基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究

陳煥霆 劉志浩

摘要：CAN 即“控制器局域網(wǎng)”，是一個 ISO 標(biāo)準(zhǔn)的串行通信協(xié)議。最初的CAN 總線由國外一家公司為應(yīng)對汽車上日益龐大的電子控制設(shè)備而開發(fā)的系統(tǒng)，其最大的特點(diǎn)就是有很大的拓展性，可承受大批量數(shù)據(jù)的高頻高速通信數(shù)據(jù)。合理的設(shè)計(jì)和規(guī)劃的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)議的基礎(chǔ)，有利于降低成本，提升整個網(wǎng)絡(luò)的性能。常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有直線型拓?fù)?、環(huán)型拓?fù)?、星型拓?fù)涞取?】。

關(guān)鍵詞：CAN總線;網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Discuss the network topology structure based on CAN bus

Chen Huan Ting

Suzhou Huazhan Aerospace Electric Appliance Co.， LTD

Abstract：CAN is "controller LAN"， is an ISO standard serial communication protocol. The original CAN bus is a system developed by a foreign company to cope with the increasingly huge electronic control equipment on the automobile. Its biggest characteristic is that it has great extensibility and CAN withstand the high frequency and high speed communication data of large quantities of data. Choosing an appropriate network topology is the basis of realizing CAN protocol， which is beneficial to reduce communication cost and improve the performance of the whole network. Common topologies include linear topology， ring topology， star topology， etc. [1].

Key words：CAN bus; Network topology; topology

1. 引言

CAN總線作為一種通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)方式，目前已經(jīng)被被廣泛的應(yīng)用于汽車、工控、通信、軍工等行業(yè)，最高速率可達(dá)到1Mbps。CAN的容納出錯能力特別強(qiáng)，CAN控制器內(nèi)建了強(qiáng)大的糾錯和整理機(jī)制。CAN 總線網(wǎng)絡(luò)是一種真正的多主機(jī)多大腦系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，在總線處于閑置的情況下，任何一個獨(dú)立的單元都可以申請成為指揮官，向總線發(fā)送消息。

2. CAN總線系統(tǒng)概述

從拓?fù)鋱D1中可以看到一個CAN總線，主要由CPU，CAN總線控制器，CAN總線收發(fā)器組成。

2.1 CAN總線的終端匹配電阻

高頻高速信號在工作的情況下，信號的波長較短，信號在傳輸線終端就會形成反射波，干擾原來的信號，所以需要在線纜的末端增加一個終端匹配電阻，一般是匹配一個120歐姆的電阻，這樣可以使信號到達(dá)傳輸線信號末端后不反射，以滿足電路可以穩(wěn)定工作的需要，見圖3。

低頻信號則不用必須連接終端電阻才可以正常工作，終端匹配電阻要與導(dǎo)線的阻抗相同，典型值為120Ω，其主要的作用的是匹配CAN總線阻抗，提高數(shù)據(jù)通信的電磁兼容性及可靠性能【3】。

終端電阻并不都是120Ω，以下是ISO11898協(xié)議的推薦值，見表1。

CAN總線采用差分信號傳輸，如果使用帶屏蔽雙絞線，屏蔽層應(yīng)單點(diǎn)接地。

一般來說，導(dǎo)線的截面積越小，其分布電容、分布電感和直流電阻越大。當(dāng)通訊距離很遠(yuǎn)時，電容、電感和直流電阻就會引起信號衰減，波形失真和抖動。

導(dǎo)線廠家可以提供信號衰減圖表。圖5所示的曲線顯示了AWG24電纜衰減和頻率的關(guān)系：

3. CAN總線常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

CAN總線是一種分布式的總線，總線上各個節(jié)點(diǎn)的連接方式我們稱之為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)對通信鏈路功能穩(wěn)定性和效率有很大影響。選擇一個合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)CAN總線功能的基礎(chǔ)，有利于降低通信傳輸費(fèi)用，提升整個電氣鏈路的性能【4】。

3.1直線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

直線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是用一根電纜連接網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)的分支連接到總線的主干，這個主干我們稱之為干線，當(dāng)其中某一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號到總線上時，這時候系統(tǒng)就像高鐵站的一個廣播信號一樣，聽到這個廣播信號的人很多，網(wǎng)絡(luò)上的所有支線節(jié)點(diǎn)均能收聽到這個廣播信號，但是只有目標(biāo)節(jié)點(diǎn)才能接收這個廣播信號，就像高鐵站的廣播只有買了特定車票的人在收到廣播信號的情況下才會上車一樣，其余節(jié)點(diǎn)待目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收完畢后，就像特定列車上的人都上車后，才能忽略這項(xiàng)廣播信號?？偩€型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于容易實(shí)現(xiàn)并且構(gòu)建成本很低，但是其容錯能力和可拓展性較差。

3.2環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)通過總線構(gòu)成一個封閉的圓環(huán)狀的互聯(lián)系統(tǒng)，其實(shí)時性好，數(shù)據(jù)載量較大，可作為高速互聯(lián)系統(tǒng)使用，但其靈活性不好，不易發(fā)散。當(dāng)環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的一個樞紐在出現(xiàn)問題的情況下，將會造成整個鏈路的癱瘓，因?yàn)槠涮攸c(diǎn)就在于環(huán)環(huán)相扣，對于軍用導(dǎo)彈系統(tǒng)的來說，系統(tǒng)在測試過程中有可能會遭到攻擊而導(dǎo)致某節(jié)點(diǎn)被破壞，進(jìn)而影響整個系統(tǒng)工作，因此環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不適用在軍用導(dǎo)彈的鏈路設(shè)計(jì)中。

3.3星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個中心樞紐節(jié)點(diǎn)連接多個分支節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所有節(jié)點(diǎn)間的通訊必須經(jīng)過中心樞紐節(jié)點(diǎn)再發(fā)送至需要接受信號的節(jié)點(diǎn)，這個中心樞紐就像一個重要的交通站一樣，無論你去哪里，都必須經(jīng)過這個交通站換乘通往其他地區(qū)的汽車。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)集中式的特性使得鏈路易于拓展，且網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性較好，當(dāng)某一個分支節(jié)點(diǎn)因故障而中斷時不會對整個網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生太大的影響，就像通往特定地點(diǎn)的路斷了之后不會對道路沒有出現(xiàn)損壞的交通會造成影響一樣，但相比于其他網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要消耗更多的電纜，需要修建更多的“交通道路”，增加了構(gòu)建交通網(wǎng)絡(luò)的成本。

4. 結(jié)語

發(fā)展到今天，CAN 總線已經(jīng)獲得行業(yè)內(nèi)的高度認(rèn)可，其應(yīng)用也從汽車電子領(lǐng)域延伸至工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域。本文詳細(xì)描述了CAN網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)、以及各種典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)以及缺點(diǎn)，明確了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇的具體思路和方法，具有很好的指導(dǎo)價值。

參考文獻(xiàn)

[1]瞿軍，邵建波，李昊. 基于 CAN總線的艦載導(dǎo)彈測發(fā)控 系統(tǒng)[J]. 火力與指揮控制，2005，30（8）：189-191.

[2]孫永鋒. 淺析基于 CAN 總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)，2017，21（21）：58-59.

[3]張楊，徐宏偉，黎玉剛等. 基于1553B總線的導(dǎo)彈武器系 統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)與仿真[J]. 2014，34（6）：177-180.

[4]劉勇，韓辰，佟為明. 一種新的 CAN 總線位填充方案 [J]. 電器與能效管理技術(shù)，2008，5（10）：36-39.