CAN,全稱為「Controller Area Network」,即控制器區域網,是國際上應用最廣泛的現場總線之一。1993年,CAN 已成為國際標準ISO11898(高速應用)和ISO11519（低速應用）。最初,CAN被設計作為汽車環境中的微控制器通訊,在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息,形成汽車電子控制網絡。比如：發動機管理系統、變速箱控制器、儀表裝備、電子主幹系統中,均嵌入CAN控制裝置。
基本概念：
CAN 是Controller Area Network 的縮寫（以下稱為CAN），是ISO國際標準化的串行通信協議。在當前的汽車產業中，出於對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統被開發了出來。由於這些系統之間通信所用的數據類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構成的情況很多，線束的數量也隨之增加。為適應「減少線束的數量」、「通過多個LAN，進行大量數據的高速通信」的需要，1986 年德國電氣商博世公司開發出面向汽車的CAN 通信協議。此後，CAN 通過ISO11898 及ISO11519 進行了標準化，現在在歐洲已是汽車網絡的標準協議。 現在，CAN 的高性能和可靠性已被認同，並被廣泛地應用於工業自動化、船舶、醫療設備、工業設備等方面。現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一,被譽為自動化領域的計算機區域網。它的出現為分布式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支持。
CAN總線優勢：
CAN屬於現場總線的範疇,它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。較之目前許多RS-485基於R線構建的分布式控制系統而言, 基於CAN總線的分布式控制系統在以下方面具有明顯的優越性：
網絡各節點之間的數據通信實時性強
首先,CAN控制器工作於多主方式,網絡中的各節點都可根據總線訪問優先權(取決於報文標識符)採用無損結構的逐位仲裁的方式競爭向總線發送數據,且CAN協議廢除了站地址編碼,而代之以對通信數據進行編碼,這可使不同的節點同時接收到相同的數據,這些特點使得CAN總線構成的網絡各節點之間的數據通信實時性強,並且容易構成冗餘結構,提高系統的可靠性和系統的靈活性。而利用RS-485隻能構成主從式結構系統,通信方式也只能以主站輪詢的方式進行,系統的實時性、可靠性較差;
縮短了開發周期
CAN總線通過CAN收發器接口晶片82C250的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連,而CANH端的狀態只能是高電平或懸浮狀態,CANL端只能是低電平或懸浮狀態。這就保證不會在出現在RS-485網絡中的現象,即當系統有錯誤,出現多節點同時向總線發送數據時,導致總線呈現短路,從而損壞某些節點的現象。而且CAN節點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能,以使總線上其他節點的操作不受影響,從而保證不會出現象在網絡中,因個別節點出現問題,使得總線處於「死鎖」狀態。而且,CAN具有的完善的通信協議可由CAN控制器晶片及其接口晶片來實現,從而大大降低系統開發難度,縮短了開發周期,這些是僅有電氣協議的RS-485所無法比擬的。
已形成國際標準的現場總線
另外,與其它現場總線比較而言,CAN總線是具有通信速率高、容易實現、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標準的現場總線。這些也是目前 CAN總線應用於眾多領域,具有強勁的市場競爭力的重要原因。
最有前途的現場總線之一
