CAN总线技能的使用与开展

　1 导言
　　操控器部分网（CAN-CONTROLLER AREA NETWORK，CAN）是BOSCH公司为现代轿车运用抢先推出的一种多主机部分网，其杰出功用现已广泛运用于工业主动化、多种操控设备、交通工具、医疗仪器以及修建、环境操控等许多部分。
　　现在，工业操控体系已成为核算机技能运用范畴中最具生机的一个分支，并取得了巨大进步。因为对体系牢靠性和灵活性的高要求，工业操控体系的开展首要表现为：操控面向多元化，体系面向涣散化，即负载涣散、功用涣散、风险涣散和地域涣散的局势。
　　涣散式操控体系由现场设备、接口与核算设备以及通讯设备组成。现场总线（FIELDBUS）能一起满意进程操控和制造业主动化的需求，因而现场总线已成为工业数据总线范畴中最为活泼的一个范畴。现场总线的研讨与运用已成为工业数据总线范畴的热门。尽管现在对现场总线的研讨尚未能提出一个完善的规范，但现场总线的高性价比将招引许多工业操控体系选用。CAN总线（操控器部分网）正是在这种布景下敏捷开展起来的。
　　因为CAN总线具有杰出的功用与优势，为愈来愈多不同范畴选用和推行。为此，1991年 9月 PHILIPS SEMICONDUCTORS制定并发布了 CAN技能规范（VERSION 2.0）。该技能规范包含A和B两部分。2.0A给出了曾在CAN技能规范版别1.2中界说的CAN报文格局，而2.0B给出了规范的和扩展的两种报文格局。1993年11月ISO正式公布了路途交通运载工具–数字信息交流–高速通讯操控器部分网（CAN）世界规范（ISO11898），为操控器部分网规范化、规范化推行铺平了路途。
　　2 CAN总线特色
　　CAN总线是德国BOSCH公司从80年代初为处理现代轿车中许多的操控与测验仪器之间的数据交流而开发的一种串行数据通讯协议，它是一种多主总线，通讯介质可所以双绞线、同轴电缆或光导纤维。通讯速率可达1Mbps。CAN总线通讯接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功用，可完结对通讯数据的成帧处理，包含位填充、数据块编码、循环冗余查验、优先级判别等项作业。
　　CAN协议的一个最大特色是废除了传统的站地址编码，而代之以对通讯数据块进行编码（报文标识符）。选用这种办法的长处可使网络内的节点个数在理论上不受约束，规范报文标识符有11位，而扩展的规范报文标识符有29位。因而，这种按数据块编码的办法，还可使不同的节点一起接纳到相同的数据，这一点在分布式操控体系中十分有用。数据段长度最多为8个字节，可满意一般工业范畴中操控指令、作业状况及测验数据的一般要求。一起，8个字节不会占用总线时刻过长，然后确保了通讯的实时性。CAN协议选用CRC查验并可供给相应的过错处理功用，确保了数据通讯的牢靠性。CAN杰出的特性、极高的牢靠性和共同的规划，特别合适工业进程监控设备的互连，因而，越来越遭到工业界的注重，并已公认为最有出路的现场总线之一。
　　别的，CAN总线选用了多主竞赛式总线结构，具有多主站运转和涣散裁定的串行总线以及播送通讯的特色。CAN总线上恣意节点可在恣意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因而可在各节点之间完结自在通讯。CAN总线协议已被世界规范化安排认证，技能比较老练，操控的芯片现已商品化，性价比高，特别适用于分布式测控体系之间的数据通讯。
　　3 CAN总线技能及开展趋势
　　3.1 位裁定
　　要对数据进行实时处理，就有必要将数据快速传送，这就要求数据的物理传输通路有较高的速度。在几个站一起需求发送数据时，要求快速地进行总线分配。实时处理经过网络交流的紧迫数据有较大的不同。一个快速改变的物理量，如轿车引擎负载，将比类似轿车引擎温度这样相对改变较慢的物理量更频频地传送数据并要求更短的延时。
