CAN總線技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

黃漢

摘 要：CAN現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展迅猛，是當(dāng)前在自動化領(lǐng)域里最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)。本文著重介紹CAN技術(shù)的核心內(nèi)容、技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢，其應(yīng)用范圍不再局限于汽車工業(yè)，在未來依靠CAN總線技術(shù)一定能夠在工業(yè)過程控制網(wǎng)絡(luò)中取得廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：CAN；總線技術(shù)；發(fā)展

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言

控制器局部網(wǎng)（CAN-CONTROLLER AREA NETWORK，CAN）是BOSCH公司為現(xiàn)代汽車應(yīng)用領(lǐng)先推出的一種多主機(jī)局部網(wǎng)，其卓越性能現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門。

目前，工業(yè)控制系統(tǒng)已成為計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中最具活力的一個(gè)分支，并取得了巨大進(jìn)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(fù)載分散、功能分散、危險(xiǎn)分散和地域分散的局面。

分散式控制系統(tǒng)由現(xiàn)場設(shè)備、接口與計(jì)算設(shè)備以及通信設(shè)備組成。現(xiàn)場總線（FIELDBUS）能同時(shí)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(lǐng)域中最為活躍的一個(gè)領(lǐng)域。現(xiàn)場總線的研究與應(yīng)用已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域的熱點(diǎn)。盡管目前對現(xiàn)場總線的研究尚未能提出一個(gè)完善的標(biāo)準(zhǔn)，但現(xiàn)場總線的高性價(jià)比將吸引眾多工業(yè)控制系統(tǒng)采用。CAN總線（控制器局部網(wǎng)）正是在這種背景下迅速發(fā)展起來的。

由于CAN總線具有卓越的性能與優(yōu)勢，為愈來愈多不同領(lǐng)域采用和推廣。為此，1991年 9月 PHILIPS SEMICONDUCTORS制訂并發(fā)布了 CAN技術(shù)規(guī)范（VERSION 2.0）。該技術(shù)規(guī)范包括A和B兩部分。2.0A給出了曾在CAN技術(shù)規(guī)范版本1.2中定義的CAN報(bào)文格式，而2.0B給出了標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的兩種報(bào)文格式。1993年11月ISO正式頒布了道路交通運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)（ISO11898），為控制器局部網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化推廣鋪平了道路。

2 CAN總線特點(diǎn)

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(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率可達(dá)1Mbps。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(yàn)、優(yōu)先級判別等項(xiàng)工作。

CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)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(jìn)行編碼（報(bào)文標(biāo)識符）。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文標(biāo)識符有11位，而擴(kuò)展的標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文標(biāo)識符有29位。因此，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)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(gè)字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)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(shí)，8個(gè)字節(jié)不會占用總線時(shí)間過長，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)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(dú)特的設(shè)計(jì)，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場總線之一。

另外，CAN總線采用了多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運(yùn)行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點(diǎn)。CAN總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信。CAN總線協(xié)議已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)證，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價(jià)比高，特別適用于分布式測控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊。

3 CAN總線技術(shù)及發(fā)展趨勢

3.1 位仲裁

要對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(gè)站同時(shí)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，要求快速地進(jìn)行總線分配。實(shí)時(shí)處理通過網(wǎng)絡(luò)交換的緊急數(shù)據(jù)有較大的不同。一個(gè)快速變化的物理量，如汽車引擎負(fù)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(shí)。

CAN總線以報(bào)文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，報(bào)文的優(yōu)先級結(jié)合在11位標(biāo)識符中，具有最低二進(jìn)制數(shù)的標(biāo)識符有最高的優(yōu)先級。這種優(yōu)先級一旦在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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。例如，當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)發(fā)送報(bào)文時(shí)，站1的報(bào)文標(biāo)識符為011111；站2的報(bào)文標(biāo)識符為0100110；站3的報(bào)文標(biāo)識符為0100111。所有標(biāo)識符都有相同的兩位01，直到第3位進(jìn)行比較時(shí)，站1的報(bào)文被丟掉，因?yàn)樗牡?位為高，而其它兩個(gè)站的報(bào)文第3位為低。站2和站3報(bào)文的4、5、6位相同，直到第7位時(shí)，站3的報(bào)文才被丟掉。注意，總線中的信號持續(xù)跟蹤最后獲得總線讀取權(quán)的站的報(bào)文。在此例中，站2的報(bào)文被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優(yōu)點(diǎn)在于，在網(wǎng)絡(luò)最終確定哪一個(gè)站的報(bào)文被傳送以前，報(bào)文的起始部分已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)上傳送了。所有未獲得總線讀取權(quán)的站都成為具有最高優(yōu)先權(quán)報(bào)文的接收站，并且不會在總線再次空閑前發(fā)送報(bào)文。