CAN 即控制器區域網路,屬於工業現場總線的範疇。與一般的通信總線相比,CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。由於其良好的性能及獨特的設計,CAN總線越來越受到人們的重視。它在汽車領域上的應用是最廣泛的,世界上一些著名的汽車製造廠商,如BENZ(奔馳)、BMW(寶馬)、PORSCHE(保時捷)、ROLLS-ROYCE(勞斯萊斯)和JAGUAR(美洲豹)等都採用了CAN總線來實現汽車內部控制系統與各檢測和執行機構間的數據通信。同時,由於CAN總線本身的特點,其應用範圍目前已不再局限於汽車行業,而向自動控制、航空航天、航海、過程工業、機械工業、紡織機械、農用機械、機器人、數控工具機、醫療器械及傳感器等領域發展。CAN已經形成國際標準,並已被公認為幾種最有前途的現場總線之一。其典型的應用協議有： SAE J1939/ISO11783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000等。
CAN總線的產生與發展：
控制器局部網（CAN－CONTROLLER AREA NETWORK）是BOSCH公司為現代汽車應用領先推出的一種多主機局部網，由於其高性能、高可靠性、實時性等優點現已廣泛應用於工業自動化、多種控制設備、交通工具、醫療儀器以及建築、環境控制等眾多部門。控制器局部網將在我國迅速普及推廣。 隨著計算機硬體、軟體技術及集成電路技術的迅速發展，工業控制系統已成為計算機技術應用領域中最具活力的一個分支，並取得了巨大進步。由於對系統可靠性和靈活性的高要求，工業控制系統的發展主要表現為：控制面向多元化，系統面向分散化，即負載分散、功能分散、危險分散和地域分散。 分散式工業控制系統就是為適應這種需要而發展起來的。這類系統是以微型機為核心，將 5C技術--COMPUTER（計算機技術）、CONTROL（自動控制技術）、COMMUNICATION（通信技術）、CRT（顯示技術）和 CHANGE（轉換技術）緊密結合的產物。它在適應範圍、可擴展性、可維護性以及抗故障能力等方面，較之分散型儀表控制系統和集中型計算機控制系統都具有明顯的優越性。 典型的分散式控制系統由現場設備、接口與計算設備以及通信設備組成。現場總線（FIELDBUS）能同時滿足過程控制和製造業自動化的需要，因而現場總線已成為工業數據總線領域中最為活躍的一個領域。現場總線的研究與應用已成為工業數據總線領域的熱點。儘管目前對現場總線的研究尚未能提出一個完善的標準，但現場總線的高性能價格必將吸引眾多工業控制系統採用。同時，正由於現場總線的標準尚未統一，也使得現場總線的應用得以不拘一格地發揮，並將為現場總線的完善提供更加豐富的依據。控制器局部網 CAN（CONTROLLER AERANETWORK）正是在這種背景下應運而生的。 由於CAN為愈來愈多不同領域採用和推廣，導致要求各種應用領域通信報文的標準化。為此，1991年 9月 PHILIPS SEMICONDUCTORS制訂並發布了 CAN技術規範（VERSION 2.0）。該技術規範包括A和B兩部分。2.0A給出了曾在CAN技術規範版本1.2中定義的CAN報文格式，能提供11位地址；而2.0B給出了標準的和擴展的兩種報文格式，提供29位地址。此後，1993年11月ISO正式頒布了道路交通運載工具--數字信息交換--高速通信控制器局部網（CAN）國際標準（ISO11898），為控制器局部網標準化、規範化推廣鋪平了道路。
CAN總線特點：
CAN總線是德國BOSCH公司從80年代初為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發的一種串行數據通信協議，它是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率可達1MBPS。
完成對通信數據的成幀處理
CAN總線通信接口中集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環冗餘檢驗、優先級判別等項工作。
使網絡內的節點個數在理論上不受限制
