CAN總線百科

CAN是控制器局域網絡(Controller Area Network)的簡稱，是由研發和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開發了的，并最終成為國際標準（ISO118?8）。是國際上應用最廣泛的現場總線之一。 在北美和西歐，CAN總線協議已經成為汽車計算機控制系統和嵌入式工業控制局域網的標準總線，并且擁有以CAN為底層協議專為大型貨車和重工機械車輛設計的J1939協議。近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應用于汽車計算機控制系統和環境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業環境

CAN總線基本概念

CAN 是Controller Area Network 的縮寫（以下稱為CAN），是ISO國際標準化的串行通信協議。在汽車產業中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統被開發了出來。由于這些系統之間通信所用的數據類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構成的情況很多，線束的數量也隨之增加。為適應“減少線束的數量”、“通過多個LAN，進行大量數據的高速通信”的需要，1986 年德國電氣商博世公司開發出面向汽車的CAN 通信協議。此后，CAN 通過ISO11898 及ISO11519 進行了標準化，在歐洲已是汽車網絡的標準協議。

CAN 的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業自動化、船舶、醫療設備、工業設備等方面。現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現為分布式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支持。

CAN總線優勢

CAN屬于現場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。較之許多RS-485基于R線構建的分布式控制系統而言，基于CAN總線的分布式控制系統在以下方面具有明顯的優越性：

網絡各節點之間的數據通信實時性強

首先，CAN控制器工作于多種方式，網絡中的各節點都可根據總線訪問優先權（取決于報文標識符）采用無損結構的逐位仲裁的方式競爭向總線發送數據，且CAN協議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數據進行編碼，這可使不同的節點同時接收到相同的數據，這些特點使得CAN總線構成的網絡各節點之間的數據通信實時性強，并且容易構成冗余結構，提高系統的可靠性和系統的靈活性。而利用RS-485只能構成主從式結構系統，通信方式也只能以主站輪詢的方式進行，系統的實時性、可靠性較差；

縮短了開發周期

CAN總線通過CAN收發器接口芯片82C250的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態只能是高電平或懸浮狀態，CANL端只能是低電平或懸浮狀態。這就保證不會在出現在RS-485網絡中的現象，即當系統有錯誤，出現多節點同時向總線發送數據時，導致總線呈現短路，從而損壞某些節點的現象。而且CAN節點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上其他節點的操作不受影響，從而保證不會出現象在網絡中，因個別節點出現問題，使得總線處于“死鎖”狀態。而且，CAN具有的完善的通信協議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實現，從而大大降低系統開發難度，縮短了開發周期，這些是僅有電氣協議的RS-485所無法比擬的。

已形成國際標準的現場總線

另外，與其它現場總線比較而言，CAN總線是具有通信速率高、容易實現、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標準的現場總線。這些也是CAN總線應用于眾多領域，具有強勁的市場競爭力的重要原因。

最有前途的現場總線之一CAN 即控制器局域網絡，屬于工業現場總線的范疇。與一般的通信總線相比,CAN總線的數據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，如BENZ（奔馳）、BMW（寶馬）、PORSCHE（保時捷）、ROLLS-ROYCE（勞斯萊斯）和JAGUAR（美洲豹）等都采用了CAN總線來實現汽車內部控制系統與各檢測和執行機構間的數據通信。同時，由于CAN總線本身的特點，其應用范圍已不再局限于汽車行業，而向自動控制、航空航天、航海、過程工業、機械工業、紡織機械、農用機械、機器人、數控機床、醫療器械及傳感器等領域發展。CAN已經形成國際標準，并已被公認為幾種最有前途的現場總線之一。其典型的應用協議有：SAE J1939/ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000等。

CAN總線的發展

控制器局部網（CAN－CONTROLLER AREA NETWORK）是BOSCH公司為現代汽車應用領先推出的一種多主機局部網，由于其高性能、高可靠性、實時性等優點現已廣泛應用于工業自動化、多種控制設備、交通工具、醫療儀器以及建筑、環境控制等眾多部門。控制器局部網將在中國迅速普及推廣。

隨著計算機硬件、軟件技術及集成電路技術的迅速發展，工業控制系統已成為計算機技術應用領域中最具活力的一個分支，并取得了巨大進步。由于對系統可靠性和靈活性的高要求，工業控制系統的發展主要表現為：控制面向多元化，系統面向分散化，即負載分散、功能分散、危險分散和地域分散。

分散式工業控制系統就是為適應這種需要而發展起來的。這類系統是以微型機為核心，將 5C技術--COMPUTER（計算機技術）、CONTROL（自動控制技術）、COMMUNICATION（通信技術）、CRT（顯示技術）和 CHANGE（轉換技術）緊密結合的產物。它在適應范圍、可擴展性、可維護性以及抗故障能力等方面，較之分散型儀表控制系統和集中型計算機控制系統都具有明顯的優越性。

典型的分散式控制系統由現場設備、接口與計算設備以及通信設備組成。現場總線（FIELDBUS）能同時滿足過程控制和制造業自動化的需要，因而現場總線已成為工業數據總線領域中最為活躍的一個領域。現場總線的研究與應用已成為工業數據總線領域的熱點。盡管對現場總線的研究尚未能提出一個完善的標準，但現場總線的高性能價格必將吸引眾多工業控制系統采用。同時，正由于現場總線的標準尚未統一，也使得現場總線的應用得以不拘一格地發揮，并將為現場總線的完善提供更加豐富的依據。控制器局部網 CAN（CONTROLLER AERANETWORK）正是在這種背景下應運而生的。

