CAN 總線結構

CAN 總線系統(tǒng)的結構 [6] 設計用于促進多個節(jié)點之間的高效通信。最基本的 CAN 總線系統(tǒng)由兩條線路組成，即 CAN-高（或 CANH）和 CAN-低（或 CANL），連接到系統(tǒng)中的所有節(jié)點。這兩條線路傳輸代表傳輸數(shù)據的差分信號。

圖 2.CAN 總線結構

系統(tǒng)中的每個節(jié)點都有一個收發(fā)器（或 CAN 收發(fā)器）和一個控制器（或 CAN 控制器），前者負責與總線線路連接，后者負責處理數(shù)據成幀和錯誤檢查。CAN 收發(fā)器負責將 CAN 控制器的數(shù)字信號轉換為總線上的差分信號，反之亦然?？刂破鲃t負責創(chuàng)建包含待傳輸數(shù)據的幀，并檢查接收到的幀是否有誤。

節(jié)點

在 CAN 總線系統(tǒng)中，節(jié)點指的是與總線相連并能發(fā)送和接收報文的任何設備。每個節(jié)點都有自己的控制器和收發(fā)器，以便與總線連接。節(jié)點可以是任何設備，從簡單的傳感器或執(zhí)行器到復雜的設備，如發(fā)動機控制單元（ECU）。

只要總線空閑，CAN 總線系統(tǒng)中的每個節(jié)點都會傳輸數(shù)據。數(shù)據以幀的形式發(fā)送，幀中包含數(shù)據以及表示信息內容的標識符?？偩€上的所有其他節(jié)點都會收到該幀，并根據標識符值決定是否接受該幀。

CAN 總線系統(tǒng)中的節(jié)點還負責錯誤檢測。每個節(jié)點都會使用多種方法檢查接收到的幀是否存在錯誤，包括位監(jiān)控和幀檢查序列。如果一個節(jié)點檢測到錯誤，它就會傳輸一個錯誤幀，提醒所有其他節(jié)點注意該錯誤。

總線線路

在 CAN 總線系統(tǒng)中，總線線路是節(jié)點之間傳輸數(shù)據的物理介質。有兩條總線線路，即 CAN-High 和 CAN-Low，它們攜帶互補信號。這些總線通常被絞合在一起，形成一對雙絞線，這有助于減少電磁干擾和提高信號完整性。

CAN 總線系統(tǒng)中使用的差分信號具有以下幾個優(yōu)點：

共模噪聲：確保總線線路接收到的任何噪聲對兩條線路的影響相同，從而提高抗噪聲能力。由于接收節(jié)點只關心兩條線路上的電壓差，因此這種共模噪聲被有效抵消。

減少磁場：互補信號的使用意味著一條線路上的電流與另一條線路上的電流相等且相反。這就減少了電流產生的凈磁場，進一步降低了電磁干擾。

總線線路的兩端使用電阻器（通常為 120 歐姆）進行端接，以匹配線路的特性阻抗。這種端接對于防止信號反射至關重要，信號反射會導致數(shù)據傳輸錯誤。在某些情況下，還可使用稱為偏置電阻器的附加電阻器，以確?？偩€線路在無節(jié)點傳輸時處于已知狀態(tài)。

總線線路的長度和與之相連的節(jié)點數(shù)量會影響 CAN 總線系統(tǒng)的性能。較長的總線線路和較多的節(jié)點會導致電容增加，從而減慢信號的上升和下降時間。這反過來又會限制總線上可實現(xiàn)的最大數(shù)據傳輸速率。為緩解這一問題，CAN 總線規(guī)范定義了不同的數(shù)據傳輸速率和最大總線長度，使系統(tǒng)設計人員能夠根據具體應用選擇合適的組合。

CAN 協(xié)議

CAN 總線是公認的數(shù)據通信國際標準。CAN 總線通信系統(tǒng)使用多種協(xié)議 [7]，每種協(xié)議都有自己的特點和功能。這些協(xié)議定義了數(shù)據傳輸規(guī)則，包括幀格式、數(shù)據速率和錯誤處理。要為特定應用選擇合適的協(xié)議，了解這些協(xié)議之間的差異至關重要。

