CAN總線及其在汽車中發展與應用

邵宏偉

摘要：論文主要闡述CAN總線的產生發展，重點研究CAN用在汽車上的優越性及發展前景，討論了在汽車上的總體設計方案，并通過其在汽車前照燈上的應用具體說明了CAN在汽車上的應用。最后。結合現狀討論了CAN在汽車上的應用前景。

關鍵詞：CAN傳輸應用發展

一、CAN總線簡述

（一）CAN總線產生與發展

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，由于其卓越性能現已廣泛應用于工業自動化、多種控制設備、交通工具、醫療儀器以及建筑、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。

由于CAN為愈來愈多不同領域采用和推廣，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制訂并發布了CAN技術規范（VERSION 2.0）。該技術規范包括A和B兩部分。2.0A給出了曾在CAN技術規范版本1.2中定義的CAN報文格式，而2.0B給出了標準的和擴展的兩種報文格式。此后，1993年11月ISO正式頒布了道路交通運載工具一數字信息交換一高速通信控制器局部網（CAN）國際標準（IS011898），為控制器局部網標準化、規范化推廣鋪平了道路。

（二）CAN總線特點

CAN總線是一種多主總線，通信速率可達1MBPS。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、循環冗余檢驗、優先級判別等項工作。

（1）CAN總線具有點對點、一點對多點及全局廣播傳送數據的功能。

（2）CAN總線采用短幀結構，每幀有效字節數最多為8個，數據傳輸時間短，并有CRC及其他校驗措施，數據出錯率極低。

（3）CAN總線上某一節點出現嚴重錯誤時，可自動脫離總線，而總線上的其他操作不受影響。

（4）CAN總線系統擴充時，可直接將新節點掛在總線上，因而走線少，系統擴充容易，改型靈活。

（5）CAN總線最大傳輸速率可達1Mb/s（此時通信距離最長為40re），直接通信距離最遠可達10km（速率5kbps以下）。

（6）CAN總線上的節點數主要取決于總線驅動電路。在標準幀（11位報文標識符）可達110個，而在擴展幀（29位報文標識符）其個數幾乎不受限制。

如前所述，各節點直接掛接在總線上，從而構成了多主機結構，即每一個節點都是一個主機，因而CAN是一種多主方式的串行通信總線。CAN能夠使用多種物理介質，如差分驅動平衡絞線，單線，光纖等。最常用的就是雙絞線。總線上的數據可具有兩種互補的邏輯值之一，顯性和隱性。顯性表示為邏輯“0”，隱性表示為邏輯“1”。在ISO的標準中兩條總線上的電平如表一所示。如果總線上的兩個控制器同時向總線上發送顯性電平和隱性電平，則總線上始終是顯性電平。

在CAN總線中，以報文為單位進行信息傳遞且各節點使用相同的位速率。CAN總線上任意兩個節點之間的最大通信距離與位速率有關，表二列出了相關數據。這里的最大通信距離指的是同一總線上兩節點問的距離。

CAN實現總線分配的方法，可保證當不同的站申請總線存取時，明確地進行總線分配。這種位仲裁的方法可以解決當兩個站同時發送數據時產生的碰撞問題。不同于Ethemet網絡的消息仲裁，CAN的非破壞性解決總線存取沖突的方法，確保在不傳送有用消息時總線不被占用。甚至當總線在重負載情下，以消息內容為優先的總線存取也被證明是一種有效的系統。雖然總線的傳輸能力不足，所有未解決的傳輸請求都按重要性順序來處理。在CSMA/CD這樣的網絡中，如Ethemet系統往往由于過載而崩潰，而這種情況在CAN中不會發生。

（三）CAN總線的組成

CAN數據總線由一個控制器，一個收發器，兩個數據傳輸終端以及兩條數據線組成。除數據傳輸線外，其他元件都置于控制單元內部。控制單元功能不變。

（1）CAN控制器

CAN控制器是用來接收控制單元中微電腦傳來的數據，對這些數據進行處理并將其傳往CAN收發器。同樣CAN控制器也接收CAN收發器傳來的數據，對這些數據進行處理并將其傳往控制單元中的微電腦。

（2）CAN收發器

CAN收發器將CAN控制器傳來的數據轉化為電信號并將其送入數據傳輸線。它也為CAN控制器接收和轉發數據。

（3）數據傳輸終端

數據傳輸終端是一個電阻器，其作用是防止數據在線端被反射，并以回聲的形式返回。數據在線端被反射會影響數據的傳輸。

（4）數據傳輸線

數據傳輸線是雙向對數據進行傳輸的。兩條傳輸線分別被稱為CAN高線和CAN低線。為了防止外界電磁波的干擾和向外輻射，CAN總線將兩條線纏繞在一起。

這兩條線的電位相反，如果一條是5V，另一條就是0V，始終保持電壓總和為一常數。通過這種方法，CAN數據總線得到了保護，使其免受外界的電磁場干擾。

二、CAN數據總線的傳輸原理

圖一為電動汽車CAN總線系統原理框圖。該CAN總線系統由中央控制器，電池管理系統，電機控制系統，制動控制系統，儀表控制系統組成。各個控制器之間通過CAN總線進行通信，以實現傳感器測量數據的共享以及控制指令的發送和接收等，并使各控制器的控制性能都能有所提高，從而提高系統的控制性能.通信的信息類型為信息類和命令類.信息類主要是發送一些信息，如傳感器信號，診斷信號，系統的狀態。命令類則主要是發送給其他執行器的命令。通信有以下主要內容。

1、車輛起動時的自檢。中央控制器負責向各個模塊發送自檢命令，并收集各個模塊的返回信息，通過分析處理，及時地發現問題，解決問題。

2、加速過程通信。加速操作時，中央控制器采集加速踏板信號，根據控制策略，通過CAN總線設置電機轉速，電池管理系統等參數。

3、制動過程通信。制動過程中，制動踏板信號直接下傳到ABS控制器，同時通過CAN總線上傳到中央控制器。中央控制器根據控制規劃，通過CAN總線設置電機轉速，電池管理系統等參數。

4、周期性數據刷新通信。電機控制器采集電機的電樞電流，電機轉速等信息，判斷是否缺相，接收設定轉速；電池管理控制器采集電池溫度，荷電狀態等信息；接收是否充電指令及充電門限系數；制動控制器采集車輪轉速信息，接收執行制動指令；儀表控制器采集并顯示電機轉速，車速，電池的荷電狀態值等信息。

5、運行過程中監控。在車輛運行過程中，檢測總線上數據幀的收發情況，及時發現總線異常，自動做出緊急處理，甚至向駕駛員發出警報。

三、CAN總線前景展望

“汽車電子業最大的熱點就是網絡化。”一位業內人士如此描述汽車網絡的應用前景。德爾福電子與安全部中國工程經理許向東指出，隨著排放法規的驅動以其在線診斷的需要，通過CAN總線將各系統中的診斷總線連接在一起，通過ECU軟件來實時診斷與維修。并且，隨著安全性能日益受到重視，安全氣囊也將逐漸增多，以前是在駕駛員前面安裝一個，今后側面與后座都會安裝安全氣囊，這些氣囊通過傳感器感受碰撞信號，通過CAN總線將傳感器信號傳送到一個中央處理器內，控制各安全氣囊的啟動彈出動作。在現代轎車的設計中，CAN已經成為必須采用的裝置。奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃、雷諾等汽車都采用了CAN作為控制器聯網的手段。