CAN總線系統(tǒng)在現(xiàn)代汽車中的應(yīng)用

。它不僅僅是將電纜按樹形結(jié)構(gòu)連接起來,其通信協(xié)議相當(dāng)于ISO/OSI參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層,網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)協(xié)議探測(cè)和糾正數(shù)據(jù)傳輸過程中因電磁干擾而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。CAN網(wǎng)絡(luò)的配制比較容易,允許任何站之間直接進(jìn)行通信,而無需將所有數(shù)據(jù)全部匯總到主計(jì)算機(jī)后再行處理。

　　二、CAN在國(guó)外的發(fā)展

　　對(duì)機(jī)動(dòng)車輛總線和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的需求有許多相似之處,即較低的成本、較高的實(shí)時(shí)處理能力和在惡劣的強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下可靠的工作。奔馳S型轎車上采用的就是CAN總線系統(tǒng);美國(guó)商用車輛制造商們也將注意力轉(zhuǎn)向CAN總線;美國(guó)一些企業(yè)已將CAN作為內(nèi)部總線應(yīng)用在生產(chǎn)線和機(jī)床上。同時(shí),由于CAN總線可以提供較高的安全性,因此在醫(yī)療領(lǐng)域、紡織機(jī)械和電梯控制中也得到廣泛應(yīng)用。

　　三、CAN的工作原理

　　當(dāng)CAN總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)(站)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),它以報(bào)文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)。對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)來說,無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的,都對(duì)其進(jìn)行接收。每組報(bào)文開頭的11位字符為標(biāo)識(shí)符,定義了報(bào)文的優(yōu)先級(jí),這種報(bào)文格式稱為面向內(nèi)容的編址方案。在同一系統(tǒng)中標(biāo)識(shí)符是唯一的,不可能有兩個(gè)站發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的報(bào)文。當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)總線讀取時(shí),這種配置十分重要。

　　CAN總線的報(bào)文發(fā)送和接收參見圖1。當(dāng)一個(gè)站要向其它站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),該站的CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標(biāo)識(shí)符傳送給本站的CAN芯片,并處于準(zhǔn)備狀態(tài);當(dāng)它收到總線分配時(shí), 轉(zhuǎn)為發(fā)送報(bào)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(bào)文格式發(fā)出,這時(shí)網(wǎng)上的其它站處于接收狀態(tài)。每個(gè)處于接收狀態(tài)的站對(duì)接收到的報(bào)文進(jìn)行檢測(cè),判斷這些報(bào)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(zhǔn)的控制系統(tǒng)并靈活地進(jìn)行配置。我們可以很容易地在CAN總線中加進(jìn)一些新站而無需在硬件或軟件上進(jìn)行修改。當(dāng)所提供的新站是純數(shù)據(jù)接收設(shè)備時(shí),數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不要求獨(dú)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(cè)量數(shù)據(jù)時(shí),可由網(wǎng)上獲得,而無須每個(gè)控制器都有自己獨(dú)立的傳感器。

　　四、位仲裁

　　要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,就必須將數(shù)據(jù)快速傳送,這就要求數(shù)據(jù)的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個(gè)站同時(shí)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),要求快速地進(jìn)行總線分配。實(shí)時(shí)處理通過網(wǎng)絡(luò)交換的緊急數(shù)據(jù)有較大的不同。一個(gè)快速變化的物理量,如汽車引擎負(fù)載,將比類似汽車引擎溫度這樣相對(duì)變化較慢的物理量更頻繁地傳送數(shù)據(jù)并要求更短的延時(shí)。

　　CAN總線以報(bào)文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,報(bào)文的優(yōu)先級(jí)結(jié)合在11位標(biāo)識(shí)符中,具有最低二進(jìn)制數(shù)的標(biāo)識(shí)符有最高的優(yōu)先級(jí)。這種優(yōu)先級(jí)一旦在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)被確立后就不能再被更改?？偩€讀取中的沖突可通過位仲裁解決。如圖2所示,當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)發(fā)送報(bào)文時(shí),站1的報(bào)文標(biāo)識(shí)符為011111;站2的報(bào)文標(biāo)識(shí)符為0100110;站3的報(bào)文標(biāo)識(shí)符為0100111。所有標(biāo)識(shí)符都有相同的兩位01,直到第3位進(jìn)行比較時(shí),站1的報(bào)文被丟掉,因?yàn)樗牡?位為高,而其它兩個(gè)站的報(bào)文第3位為低。站2和站3報(bào)文的4、5、6位相同,直到第7位時(shí),站3的報(bào)文才被丟失。注意,總線中的信號(hào)持續(xù)跟蹤最后獲得總線讀取權(quán)的站的報(bào)文。在此例中,站2的報(bào)文被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優(yōu)點(diǎn)在于,在網(wǎng)絡(luò)最終確定哪一個(gè)站的報(bào)文被傳送以前,報(bào)文的起始部分已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)上傳送了。所有未獲得總線讀取權(quán)的站都成為具有最高優(yōu)先權(quán)報(bào)文的接收站,并且不會(huì)在總線再次空閑前發(fā)送報(bào)文。

　　CAN具有較高的效率是因?yàn)榭偩€僅僅被那些請(qǐng)求總線懸而未決的站利用,這些請(qǐng)求是根據(jù)報(bào)文在整個(gè)系統(tǒng)中的重要性按順序處理的。這種方法在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)有很多優(yōu)點(diǎn),因?yàn)榭偩€讀取的優(yōu)先級(jí)已被按順序放在每個(gè)報(bào)文中了,這可以保證在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中較低的個(gè)體隱伏時(shí)間。

　　對(duì)于主站的可靠性,由于CAN協(xié)議執(zhí)行非集中化總線控制,所有主要通信,包括總線讀取 (許可)控制,在系統(tǒng)中分幾次完成。這是實(shí)現(xiàn)有較高可靠性的通信系統(tǒng)的唯一方法。
　　五、CAN與其它通信方案的比較

　　在實(shí)踐中,有兩種重要的總線分配方法:按時(shí)間表分配和按需要分配。在第一種方法中 ,不管每個(gè)節(jié)點(diǎn)是否申請(qǐng)總線,都對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)按最大期間分配。由此,總線可被分配給每個(gè)站并且是唯一的站,而不論其是立即進(jìn)行總線存取或在一特定時(shí)間進(jìn)行總線存取。這將保證在總線存取時(shí)有明確的總線分配。在第二種方法中,總線按傳送數(shù)據(jù)的基本要求分配給一個(gè)站 ,總線系統(tǒng)按站希望的傳送分配(如:Ethernet CSMA/CD)。因此,當(dāng)多個(gè)站同時(shí)請(qǐng)求總線存取時(shí),總線將終止所有站的請(qǐng)求,這時(shí)將不會(huì)有任何一個(gè)站獲得總線分配。為了分配總線,多于一個(gè)總線存取是必要的。