CAN是未來和今天控制系統(tǒng)中的重要總線技術(shù)

盡管集成控制器局域網(wǎng) （CAN） 的系統(tǒng)成為頭條新聞，但如今 CAN 很少被提及。無論您是在 CES、Embedded World 還是在自動駕駛汽車技術(shù)博覽會上，您都會看到自動駕駛汽車和概念車深深嵌入了 CAN，以至于要確定它是否確實存在是一個挑戰(zhàn)——它甚至可能被屏蔽來自 OEM。

盡管如此，CAN 仍然存在，它的工作做得很深入，因為在某處，必須極其可靠地傳輸相對較短的數(shù)據(jù)包。CAN 的安裝基礎(chǔ)已達數(shù)十億臺，是一種經(jīng)過驗證的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在未來與今天一樣重要。

CAN 簡介

由博世在 1980 年代為汽車行業(yè)的安全關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計，CAN 提供了一些獨特的功能，使其廣泛適用于任何安全可靠的控制系統(tǒng)。其中包括：

可靠性：CAN 被廣泛認為是傳輸實時數(shù)據(jù)的最可靠方法之一。CAN 協(xié)議確定發(fā)送的每條消息的優(yōu)先級，即使同時發(fā)送多條消息，也能實現(xiàn)輕松、不間斷的通信流程。

數(shù)據(jù)一致性：這在 CAN 系統(tǒng)中得到保證，因為每個節(jié)點都接收到相同的消息，并且所有節(jié)點在接受消息之前都會檢查消息是否正確?！拌T鐵”數(shù)據(jù)一致性是任何安全安全系統(tǒng)的強制性要求，CAN 提供了一種特別優(yōu)雅的方式來滿足這一要求。

保證延遲：在 CAN 中，可以一次傳輸高優(yōu)先級消息，并且按位仲裁將以可預(yù)測的方式解決任何消息沖突。具有 25 個節(jié)點的 CAN 系統(tǒng)保證高優(yōu)先級消息的延遲小于 0.25 毫秒。相比之下，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)無法保證延遲。變通方法涉及安裝專用以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)以進行閉環(huán)控制，但最終，這些可能會很昂貴。

一種有效的尋址方法：CAN 沒有地址，只有消息內(nèi)容的標(biāo)識符，允許非常短的消息，即只有一個內(nèi)容標(biāo)識符和一個值。因此，所有連接的 CAN 模塊都會接收每條消息，并由接收器選擇正確的消息進行處理。發(fā)送節(jié)點不需要知道誰應(yīng)該接收消息，接收節(jié)點也不需要知道消息來源。同時，CAN 確保所有接收器獲得相同的數(shù)據(jù)，以便在所有單元中同步?jīng)Q策。這是在控制系統(tǒng)中建立連接的一種極其有效的方式，可以輕松創(chuàng)建點對點、多播和廣播消息方案。CAN 獨特的尋址方法提供了高水平的系統(tǒng)和配置靈活性：

全網(wǎng)錯誤檢測：在CAN中，所有節(jié)點都參與錯誤檢測過程。如果任何節(jié)點檢測到錯誤，所有節(jié)點都會在消息可用于應(yīng)用程序之前將其刪除，從而確保沒有單元處理不同的數(shù)據(jù)。然后，發(fā)送器重新傳輸該消息，從而在 CAN 的較高比特率下導(dǎo)致重新傳輸?shù)淖畲笱舆t在幾分之一毫秒內(nèi)。

向 CAN FD 的過渡

CAN 并非沒有局限性。為了提供實時性能，CAN 比特率受總線長度的限制。此外，隨著時間的推移，包長度受到限制，以確保低優(yōu)先級 CAN 幀不會延遲高優(yōu)先級信息。

因此，博世與多家汽車制造商和 CAN 行業(yè)參與者合作開發(fā)了更強大的 CAN 協(xié)議。2011年發(fā)布的CAN FD（Flexible Data-Rate）提高了數(shù)據(jù)部分的比特率，可以在不增加CAN幀時間長度的情況下增加數(shù)據(jù)部分的字節(jié)數(shù)。這種性能和帶寬的改進促進了加密、身份驗證和閃存等應(yīng)用，這是每個 CAN 幀中對更多數(shù)據(jù)的需求背后的三個關(guān)鍵驅(qū)動因素。

