CAN總線發(fā)展史

1986 年 2 月，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。在 1999 年，接近 6 千萬(wàn)個(gè) CAN 控制器投入應(yīng)用；2000 年，市場(chǎng)銷售超過(guò)1 億個(gè) CAN 器件。

在 1980 年的早些時(shí)候，Bosch 公司的工程師就開(kāi)始論證當(dāng)時(shí)的串行總線用于客車系統(tǒng)的可行性。因?yàn)闆](méi)有一種現(xiàn)成的網(wǎng)絡(luò)方案能夠完全滿足汽車工程師們的要求，于是，在 1983 年初，Uwe Kiencke 開(kāi)始研究一種新的串行總線。新總線的主要方向是增加新功能、減少電氣連接線 ，使其能夠用于產(chǎn)品，而非用于驅(qū)動(dòng)技術(shù)。來(lái)自 Mercedes-Benz 的工程師較早制定了總線的狀態(tài)說(shuō)明，而 Intel 也準(zhǔn)備作為半導(dǎo)體生產(chǎn)的主要廠商。當(dāng)時(shí)聘請(qǐng)的顧問(wèn)之一是來(lái)自于德國(guó) Braunschweig-Wolfenbüttel 的 Applied Science 大學(xué)教授 WolfhardLawrenz 博士 給出了新網(wǎng)絡(luò)方案的名字“Controller Area Network”,簡(jiǎn)稱 CAN。來(lái)自 Karlsruhe 大學(xué)的教授Horst Wettstein 博士也提供了理論支持。

1986 年 2 月，CAN 誕生了。在底特律的汽車工程協(xié)會(huì)大會(huì)上，由 Bosch 公司研究的新總線系統(tǒng)被稱為“汽車串行控制器局域網(wǎng)” 。Uwe Kiencke、 Siegfried Dais 和 Martin Litschel 分別介紹了這種多主網(wǎng)絡(luò)方案。此方案基于非破壞性的仲裁機(jī)制，能夠確保高優(yōu)先級(jí)報(bào)文的無(wú)延遲傳輸。并且，不需要在總線上設(shè)置主控制器。此外，CAN 之父——上述幾位教授和 Bosch 公司的 Wolfgang Borst、Wolfgang Botzenhard、Otto Karl、Helmut Schelling、Jan Unruh 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)種在 CAN 中的錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制。該錯(cuò)誤檢測(cè)也包括自動(dòng)斷開(kāi)故障節(jié)點(diǎn)功能，以確保能繼續(xù)進(jìn)行剩余節(jié)點(diǎn)之間的通訊。傳輸?shù)膱?bào)文并非根據(jù)報(bào)文發(fā)送器/接收器的節(jié)點(diǎn)地址識(shí)別（幾乎其它的總線都是如此），而是根據(jù)報(bào)文的內(nèi)容識(shí)別。同時(shí)，用于識(shí)別報(bào)文的標(biāo)識(shí)符也規(guī)定了該報(bào)文在系統(tǒng)中的優(yōu)先級(jí)。

當(dāng)關(guān)于這種革新的通訊方案的大部分文字內(nèi)容制定之后，于 1987 年中期，Intel 提前計(jì)劃 2 個(gè)月交付了首枚 CAN 控制器：82526，這是 CAN 方案首次通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)。僅僅用了四年的時(shí)間，設(shè)想就變成了現(xiàn)實(shí)。不久之后，Philips 半導(dǎo)體推出了 82C200。這兩枚最先的 CAN 控制器在驗(yàn)收濾波和報(bào)文控制方面有許多不同。一方面，由Intel主推的FullCAN比由Philips主推的BasicCAN占用較少的CPU載荷；另一方面， FullCAN器件所能接收的報(bào)文數(shù)目相對(duì)受到限制，BasicCAN 控制器僅需較少的硅晶體。今天的 CAN 控制器中，“孫子”輩們?cè)谕荒K中的驗(yàn)收濾波和報(bào)文控制方面仍有相當(dāng)?shù)牟煌圃斐?BasicCAN 和 FullCAN 兩大陣營(yíng)。

