CAN已經(jīng)形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN 總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。由于其良好的性能及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN總線越來(lái)越受到人們的重視，它在汽車領(lǐng)域上的應(yīng)用是最廣泛的。接下來(lái)及跟隨小編一起來(lái)了解一下CAN總線的工作原理、特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用案例吧。

CAN總線的結(jié)構(gòu)

CAN總線的物理層是將ECU(Electronic Control Unit-電子控制單元，又稱“行車電腦”、“車載電腦”等)連接至總線的驅(qū)動(dòng)電路。ECU的總數(shù)將受限于總線上的電氣負(fù)荷。物理層定義了物理數(shù)據(jù)在總線上各節(jié)點(diǎn)間的傳輸過(guò)程，主要是連接介質(zhì)、線路電氣特性、數(shù)據(jù)的編碼/解碼、位定時(shí)和同步的實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)。

理論上，CAN總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)幾乎不受限制，可達(dá)到2000個(gè)，實(shí)際上受電氣特性的限制，最多只能接100多個(gè)節(jié)點(diǎn)。

CAN的數(shù)據(jù)鏈路層是其核心內(nèi)容，其中邏輯鏈路控制(LOagie Link Control，LLC)完成過(guò)濾、過(guò)載通知和管理恢復(fù)等功能，媒體

訪問(wèn)控制(Medium Access Control，MAC)子層完成數(shù)據(jù)打包/解包、幀編碼、媒體訪問(wèn)管理、錯(cuò)誤檢測(cè)、錯(cuò)誤信令、應(yīng)答、串并轉(zhuǎn)換等功能。這些功能都是圍繞信息幀傳送過(guò)程展開(kāi)的。

CAN總線原理

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(yùn)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(xì)節(jié)很類似，但也有一些明顯的區(qū)別。

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(lái)說(shuō)，無(wú)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(kāi)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。

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(wú)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(guò)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(wú)須每個(gè)控制器都有自己獨(dú)立的傳感器。

CAN總線的特點(diǎn)

1、具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn);

2、采用雙線串行通信方式，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作;

3、具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個(gè)控制模塊通過(guò)CAN 控制器掛到CAN-bus 上，形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò);

4、可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文;

5、可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制;

6、發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā);

7、節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出總線的功能;

8、報(bào)文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來(lái)指示功能信息、優(yōu)先級(jí)信息。

CAN總線的優(yōu)點(diǎn)

1、CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任一時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從。

2、在報(bào)文標(biāo)識(shí)符上，CAN上的節(jié)點(diǎn)分成不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)需要，優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)最多可在134μs內(nèi)得到傳輸。

3、CAN采用非破壞總線仲裁技術(shù)。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息發(fā)生沖突時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下，也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況(以太網(wǎng)則可能)。

4、CAN節(jié)點(diǎn)只需要通過(guò)對(duì)報(bào)文的標(biāo)識(shí)符濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)。

5、CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km(速率5kbps以下)通信速率最高可達(dá)1Mbps(此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為40m)。

6、CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)。標(biāo)準(zhǔn)幀報(bào)文標(biāo)識(shí)符有11位、擴(kuò)展幀的報(bào)文標(biāo)識(shí)符(29位)的個(gè)數(shù)幾乎不受限制。

7、報(bào)文采用短幀結(jié)構(gòu)、傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。

8、CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，具有極好的檢錯(cuò)效果。

9、CAN通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。

10、CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下可自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。

CAN總線的應(yīng)用

(1)CAN總線技術(shù)的應(yīng)用

國(guó)外知名汽車基本都已經(jīng)采用了CAN總線技術(shù)，例如沃爾沃、林肯、奧迪、寶馬等，而國(guó)內(nèi)汽車品牌，例如奇瑞等公司也已經(jīng)有幾款車型應(yīng)用了總線技術(shù)。 CAN總線技術(shù)就是通過(guò)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(gè)信息共享平臺(tái)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(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)作、信息共享、保證車輛安全行駛、舒適和可靠。一般來(lái)說(shuō)，越高檔的車配備的CAN_BUS數(shù)量越多，價(jià)格也越 高，如途安、帕薩特等車型當(dāng)中都配備了多個(gè)CAN總線。

(2)汽車CAN總線節(jié)點(diǎn)ECU的硬件設(shè)計(jì)

汽車CAN總線研發(fā)的核心技術(shù)就是對(duì)帶有CAN接口的ECU進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中ECU的CAN總線模塊由CAN控制器和CAN收發(fā)器構(gòu)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(shí)現(xiàn)CAN控制器與總線之間邏輯電平信 號(hào)的轉(zhuǎn)換。