CAN具有較高的效率是因?yàn)榭偩€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(bào)文在整個(gè)系統(tǒng)中的重要性按順序處理的。這種方法在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)有很多優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榭偩€讀取的優(yōu)先級已被按順序放在每個(gè)報(bào)文中了，這可以保證在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中較低的個(gè)體隱伏時(shí)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(shí)現(xiàn)有較高可靠性的通信系統(tǒng)的唯一方法。

3.2 CAN的通信方案

有兩種重要的總線分配方法：按時(shí)間表分配和按需要分配。在第一種方法中 ，不管每個(gè)節(jié)點(diǎn)是否申請總線，都對每個(gè)節(jié)點(diǎn)按最大期間分配。由此，總線可被分配給每個(gè)站并且是唯一的站，而不論其是立即進(jìn)行總線存取或在一個(gè)特定時(shí)間進(jìn)行總線存取。這將保證在總線存取時(shí)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(gè)站 ，總線系統(tǒng)按站希望的傳送分配（如：Ethernet CSMA/CD）。因此，當(dāng)多個(gè)站同時(shí)請求總線存取時(shí)，總線將終止所有站的請求，這時(shí)將不會有任何一個(gè)站獲得總線分配。為了分配總線，多于一個(gè)總線存取是必要的。

CAN實(shí)現(xiàn)總線分配的方法，可保證當(dāng)不同的站申請總線存取時(shí)，明確地進(jìn)行總線分配。這種位仲裁的方法可以解決當(dāng)兩個(gè)站同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生的碰撞問題。不同于Ethernet網(wǎng)絡(luò)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(shí)總線不被占用。甚至當(dāng)總線在重負(fù)載情況下，以消息內(nèi)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(luò)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。

3.3 CAN的報(bào)文格式

在總線中傳送的報(bào)文，每幀由7部分組成。CAN協(xié)議支持兩種報(bào)文格式，其唯一的不同是標(biāo)識符（ID）長度不同，標(biāo)準(zhǔn)格式為11位，擴(kuò)展格式為29位。

在標(biāo)準(zhǔn)格式中，報(bào)文的起始位稱為幀起始（SOF），然后是由11位標(biāo)識符和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位 （RTR）組成的仲裁場。RTR位標(biāo)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)。

控制場包括標(biāo)識符擴(kuò)展位（IDE），指出是標(biāo)準(zhǔn)格式還是擴(kuò)展格式。它還包括一個(gè)保留位 （r0），為將來擴(kuò)展使用。它的最后四個(gè)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(gè)字節(jié)，其后有一個(gè)檢測數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的循環(huán)冗余檢查（CRC）。

應(yīng)答場（ACK）包括應(yīng)答位和應(yīng)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(shí)正確接收報(bào)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(luò)中至少有一個(gè)站能正確接收到報(bào)文。

報(bào)文的尾部由幀結(jié)束標(biāo)出。在相鄰的兩條報(bào)文間有一很短的間隔位，如果這時(shí)沒有站進(jìn)行總線存取，總線將處于空閑狀態(tài)。

3.4 數(shù)據(jù)錯(cuò)誤檢測

不同于其它總線，CAN協(xié)議不能使用應(yīng)答信息。事實(shí)上，它可以將發(fā)生的任何錯(cuò)誤用信號發(fā)出。CAN協(xié)議可使用五種檢查錯(cuò)誤的方法，其中前三種為基于報(bào)文內(nèi)容檢查。

3.4.1 循環(huán)冗余檢查（CRC）

在一幀報(bào)文中加入冗余檢查位可保證報(bào)文正確。接收站通過CRC可判斷報(bào)文是否有錯(cuò)。

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(bào)文的正確性，用于檢查格式上的錯(cuò)誤。

3.4.3 應(yīng)答錯(cuò)誤

如前所述，被接收到的幀由接收站通過明確的應(yīng)答來確認(rèn)。如果發(fā)送站未收到應(yīng)答，那么表明接收站發(fā)現(xiàn)幀中有錯(cuò)誤，也就是說，ACK場已損壞或網(wǎng)絡(luò)中的報(bào)文無站接收。CAN協(xié)議也可通過位檢查的方法探測錯(cuò)誤。