CAN協議的一個最大特點是廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進行編碼。採用這種方法的優點可使網絡內的節點個數在理論上不受限制，數據塊的標識碼可由11位或29位二進位數組成，因此可以定義2或2個不同的數據塊，這種按數據塊編碼的方式，還可使不同的節點同時接收到相同的數據，這一點在分布式控制系統中非常有用。數據段長度最多為8個字節，可滿足通常工業領域中控制命令、工作狀態及測試數據的一般要求。同時，8個字節不會佔用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協議採用CRC檢驗並可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設計，特別適合工業過程監控設備的互連，因此，越來越受到工業界的重視，並已公認為最有前途的現場總線之一。
可在各節點之間實現自由通信
CAN總線採用了多主競爭式總線結構，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。CAN總線上任意節點可在任意時刻主動地向網絡上其它節點發送信息而不分主次，因此可在各節點之間實現自由通信。CAN總線協議已被國際標準化組織認證，技術比較成熟，控制的晶片已經商品化，性價比高，特別適用於分布式測控系統之間的數通訊。CAN總線插卡可以任意插在PC AT XT兼容機上，方便地構成分布式監控系統。
結構簡單
只有2根線與外部相連，並且內部集成了錯誤探測和管理模塊。
CAN總線技術介紹：
位仲裁
要對數據進行實時處理,就必須將數據快速傳送,這就要求數據的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個站同時需要發送數據時,要求快速地進行總線分配。實時處理通過網絡交換的緊急數據有較大的不同。一個快速變化的物理量,如汽車引擎負載,將比類似汽車引擎溫度這樣相對變化較慢的物理量更頻繁地傳送數據並要求更短的延時。
CAN總線以報文為單位進行數據傳送,報文的優先級結合在11位標識符中,具有最低二進位數的標識符有最高的優先級。這種優先級一旦在系統設計時被確立後就不能再被更改。總線讀取中的衝突可通過位仲裁解決。如圖2所示,當幾個站同時發送報文時,站1的報文標識符為011111;站2的報文標識符為0100110;站3的報文標識符為0100111。所有標識符都有相同的兩位01,直到第3位進行比較時,站1的報文被丟掉,因為它的第3位為高,而其它兩個站的報文第3位為低。站2和站3報文的4、5、6位相同,直到第7位時,站3的報文才被丟失。注意,總線中的信號持續跟蹤最後獲得總線讀取權的站的報文。在此例中,站2的報文被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優點在於,在網絡最終確定哪一個站的報文被傳送以前,報文的起始部分已經在網絡上傳送了。所有未獲得總線讀取權的站都成為具有最高優先權報文的接收站,並且不會在總線再次空閒前發送報文。
CAN具有較高的效率是因為總線僅僅被那些請求總線懸而未決的站利用,這些請求是根據報文在整個系統中的重要性按順序處理的。這種方法在網絡負載較重時有很多優點,因為總線讀取的優先級已被按順序放在每個報文中了,這可以保證在實時系統中較低的個體隱伏時間。
對於主站的可靠性,由於CAN協議執行非集中化總線控制,所有主要通信,包括總線讀取 (許可)控制,在系統中分幾次完成。這是實現有較高可靠性的通信系統的唯一方法。[page]
CAN與其它通信方案的比較
在實踐中,有兩種重要的總線分配方法:按時間表分配和按需要分配。在第一種方法中 ,不管每個節點是否申請總線,都對每個節點按最大期間分配。由此,總線可被分配給每個站並且是唯一的站,而不論其是立即進行總線存取或在一特定時間進行總線存取。這將保證在總線存取時有明確的總線分配。在第二種方法中,總線按傳送數據的基本要求分配給一個站 ,總線系統按站希望的傳送分配(如:Ethernet CSMA/CD)。因此,當多個站同時請求總線存取時,總線將終止所有站的請求,這時將不會有任何一個站獲得總線分配。為了分配總線,多於一個總線存取是必要的。
CAN的報文格式
在總線中傳送的報文,每幀由7部分組成。CAN協議支持兩種報文格式,其唯一的不同是標識符(ID)長度不同,標準格式為11位,擴展格式為29位。