標(biāo)準(zhǔn)化與一致性

在 1990 年早些時(shí)候，Bosch CAN 規(guī)范（CAN 2.0 版）被提交給國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織。在數(shù)次行政討論之后，應(yīng)一些主要的法國(guó)汽車廠商要求，增加了“Vehicle Area Network（VAN）”內(nèi)容，并于 1993 年 11 月出版了CAN 的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO11898。除了 CAN 協(xié)議外，它也規(guī)定了最高至 1Mbps 波特率時(shí)的物理層。同時(shí)，在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO11519-2 中也規(guī)定了 CAN 數(shù)據(jù)傳輸中的容錯(cuò)方法。1995 年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO11898 進(jìn)行了擴(kuò)展，以附錄的形式說(shuō)明了 29 位 CAN 標(biāo)識(shí)符。 但令人傷心的是，所有出版的 CAN 規(guī)范均包含錯(cuò)誤或者不完整。因此，為避免出現(xiàn)不兼容的 CAN 應(yīng)用，Bosch 公司一直在進(jìn)行驗(yàn)證 CAN芯片是否基于Bosch 的 CAN參考模型的工件。此外，幾年來(lái)在Lawrenz教授領(lǐng)導(dǎo)下，位于德國(guó) Braunschweig/Wolfenbüttel 的 Applied Science 大學(xué)進(jìn)行 CAN 的一致性測(cè)試，測(cè)試模式基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試規(guī)范 ISO16845。

當(dāng)前，修訂的 CAN 規(guī)范正在標(biāo)準(zhǔn)化中。ISO11898-1 稱為“CAN 數(shù)據(jù)鏈路層”，ISO11898-2 稱為“非容錯(cuò) CAN 物理層”，ISO11898-3 稱為“容錯(cuò) CAN 物理層”。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO11992（卡車和拖車接口）和 ISO11783（農(nóng)業(yè)和森林機(jī)械）都在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn) J1939 的基礎(chǔ)上定義了基于 CAN 應(yīng)用的子協(xié)議，但是它們并不完整。
CAN 先行者的發(fā)展