使用最廣泛的 CAN 總線協(xié)議是 CAN 2.0A、CAN 2.0B（也稱為傳統(tǒng) CAN）和 CAN FD（靈活數(shù)據速率）。這些協(xié)議都建立在 CAN 總線系統(tǒng)的基本原理之上，并增加了新的特性和功能，以滿足汽車和工業(yè)應用不斷發(fā)展的需求。

CAN 協(xié)議 2.0A 和 2.0B

經典 CAN（即 CAN 2.0A 和 CAN 2.0B）是兩個密切相關的協(xié)議，主要區(qū)別在于其標識符字段的長度。CAN 2.0A 也稱為標準 CAN，使用 11 位標識符，而 CAN 2.0B 或擴展 CAN 使用 29 位標識符。標識符長度上的這種差異（如圖 1 所示）對數(shù)據傳輸有若干影響。下面我們來談談幾個基本影響：

適用于復雜系統(tǒng)：CAN 2.0B 中較長的標識符允許使用更多的唯一報文標識符，這在具有許多節(jié)點和數(shù)據類型的復雜系統(tǒng)中非常有用。不過，較長的標識符也會增加幀的長度，從而降低總線上可實現(xiàn)的最大數(shù)據傳輸速率。

更精細的優(yōu)先級：CAN 2.0B 中更長的標識符為報文的優(yōu)先級排序提供了更多機會。由于較低的標識符值在 CAN 總線系統(tǒng)中具有最高的優(yōu)先級，CAN 2.0B 標識符中的額外位允許對報文優(yōu)先級進行更精細的控制。

靈活性：在 CAN 2.0A 和 CAN 2.0B 中使用不同長度的標識符會影響設備之間的兼容性。雖然 CAN 2.0B 設備通?？梢耘c CAN 2.0A 設備進行通信，但情況并非總是如此。這是因為 CAN 2.0B 幀中較長的標識符可能會導致設計上不適合處理這些標識符的 CAN 2.0A 設備出錯。

圖 3.CAN FD 數(shù)據框圖

CAN FD（靈活數(shù)據速率）是 CAN 總線協(xié)議系列（2012 年）的最新成員，旨在解決 CAN 2.0A 和 CAN 2.0B 的一些局限性。CAN FD 的主要優(yōu)點是能夠支持更高的數(shù)據傳輸速率和更大的數(shù)據有效載荷，因此非常適合需要更快通信速度和更大數(shù)據吞吐量的現(xiàn)代汽車和工業(yè)應用。

CAN FD 通過對 CAN 總線協(xié)議引入兩個關鍵變化來實現(xiàn)這些改進：

可變數(shù)據速率：它允許在單幀傳輸過程中采用可變數(shù)據速率。這意味著，在節(jié)點爭奪總線訪問權的仲裁階段，可以采用較低的數(shù)據傳輸速率，以確保通信的穩(wěn)健性，而數(shù)據有效載荷則以較高的數(shù)據傳輸速率傳輸，以提高吞吐量。這在電噪聲環(huán)境中尤其有用，因為較低的數(shù)據傳輸速率可以提供更好的抗噪能力。

靈活的數(shù)據字段大?。篊AN FD 將幀中數(shù)據字段的最大大小從 CAN 2.0 的 8 字節(jié)增加到 64 字節(jié)。更大的數(shù)據有效載荷可以提高數(shù)據傳輸效率，因為傳輸相同數(shù)量的信息所需的幀數(shù)更少。這對于需要快速傳輸大量數(shù)據（如高分辨率傳感器數(shù)據或軟件更新）的應用尤其有利。

向后兼容性：盡管有這些改進，CAN FD 仍保持了與 CAN 2.0A 和 CAN 2.0B 設備的向后兼容性。這是通過使用與 CAN 2.0B 相同的幀格式實現(xiàn)的，但增加了一個新的控制字段，用于指示該幀是 CAN FD 幀還是標準 CAN 2.0B 幀。這樣，CAN FD 設備就可以與 CAN 2.0A 和 CAN 2.0B 設備在同一總線上共存，但 CAN FD 的更高數(shù)據傳輸速率和更大數(shù)據有效載荷只有在與其他 CAN FD 設備通信時才能使用。