在標準格式中,報文的起始位稱為幀起始(SOF),然後是由11位標識符和遠程發送請求位 (RTR)組成的仲裁場。RTR位標明是數據幀還是請求幀,在請求幀中沒有數據字節。
控制場包括標識符擴展位(IDE),指出是標準格式還是擴展格式。它還包括一個保留位 (ro),為將來擴展使用。它的最後四個字節用來指明數據場中數據的長度(DLC)。數據場範圍為0～8個字節,其後有一個檢測數據錯誤的循環冗餘檢查(CRC)。 應答場(ACK)包括應答位和應答分隔符。發送站發送的這兩位均為隱性電平(邏輯1),這時正確接收報文的接收站發送主控電平(邏輯0)覆蓋它。用這種方法,發送站可以保證網絡中至少有一個站能正確接收到報文。
報文的尾部由幀結束標出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位,如果這時沒有站進行總線存取,總線將處於空閒狀態。
CAN數據幀的組成
遠程幀
遠程幀由6個場組成：幀起始、仲裁場、控制場、CRC場、應答場和幀結束。遠程幀不存在數據場。 遠程幀的RTR位必須是隱位。 DLC的數據值是獨立的，它可以是0～8中的任何數值，為對應數據幀的數據長度。 出錯幀 出錯幀由兩個不同場組成，第一個場由來自各站的錯誤標誌疊加得到，第二個場是出錯界定符 錯誤標誌具有兩種形式： 活動錯誤標誌(Active error flag)，由6個連續的顯位組成 認可錯誤標誌(Passive error flag)，由6個連續的隱位組成 出錯界定符包括8個隱位 超載幀 超載幀包括兩個位場：超載標誌和超載界定符 發送超載幀的超載條件： 要求延遲下一個數據幀或遠程幀 在間歇場檢測到顯位 超載標誌由6個顯位組成 超載界定符由8個隱位組成
數據錯誤檢測
不同於其它總線,CAN協議不能使用應答信息。事實上,它可以將發生的任何錯誤用信號發出。CAN協議可使用五種檢查錯誤的方法,其中前三種為基於報文內容檢查。
3.4.1 循環冗餘檢查(CRC)
在一幀報文中加入冗餘檢查位可保證報文正確。接收站通過CRC可判斷報文是否有錯。
3.4.2 幀檢查
這種方法通過位場檢查幀的格式和大小來確定報文的正確性,用於檢查格式上的錯誤。
3.4.3.應答錯誤
如前所述,被接收到的幀由接收站通過明確的應答來確認。如果發送站未收到應答,那麼表明接收站發現幀中有錯誤,也就是說,ACK場已損壞或網絡中的報文無站接收。CAN協議也可通過位檢查的方法探測錯誤。
3.4.4 總線檢測
有時,CAN中的一個節點可監測自己發出的信號。因此,發送報文的站可以觀測總線電平並探測發送位和接收位的差異。
3.4.5 位填充
一幀報文中的每一位都由不歸零碼表示,可保證位編碼的最大效率。然而,如果在一幀報文中有太多相同電平的位,就有可能失去同步。為保證同步,同步沿用位填充產生。在五個生。在五個連續相等位後,發送站自動插入一個與之互補的補碼位;接收時,這個填充位被自動丟掉。例如,五個連續的低電平位後,CAN自動插入一個高電平位。CAN通過這種編碼規則檢查錯誤,如果在一幀報文中有6個相同位,CAN就知道發生了錯誤。
如果至少有一個站通過以上方法探測到 一個或多個錯誤,它將發送出錯標誌終止當前的發送。這可以阻止其它站接收錯誤的報文,並保證網絡上報文的一致性。當大量發送數據被終止後,發送站會自動地重新發送數據。作為規則,在探測到錯誤後23個位周期內重新開始發送。在特殊場合,系統的恢復時間為31個位周期。
但這種方法存在一個問題,即一個發生錯誤的站將導致所有數據被終止,其中也包括正確的數據。因此,如果不採取自監測措施,總線系統應採用模塊化設計。為此,CAN協議提供一種將偶然錯誤從永久錯誤和局部站失敗中區別出來的辦法。這種方法可以通過對出錯站統計評估來確定一個站本身的錯誤並進入一種不會對其它站產生不良影響的運行方法來實現,即站可以通過關閉自己來阻止正常數據因被錯誤地當成不正確的數據而被終止。
CAN總線可靠性：
為防止汽車在使用壽命期內由於數據交換錯誤而對司機造成危險,汽車的安全系統要求數據傳輸具有較高的安全性。如果數據傳輸的可靠性足夠高,或者殘留下來的數據錯誤足夠低的話,這一目標不難實現。從總線系統數據的角度看,可靠性可以理解為,對傳輸過程產生的數據錯誤的識別能力。
