CAN總線在在物聯(lián)網(wǎng)和自動化領(lǐng)域廣受歡迎

控制器局域網(wǎng)（CAN）總線起源于Robert Bosch GmbH，協(xié)議規(guī)范于1986年在汽車工程師協(xié)會（SAE）會議上正式發(fā)布。由英特爾和飛利浦生產(chǎn)的第一批CAN控制器芯片于1987年上市。1991年，梅賽德斯 - 奔馳發(fā)布了第一款基于CAN的多路復(fù)用布線系統(tǒng)的量產(chǎn)車。它是標(biāo)準(zhǔn)的汽車網(wǎng)絡(luò)，允許汽車大大減小線束的尺寸和重量。

CAN連接的替代品已被提出，但CAN還活著并且還在增長。事實上，它的用途正在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出汽車領(lǐng)域，進(jìn)入工廠自動化和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等各種領(lǐng)域。CAN收發(fā)器是可以增強設(shè)計的眾多模擬構(gòu)建模塊之一。你甚至可以稱他們?yōu)槟M英雄。

CAN總線類型

CAN 2.0A設(shè)備協(xié)議使用11位標(biāo)識符，使用29位標(biāo)識符的設(shè)備協(xié)議通常稱為CAN 2.0B。羅伯特·波什（Robert Bosh）仍然是領(lǐng)先的規(guī)格。根據(jù)維基百科，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織于11898年發(fā)布了CAN標(biāo)準(zhǔn)ISO 1993，后來將其重組為兩部分。ISO 11898-1涵蓋數(shù)據(jù)鏈路層，而ISO 11898-2涵蓋高速CAN的物理層。ISO 11898-3 稍后發(fā)布，涵蓋了低速、容錯 CAN 的物理層。

SAE J1939標(biāo)準(zhǔn)是卡車和公共汽車廣泛使用的CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。CAN總線是車載診斷（OBD）-II車輛診斷標(biāo)準(zhǔn)中使用的五種協(xié)議之一，該標(biāo)準(zhǔn)自1996年以來一直是在美國銷售的所有汽車和輕型卡車的強制性要求，自2001年以來在歐洲銷售。

CAN的替代品

CAN的替代方案包括本地互連網(wǎng)絡(luò)（LIN）總線和Flexray。LIN總線甚至比CAN便宜。LIN不是CAN總線的完全替代品，但在低成本至關(guān)重要且速度/帶寬不重要的情況下，LIN是一個很好的選擇。在汽車應(yīng)用中，它通常用于對車輛性能或安全性不重要的子系統(tǒng)。Flexray自2000年以來一直在開發(fā)中，用于2006年生產(chǎn)的寶馬，現(xiàn)在用于大多數(shù)德國汽車和SUV。它支持更快的 10Mbps 數(shù)據(jù)速率和確定性的時間響應(yīng)，并且設(shè)計為冗余。但是，它比CAN昂貴且復(fù)雜得多，并且只有24米的范圍。還有用于信息娛樂系統(tǒng)的MOST網(wǎng)絡(luò)。非?？焖俚?a target="_blank">以太網(wǎng)連接正在被提議用于汽車中的信息娛樂和顯示應(yīng)用，甚至更多。

將CAN擴(kuò)展到工業(yè)世界

豪華車有多達(dá)150個汽車ECU來控制和調(diào)節(jié)各種功能，現(xiàn)在每輛新車至少有70個ECU。這些ECU必須相互通信，同時控制動力傳動系，車身和底盤的幾乎所有方面。CAN將每個功能連接到各種ECU（從門鎖到制動器、油門踏板和尾燈）。它的受歡迎程度源于非常高的可靠性和簡單性——低成本和低功耗。

CAN總線使用簡單的25Kbps至1Mbps雙絞線連接。現(xiàn)在可以使用芯片來實現(xiàn)2Mbps數(shù)據(jù)?？偩€將以1000Kbps的速度達(dá)到50m，在40Mbps時達(dá)到1m。 CAN的車輛普及源于開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)的優(yōu)雅方式，以保證在具有安全意識的汽車環(huán)境中進(jìn)行可預(yù)測的無差錯通信。這些特性也可以在工廠車間得到很好的利用。

CAN在一對電線上以差分方式傳輸。這種差分特性意味著CAN能夠抑制共模噪聲。該結(jié)構(gòu)還減少了排放，因為差分通信的電場往往會相互抵消。

使用需要大電流來啟動、停止和運行的電機(jī)的工業(yè)系統(tǒng)就是一個很好的例子，說明CAN的亮點。電機(jī)的電磁輻射會導(dǎo)致RS-485或類似通信中的大量錯誤，而CAN能夠通過。除了物理可靠性之外，CAN還包括其他功能以確保魯棒性，包括循環(huán)冗余校驗（CRC）和支持錯誤檢測的確認(rèn)。

作為總線拓?fù)溥\行需要設(shè)備了解何時可以傳輸。CAN使用載波檢測多址和碰撞檢測（CSMA/CD），也用于以太網(wǎng)。當(dāng)設(shè)備想要傳輸其消息時，它必須感知總線是否空閑且未被使用。碰撞檢測允許它檢測總線上的另一個設(shè)備何時嘗試同時傳輸。CAN使用優(yōu)先級機(jī)制進(jìn)行總線管理。

