CAN總線原理全解析

控制器局域網(wǎng)總線(CAN，Controller Area Network)是一種用于實時應用的串行通訊協(xié)議總線，它可以使用雙絞線來傳輸信號，是世界上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN協(xié)議由德國的 Robert Bosch公司開發(fā)，用于汽車中各種不同元件之間的通信，以此取代昂貴而笨重的配電線束。該協(xié)議的健壯性使其用途延伸到其他自動化和工業(yè)應用。CAN協(xié)議的特性包括完整性的串行數(shù)據(jù)通訊、提供實時支持、傳輸速率高達1Mb/s、同時具有11位的尋址以及檢錯能力。

CAN總線是一種多主方式的串行通訊總線，基本設計規(guī)范要求有高的位速率，高抗電子干擾性，并且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。CAN總線可以應用于汽車電控制系統(tǒng)、電梯控制系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、紡織機械、船舶運輸?shù)阮I域。

CAN總線的特點

1、具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優(yōu)點;

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

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

4、可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文;

5、可靠的錯誤處理和檢錯機制;

6、發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā);

7、節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能;

8、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。

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總線的許多細節(jié)很類似，但也有一些明顯的區(qū)別。

當CAN總線上的一個節(jié)點(站)發(fā)送數(shù)據(jù)時，它以報文形式廣播給網(wǎng)絡中所有節(jié)點。對每個節(jié)點來說，無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的，都對其進行接收。每組報文開頭的11位字符為標識符，定義了報文的優(yōu)先級，這種報文格式稱為面向內(nèi)容的編址方案。在同一系統(tǒng)中標識符是唯一的，不可能有兩個站發(fā)送具有相同標識符的報文。當幾個站同時競爭總線讀取時，這種配置十分重要。

當一個站要向其它站發(fā)送數(shù)據(jù)時，該站的CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標識符傳送給本站的CAN芯片，并處于準備狀態(tài);當它收到總線分配時，轉為發(fā)送報文狀態(tài)。CAN芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報文格式發(fā)出，這時網(wǎng)上的其它站處于接收狀態(tài)。每個處于接收狀態(tài)的站對接收到的報文進行檢測，判斷這些報文是否是發(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的控制系統(tǒng)并靈活地進行配置。我們可以很容易地在CAN總線中加進一些新站而無需在硬件或軟件上進行修改。當所提供的新站是純數(shù)據(jù)接收設備時，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不要求獨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量數(shù)據(jù)時，可由網(wǎng)上獲得，而無須每個控制器都有自己獨立的傳感器。

CAN總線的應用

CAN總線在組網(wǎng)和通信功能上的優(yōu)點以及其高性價比據(jù)定了它在許多領域有廣闊的應用前景和發(fā)展?jié)摿?。這些應用有些共同之處：CAN實際就是在現(xiàn)場起一個總線拓撲的計算機局域網(wǎng)的作用。不管在什么場合，它負擔的是任一節(jié)點之間的實時通信，但是它具備結構簡單、高速、抗干擾、可靠、價位低等優(yōu)勢。CAN總線最初是為汽車的電子控制系統(tǒng)而設計的，目前在歐洲生產(chǎn)的汽車中CAN的應用已非常普遍，不僅如此，這項技術已推廣到火車、輪船等交通工具中。

1、汽車制造中的應用

應用CAN總線，可以減少車身布線，進一步節(jié)省了成本，由于采用總線技術，模塊之間的信號傳遞僅需要兩條信號線。布線局部化，車上除掉總線外其他所有橫貫車身的線都不再需要了，節(jié)省了布線成本。CAN總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，CAN總線具有線間干擾小、抗干擾能力強的特點。CAN總線專為汽車量身定做，充分考慮到了汽車上惡劣工作環(huán)境，比如點火線圈點火時產(chǎn)生的強大的反充電壓，電渦流緩沖器切斷時產(chǎn)生的浪涌電流及汽車發(fā)動機倉100℃左右的高溫。

隨著安全性能日益受到重視,安全氣囊也將逐漸增多,以前是在駕駛員前面安裝一個,今后側面與后座都會安裝安全氣囊,這些氣囊通過傳感器感受碰撞信號,通過 CAN總線將傳感器信號傳送到一個中央處理器內(nèi),控制各安全氣囊的啟動彈出動作。同時,先進的防盜設計也正基于CAN總線網(wǎng)絡技術。首先,確認鑰匙合法性的校驗信息通過CAN網(wǎng)絡進行傳遞,改進了加密算法,其校驗的信息比以往的防盜系統(tǒng)更豐富;其次,車鑰匙、防盜控制器和發(fā)動機控制器相互儲存對方信息,而且在校驗碼中攙雜隨機碼,無法進行破譯,從而提高防盜系統(tǒng)的安全性。而這些功能的實現(xiàn)無一不借助CAN總線來完成,CAN總線成為汽車智能化控制的“定海神針”。

在現(xiàn)代轎車的設計中,CAN已經(jīng)成為必須采用的裝置。奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃、雷諾等汽車都采用了CAN作為控制器聯(lián)網(wǎng)的手段。據(jù)報道,中國首輛CAN 網(wǎng)絡系統(tǒng)混合動力轎車已在奇瑞公司試裝成功,并進行了初步試運行。在上海大眾的帕薩特和POLO汽車上也開始引入了CAN總線技術。但總的來說,目前 CAN總線技術在我國汽車工業(yè)中的應用尚處于試驗和起步階段,絕大部分的汽車還沒有采用汽車總線設計。國內(nèi)在技術、設計和應用上進行網(wǎng)絡總線的“深造”勢在必行。

2、大型儀器設備中的應用

大型儀器設備是一種參照一定步驟對多種信息采集、處理、控制、輸出等操作的復雜系統(tǒng)。過去這類儀器設備的電子系統(tǒng)往往是在結構和成本方面占據(jù)相當大的部分，而且可靠性不高。采用CAN總線技術后，在這方面有了明顯改觀。

以醫(yī)療設備為例，病理分布式監(jiān)控系統(tǒng)分別由中央控制式的中央監(jiān)控單元和現(xiàn)場采集單元。 現(xiàn)場采集單元對醫(yī)院各室診斷測量儀器進行數(shù)據(jù)、圖像的實時采集，同時完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計、存貯; 中央監(jiān)控單元可以定期或不定期地從現(xiàn)場采集單元獲取數(shù)據(jù)并完成圖像監(jiān)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、報表、打印及數(shù)據(jù)庫管理。中央監(jiān)控單元和現(xiàn)場采集單元之間通過CAN總線連接在一起，在這個網(wǎng)絡中，中央監(jiān)控單元處于主控位置，而現(xiàn)場采集單元可以隨時響應中央監(jiān)控單元的命令。其現(xiàn)場采集單元由單片機8C552及采集、存儲、顯示、遙控和通信模塊組成,每個現(xiàn)場采集單元可與10個測量儀器相接。