殘餘數據錯誤的概率可以通過對數據傳輸可靠性的統計測量獲得。它描述了傳送數據被破壞和這種破壞不能被探測出來的概率。殘餘數據錯誤概率必須非常小,使其在系統整個壽命周期內,按平均統計時幾乎檢測不到。計算殘餘錯誤概率要求能夠對數據錯誤進行分類 ,並且數據傳輸路徑可由一模型描述。如果要確定CAN的殘餘錯誤概率,我們可將殘留錯誤的概率作為具有80～90位的報文傳送時位錯誤概率的函數,並假定這個系統中有5～10個站,並且錯誤率為1/1000,那麼最大位錯誤概率為10—13數量級。例如,CAN網絡的數據傳輸率最大為1Mbps,如果數據傳輸能力僅使用50%,那麼對於一個工作壽命4000小時、平均報文長度為 80位的系統,所傳送的數據總量為9×1010。在系統運行壽命期內,不可檢測的傳輸錯誤的統計平均小於10—2量級。換句話說,一個系統按每年365天,每天工作8小時,每秒錯誤率為0. 7計算,那麼按統計平均,每1000年才會發生一個不可檢測的錯誤。
應用舉例：
CAN總線在工控領域主要使用低速-容錯CAN即ISO11898-3標準，在汽車領域使用125Kbps的高速CAN。
某進口車型擁有，車身、舒適、多媒體等多個控制網絡，其中車身控制使用CAN網絡，舒適使用LIN網絡，多媒體使用MOST網絡，以CAN網為主網，控制發動機、變速箱、ABS等車身安全模塊，並將轉速、車速、油溫等共享至全車，實現汽車智能化控制，如高速時自動鎖閉車門，安全氣囊彈出時，自動開啟車門等功能。
can系統又分為高速和低速，高速can系統採用硬線是動力型，速度：500kbps，控制ecu、abs等；低速can是舒適型，速度：125kbps，主要控制儀表、防盜等。
某醫院現有5臺16T/H德國菲斯曼燃氣鍋爐，向洗衣房、製劑室、供應室、生活用水、暖氣等設施提供5kg/cm2的蒸汽，全年耗用天然氣1200萬m3,耗用20萬噸自來水。醫院採用接力式方式供熱，對熱網進行地域性管理，分四大供熱區。其中冬季暖氣的用氣量很大，據此設計了基於CAN現場總線的分布式鍋爐蒸汽熱網智能監控系統。現場應用表明：該樓宇自動化系統具有抗幹擾能力強，現場組態容易，網絡化程度高，人機界面友好等特點。
CAN總線典型特徵
CAN總線有如下基本特點
◎ 廢除傳統的站地址編碼，代之以對通信數據塊進行編碼，可以多主方式工作；
◎ 採用非破壞性仲裁技術，當兩個節點同時向網絡上傳送數據時，優先級低的節點主動停止數據發送，而優先級高的節點可不受影響繼續傳輸數據，有效避免了總線衝突；
◎ 採用短幀結構，每一幀的有效字節數為8個，數據傳輸時間短，受幹擾的概率低，重新發送的時間短；
◎ 每幀數據都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數據傳輸的高可靠性，適於在高干擾環境下使用；
◎ 節點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉總線的功能，切斷它與總線的聯繫，以使總線上其他操作不受影響；
◎ 可以點對點，一對多及廣播集中方式傳送和接受數據。
CAN總線的優點
● 具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁幹擾能力強、成本低等優點；
● 採用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲幹擾環境中工作；
● 具有優先權和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN 控制器掛到CAN-bus 上，形成多主機局部網絡；
● 可根據報文的ID決定接收或屏蔽該報文；
● 可靠的錯誤處理和檢錯機制；
● 發送的信息遭到破壞後，可自動重發；
● 節點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能；
關鍵字：CAN總線 區域網 編輯：什麼魚 引用地址：http://news.eeworld.com.cn/qrs/2015/0817/article_24139.html