什么是CAN總線

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(ControllerAreaNetwork，CAN)的簡稱，是由以研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)的，并最終成為國際標準(ISO11898)，是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標準總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機械車輛設計的J1939協(xié)議。

CAN總線的特點

(1)它是一種多主總線，即每個節(jié)點機均可成為主機，且節(jié)點機之間也可進行通信。

(2)通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維，通信速率可達1mb/s。

(3)can總線通信接口中集成了can協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余校驗、優(yōu)先級判別等項工作。

(4)can協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，雨代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點是可使網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標識碼可由11位或29位二進制數(shù)組成，因此可以定義211或229個不同的數(shù)據(jù)塊，這種數(shù)據(jù)塊編碼方式，還可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點在分步式控制中非常重要。

(5)數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，從而倮證了通信的實時性。

(6)can協(xié)議采用crc檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。can總線所具有的卓越性能、極高的可靠性和獨特設計，特別適合工業(yè)設各測控單元互連。因此備受工業(yè)界的重視，并已公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一。

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(zhuǎn)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總線的優(yōu)點

● 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;

● 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;

● 具有優(yōu)先權(quán)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;

● 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。

CAN總線缺點

1)不一致性

CAN總線中有一個著名的Last-But-One-Bit 錯誤。CAN總線2 OA在信息認證(MessageValidaTIon)中規(guī)定： 發(fā)送器驗錯的范圍可覆蓋到幀結(jié)束，如果發(fā)現(xiàn)錯誤，以后就按優(yōu)先權(quán)和狀態(tài)的規(guī)定重發(fā); 接 器驗錯的范圍覆蓋到幀結(jié)束的前一位。因此，如果由于空間干擾、電 源波動等原因，對于幀的倒數(shù)第二位，一部分節(jié)點A認為無錯，一 部分節(jié)點B 認為有錯，即出現(xiàn)了所謂的ByzanTIne 錯誤。這時，根 EOF 應該是7 個隱性位，節(jié)點B 認為這是一種形式錯誤，所以就會啟動錯誤幀，通知發(fā)送器重發(fā)，同時丟棄收到的幀。而認為設錯的節(jié)點A 由于只查到倒數(shù)第二位，因此就會接收此幀。如果在發(fā)送器例行的下一次發(fā)送前B 通知的重發(fā)成功，A就會收到重復幀; 如果重發(fā)不成功，B 就丟了一幀。在轉(zhuǎn)向和制動系統(tǒng)中，4 個輪子對命令的不同理解，可能造成性能的下降或其他更嚴重的后果。

2)不可預測性

CAN總線將節(jié)點狀態(tài)分為ErrorAcTIve、Error Passive 和Bus Off 三種，這三種狀態(tài)在一定條件下可以互相轉(zhuǎn)換。不同狀態(tài)中節(jié)點的發(fā)送有不同的延遲。最高優(yōu)先權(quán)的信息發(fā)送延遲有幾種可能： 當節(jié)點狀態(tài)為ErrorAcTIve 時，若總線空閑，則立即發(fā)送; 當節(jié)點狀態(tài)為ErorActive時，如果其它幀正在發(fā)送，則需等正在發(fā)送的報文結(jié)束后，再過3 位后發(fā)送; 當節(jié)點狀態(tài)為ErrorPassive 時，它有一個出錯重發(fā)的要求，若沒有其它幀要發(fā)送，等3 位傳送(Intemission)和8 位掛起傳送(Suspend Transmission)后重發(fā); 當節(jié)點狀態(tài)為Error Passive時，若總線空閑，出錯后等別的信息發(fā)送完后再發(fā)，等待時間與其它幀的長度有關(guān); 當節(jié)點狀態(tài)為Bus Off 時，需等狀態(tài)恢復到ErrorPassive 或ErrorActive 再發(fā)。

