由于汽車(chē)產(chǎn)業(yè)不斷追求安全可靠、極致性能、舒適方便以及低成本等目標(biāo)，但汽車(chē)內(nèi)高復(fù)雜的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，使得線(xiàn)束過(guò)于龐大，導(dǎo)致成本提高且網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也難以持續(xù)提升，與前者形成沖突。

于是德國(guó)Bosch在1985年提出CAN BUS(Controller Area Network)，不但解決了車(chē)內(nèi)線(xiàn)束持續(xù)增加的問(wèn)題，還為日后可靠且有效率的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)墊定了基礎(chǔ)。1993年，CAN BUS更制定為標(biāo)準(zhǔn)化(ISO-11898)，由于具有高可靠性和錯(cuò)誤檢測(cè)能力，也被廣泛應(yīng)用在船舶、航空電子、大眾交通、農(nóng)用設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)控制中。

CAN BUS的架構(gòu)與特色

CAN BUS是一種串行雙線(xiàn)式差分傳輸?shù)募夹g(shù)規(guī)格(見(jiàn)圖1)，MCU負(fù)責(zé)運(yùn)算數(shù)據(jù)，CAN Controller處理運(yùn)算后的數(shù)據(jù)并傳送“0”或“1”數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò) CAN Transceiver的轉(zhuǎn)換由CAN High和CAN Low產(chǎn)生差分信號(hào)(見(jiàn)圖2)。其中，CAN High電壓減CAN Low電壓小于0.5V代表邏輯狀態(tài)為“1”，而CAN High電壓減 CAN Low電壓大于0.9V代表邏輯狀態(tài)為“0”，所以圖2中傳送位串為101。藉由差分的方式可以避免噪聲的產(chǎn)生，而終端電阻120Ω則是防止信息傳送后反射造成的干擾。

圖1 CAN BUS的應(yīng)用架構(gòu)

圖2 CAN BUS的輸出準(zhǔn)位

CAN BUS上最小單位為節(jié)點(diǎn)(Node)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以主動(dòng)發(fā)送信息到總線(xiàn)上，也可以要求特定節(jié)點(diǎn)回傳信息，并不限定于只有一個(gè)主控端。每個(gè)信息(Message)都是以識(shí)別子字段(ID Field )為起頭，以識(shí)別值決定發(fā)送信息的優(yōu)先權(quán)，數(shù)值越小優(yōu)先權(quán)越高。所以信息的傳遞并不是定義在節(jié)點(diǎn)上，而是定義在信息上。由于是串接的架構(gòu)加上識(shí)別子(ID)的判定機(jī)制，所以軟硬件不需要做修正就能夠輕易增加或移除節(jié)點(diǎn)，不但降低了布線(xiàn)成本也降低了維護(hù)的復(fù)雜度，這種多主控端架構(gòu)成就更完整的智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

信息傳遞可透過(guò)節(jié)點(diǎn)上的設(shè)定，使信息可以被每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收至緩沖器內(nèi)，也可以選擇對(duì)該信息置之不理。CAN BUS也支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求，當(dāng)該信息識(shí)別值符合節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的識(shí)別值，且該信息是遠(yuǎn)程信息(Remote Message)時(shí)，指定的節(jié)點(diǎn)會(huì)將相符的數(shù)據(jù)傳送出去。用戶(hù)便可利用這功能，來(lái)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間的溝通。

在CAN BUS上，傳輸速度最快可達(dá)1Mbps，用戶(hù)可藉由修改位時(shí)序設(shè)定來(lái)修改傳輸速度，而傳輸距離隨通信速度增加而遞減，例如當(dāng)通信速度40Kbps時(shí)，通信距離可達(dá)1km;當(dāng)通信速度1Mbps時(shí)，通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)40m，據(jù)此用戶(hù)可依照本身的應(yīng)用做調(diào)配。

值得信賴(lài)的幫手

強(qiáng)大的容錯(cuò)能力

CAN BUS協(xié)議具有相當(dāng)可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制，這些都是屬于硬件自動(dòng)偵測(cè)反應(yīng)，在此種機(jī)制下，網(wǎng)絡(luò)訊息的傳輸不但有效率且使用起來(lái)更加方便。

自動(dòng)重傳

當(dāng)總線(xiàn)上的節(jié)點(diǎn)偵測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)，硬件會(huì)自動(dòng)重新發(fā)送該訊息到總線(xiàn)上，直到該訊息有任何節(jié)點(diǎn)響應(yīng)ACK (Acknowledged)后，該訊息才會(huì)停止發(fā)送。

錯(cuò)誤偵測(cè)

CAN BUS提供了五種錯(cuò)誤偵測(cè)機(jī)制，分別為位錯(cuò)誤(Bit Error)，填充位錯(cuò)誤(Stuff Error)，循環(huán)冗余代碼校驗(yàn)(CRC Error)，格式錯(cuò)誤(Form Error)，響應(yīng)錯(cuò)誤(Ack Error)，利用這些錯(cuò)誤偵測(cè)機(jī)制，使得總線(xiàn)上的傳輸更加穩(wěn)定，而不需用戶(hù)介入。

錯(cuò)誤通知

偵測(cè)到錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)送錯(cuò)誤訊息(Error Message)到總線(xiàn)上，使得總線(xiàn)上的所有節(jié)點(diǎn)都知道此時(shí)有錯(cuò)誤發(fā)生，以便作出相對(duì)的反應(yīng)，包括重傳或停止發(fā)送等。