由于CAN為愈來愈多不同領域采用和推廣，導致要求各種應用領域通信報文的標準化。為此，1991年 9月 PHILIPS SEMICONDUCTORS制訂并發布了 CAN技術規范（VERSION 2.0）。該技術規范包括A和B兩部分。2.0A給出了曾在CAN技術規范版本1.2中定義的CAN報文格式，能提供11位地址；而2.0B給出了標準的和擴展的兩種報文格式，提供29位地址。此后，1993年11月ISO正式頒布了道路交通運載工具--數字信息交換--高速通信控制器局部網（CAN）國際標準（ISO11898），為控制器局部網標準化、規范化推廣鋪平了道路。

CAN總線的特點

CAN總線是德國BOSCH公司從80年代初為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發的一種串行數據通信協議，它是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率最高可達1Mbps。

完成對通信數據的成幀處理

CAN總線通信接口中集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環冗余檢驗、優先級判別等項工作。

使網絡內的節點個數在理論上不受限制

CAN協議的一個最大特點是廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進行編碼。采用這種方法的優點可使網絡內的節點個數在理論上不受限制，數據塊的標識符可由11位或29位二進制數組成，因此可以定義2或2個以上不同的數據塊，這種按數據塊編碼的方式，還可使不同的節點同時接收到相同的數據，這一點在分布式控制系統中非常有用。數據段長度最多為8個字節，可滿足通常工業領域中控制命令、工作狀態及測試數據的一般要求。同時，8個字節不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設計，特別適合工業過程監控設備的互連，因此，越來越受到工業界的重視，并已公認為最有前途的現場總線之一。

可在各節點之間實現自由通信

CAN總線采用了多主競爭式總線結構，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。CAN總線上任意節點可在任意時刻主動地向網絡上其它節點發送信息而不分主次，因此可在各節點之間實現自由通信。CAN總線協議已被國際標準化組織認證，技術比較成熟，控制的芯片已經商品化，性價比高，特別適用于分布式測控系統之間的數通訊。CAN總線插卡可以任意插在PC AT XT兼容機上，方便地構成分布式監控系統。

結構簡單

只有2根線與外部相連，并且內部集成了錯誤探測和管理模塊。

傳輸距離和速率

CAN總線特點：(1) 數據通信沒有主從之分，任意一個節點可以向任何其他（一個或多個）節點發起數據通信，靠各個節點信息優先級先后順序來決定通信次序，高優先級節點信息在134μs通信; (2) 多個節點同時發起通信時，優先級低的避讓優先級高的，不會對通信線路造成擁塞; (3) 通信距離最遠可達10KM(速率低于5Kbps)速率可達到1Mbps(通信距離小于40M）；（4) CAN總線傳輸介質可以是雙絞線，同軸電纜。CAN總線適用于大數據量短距離通信或者長距離小數據量，實時性要求比較高，多主多從或者各個節點平等的現場中使用。

CAN總線技術介紹

位仲裁

要對數據進行實時處理，就必須將數據快速傳送，這就要求數據的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個站同時需要發送數據時，要求快速地進行總線分配。實時處理通過網絡交換的緊急數據有較大的不同。一個快速變化的物理量，如汽車引擎負載，將比類似汽車引擎溫度這樣相對變化較慢的物理量更頻繁地傳送數據并要求更短的延時。

CAN總線以報文為單位進行數據傳送，報文的優先級結合在11位標識符中，具有最低二進制數的標識符有最高的優先級。這種優先級一旦在系統設計時被確立后就不能再被更改。總線讀取中的沖突可通過位仲裁解決。如圖2所示，當幾個站同時發送報文時，站1的報文標識符為011111；站2的報文標識符為0100110；站3的報文標識符為0100111。所有標識符都有相同的兩位01，直到第3位進行比較時，站1的報文被丟掉，因為它的第3位為高，而其它兩個站的報文第3位為低。站2和站3報文的4、5、6位相同，直到第7位時，站3的報文才被丟失。注意，總線中的信號持續跟蹤最后獲得總線讀取權的站的報文。在此例中，站2的報文被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優點在于，在網絡最終確定哪一個站的報文被傳送以前，報文的起始部分已經在網絡上傳送了。所有未獲得總線讀取權的站都成為具有最高優先權報文的接收站，并且不會在總線再次空閑前發送報文。

CAN具有較高的效率是因為總線僅僅被那些請求總線懸而未決的站利用，這些請求是根據報文在整個系統中的重要性按順序處理的。這種方法在網絡負載較重時有很多優點，因為總線讀取的優先級已被按順序放在每個報文中了，這可以保證在實時系統中較低的個體隱伏時間。

對于主站的可靠性，由于CAN協議執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，在系統中分幾次完成。這是實現有較高可靠性的通信系統的唯一方法。

CAN與其它通信方案的比較

在實踐中，有兩種重要的總線分配方法：按時間表分配和按需要分配。在第一種方法中，不管每個節點是否申請總線，都對每個節點按最大期間分配。由此，總線可被分配給每個站并且是唯一的站，而不論其是立即進行總線存取或在一特定時間進行總線存取。這將保證在總線存取時有明確的總線分配。在第二種方法中，總線按傳送數據的基本要求分配給一個站，總線系統按站希望的傳送分配（如：EthernetCSMA/CD）。因此，當多個站同時請求總線存取時，總線將終止所有站的請求，這時將不會有任何一個站獲得總線分配。為了分配總線，多于一個總線存取是必要的。