當確認某節(jié)點的狀態(tài)時，還有幾個因素需要考慮： 首先，節(jié)點由最高優(yōu)先權(quán)的信息和其他信息共用，因此，其他信息在傳送過程中出現(xiàn)的錯誤也會影響到節(jié)點狀態(tài); 其次，進入ErrorPassive 或BusOff 狀態(tài)的條件是發(fā)送錯誤計數(shù)器與/或接收錯誤計數(shù)器的值，由于CAN 的原子廣播特點，其它節(jié)點的發(fā)送錯誤或接收錯誤會開啟一個錯誤幀，從而影響到該節(jié)點的接收錯誤計數(shù)器的值，進而影響節(jié)點狀態(tài)。

對于優(yōu)先權(quán)較低的信息來說，發(fā)送時間的離散程度更大。在反饋控制系統(tǒng)中，采樣調(diào)節(jié)周期的大范圍抖動相當于信號延遲后的變化，它有可能使系統(tǒng)性能下降或不穩(wěn)定。在與安全相關(guān)的開環(huán)系統(tǒng)中，抖動可能造成動作順序的混亂。

3)信道出錯堵塞

節(jié)點有可能受干擾或其它原因暫時或永久失效，出錯的主機會命令CAN 收發(fā)器不斷發(fā)送消息，即所謂的Babbling ldiot 錯誤。由于該信息的格式等均合法，因此CAN 沒有相應的機制來處理這種情況。根據(jù)CAN 的優(yōu)先權(quán)機制，比它優(yōu)先權(quán)低的信息就被暫時或永久堵塞。由于CAN總線存在上述幾種根本的缺陷，因此，在更為嚴格的控制系統(tǒng)中，它將會造成巨大的風險，無法滿足安全、環(huán)保、節(jié)能的要求。CAN 的事件觸發(fā)協(xié)議特點限制了ECU 的應用、開發(fā)與生產(chǎn)，不僅用過的ECU 難于重用，而且還不利于改善和開發(fā)新的ECU。

CAN總線的應用

現(xiàn)在CAN的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設備、工業(yè)設備等方面，現(xiàn)場總線是當今自動化領域技術(shù)發(fā)展的熱點之一、被譽為自動化領域的計算機局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強有力的技術(shù)支持。

CAN總線在工控領域主要使用低速-容錯CAN即ISO11898-3標準，在汽車領域常使用500Kbps的高速CAN。

某進口車型擁有，車身、舒適、多媒體等多個控制網(wǎng)絡，其中車身控制使用CAN網(wǎng)絡，舒適使用LIN網(wǎng)絡，多媒體使用MOST網(wǎng)絡，以CAN網(wǎng)為主網(wǎng)，控制發(fā)動機、變速箱、ABS等車身安全模塊，并將轉(zhuǎn)速、車速、油溫等共享至全車，實現(xiàn)汽車智能化控制，如高速時自動鎖閉車門，安全氣囊彈出時，自動開啟車門等功能。

CAN系統(tǒng)又分為高速和低速，高速CAN系統(tǒng)采用硬線是動力型，速度：500kbps，控制ECU、ABS等;低速CAN是舒適型，速度：125Kbps，主要控制儀表、防盜等。

某醫(yī)院現(xiàn)有5臺16T/H XXXX燃氣鍋爐，向洗衣房、制劑室、供應室、生活用水、暖氣等設施提供5kg/cm2的蒸汽，全年耗用天然氣1200萬m3，耗用20萬噸自來水。醫(yī)院采用接力式方式供熱，對熱網(wǎng)進行地域性管理，分四大供熱區(qū)。其中冬季暖氣的用氣量很大，據(jù)此設計了基于CAN現(xiàn)場總線的分布式鍋爐蒸汽熱網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)場應用表明：該樓宇自動化系統(tǒng)具有抗干擾能力強，現(xiàn)場組態(tài)容易，網(wǎng)絡化程度高，人機界面友好等特點。