錯(cuò)誤恢復(fù)與排除

在CAN協(xié)議中規(guī)范了每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有傳送錯(cuò)誤記數(shù)器(TEC: Transmit Error Counter)和接收錯(cuò)誤記數(shù)器(REC: Receive Error Counter)，根據(jù)TEC和REC的值來(lái)決定目前節(jié)點(diǎn)為何種狀態(tài)，一旦TEC大于255，硬件會(huì)讓該節(jié)點(diǎn)脫機(jī)且暫時(shí)不接收與發(fā)送訊號(hào)到總線(xiàn)上，待特定情況發(fā)生時(shí)，用戶(hù)才可將該節(jié)點(diǎn)重新初始化，并重新開(kāi)始監(jiān)控總線(xiàn)上的訊號(hào)，如此一來(lái)，可避免因各別節(jié)點(diǎn)使總線(xiàn)發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤，影響其他節(jié)點(diǎn)的傳輸。

無(wú)限可能的應(yīng)用系統(tǒng)

CAN BUS的應(yīng)用實(shí)例

電梯系統(tǒng)(Elevator)

傳統(tǒng)的電梯系統(tǒng)采用繼電器邏輯線(xiàn)路，有著線(xiàn)束過(guò)多且維護(hù)不便等問(wèn)題，改換成以CAN建構(gòu)系統(tǒng)，不僅大幅減少線(xiàn)束，增加系統(tǒng)可靠度，更有著建構(gòu)簡(jiǎn)單，便于系統(tǒng)偵錯(cuò)等優(yōu)點(diǎn)。

橋梁應(yīng)變規(guī)(Strain Gage)

有鑒于天然災(zāi)害頻傳，所以藉由橋梁應(yīng)變規(guī)來(lái)監(jiān)控橋梁的健康度，以避免人員及車(chē)輛傷亡。但傳統(tǒng)應(yīng)變規(guī)多半置于橋上，需要人員到場(chǎng)而無(wú)法遠(yuǎn)程監(jiān)控。利用CAN BUS低速時(shí)傳輸距離長(zhǎng)的特性，可將規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的橋梁上放置應(yīng)變規(guī)，并連接至CAN BUS以回傳監(jiān)控中心監(jiān)控橋梁情形，大幅減少人力成本。

車(chē)用監(jiān)控系統(tǒng)(Recorder with car information)

由于車(chē)禍肇事頻傳，使用行車(chē)紀(jì)錄器掌握前方路況，作為車(chē)禍左證的功能。但監(jiān)視器只能錄取前方路況影像，而無(wú)法有效掌控本身行車(chē)內(nèi)部的信息，如目前車(chē)速，油門(mén)狀態(tài)等。運(yùn)用CAN處理行車(chē)信息，再由SPI(Serial Peripheral Interface)、I2C(Inter-Integrated Circuit)等高速接口傳給錄像監(jiān)視器，便可在每段錄像畫(huà)面加上目前車(chē)內(nèi)信息，成為車(chē)禍?zhǔn)露烁欣淖C據(jù)。

車(chē)用診斷系統(tǒng)(OBDII)

OBDII (On Board Diagnosis - II ) 為一種車(chē)輛發(fā)生故障時(shí)，產(chǎn)生故障警示訊號(hào)，提醒駕駛?cè)诉M(jìn)廠(chǎng)維修的協(xié)議。我們可以使用支持CAN的MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用USB(Universal Serial Bus)裝置和CAN來(lái)建構(gòu)診斷系統(tǒng)，可隨時(shí)將OBDII connector 接上汽車(chē)總線(xiàn)，并將其接收訊息透過(guò)USB傳送到計(jì)算機(jī)，配合計(jì)算機(jī)端程序來(lái)診斷汽車(chē)內(nèi)部異常訊號(hào)，進(jìn)而加速汽車(chē)維修速度。

使用方便簡(jiǎn)單

CAN BUS示范系統(tǒng)

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圖3 CAN BUS應(yīng)用馬達(dá)控制系統(tǒng)

因?yàn)镃AN BUS具有高擴(kuò)充性、高可靠度且實(shí)時(shí)性強(qiáng)和低成本等特性，不僅成為車(chē)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展技術(shù)的核心關(guān)鍵，更在其他產(chǎn)業(yè)發(fā)揮了強(qiáng)大而顯著的技術(shù)能力。為了能更了解CAN BUS整體的運(yùn)作，在此使用普遍常見(jiàn)的M0 MCU，示范一個(gè)以CAN BUS傳遞控制命令與狀態(tài)消息的馬達(dá)控制系統(tǒng)(圖3)，其中NUC140 Tiny Board、Learning Board No.1/No/2和Motor Driving Board分別為CAN總線(xiàn)上不同的節(jié)點(diǎn)，利用計(jì)算機(jī)USB連接NUC140 Tiny Board，透過(guò)NUC140微處理器譯碼轉(zhuǎn)換成CAN的訊息，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與CAN BUS的鏈接，而各節(jié)點(diǎn)可發(fā)送與接收系統(tǒng)運(yùn)作狀態(tài)和控制命令。因此在示范系統(tǒng)中，透過(guò)CAN BUS的鏈接與NUC140微處理器的轉(zhuǎn)換，各節(jié)點(diǎn)均可接收到馬達(dá)的實(shí)時(shí)狀態(tài)消息，并顯示在板子上的LCD屏幕或者計(jì)算機(jī)上的人機(jī)接口。