CAN BUS的架構(gòu)特點、應(yīng)用優(yōu)勢與實例分析

由于汽車產(chǎn)業(yè)不斷追求安全可靠、極致性能、舒適方便以及低成本等目標，但汽車內(nèi)高復雜的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，使得線束過于龐大，導致成本提高且網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也難以持續(xù)提升，與前者形成沖突。

于是德國Bosch在1985年提出CAN BUS（Controller Area Network），不但解決了車內(nèi)線束持續(xù)增加的問題，還為日后可靠且有效率的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)墊定了基礎(chǔ)。1993年，CAN BUS更制定為標準化（ISO-11898），由于具有高可靠性和錯誤檢測能力，也被廣泛應(yīng)用在船舶、航空電子、大眾交通、農(nóng)用設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)控制中。

CAN BUS的架構(gòu)與特色

CAN BUS是一種串行雙線式差分傳輸?shù)募夹g(shù)規(guī)格（見圖1），MCU負責運算數(shù)據(jù)，CAN Controller處理運算后的數(shù)據(jù)并傳送“0”或“1”數(shù)據(jù)，經(jīng)過 CAN Transceiver的轉(zhuǎn)換由CAN High和CAN Low產(chǎn)生差分信號（見圖2）。其中，CAN High電壓減CAN Low電壓小于0.5V代表邏輯狀態(tài)為“1”，而CAN High電壓減 CAN Low電壓大于0.9V代表邏輯狀態(tài)為“0”，所以圖2中傳送位串為101。藉由差分的方式可以避免噪聲的產(chǎn)生，而終端電阻120Ω則是防止信息傳送后反射造成的干擾。

CAN BUS上最小單位為節(jié)點（Node），每個節(jié)點都可以主動發(fā)送信息到總線上，也可以要求特定節(jié)點回傳信息，并不限定于只有一個主控端。每個信息（Message）都是以識別子字段（ID Field ）為起頭，以識別值決定發(fā)送信息的優(yōu)先權(quán)，數(shù)值越小優(yōu)先權(quán)越高。所以信息的傳遞并不是定義在節(jié)點上，而是定義在信息上。由于是串接的架構(gòu)加上識別子（ID）的判定機制，所以軟硬件不需要做修正就能夠輕易增加或移除節(jié)點，不但降低了布線成本也降低了維護的復雜度，這種多主控端架構(gòu)成就更完整的智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

信息傳遞可透過節(jié)點上的設(shè)定，使信息可以被每個節(jié)點接收至緩沖器內(nèi)，也可以選擇對該信息置之不理。CAN BUS也支持遠程數(shù)據(jù)請求，當該信息識別值符合節(jié)點內(nèi)部的識別值，且該信息是遠程信息（Remote Message）時，指定的節(jié)點會將相符的數(shù)據(jù)傳送出去。用戶便可利用這功能，來進行節(jié)點與節(jié)點間的溝通。

在CAN BUS上，傳輸速度最快可達1Mbps，用戶可藉由修改位時序設(shè)定來修改傳輸速度，而傳輸距離隨通信速度增加而遞減，例如當通信速度40Kbps時，通信距離可達1km;當通信速度1Mbps時，通信距離最遠可達40m，據(jù)此用戶可依照本身的應(yīng)用做調(diào)配。

強大的容錯能力

CAN BUS協(xié)議具有相當可靠的錯誤處理和檢錯機制，這些都是屬于硬件自動偵測反應(yīng)，在此種機制下，網(wǎng)絡(luò)訊息的傳輸不但有效率且使用起來更加方便。

自動重傳

當總線上的節(jié)點偵測到錯誤時，硬件會自動重新發(fā)送該訊息到總線上，直到該訊息有任何節(jié)點響應(yīng)ACK （Acknowledged）后，該訊息才會停止發(fā)送。

錯誤偵測

CAN BUS提供了五種錯誤偵測機制，分別為位錯誤（Bit Error），填充位錯誤（Stuff Error），循環(huán)冗余代碼校驗（CRC Error），格式錯誤（Form Error），響應(yīng)錯誤（Ack Error），利用這些錯誤偵測機制，使得總線上的傳輸更加穩(wěn)定，而不需用戶介入。

