同步化，即總線上控制器需要測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，可由網(wǎng)上獲得，而無須每個(gè)控制器都有自己獨(dú)立的傳感器。

CAN總線的特點(diǎn)

1、具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn);

2、采用雙線串行通信方式，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作;

3、具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個(gè)控制模塊通過CAN 控制器掛到CAN-bus 上，形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò);

4、可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文;

5、可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制;

6、發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā);

7、節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出總線的功能;

8、報(bào)文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級(jí)信息。

CAN總線的應(yīng)用

CAN總線在組網(wǎng)和通信功能上的優(yōu)點(diǎn)以及其高性價(jià)比據(jù)定了它在許多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?。這些應(yīng)用有些共同之處：CAN實(shí)際就是在現(xiàn)場(chǎng)起一個(gè)總 線拓?fù)涞挠?jì)算機(jī)局域網(wǎng)的作用。不管在什么場(chǎng)合，它負(fù)擔(dān)的是任一節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)時(shí)通信，但是它具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高速、抗干擾、可靠、價(jià)位低等優(yōu)勢(shì)。CAN總線最 初是為汽車的電子控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，目前在歐洲生產(chǎn)的汽車中CAN的應(yīng)用已非常普遍，不僅如此，這項(xiàng)技術(shù)已推廣到火車、輪船等交通工具中。

(1)CAN總線技術(shù)的應(yīng)用：國(guó)外知名汽車基本都已經(jīng)采用了CAN總線技術(shù)，例如沃爾沃、林肯、奧迪、寶馬等，而國(guó)內(nèi)汽車品牌，例如奇瑞等公司也已經(jīng)有幾款車型應(yīng)用了總線技術(shù)。 CAN總線技術(shù)就是通過遍布車身的傳感器，將汽車的各種行駛數(shù)據(jù)發(fā)送到“總線”上，在這個(gè)信息共享平臺(tái)上，凡是需要這些數(shù)據(jù)的接收端都可以從“總線”上讀 取需要的信息，從而使汽車的各個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)作、信息共享、保證車輛安全行駛、舒適和可靠。一般來說，越高檔的車配備的CAN_BUS數(shù)量越多，價(jià)格也越 高，如途安、帕薩特等車型當(dāng)中都配備了多個(gè)CAN總線。

(2)汽車CAN總線節(jié)點(diǎn)ECU的硬件設(shè)計(jì)：汽車CAN總線研發(fā)的核心技術(shù)就是對(duì)帶有CAN接口的ECU進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中ECU的CAN總線模塊由CAN控制器和CAN收發(fā)器構(gòu)成。CAN控制器執(zhí)行完整的CAN協(xié)議，完成通訊功能，包括信息緩沖和接收濾波。CAN控制器與物理總線之間需CAN收發(fā)器作為接口，它實(shí)現(xiàn)CAN控制器與總線之間邏輯電平信 號(hào)的轉(zhuǎn)換。

(3)CAN總線在國(guó)內(nèi)自主品牌汽車中的應(yīng)用：由于受成本控制、技術(shù)實(shí)力等因素的限制，CAN_BUS總線技術(shù)一般都出現(xiàn)在國(guó)外高端汽車，在A級(jí)及以下級(jí)別車型當(dāng)中，該項(xiàng)技術(shù)大多出現(xiàn)在合資品牌當(dāng)中，如POLO、新寶來等。在自主品牌中，采用CAN總線技術(shù)的車型中很少，風(fēng)云2則是其中的代表車型。風(fēng)云2 CAN總線技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、ABS、車身、儀表及其他控制器的通訊，做到全車信息及時(shí)共享。在風(fēng)云2的組合儀表盤當(dāng)中，階段里程、未關(guān)車門精確顯示、安全帶未系提醒等20多項(xiàng)信息全部可以顯示，比同級(jí)產(chǎn)品增加一倍，這樣增加了駕駛過程中的安全度。

(4)未來智能傳感器發(fā)展趨勢(shì)：CAN總線作為一種可靠的汽車計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)總線已在許多先進(jìn)汽車上得到應(yīng)用，將CAN總線應(yīng)用于智能傳感器中， 使傳感器獲得的信號(hào)能通過總線實(shí)時(shí)地、可靠地、高速而準(zhǔn)確地進(jìn)行傳輸，使得各汽車計(jì)算機(jī)控制單元能夠通過CAN總線共享所有信息和資源，達(dá)到簡(jiǎn)化布線、減 少傳感器數(shù)量、避免控制功能重復(fù)、提高系統(tǒng)可靠性、降低成本、更好地匹配和協(xié)調(diào)各個(gè)控制系統(tǒng)的目的。同時(shí)，由于整個(gè)智能傳感器網(wǎng)絡(luò)采用全數(shù)字化的通信，因此，總線也具有很好的抗干擾能力，是未來智能化傳感器和智能化控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。

另外，在 CAN總線技術(shù)的幫助下，內(nèi)部各種傳感器實(shí)現(xiàn)信息共享后，大大減少了車體內(nèi)線束和控制器的接口數(shù)量，避免了過多線束存在的互相干涉、磨損等隱患，降低了汽車電氣系統(tǒng)的故障發(fā)生率。打開發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋，看到的是清晰簡(jiǎn)潔的艙內(nèi)布局。維修方面，CAN總線技術(shù)的應(yīng)用也使得故障排查得到最便利的保證。CAN總線智能 管家系統(tǒng)符合歐美OBDII標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，實(shí)現(xiàn)了在線診斷的功能。在車輛發(fā)生故障后，各個(gè)控制器通過CAN總線智能管家系統(tǒng)存儲(chǔ)故障代碼，由專業(yè)人員，通過診斷儀為車輛診斷出各種故障狀態(tài)，快速準(zhǔn)確地查找到故障點(diǎn)，第一時(shí)間排除故障。利用CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成的信息傳輸，大大提高了各部件的響應(yīng)速度，減少了配件磨損發(fā)生率，也相應(yīng)的降低了維修成本;而且，先進(jìn)集成技術(shù)的應(yīng)用，也大幅提高了車輛自身的科技含量，增強(qiáng)了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

CAN 總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。由于其良好的性能及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN總線越來越受到人們的重視，它在汽車領(lǐng)域上的應(yīng)用是最廣泛的。世界上一些著名的汽車制造廠商大都采用了CAN總線來實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。同時(shí)，由于CAN總線本身的特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè)，而向自動(dòng)控制、航空航天、航海、過程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、紡織機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。 CAN已經(jīng)形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。