(3)CAN總線在國(guó)內(nèi)自主品牌汽車中的應(yīng)用

由于受成本控制、技術(shù)實(shí)力等因素的限制，CAN_BUS總線技術(shù)一般都出現(xiàn)在國(guó)外高端汽車，在A級(jí)及以下級(jí)別車型當(dāng)中，該項(xiàng)技術(shù)大多出現(xiàn)在合資品牌當(dāng)中，如POLO、新寶來(lái)等。在自主品牌中，采用CAN總線技術(shù)的車型中很少，風(fēng)云2則是其中的代表車型。風(fēng)云2 CAN總線技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)、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(shí)共享。在風(fēng)云2的組合儀表盤當(dāng)中，階段里程、未關(guān)車門精確顯示、安全帶未系提醒等20多項(xiàng)信息全部可以顯示，比同級(jí)產(chǎn)品增加一倍，這樣增加了駕駛過(guò)程中的安全度。

(4)未來(lái)智能傳感器發(fā)展趨勢(shì)

CAN總線作為一種可靠的汽車計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)總線已在許多先進(jìn)汽車上得到應(yīng)用，將CAN總線應(yīng)用于智能傳感器中， 使傳感器獲得的信號(hào)能通過(guò)總線實(shí)時(shí)地、可靠地、高速而準(zhǔn)確地進(jìn)行傳輸，使得各汽車計(jì)算機(jī)控制單元能夠通過(guò)CAN總線共享所有信息和資源，達(dá)到簡(jiǎn)化布線、減 少傳感器數(shù)量、避免控制功能重復(fù)、提高系統(tǒng)可靠性、降低成本、更好地匹配和協(xié)調(diào)各個(gè)控制系統(tǒng)的目的。同時(shí)，由于整個(gè)智能傳感器網(wǎng)絡(luò)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(lái)智能化傳感器和智能化控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。

CAN總線的應(yīng)用案例(汽車CAN總線應(yīng)用)

汽車就是CAN總線的最典型應(yīng)用。CAN總線利用兩條銅做的導(dǎo)線，CAN高線和CAN低線，一條用于動(dòng)力系統(tǒng)的高速CAN，另一條用于車身系統(tǒng)的低速CAN。

在汽車CAN總線網(wǎng)絡(luò)中，將汽車儀表、ECU、控制模塊、變速箱、輔助剎車系統(tǒng)、各種傳感器和開(kāi)關(guān)像修建高速公路一樣連在一起，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)同步，汽車的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息像高速公路上疾馳的車流一樣，而CAN接口就是收費(fèi)站，負(fù)責(zé)把各個(gè)元器件連接到這條“高速公路”上。

為什么汽車要使用CAN總線?

隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，其中的電子控制單元越來(lái)越多，例如電子燃油噴射裝置、防抱死制動(dòng)裝置(ABS)、安全氣囊裝置、電控門窗裝置和主動(dòng)懸架等等。在這種情況下，如果仍采用常規(guī)的布線方式，將導(dǎo)致車上電線數(shù)目急劇增加。另外，電控系統(tǒng)的增加雖然提高了轎車的安全性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性，但隨之增加的復(fù)雜電路也降低了車輛的可靠性，增加了維修的難度。

因此，CAN總線就應(yīng)運(yùn)而生。它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。CAN總線具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，支持差分收發(fā)，因而適合高干擾環(huán)境，并具有較遠(yuǎn)的傳輸距離。功能上，CAN總線可以簡(jiǎn)化車身線路布局，提高車身電控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使汽車在控制方面更加智能、精確。是目前應(yīng)用最多的總線標(biāo)準(zhǔn)之一。

汽車CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：

汽車動(dòng)力系統(tǒng)CAN主要連接對(duì)象是發(fā)動(dòng)機(jī)控制器(ECU)、變速箱、ABS控制器、安全氣囊控制器等等，它們的基本特征相同，都是控制與汽車行駛直接相關(guān)的系統(tǒng)。

車身系統(tǒng)CAN主要連接和控制的汽車內(nèi)外部照明、燈光信號(hào)、空調(diào)、組合儀表及其他輔助電器等。

目前，動(dòng)力系統(tǒng)CAN和車身系統(tǒng)CAN這兩條獨(dú)立的總線之間設(shè)計(jì)有“網(wǎng)關(guān)”，以實(shí)現(xiàn)在各個(gè)CAN之間的資源共享，并將各個(gè)數(shù)據(jù)總線的信息反饋到儀表板上。駕車者只要看儀表板，就可以知道各個(gè)電控裝置是否正常工作了。

下圖是我們采集車輛數(shù)據(jù)的圖片，筆記本連接我們的USBCAN設(shè)備的USB一端，汽車的OBD口連接我們?cè)O(shè)備的CAN一端，這樣我們就可以用電腦來(lái)讀取汽車CAN總線上發(fā)送的數(shù)據(jù)了。這條數(shù)據(jù)可能是發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)給變速箱的控制命令，也可能是溫度傳感器上傳的溫度信息。

名詞解釋——OBD接口：汽車的診斷接口，07年之后的每臺(tái)車上都有它哦，這個(gè)診斷接口可以輸出一系列的發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器數(shù)據(jù)，車速、油耗信息等。這個(gè)接口一般是修車店使用來(lái)檢測(cè)車輛故障情況的。神州專車廣告中提到的“OBD車速監(jiān)測(cè)，保證60km/h以下”就是利用OBD接口實(shí)現(xiàn)的。