盡管當(dāng)初研究 CAN 的起點(diǎn)是應(yīng)用于客車系統(tǒng)，但 CAN 的第一個(gè)市場(chǎng)應(yīng)用卻來(lái)自于其他領(lǐng)域。特別是在北歐，CAN 早已得到非常普遍的應(yīng)用。在荷蘭，電梯廠商 Kone 使用 CAN 總線。瑞士工程辦公室 Kvaser已建議將 CAN 應(yīng)用至一些紡織機(jī)械廠（Lindauer Dornier 和 Sulzer），并由他們提供機(jī)器的通訊協(xié)議。這一領(lǐng)域中，在 Lars-Berno Fredriksson 的領(lǐng)導(dǎo)下，公司建立了“CAN 紡織機(jī)械用戶集團(tuán)”。 到 1989 年，他們已研究出通訊原理，并于 1990 年早期幫助建立“CAN Kingdom”開(kāi)發(fā)環(huán)境。盡管 CAN Kingdom 并不是一種基于 OSI 參考模型的應(yīng)用層，但它被認(rèn)為是基于 CAN 的高層協(xié)議的原型。在荷蘭，Philips 醫(yī)療系統(tǒng)決定使用 CAN 構(gòu)成 X 光機(jī)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，成為 CAN 的工業(yè)用戶。主要由 TomSuters 發(fā)表的“Philips 報(bào)文規(guī)范——PMS”提出了 CAN 網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)應(yīng)用層。來(lái)自德國(guó) Weingarten 的 AppliedScience 大學(xué)教授 Konrad Etschberger 博士也持同樣的觀點(diǎn)。他管理 Steinbeis Transfer Center for ProcessAutomation （Stzp）公司（現(xiàn)在更名為 IXXAT Automation 公司），并開(kāi)發(fā)出一個(gè)類似的方案。不管如何，第一個(gè)高層協(xié)議正在形成。大多數(shù) CAN 的先行者使用單片電路的方法，通訊功能、網(wǎng)絡(luò)管理、應(yīng)用代碼組合在同一個(gè)軟件之中。即使一些用戶有較多的標(biāo)準(zhǔn)模塊可供利用，但面對(duì)所有的解決方案，他們也一定存在著缺陷。必須持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)展 CAN 的高層協(xié)議——即使在今天，仍然有部分用戶低估這個(gè)問(wèn)題?？棄?mèng)好，好織夢(mèng)
在 1990 年的早些時(shí)候，開(kāi)始籌劃成立一個(gè)用戶組織，從而將不同的解決方案標(biāo)準(zhǔn)化。在 1992 年初的幾個(gè)月里，當(dāng)時(shí) VMEbus 雜志的主管（出版社：Franzis） Holger Zeltwanger 將用戶和廠商集中在一起，討論建立一個(gè)促進(jìn) CAN 技術(shù)發(fā)展的中立平臺(tái)，同時(shí)也針對(duì)串行總線市場(chǎng)進(jìn)行分析。1992 年 5 月，CiA“CANin Automation”用戶集團(tuán)正式成立。僅在幾個(gè)星期后，CiA 即發(fā)表了第一份技術(shù)雜志，那是關(guān)于物理層的。CiA 推薦僅使用遵循 ISO11898 的 CAN 收發(fā)器。到現(xiàn)在為止，在當(dāng)時(shí)的 CAN 網(wǎng)絡(luò)中使用非常普遍但并不兼容的 RS-485 收發(fā)器已基本消失，盡管它也是廠商提供的。CiA 的首批任務(wù)之一是規(guī)定 CAN 的應(yīng)用層。根據(jù) Philips 醫(yī)療系統(tǒng)（PMS）和 Stzp 所提供的內(nèi)容，依靠其余 CiA 會(huì)員的協(xié)助，CAL——“CAN 應(yīng)用層”也稱為“綠皮書(shū)”誕生了。在制定 CAN 應(yīng)用規(guī)范時(shí)，CiA 的一個(gè)主要任務(wù)是進(jìn)行 CAN 專家和其他 CAN 學(xué)習(xí)者之間的信息交流。因此，從 1994 年起，CiA 每年召開(kāi)一次國(guó)際 CAN 會(huì)議（iCC）。

另外一個(gè)理論的方法是借鑒于 LAV，一個(gè)農(nóng)業(yè)的交通工具協(xié)會(huì)。在 1980 年晚些時(shí)候開(kāi)始，一個(gè)基于CAN 的農(nóng)業(yè)交通工具總線系統(tǒng)（LBS）被制定出。但在工作最終完成前，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)決定改向支持

US 解決方案——J1939。這也是一個(gè)基于 CAN 的應(yīng)用子協(xié)議，由 SAE 的 Truck and Bus 協(xié)會(huì)制定。J1939是一個(gè)非模塊化的方案，簡(jiǎn)單易學(xué)，但靈活性很差。

從理論到實(shí)踐

當(dāng)然，生產(chǎn) CAN 模塊集成器件的 15 家半導(dǎo)體廠商主要聚焦于汽車工業(yè)。從 1990 年中期起，Infineon公司和 Motorola 公司已向歐洲的客車廠商提供了大量的 CAN 控制器。作為下一波，從 1990 年后期起，遠(yuǎn)東的半導(dǎo)體廠商也開(kāi)始提供 CAN 控制器。1994 年，NEC 推出了傳說(shuō)中的 CAN 芯片 72005，但是，這一步太早了——當(dāng)時(shí)，這個(gè)器件并不能投入使用。從 1992 年起，Mercedes-Benz（奔馳） 開(kāi)始在他們的高級(jí)客車中使用 CAN 技術(shù)。第一步使用電子控制器通過(guò) CAN 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行管理；第二步使用控制器接收人們的操作信號(hào)。這就使用了 2 個(gè)物理上獨(dú)立的CAN 總線系統(tǒng)，它們通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接。其他的客車廠商也紛紛趕來(lái)斯圖加特學(xué)習(xí)，在他們的客車上也使用 2套 CAN 總線系統(tǒng)?，F(xiàn)在，繼 Volvo、 Saab、Volkswagen 、BMW 之后，Renault 和 Fiat 也開(kāi)始在他們的汽車上使用 CAN 總線。

