CAN总线原理及应用

CAN总线原理及应用

摘要介绍了CAN总线的特点、工作原理和应用领域，并且对每个应用领域进行了描述和举例讲解。

关键字 CAN总线，汽车，现场控制系统，通信

1 引言

控制器局域网总线（CAN，Controller Area Network）是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN协议由德国的Robert Bosch公司开发，用于汽车中各种不同元件之间的通信，以此取代昂贵而笨重的配电线束。该协议的健壮性使其用途延伸到其他自动化和工业应用。CAN协议的特性包括完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传输速率高达1Mb/s、同时具有11位的寻址以及检错能力。

CAN总线是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电子干扰性，并且能够检测出产生的任何错误。CAN总线可以应用于汽车电控制系统、电梯控制系统、安全监测系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输等领域。

2 CAN总线的特点

●具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点；

●采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作；

●具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN 控制器挂到CAN-bus 上，形成多主机局部网络；

●可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；

●可靠的错误处理和检错机制；

●发送的信息遭到破坏后，可自动重发；

●节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；

●报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。

3 CAN总线的工作原理

CAN总线使用串行数据传输方式，可以1Mb/s的速率在40m的双绞线上运行，也可以使用光缆连接，而且在这种总线上总线协议支持多主控制器。CAN与I2C总线的许多细节很类似，但也有一些明显的区别。

当CAN总线上的一个节点(站)发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点。对每个节点来说，无论数据是否是发给自己的，都对其进行接收。每组报文开头的11位字符为标识符，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的，不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。当几个站同时竞争总线读取时，这种配置十分重要。

当一个站要向其它站发送数据时，该站的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN芯片，并处于准备状态；当它收到总线分配时，转为发送报文状态。CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时网上的其它站处于接收状态。每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。

由于CAN总线是一种面向内容的编址方案，因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。我们可以很容易地在CAN总线中加进一些新站而无需在硬件或软件上进行修改。当所提供的新站是纯数据接收设备时，数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址。它允许分布过程同步化，即总线上控制器需要测量数据时，可由网上获得，而无须每个控制器都有自己独立的传感器。

4 CAN总线的应用

CAN总线在组网和通信功能上的优点以及其高性价比据定了它在许多领域有广阔的应用前景和发展潜力。这些应用有些共同之处：CAN实际就是在现场起一个总线拓扑的计算机局域网的作用。不管在什么场合，它负担的是任一节点之间的实时通信，但是它具备结构简单、高速、抗干扰、可靠、价位低等优势。CAN 总线最初是为汽车的电子控制系统而设计的，目前在欧洲生产的汽车中CAN的应用已非常普遍，不仅如此，这项技术已推广到火车、轮船等交通工具中。

·汽车制造中的应用

应用CAN总线，可以减少车身布线，进一步节省了成本，由于采用总线技术，模块之间的信号传递仅需要两条信号线。布线局部化，车上除掉总线外其他所有横贯车身的线都不再需要了，节省了布线成本。CAN总线系统数据稳定可靠，CAN 总线具有线间干扰小、抗干扰能力强的特点。CAN总线专为汽车量身定做，充分考虑到了汽车上恶劣工作环境，比如点火线圈点火时产生的强大的反充电压，电涡流缓冲器切断时产生的浪涌电流及汽车发动机仓100℃左右的高温。

随着安全性能日益受到重视,安全气囊也将逐渐增多,以前是在驾驶员前面安装一个,今后侧面与后座都会安装安全气囊,这些气囊通过传感器感受碰撞信号,通过CAN总线将传感器信号传送到一个中央处理器内,控制各安全气囊的启动弹出动作。同时,先进的防盗设计也正基于CAN总线网络技术。首先,确认钥匙合法性的校验信息通过CAN网络进行传递,改进了加密算法,其校验的信息比以往的防盗系统更丰富;其次,车钥匙、防盗控制器和发动机控制器相互储存对方信息,而且在校验码中搀杂随机码,无法进行破译,从而提高防盗系统的安全性。而这些功能的实现无一不借助CAN总线来完成,CAN总线成为汽车智能化控制的“定海神针”。

在现代轿车的设计中,CAN已经成为必须采用的装置。奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺等汽车都采用了CAN作为控制器联网的手段。据报道,中国首辆CAN 网络系统混合动力轿车已在奇瑞公司试装成功,并进行了初步试运行。在上海大众的帕萨特和POLO汽车上也开始引入了CAN总线技术。但总的来说,目前CAN 总线技术在我国汽车工业中的应用尚处于试验和起步阶段,绝大部分的汽车还没有采用汽车总线设计。国内在技术、设计和应用上进行网络总线的“深造”势在必行。

·大型仪器设备中的应用

大型仪器设备是一种参照一定步骤对多种信息采集、处理、控制、输出等操作的复杂系统。过去这类仪器设备的电子系统往往是在结构和成本方面占据相当大的部分，而且可靠性不高。采用CAN总线技术后，在这方面有了明显改观。

以医疗设备为例，病理分布式监控系统分别由中央控制式的中央监控单元和现场采集单元。现场采集单元对医院各室诊断测量仪器进行数据、图像的实时采集，同时完成数据统计、存贮；中央监控单元可以定期或不定期地从现场采集单元获取数据并完成图像监测、数据统计、报表、打印及数据库管理。中央监