隨著CAN總線變得非常流行，競爭供應(yīng)商進(jìn)行了不同的實現(xiàn)。每個實現(xiàn)都有不同的網(wǎng)絡(luò)層，即使物理層是通用的。CANopen旨在實現(xiàn)兼容性，以便設(shè)計人員可以選擇支持CAN的設(shè)備，并知道它們會相互作用。它在用于自動化應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)中最受歡迎。在OSI模型方面，CANopen實現(xiàn)了上述層，包括網(wǎng)絡(luò)層。

圖1.CAN總線的OSI層方案。

將CAN與RS-485進(jìn)行比較

與RS-485等通信協(xié)議相比，CAN不僅為通信提供了物理介質(zhì)，還提供了處理數(shù)據(jù)包（消息）所需的所有其他機(jī)制，避免數(shù)據(jù)沖突，檢測傳輸數(shù)據(jù)中的故障，自動重復(fù)受干擾的消息，并確保網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的數(shù)據(jù)一致性。此外，CAN指定數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)，包括消息標(biāo)識符、數(shù)據(jù)和控制字節(jié)。RS-485連接僅尋址第1層（物理層），CAN還在OSI模型中添加第2層（數(shù)據(jù)鏈路層）。因此，CAN是一種實時兼容的解決方案。根據(jù)消息的ID優(yōu)先級，可以預(yù)測每個CAN消息的最大延遲時間，而與總線負(fù)載或其他節(jié)點的性能無關(guān)。使用RS-485必須保證使用應(yīng)用軟件避免碰撞。

CAN具有先進(jìn)的錯誤管理功能。如果節(jié)點未正確接收消息（CRC 或格式錯誤），則收件人將通過錯誤幀銷毀該消息，并標(biāo)記為對所有節(jié)點無效。此操作在CAN控制器中啟動自動重復(fù)。

CAN實施

這些措施共同采取（簡短消息、差分傳輸、錯誤檢測和故障排除、缺陷節(jié)點的撤出）使CAN成為一個非常強大、安全、可靠的網(wǎng)絡(luò)。這就是為什么CAN被用于車輛、船舶、電梯、醫(yī)療設(shè)備、飛機(jī)和工業(yè)工廠的許多關(guān)鍵或安全相關(guān)應(yīng)用的原因。

由于CAN協(xié)議在硬件中的完全實現(xiàn)，微控制器系統(tǒng)的負(fù)載減少了（每條消息只有一個中斷）。許多供應(yīng)商和幾乎所有可用的MCU都提供了各種第7層協(xié)議，如CANopen、DeviceNet和J1939，從而降低了風(fēng)險并縮短了上市時間。

堅固耐用的低電流收發(fā)器 IC

汽車應(yīng)用顯然需要符合汽車級標(biāo)準(zhǔn)的IC。對于該領(lǐng)域以外的應(yīng)用，例如前面提到的工業(yè)自動化和物聯(lián)網(wǎng)示例，這里有幾個很好的CAN收發(fā)器IC可以滿足這些應(yīng)用需求。MAX3051為3.3V、1Mbps、低電源電流CAN收發(fā)器IC，主要用于不需要汽車行業(yè)規(guī)定的嚴(yán)格故障保護(hù)的應(yīng)用。它具有四種操作模式：高速、斜率控制、待機(jī)和停機(jī)。在斜率控制模式下，發(fā)射器的壓擺率可以調(diào)節(jié)到高達(dá)500Kbps的數(shù)據(jù)速率。這減少了由端接不當(dāng)?shù)碾娎|引起的EMI和反射，并可能允許使用非屏蔽雙絞線。

圖2.基本的MAX3051收發(fā)器電路。

MAX3051輸入共模范圍為-7V至+12V，超過ISO 11898規(guī)范。該器件采用 8 引腳 SO 和 SOT23 封裝，工作溫度范圍為 -40°C 至 +85°C。該芯片提供 ±12kV HBM ESD 保護(hù)、熱關(guān)斷和電流限制。

另一個值得注意的CAN收發(fā)器IC是MAX13054A。這款 2Mbps CAN 收發(fā)器具有高保護(hù)級別和 8 引腳 SO 封裝。它具有 ±65V 過壓故障保護(hù)，并集成了高 ±25kV ESD HBM 保護(hù)，以及 ±25V 的輸入共模范圍、短路保護(hù)和熱關(guān)斷。一個非常堅固的設(shè)備。

該芯片提供非常寬的1.62至5.5V邏輯電源范圍，以緩解接口困難。在待機(jī)模式下，發(fā)射器關(guān)閉，接收器切換到低電流/低速狀態(tài)。監(jiān)視總線以檢測喚醒事件。待機(jī)模式僅需要 11μA 的電源電流。收發(fā)器包括一個顯性超時，以防止由控制器錯誤或TXD輸入故障引起的總線鎖定。大型網(wǎng)絡(luò)上的最大速度可能受到節(jié)點數(shù)量、布線類型或短截線長度的限制。芯片的溫度范圍為-40°至125°C，采用8引腳SOIC封裝（MAX13054AEASA+）。

圖3.使用MAX13054A收發(fā)器的多點CAN總線。

MAX13054（無A后綴）有點不同。此版本完全兼容 ISO11898 標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù) IEC 8-61000-4 具有 ±2kV ESD 和 ±80V 故障保護(hù)。其他規(guī)格，包括封裝，與MAX13054A相似。它可用于汽車或擴(kuò)展溫度范圍。

強大的CAN接口

仍然受到設(shè)計工程師的歡迎，這是有充分理由的。人氣還在增長。在可預(yù)見的未來，CAN總線將成為一股重要的力量，也是滿足各種應(yīng)用領(lǐng)域許多通信需求的絕佳解決方案。

審核編輯：郭婷