在 1990 的早些時(shí)候，美國(guó)俄亥俄州的機(jī)械工程公司的工程師們與 Allen-Bradley 公司、Honeywell 微型開(kāi)關(guān)公司開(kāi)始了一個(gè)合資項(xiàng)目，內(nèi)容是基于 CAN 的通訊與控制。但是，不久之后，項(xiàng)目組的重要成員離開(kāi)合資項(xiàng)目終止。但 Allen-Bradley 公司和 Honeywell 公司各自繼續(xù)從事這項(xiàng)工作。這導(dǎo)致產(chǎn)生了兩個(gè)高層協(xié)議：“ DeviceNet” 和“Smart Distributed System （SDS）”，而且這 2 個(gè)協(xié)議在較低層的通訊層上非常相似。在 1994 年早些時(shí)候，Allen-Bradley 將 DeviceNet 規(guī)范移交給專職推廣 DeviceNet 的組織“Open DeviceNetVendor Association（ODVA）”。而 Honeywell 則放棄了在 SDS 方面的努力，使得 SDS 更象 Honeywell 公司的內(nèi)部解決方案。 DeviceNet 特別為工廠自動(dòng)控制而定制，因此，使其成為類似 Profibus-DP 和 Interbus協(xié)議的有力競(jìng)爭(zhēng)者。倘若僅從即插即用的功能考慮，DeviceNet 已經(jīng)成為美國(guó)特定應(yīng)用領(lǐng)域中的領(lǐng)導(dǎo)者。

在歐洲，一些公司在嘗試使用 CAL。盡管 CAL 在理論上正確，并在工業(yè)上可以投入應(yīng)用，但每個(gè)用戶都必須設(shè)計(jì)一個(gè)新的子協(xié)議，因?yàn)?CAL 是一個(gè)真正的應(yīng)用層。CAL 可以被看作一個(gè)應(yīng)用 CAN 方案的必要

理論步驟，但在這一領(lǐng)域它不會(huì)被推廣。從 1993 年起，在 Esprit project ASPIC 范圍內(nèi)，由 Bosch 領(lǐng)導(dǎo)的歐洲協(xié)會(huì)研究出一個(gè)原型，由此發(fā)展成為 CANopen。它是一個(gè)基于 CAL 的子協(xié)議，用于產(chǎn)品部件的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)控制。在理論方面，來(lái)自德國(guó) Reutlingen 的 Applied Science 大學(xué)教授 Gerhard Gruhler 博士 和來(lái)自Newcastle （UK）大學(xué)的 Mohammed Farsi 積極參與，均是其中最成功的活躍分子之一。在項(xiàng)目完成之后，CANopen 規(guī)范移交給 CiA 組織，由其進(jìn)行維護(hù)與發(fā)展。在 1995 年，CiA 發(fā)表了完整版的 CANopen 通訊子協(xié)議；僅僅用了 5 年的時(shí)間，它已成為全歐洲最重要的嵌入式網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。 CANopen 不僅定義了應(yīng)用層和通訊子協(xié)議，也為可編程系統(tǒng)、不同器件、接口、應(yīng)用子協(xié)議定義了頁(yè)狀態(tài)，這也就是工業(yè)領(lǐng)域（比如：打印機(jī)、海事應(yīng)用、醫(yī)療系統(tǒng)）決定使用 CANopen 的一個(gè)重要原因。 DeviceNet 和 CANopen,是兩個(gè)定位于不同市場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用層協(xié)議（EN 50325）。DeviceNet 適合于工廠自動(dòng)化控制； CANopen 適合于所有機(jī)械的嵌入式網(wǎng)絡(luò)。這又造就了兩個(gè)不同的應(yīng)用范圍，因此，有必要定義應(yīng)用層的規(guī)范歷史（可以將一些特定的大量嵌入式系統(tǒng)排除在外）。
CAN 前景展望