在比較 CAN 和 CAN FD 時，主要收獲如下：

CAN FD 具有更短的 CAN 幀，同時提高了比特率。這降低了延遲，提高了實時性能并增加了帶寬。

CAN FD 可以在 CAN 幀中保存更多數(shù)據(jù)：每幀占用 8 到 64 個字節(jié)。通過較少的相對開銷，您可以獲得更好的數(shù)據(jù)吞吐量。發(fā)送大型數(shù)據(jù)對象時，您可以依賴更簡單、更高效的軟件。

CAN FD 具有更高性能的 CRC 算法，降低了未檢測到錯誤的風(fēng)險。

雖然尚未廣泛實施，但 CAN FD 正與多家大型汽車制造商積極開發(fā)，并獲得 Microchip、NXP、意法半導(dǎo)體和德州儀器等公司的大量芯片支持。CAN FD 提高的性能和通信帶寬使其成為介于經(jīng)典 CAN 和現(xiàn)代車輛中實施的更復(fù)雜協(xié)議（如 FlexRay 和以太網(wǎng)）之間的理想中間地帶。

汽車行業(yè)向 CAN FD 過渡的最緊迫原因之一是系統(tǒng)內(nèi)所有級別的安全性的必要性。CAN通常在封閉系統(tǒng)內(nèi)運行，無法從外部訪問的論點是監(jiān)管機構(gòu)將要改變的。CAN FD 在一幀中最多包含 64 個數(shù)據(jù)字節(jié)，為安全簽名提供了充足的空間。隨著 CAN FD 開始出現(xiàn)在中高端微控制器中，對高級加密標(biāo)準(zhǔn) （AES） 等安全算法的內(nèi)置硬件支持很有可能。軟件解決方案可用于保護 CAN 和 CAN FD，例如 ESAcademy 的 CANcrypt，一種為 CAN FD 提供身份驗證和加密的安全中間件。

CAN FD與以太網(wǎng)共存

那么，當(dāng)帶寬成為問題時，為什么不簡單地使用以太網(wǎng)而不是 CAN FD？畢竟，現(xiàn)在可以通過四對雙絞線以 5Gbps 的速度運行以太網(wǎng)。答案就在成語“課程的馬”中。當(dāng)需要傳輸大量信息時，以太網(wǎng)有它的位置，但時間并不重要。它還適用于專用的點對點通信，在這種通信中，不需要競爭通信帶寬，例如在攝像頭和處理圖像的 ECU 之間。然而，CAN 是專門為分布式嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計的，其中需要以可預(yù)測的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)一致性和消息沖突解決。

如果 CAN 被指定使用相同的物理層技術(shù)，CAN 可以以與以太網(wǎng)相同的比特率運行（比特率越低，系統(tǒng)越健壯，因此 CAN 被指定為低比特率）。展望未來，CAN 和以太網(wǎng)完全有可能在同一物理層共存，例如，將 CAN 控制器置于靜默模式一段時間，允許網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)或其他協(xié)議一起運行以進行交換的非控制信息。高速協(xié)議的使用要求使用更好的電纜和更好的布線布局，這反過來又可以使 CAN 控制系統(tǒng)比現(xiàn)在更加可靠。

展望未來，很明顯，CAN 與以太網(wǎng)一樣，并沒有停止發(fā)展。正在計劃進一步增加有效負載，將 CAN-FD 的最大字節(jié)數(shù)從 64 個字節(jié)增加到 4，096 個字節(jié)。已經(jīng)提出了幾種方法，但一個關(guān)鍵的考慮因素將是服務(wù)組織，其工作是修復(fù)日益復(fù)雜的汽車通信網(wǎng)絡(luò)。CAN 久經(jīng)考驗的穩(wěn)健性和使用具有成本效益的可維修電纜仍然是非常有價值的特性。

審核編輯：郭婷