錯誤通知

偵測到錯誤發(fā)生時，節(jié)點會發(fā)送錯誤訊息（Error Message）到總線上，使得總線上的所有節(jié)點都知道此時有錯誤發(fā)生，以便作出相對的反應(yīng)，包括重傳或停止發(fā)送等。

錯誤恢復與排除

在CAN協(xié)議中規(guī)范了每個節(jié)點都有傳送錯誤記數(shù)器（TEC： Transmit Error Counter）和接收錯誤記數(shù)器（REC： Receive Error Counter），根據(jù)TEC和REC的值來決定目前節(jié)點為何種狀態(tài)，一旦TEC大于255，硬件會讓該節(jié)點脫機且暫時不接收與發(fā)送訊號到總線上，待特定情況發(fā)生時，用戶才可將該節(jié)點重新初始化，并重新開始監(jiān)控總線上的訊號，如此一來，可避免因各別節(jié)點使總線發(fā)生嚴重錯誤，影響其他節(jié)點的傳輸。

CAN BUS的應(yīng)用實例

電梯系統(tǒng)（Elevator）

傳統(tǒng)的電梯系統(tǒng)采用繼電器邏輯線路，有著線束過多且維護不便等問題，改換成以CAN建構(gòu)系統(tǒng)，不僅大幅減少線束，增加系統(tǒng)可靠度，更有著建構(gòu)簡單，便于系統(tǒng)偵錯等優(yōu)點。

橋梁應(yīng)變規(guī)（Strain Gage）

有鑒于天然災(zāi)害頻傳，所以藉由橋梁應(yīng)變規(guī)來監(jiān)控橋梁的健康度，以避免人員及車輛傷亡。但傳統(tǒng)應(yīng)變規(guī)多半置于橋上，需要人員到場而無法遠程監(jiān)控。利用CAN BUS低速時傳輸距離長的特性，可將規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的橋梁上放置應(yīng)變規(guī)，并連接至CAN BUS以回傳監(jiān)控中心監(jiān)控橋梁情形，大幅減少人力成本。

車用監(jiān)控系統(tǒng)（Recorder with car information）

由于車禍肇事頻傳，使用行車紀錄器掌握前方路況，作為車禍左證的功能。但監(jiān)視器只能錄取前方路況影像，而無法有效掌控本身行車內(nèi)部的信息，如目前車速，油門狀態(tài)等。運用CAN處理行車信息，再由SPI（Serial Peripheral Interface）、I2C（Inter-Integrated Circuit）等高速接口傳給錄像監(jiān)視器，便可在每段錄像畫面加上目前車內(nèi)信息，成為車禍事端更有利的證據(jù)。

車用診斷系統(tǒng)（OBDII）

OBDII （On Board Diagnosis - II ） 為一種車輛發(fā)生故障時，產(chǎn)生故障警示訊號，提醒駕駛?cè)诉M廠維修的協(xié)議。我們可以使用支持CAN的MCU來實現(xiàn)，利用USB（Universal Serial Bus）裝置和CAN來建構(gòu)診斷系統(tǒng)，可隨時將OBDII connector 接上汽車總線，并將其接收訊息透過USB傳送到計算機，配合計算機端程序來診斷汽車內(nèi)部異常訊號，進而加速汽車維修速度。

CAN BUS示范系統(tǒng)

因為CAN BUS具有高擴充性、高可靠度且實時性強和低成本等特性，不僅成為車用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展技術(shù)的核心關(guān)鍵，更在其他產(chǎn)業(yè)發(fā)揮了強大而顯著的技術(shù)能力。為了能更了解CAN BUS整體的運作，在此使用普遍常見的M0 MCU，示范一個以CAN BUS傳遞控制命令與狀態(tài)消息的馬達控制系統(tǒng)（圖3），其中NUC140 Tiny Board、Learning Board No.1/No/2和Motor Driving Board分別為CAN總線上不同的節(jié)點，利用計算機USB連接NUC140 Tiny Board，透過NUC140微處理器譯碼轉(zhuǎn)換成CAN的訊息，以實現(xiàn)計算機與CAN BUS的鏈接，而各節(jié)點可發(fā)送與接收系統(tǒng)運作狀態(tài)和控制命令。因此在示范系統(tǒng)中，透過CAN BUS的鏈接與NUC140微處理器的轉(zhuǎn)換，各節(jié)點均可接收到馬達的實時狀態(tài)消息，并顯示在板子上的LCD屏幕或者計算機上的人機接口。

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