3.4.4 總線檢測

有時(shí)，CAN中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)可監(jiān)測自己發(fā)出的信號。因此，發(fā)送報(bào)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(bào)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(bào)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(gè)連續(xù)相等位后，發(fā)送站自動插入一個(gè)與之互補(bǔ)的補(bǔ)碼位；接收時(shí)，這個(gè)填充位被自動丟掉。例如，五個(gè)連續(xù)的低電平位后，CAN自動插入一個(gè)高電平位。CAN通過這種編碼規(guī)則檢查錯(cuò)誤，如果在一幀報(bào)文中有6個(gè)相同位，CAN就知道發(fā)生了錯(cuò)誤。

如果至少有一個(gè)站通過以上方法探測到一個(gè)或多個(gè)錯(cuò)誤，它將發(fā)送出錯(cuò)標(biāo)志終止當(dāng)前的發(fā)送。這可以阻止其它站接收錯(cuò)誤的報(bào)文，并保證網(wǎng)絡(luò)上報(bào)文的一致性。當(dāng)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(cuò)誤后23個(gè)位周期內(nèi)重新開始發(fā)送。在特殊場合，系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間為31個(gè)位周期。

但這種方法存在一個(gè)問題，即一個(gè)發(fā)生錯(cuò)誤的站將導(dǎo)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(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)。為此，CAN協(xié)議提供一種將偶然錯(cuò)誤從永久錯(cuò)誤和局部站點(diǎn)失敗中區(qū)別出來的辦法。這種方法可以通過對出錯(cuò)站點(diǎn)統(tǒng)計(jì)評估來確定一個(gè)站點(diǎn)本身的錯(cuò)誤并進(jìn)入一種不會對其它站產(chǎn)生不良影響的運(yùn)行方法來實(shí)現(xiàn)，即站點(diǎn)可以通過關(guān)閉自己來阻止正常數(shù)據(jù)因被錯(cuò)誤地當(dāng)成不正確的數(shù)據(jù)而被終止。

3.4.6 CAN可靠性

為防止汽車在使用壽命期內(nèi)由于數(shù)據(jù)交換錯(cuò)誤而對司機(jī)造成危險(xiǎn)，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?shù)據(jù)錯(cuò)誤足夠低的話，這一目標(biāo)不難實(shí)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(cuò)誤的識別能力。

殘余數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的概率可以通過對數(shù)據(jù)傳輸可靠性的統(tǒng)計(jì)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(cuò)誤概率必須非常小，使其在系統(tǒng)整個(gè)壽命周期內(nèi)，按平均統(tǒng)計(jì)時(shí)幾乎檢測不到。計(jì)算殘余錯(cuò)誤概率要求能夠?qū)?shù)據(jù)錯(cuò)誤進(jìn)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(cuò)誤概率，我們可將殘留錯(cuò)誤的概率作為具有80～90位的報(bào)文傳送時(shí)位錯(cuò)誤概率的函數(shù)，并假定這個(gè)系統(tǒng)中有5～10個(gè)站，并且錯(cuò)誤率為1/1000，那么最大位錯(cuò)誤概率為10-13數(shù)量級。例如，CAN網(wǎng)絡(luò)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(gè)工作壽命4000小時(shí)、平均報(bào)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(yùn)行壽命期內(nèi)，不可檢測的傳輸錯(cuò)誤的統(tǒng)計(jì)平均小于10-2量級。換句話說，一個(gè)系統(tǒng)按每年365天，每天工作8小時(shí)，每秒錯(cuò)誤率為0. 7計(jì)算，那么按統(tǒng)計(jì)平均，每1000年才會發(fā)生一個(gè)不可檢測的錯(cuò)誤。

CAN 即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，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(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，BENZ（奔馳）、BMW（寶馬）、PORSCHE（保時(shí)捷）、ROLLS-ROYCE（勞斯萊斯）和JAGUAR（美洲豹）等都采用了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、過程控制工業(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)形成國際標(biāo)準(zhǔn)，并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。

4 結(jié)束語

CAN總線技術(shù)，是工業(yè)控制與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)兩者結(jié)合的技術(shù)。CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)從網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、協(xié)議、實(shí)時(shí)性、靈活性、可靠性等方面都與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有相似的部分。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的底層都有它的特殊性，特別是汽車產(chǎn)業(yè)中，要傳輸?shù)男畔级绦?，要求?shí)時(shí)性很強(qiáng)、可靠性要高。這一點(diǎn)CAN總線協(xié)議作為一種簡單而可靠的通信協(xié)議，除了在車用電控單元和儀表上有很好的應(yīng)用前景外，在工業(yè)過程控制中亦有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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（本文審稿 尹淑玲）