CAN 總線變體

CAN 總線的物理層和數(shù)據鏈路層功能與 RS-485 類似。必須認識到，有兩種廣泛使用的 CAN 總線規(guī)格。一聽到 "CAN 總線 "一詞，幾乎每個人都會立即想到 ISO 11898-2 標準，也稱為高速 CAN。CAN 協(xié)議有兩種變體，即高速 CAN 和低速 CAN，每種變體都是為了滿足特定的通信要求而設計的。

高速 CAN 適用于需要實時和快速數(shù)據交換的用途。最大數(shù)據傳輸速率可達 1 Mbps。高速 CAN 的典型電壓值確保了通信的可靠性，隱性狀態(tài)下的電壓值為 2.5V，顯性狀態(tài)下的電壓值為 3.5V。這一點在嘈雜的工業(yè)和汽車環(huán)境中尤為重要。

圖 4.高速 CAN 總線

相反，CAN 總線標準的容錯和低速變體是 ISO 11898-3 或低速 CAN。它適用于對數(shù)據傳輸速率要求較低的系統(tǒng)，最高可達 125 Kbps。低速 CAN 采用與高速 CAN 相同的電壓電平，即隱性狀態(tài)約為 2.5V，顯性狀態(tài)約為 3.5V。與高速 CAN 不同的是，這里的電阻分散在每個節(jié)點上，而不是在總線的起點和終點使用兩個終端電阻。

此外，低速容錯 CAN 可以有多種不同的設計方式，例如星形總線、類似高速 CAN 的線性總線或由線性總線連接的多個星形總線。

圖 5.低速 CAN 總線

CAN 總線在汽車中的應用

CAN 總線以其高效性和靈活性成為現(xiàn)代汽車工業(yè)不可或缺的一部分。它用于促進汽車內各種電子控制單元（ECU）和傳感器之間的通信，實現(xiàn)眾多子系統(tǒng)的無縫集成。CAN 總線在汽車系統(tǒng)中的一些主要應用包括發(fā)動機控制、安全系統(tǒng)、車身控制和信息娛樂系統(tǒng)。通過使用通用通信協(xié)議，CAN 總線簡化了布線，降低了汽車電子結構的復雜性，從而減輕了重量，降低了制造成本，并使診斷更加容易。

發(fā)動機控制

CAN 總線在汽車系統(tǒng)中的主要應用之一是發(fā)動機控制。發(fā)動機控制模塊（ECM）負責管理發(fā)動機運行的各個方面，如燃油噴射、點火正時和排放控制。為了執(zhí)行這些任務，ECM 需要接收來自節(jié)氣門位置傳感器、氧傳感器和曲軸位置傳感器等各種傳感器的數(shù)據，并向噴油器和點火線圈等執(zhí)行器發(fā)送指令。

CAN 總線在促進 ECM 與其他設備之間的通信方面發(fā)揮著至關重要的作用。通過使用單一總線在 ECM 與各種傳感器和執(zhí)行器之間傳輸數(shù)據，CAN 總線簡化了布線并減少了所需連接的數(shù)量。這不僅減輕了發(fā)動機控制系統(tǒng)的重量和復雜性，還提高了其可靠性和可維護性。

此外，CAN 總線的使用允許對發(fā)動機的運行進行實時監(jiān)控。這使得 ECM 能夠根據從傳感器接收到的數(shù)據對發(fā)動機參數(shù)進行快速調整，從而確保最佳的性能、燃油效率和排放控制。此外，CAN 總線通信可實現(xiàn)先進的診斷功能，使技術人員能夠快速識別和解決發(fā)動機控制系統(tǒng)的問題。

安全系統(tǒng)