　　CAN总线以报文为单位进行数据传送，报文的优先级结合在11位标识符中，具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。这种优先级一旦在体系规划时被建立后就不能再被更改。总线读取中的抵触可经过位裁定处理。例如，当几个站一起发送报文时，站1的报文标识符为011111；站2的报文标识符为0100110；站3的报文标识符为0100111。一切标识符都有相同的两位01，直到第3位进行比较时，站1的报文被丢掉，因为它的第3位为高，而其它两个站的报文第3位为低。站2和站3报文的4、5、6位相同，直到第7位时，站3的报文才被丢掉。留意，总线中的信号继续盯梢终究取得总线读取权的站的报文。在此例中，站2的报文被盯梢。这种非损坏性位裁定办法的长处在于，在网络终究承认哪一个站的报文被传送曾经，报文的开始部分现已在网络上传送了。一切未取得总线读取权的站都成为具有最高优先权报文的接纳站，而且不会在总线再次闲暇前发送报文。
　　CAN具有较高的功率是因为总线只是被那些恳求总线悬而未决的站运用，这些恳求是依据报文在整个别系中的重要性按次序处理的。这种办法在网络负载较重时有许多长处，因为总线读取的优先级已被按次序放在每个报文中了，这可以确保在实时体系中较低的个别隐伏时刻。
　　关于主站的牢靠性，因为CAN协议履行非集中化总线操控，一切首要通讯，包含总线读取 （答应）操控，在体系平分几回完结。这是完结有较高牢靠性的通讯体系的仅有办法。
　　3.2 CAN的通讯计划
　　有两种重要的总线分配办法：按时刻表分配和按需求分配。在榜首种办法中 ，不管每个节点是否恳求总线，都对每个节点按最大期间分配。由此，总线可被分配给每个站而且是仅有的站，而不管其是当即进行总线存取或在一个特定时刻进行总线存取。这将确保在总线存取时有清晰的总线分配。在第二种办法中，总线按传送数据的基本要求分配给一个站 ，总线体系按站期望的传送分配（如：Ethernet CSMA/CD）。因而，当多个站一起恳求总线存取时，总线将停止一切站的恳求，这时将不会有任何一个站取得总线分配。为了分配总线，多于一个总线存取是必要的。　　CAN完结总线分配的办法，可确保当不同的站恳求总线存取时，清晰地进行总线分配。这种位裁定的办法可以处理当两个站一起发送数据时产生的磕碰问题。不同于Ethernet网络的音讯裁定，CAN的非损坏性处理总线存取抵触的办法，确保在不传送有用音讯时总线不被占用。甚至当总线在重负载状况下，以音讯内容为优先的总线存取也被证明是一种有用的体系。尽管总线的传输才能缺乏，一切未处理的传输恳求都按重要性次序来处理。在CSMA/CD这样的网络中，如Ethernet，体系往往因为过载而溃散，而这种状况在CAN中不会产生。
　　3.3 CAN的报文格局
　　在总线中传送的报文，每帧由7部分组成。CAN协议支撑两种报文格局，其仅有的不同是标识符（ID）长度不同，规范格局为11位，扩展格局为29位。
　　在规范格局中，报文的开始位称为帧开始（SOF），然后是由11位标识符和长途发送恳求位 （RTR）组成的裁定场。RTR位标明是数据帧仍是恳求帧，在恳求帧中没有数据字节。
　　操控场包含标识符扩展位（IDE），指出是规范格局仍是扩展格局。它还包含一个保存位 （r0），为将来扩展运用。它的终究四个字节用来指明数据场中数据的长度（DLC）。数据场规模为0～8个字节，这以后有一个检测数据过错的循环冗余查看（CRC）。
　　应对场（ACK）包含应对位和应对分隔符。发送站发送的这两位均为隐性电平（逻辑1），这时正确接纳报文的接纳站发送主控电平（逻辑0）掩盖它。用这种办法，发送站可以确保网络中至少有一个站能正确接纳到报文。
　　报文的尾部由帧完毕标出。在相邻的两条报文间有一很短的距离位，假如这时没有站进行总线存取，总线将处于闲暇状况。
　　3.4 数据过错检测
　　不同于其它总线，CAN协议不能运用应对信息。事实上，它可以将产生的任何过错用信号宣布。CAN协议可运用五种查看过错的办法，其间前三种为根据报文内容查看。
　　3.4.1 循环冗余查看（CRC）
　　在一帧报文中参加冗余查看位可确保报文正确。接纳站经过CRC可判别报文是否有错。
　　3.4.2 帧查看
　　这种办法经过位场查看帧的格局和巨细来承认报文的正确性，用于查看格局上的过错。
　　3.4.3 应对过错
　　如前所述，被接纳到的帧由接纳站经过清晰的应对来承认。假如发送站未收到应对，那么标明接纳站发现帧中有过错，也就是说，ACK场已损坏或网络中的报文无站接纳。CAN协议也可经过位查看的办法勘探过错。
　　3.4.4 总线检测