盡管 CAN 協(xié)議已經(jīng)有 15 年的歷史，但它仍處在改進(jìn)之中。從 2000 年開(kāi)始，一個(gè)由數(shù)家公司組成的 ISO任務(wù)組織定義了一種時(shí)間觸發(fā) CAN 報(bào)文傳輸?shù)膮f(xié)議。Bernd Mueller 博士 、Thomas Fuehrer 、Bosch 公司人員和半導(dǎo)體工業(yè)專家、學(xué)術(shù)研究專家將此協(xié)議定義為“時(shí)間觸發(fā)通訊的 CAN（TTCAN）”，計(jì)劃在將來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化為 ISO11898-4。這個(gè) CAN 的擴(kuò)展已在硅片上實(shí)現(xiàn)，不僅可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制下支持報(bào)文的時(shí)間觸發(fā)傳輸，而且可以實(shí)現(xiàn) CAN 的 x-by-wire 應(yīng)用。因?yàn)?CAN 協(xié)議并未改變，所以，在同一個(gè)的物理層上，既可以實(shí)現(xiàn)傳輸時(shí)間觸發(fā)的報(bào)文，也可以實(shí)現(xiàn)傳輸事件觸發(fā)的報(bào)文。TTCAN 將為 CAN 延長(zhǎng) 5-10 年的生命期?，F(xiàn)在，CAN 在全球市場(chǎng)上仍然處于起始點(diǎn)，當(dāng)?shù)玫街匾晻r(shí)，誰(shuí)也無(wú)法預(yù)料 CAN 總線系統(tǒng)在下一個(gè) 10－15 年內(nèi)的發(fā)展趨勢(shì)。這里需要強(qiáng)調(diào)一個(gè)現(xiàn)實(shí)：近幾年內(nèi)，美國(guó)和遠(yuǎn)東的汽車廠商將會(huì)在他們所生產(chǎn)汽車的串行部件上使用 CAN。另外，大量潛在的新應(yīng)用（例如：娛樂(lè)）正在呈現(xiàn)——不僅可用于客車，也可用于家庭消費(fèi)。同時(shí)，結(jié)合高層協(xié)議應(yīng)用的特殊保安系統(tǒng)對(duì) CAN 的需求也正在穩(wěn)健增長(zhǎng)。德國(guó)專業(yè)委員會(huì) BIA 和德國(guó)安全標(biāo)準(zhǔn)權(quán)威 TÜV 已經(jīng)對(duì)一些基于 CAN 的保安系統(tǒng)進(jìn)行了認(rèn)證。CANopen-Safety 是第一個(gè)獲得 BIA 許可的 CAN 解決方案，DeviceNet-Safety 也會(huì)馬上跟進(jìn)。全球分級(jí)協(xié)會(huì)的領(lǐng)導(dǎo)者之一，Germanischer Lloyd 正在準(zhǔn)備提議將 CANopen 固件應(yīng)用于海事運(yùn)輸。在其他事務(wù)中，規(guī)范定義可以通過(guò)自動(dòng)切換將 CANopen 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為冗余總線系統(tǒng)。

CAN 歷史事件一覽表

1983： Start of the Bosch internal project to develop an in-vehicle network

1986： Official introduction of CAN protocol

1987： First CAN controller chips from Intel and Philips Semiconductors

1991： Bosch’s CAN specification 2.0 published

1991： CAN Kingdom CAN-based higher-layer protocol introduced by Kvaser

1992： CAN in Automation international users and manufacturers group established

1992： CAN Application Layer (CAL) protocol published by CiA

1992： First cars from Mercedes-Benz used CAN network

1993： ISO 11898 standard published

1994： 1st international CAN Conference (iCC) organized by CiA

1994： DeviceNet protocol introduction by Allen-Bradley

1995： ISO 11898 amendment (extended frame format) published

1995： CANopen protocol published by CiA

2000： Development of the time-triggered communication protocol for CAN (TTCAN)織夢(mèng)內(nèi)容管理系統(tǒng)