CAN總線技術詳解

起源

20世紀80年代，Robert Bosch 公司在 SAE(汽車工程協(xié)會)大會上介紹了一種新型的串行總線——CAN控制器局域網(wǎng)，那也是 CAN 誕生的時刻。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 已經成為全球范圍內最重要的總線之一 —— 甚至領導著串行總線。

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)CAN總線技術的應用：國外知名汽車基本都已經采用了CAN總線技術，例如沃爾沃、林肯、奧迪、寶馬等，而國內汽車品牌，例如奇瑞等公司也已經有幾款車型應用了總線技術。 CAN總線技術就是通過遍布車身的傳感器，將汽車的各種行駛數(shù)據(jù)發(fā)送到“總線”上，在這個信息共享平臺上，凡是需要這些數(shù)據(jù)的接收端都可以從“總線”上讀 取需要的信息，從而使汽車的各個系統(tǒng)協(xié)調運作、信息共享、保證車輛安全行駛、舒適和可靠。一般來說，越高檔的車配備的CAN_BUS數(shù)量越多，價格也越 高，如途安、帕薩特等車型當中都配備了多個CAN總線。

(2)汽車CAN總線節(jié)點ECU的硬件設計：汽車CAN總線研發(fā)的核心技術就是對帶有CAN接口的ECU進行設計，其中ECU的CAN總線模塊由CAN控制器和CAN收發(fā)器構成。CAN控制器執(zhí)行完整的CAN協(xié)議，完成通訊功能，包括信息緩沖和接收濾波。CAN控制器與物理總線之間需CAN收發(fā)器作為接口，它實現(xiàn)CAN控制器與總線之間邏輯電平信 號的轉換。

(3)CAN總線在國內自主品牌汽車中的應用：由于受成本控制、技術實力等因素的限制，CAN_BUS總線技術一般都出現(xiàn)在國外高端汽車，在A級及以下級別車型當中，該項技術大多出現(xiàn)在合資品牌當中，如POLO、新寶來等。在自主品牌中，采用CAN總線技術的車型中很少，風云2則是其中的代表車型。風云2 CAN總線技術，可以實現(xiàn)發(fā)動機、變速箱、ABS、車身、儀表及其他控制器的通訊，做到全車信息及時共享。在風云2的組合儀表盤當中，階段里程、未關車門精確顯示、安全帶未系提醒等20多項信息全部可以顯示，比同級產品增加一倍，這樣增加了駕駛過程中的安全度。

(4)未來智能傳感器發(fā)展趨勢：CAN總線作為一種可靠的汽車計算機網(wǎng)絡總線已在許多先進汽車上得到應用，將CAN總線應用于智能傳感器中， 使傳感器獲得的信號能通過總線實時地、可靠地、高速而準確地進行傳輸，使得各汽車計算機控制單元能夠通過CAN總線共享所有信息和資源，達到簡化布線、減 少傳感器數(shù)量、避免控制功能重復、提高系統(tǒng)可靠性、降低成本、更好地匹配和協(xié)調各個控制系統(tǒng)的目的。同時，由于整個智能傳感器網(wǎng)絡采用全數(shù)字化的通信，因此，總線也具有很好的抗干擾能力，是未來智能化傳感器和智能化控制網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢。

另外，在 CAN總線技術的幫助下，內部各種傳感器實現(xiàn)信息共享后，大大減少了車體內線束和控制器的接口數(shù)量，避免了過多線束存在的互相干涉、磨損等隱患，降低了汽車電氣系統(tǒng)的故障發(fā)生率。打開發(fā)動機艙蓋，看到的是清晰簡潔的艙內布局。維修方面，CAN總線技術的應用也使得故障排查得到最便利的保證。CAN總線智能 管家系統(tǒng)符合歐美OBDII標準法規(guī)，實現(xiàn)了在線診斷的功能。在車輛發(fā)生故障后，各個控制器通過CAN總線智能管家系統(tǒng)存儲故障代碼，由專業(yè)人員，通過診斷儀為車輛診斷出各種故障狀態(tài)，快速準確地查找到故障點，第一時間排除故障。利用CAN總線技術實現(xiàn)系統(tǒng)集成的信息傳輸，大大提高了各部件的響應速度，減少了配件磨損發(fā)生率，也相應的降低了維修成本;而且，先進集成技術的應用，也大幅提高了車輛自身的科技含量，增強了產品競爭力。

CAN 總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。由于其良好的性能及獨特的設計，CAN總線越來越受到人們的重視，它在汽車領域上的應用是最廣泛的。世界上一些著名的汽車制造廠商大都采用了CAN總線來實現(xiàn)汽車內部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機構間的數(shù)據(jù)通信。同時，由于CAN總線本身的特點，其應用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè)，而向自動控制、航空航天、航海、過程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織機械、農用機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械及傳感器等領域發(fā)展。 CAN已經形成國際標準，并已被公認為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。