　　有时，CAN中的一个节点可监测自己宣布的信号。因而，发送报文的站可以观测总线电平并勘探发送位和接纳位的差异。
　　3.4.5 位填充
　　一帧报文中的每一位都由不归零码表明，可确保位编码的最大功率。但是，假如在一帧报文中有太多相同电平的位，就有或许失掉同步。为确保同步，同步沿袭位填充产生。在五个接连相等位后，发送站主动刺进一个与之互补的补码位；接纳时，这个填充位被主动丢掉。例如，五个接连的低电平位后，CAN主动刺进一个高电平位。CAN经过这种编码规矩查看过错，假如在一帧报文中有6个相同位，CAN就知道产生了过错。
　　假如至少有一个站经过以上办法勘探到一个或多个过错，它将发送犯错标志停止当时的发送。这可以阻挠其它站接纳过错的报文，并确保网络上报文的一致性。当很多发送数据被停止后，发送站会主动地从头发送数据。作为规矩，在勘探到过错后23个位周期内从头开始发送。在特别场合，体系的恢复时刻为31个位周期。
　　但这种办法存在一个问题，即一个产生过错的站将导致一切数据被停止，其间也包含正确的数据。因而，假如不采取自监测办法，总线体系应选用模块化规划。为此，CAN协议供给一种将偶尔过错从永久过错和部分站点失利中区别出来的办法。这种办法可以经过对犯错站点核算评价来承认一个站点自身的过错并进入一种不会对其它站产生不良影响的运转办法来完结，即站点可以经过封闭自己来阻挠正常数据因被过错地当成不正确的数据而被停止。
　　3.4.6 CAN牢靠性
　　为避免轿车在运用寿数期内因为数据交流过错而对司机构成风险，轿车的安全体系要求数据传输具有较高的安全性。假如数据传输的牢靠性足够高，或许残留下来的数据过错足够低的话，这一方针不难完结。从总线体系数据的视点看，牢靠性可以理解为，对传输进程产生的数据过错的辨认才能。
　　剩余数据过错的概率可以经过对数据传输牢靠性的核算丈量取得。它描绘了传送数据被损坏和这种损坏不能被勘探出来的概率。剩余数据过错概率有必要十分小，使其在体系整个寿数周期内，按均匀核算时简直检测不到。核算剩余过错概率要求可以对数据过错进行分类 ，而且数据传输途径可由一模型描绘。假如要承认CAN的剩余过错概率，咱们可将残留过错的概率作为具有80～90位的报文传送时位过错概率的函数，并假定这个别系中有5～10个站，而且过错率为1/1000，那么最大位过错概率为10-13数量级。例如，CAN网络的数据传输率最大为1Mbps，假如数据传输才能仅运用50%，那么关于一个作业寿数4000小时、均匀报文长度为 80位的体系，所传送的数据总量为9×1010。在体系运转寿数期内，不行检测的传输过错的核算均匀小于10-2量级。换句话说，一个别系按每年365天，每天作业8小时，每秒过错率为0. 7核算，那么按核算均匀，每1000年才会产生一个不行检测的过错。
　　CAN 即操控器局域网络，归于工业现场总线的范畴。与一般的通讯总线比较，CAN总线的数据通讯具有杰出的牢靠性、实时性和灵活性。因为其杰出的功用及共同的规划，CAN总线越来越遭到人们的注重。它在轿车范畴上的运用是最广泛的，世界上一些闻名的轿车制造厂商，BENZ（奔跑）、BMW（宝马）、PORSCHE（保时捷）、ROLLS-ROYCE（劳斯莱斯）和JAGUAR（美洲豹）等都选用了CAN总线来完结轿车内部操控体系与各检测和履行机构间的数据通讯。一起，因为CAN总线自身的特色，其运用规模已不再局限于轿车行业，而向主动操控、航空航天、帆海、进程操控工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等范畴开展。CAN现已构成世界规范，并已被公认为几种最有出路的现场总线之一。
　　4 完毕语
　　CAN总线技能，是工业操控与核算机网络两者结合的技能。CAN总线操控网络从网络的结构、协议、实时性、灵活性、牢靠性等方面都与核算机网络有类似的部分。工业操控网络的底层都有它的特别性，特别是轿车产业中，要传输的信息帧都矮小，要求实时性很强、牢靠性要高。这一点CAN总线协议作为一种简略而牢靠的通讯协议，除了在车用电控单元和外表上有很好的运用远景外，在工业进程操控中亦有巨大的开展潜力。
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