CAN 總線通信在車輛安全系統(tǒng)的各種操作中發(fā)揮著至關重要的作用。這些系統(tǒng)依靠傳感器、執(zhí)行器和控制模塊之間有效的數(shù)據交換來確保車內人員和其他道路使用者的安全。使用 CAN 總線的一些關鍵安全系統(tǒng)包括防抱死制動系統(tǒng) (ABS)、電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng) (ESC) 和高級駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS)。

防抱死制動系統(tǒng) (ABS) 的設計目的是防止在重制動時車輪抱死，否則會導致側滑和失控。防抱死制動系統(tǒng)控制模塊從車輪速度傳感器接收數(shù)據，并利用這些信息調節(jié)施加到每個車輪上的制動力。通過 CAN 總線傳輸這些數(shù)據，ABS 控制模塊可以快速、準確地調節(jié)制動力，確保最佳的制動性能和車輛穩(wěn)定性。

電子穩(wěn)定性控制系統(tǒng)（ESC）是另一個依靠 CAN 總線進行通信的安全系統(tǒng)。ESC 的設計目的是通過選擇性制動和調整發(fā)動機扭矩來檢測和糾正牽引力損失或車輛側滑。ESC 控制模塊從轉向角傳感器、偏航率傳感器和車輪速度傳感器等各種傳感器接收數(shù)據，并利用這些信息確定適當?shù)募m正措施。CAN 總線實現(xiàn)了 ESC 控制模塊與其他設備之間的快速通信，使系統(tǒng)能夠對不斷變化的條件做出快速反應，并保持車輛穩(wěn)定性。

高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）包括自適應巡航控制、車道偏離警告和防碰撞系統(tǒng)等多種安全功能。這些系統(tǒng)依靠攝像頭、雷達和激光雷達等各種傳感器的數(shù)據來監(jiān)控車輛周圍的環(huán)境，并為駕駛員提供幫助。CAN 總線對于在 ADAS 控制模塊和其他設備之間傳輸這些數(shù)據至關重要，可實現(xiàn)車輛安全系統(tǒng)的實時決策和控制。

通過促進這些系統(tǒng)之間的有效通信，CAN 總線有助于提高車輛的整體安全性，降低事故發(fā)生的可能性。

CAN 總線在工業(yè)領域的應用

CAN 總線除了在汽車系統(tǒng)中得到廣泛應用外，在各種工業(yè)環(huán)境中也有應用。它的堅固性、可靠性和靈活性使其成為工業(yè)自動化和控制系統(tǒng)中設備間通信的理想選擇。CAN 總線的一些主要工業(yè)應用包括機器控制、傳感器網絡和分布式控制系統(tǒng)。

機器控制

機器控制是工業(yè)自動化的一個重要方面，它需要電機、執(zhí)行器和傳感器等各種設備之間的精確協(xié)調，以確保高效準確的運行。CAN 總線可實現(xiàn)設備間的實時通信，并允許執(zhí)行復雜的控制算法，因此非常適合實現(xiàn)這一目的。

在典型的機器控制應用中，中央控制模塊（通常稱為可編程邏輯控制器 (PLC)）負責協(xié)調各種設備的運行。PLC 接收來自位置傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器等傳感器的數(shù)據，并利用這些信息確定電機、閥門和電磁閥等執(zhí)行器的適當操作。

CAN 總線促進了 PLC 與各種設備之間的通信，從而實現(xiàn)了快速數(shù)據交換和實時控制。通過使用單一總線進行通信，CAN 總線簡化了布線，降低了機器控制系統(tǒng)的復雜性，從而降低了安裝和維護成本。此外，CAN 總線精確的錯誤檢測和處理能力確保了可靠的通信，即使在電氣噪聲較大的工業(yè)環(huán)境中也是如此。

在機器控制應用中使用 CAN 總線還能實現(xiàn)分布式控制和遠程監(jiān)控等高級功能。分布式控制實現(xiàn)了控制任務的分散化，系統(tǒng)中的每個設備都能根據本地數(shù)據做出決策。這可以提高系統(tǒng)的整體性能和靈活性，并減輕中央控制模塊的負擔。另一方面，遠程監(jiān)控使操作員能夠從遠程位置監(jiān)控系統(tǒng)，提高效率并減少停機時間。