CAN總線原理及應用研究

作者簡介：陳益慶（1987-），男，漢族，四川省鄰水縣，碩士研究生，重慶交通大學，研究方向：汽車電子控制。

摘要：控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN（Control Area Network）總線是最流行的現(xiàn)場總線之一，是一種多主控制和實時通信控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有通信系統(tǒng)柔韌性好、通信速度快、可靠性高、抗干擾性強以及良好的錯誤檢測能力等優(yōu)點。對CAN總線技術(shù)的特性進行了闡述，研究了CAN總線技術(shù)的應用，并對其發(fā)展前景進行了分析探討。

關(guān)鍵詞：CAN總線；技術(shù)應用；前景分析

一、前言

CAN最初出現(xiàn)在80年代末的汽車工業(yè)中，由德國Bosch公司最先提出。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，消費者對汽車的性能要求越來越高，其很大程度上是基于汽車電子控制方面，從而使得汽車電子產(chǎn)品越來越多而且更為復雜，各控制單元之間的通信要求越來越高，一種有效的通信方式也是迫在眉睫。CAN總線就是為解決此項技術(shù)難題應運而生。

二、CAN總線原理

CAN通訊協(xié)議主要描述設(shè)備之間的信息傳遞方式。CAN層的定義與開放系統(tǒng)互連模型（OSI）一致。每一層與另一設(shè)備上相同的那一層通訊。實際的通訊發(fā)生在每一設(shè)備上相鄰的兩層，而設(shè)備只通過模型物理層的物理介質(zhì)互連。CAN的規(guī)范定義了模型的最下面兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。下表中展示了OSI開放式互連模型的各層。

表1OSI開放系統(tǒng)互連模型

7應用層最高層。用戶、軟件、網(wǎng)絡(luò)終端等之間用來進行信息交換。

6表示層將兩個應用不同數(shù)據(jù)格式的系統(tǒng)信息轉(zhuǎn)化為能共同理解的格式

5會話層依靠低層的通信功能來進行數(shù)據(jù)的有效傳遞。

4傳輸層兩通訊節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳輸控制。操作如：數(shù)據(jù)重發(fā)，數(shù)據(jù)錯誤修復

3網(wǎng)絡(luò)層規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)連接的建立、維持和拆除的協(xié)議。如：路由和尋址

2數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了在介質(zhì)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位的排列和組織。如：數(shù)據(jù)校驗、幀結(jié)構(gòu)

1物理層規(guī)定通訊介質(zhì)的物理特性。如：電氣特性和信號交換的解釋

CAN能夠使用多種物理介質(zhì)，例如雙絞線、光纖等。最常用的就是雙絞線。信號使用差分電壓傳送，兩條信號線被稱為“CAN_H”和“CAN_L”，靜態(tài)時均是2.5V左右，此時狀態(tài)表示為邏輯“1”，也可以叫做“隱性”。用CAN_H比CAN_L高表示邏輯“0”，稱為“顯形”，此時，通常電壓值為：CAN_H=3.5V和CAN_L=1.5V。

CAN總線節(jié)點的硬件構(gòu)成方案如圖，有兩種：

○1MCU控制器+獨立CAN控制器+CAN收發(fā)器。獨立CAN控制器如SJA1000、MCP2515，其中MCP2515通過SPI總線和MCU連接，SJA1000通過數(shù)據(jù)總線和MCU連接。

○2帶有CAN控制器的MCU+CAN收發(fā)器。目前市場上有許多種，如P87C591、LPC2294、C8051F060等。

兩種方案的節(jié)點構(gòu)成都需要通過CAN收發(fā)器通CAN總線相連接，常用的CAN收發(fā)器有PCA82C250、PCA82C251、TJA1050、TJA1040等。

三、CAN總線技術(shù)特點：

CAN具有十分優(yōu)越的特點，使人們樂于選擇。這些特性包括：

低成本

極高的總線利用率

很遠的數(shù)據(jù)傳輸距離（長達10Km）

高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達1Mbit/s）

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

四、CAN總線的應用及發(fā)展

作為一種技術(shù)先進、可靠性高、功能完善、成本較低的網(wǎng)絡(luò)通信控制方式，CAN總線廣泛應用于樓宇自動化、安全監(jiān)控、汽車工業(yè)、航空工業(yè)等領(lǐng)域。

1.樓宇自動化

在樓宇自動化中，加熱和通風、照明、安全和監(jiān)控等系統(tǒng)對建筑安裝提出了更高的要求，現(xiàn)代的建筑安裝系統(tǒng)越來越多地建立在CAN總線系統(tǒng)上，通過其現(xiàn)實開關(guān)、按鈕、傳感器、照明設(shè)備、其他執(zhí)行器和多控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)建筑中各操作單元之間的協(xié)作，并對各單元不斷變化的狀態(tài)實時控制。

2.安全監(jiān)控

在當前的各種監(jiān)控系統(tǒng)中，普遍存在可靠性、實時性不高，分站缺乏統(tǒng)一規(guī)范等缺點，不能夠很好地滿足實時監(jiān)控的要求。CAN總線由于具有高數(shù)據(jù)傳輸率、完善的規(guī)范和協(xié)議、高實時性、安全性、可靠性等，可以很好地克服當前監(jiān)控系統(tǒng)中存在的各種問題。如：水電站高邊坡監(jiān)控系統(tǒng)、大型遠程高邊坡監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、輥道陶瓷窖等監(jiān)控系統(tǒng)的應用。

3.汽車工業(yè)

在汽車工業(yè)中，CAN被設(shè)計作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。如：汽車動力系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表、車載網(wǎng)絡(luò)、電子主干系統(tǒng)中，均嵌入CAN控制裝置。其應用使汽車的安全性、舒適性、動力性等性能都進入一個新的高度，給汽車工業(yè)發(fā)展注入新的活力。

五、總結(jié)

CAN總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，雖然CAN總線最初是為了解決汽車電子控制模塊、傳感器和執(zhí)行器的通信問題而被提出的，但由于CAN總線具有成本低，安全性高、可靠性好、實時通信，較強的電磁抗干擾能力，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作等優(yōu)勢，已被廣泛應用于各個領(lǐng)域，隨著CAN總線技術(shù)的不斷完善，必將得到更大的發(fā)展和更加廣泛的應用。（作者單位：重慶交通大學）

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