CAN总线原理及应用

CAN总线原理及应用
摘要介绍了CAN总线的特点、工作原理和应用领域，并且对每个应用领域进行了描述和举例讲解。

关键字 CAN总线，汽车，现场控制系统，通信
1 引言
控制器局域网总线（CAN，Controller Area Network）是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，是世界上应用最广泛的现场总线之一。

CAN协议由德国的Robert Bosch公司开发，用于汽车中各种不同元件之间的通信，以此取代昂贵而笨重的配电线束。

该协议的健壮性使其用途延伸到其他自动化和工业应用。

CAN协议的特性包括完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传输速率高达1Mb/s、同时具有11位的寻址以及检错能力。

CAN总线是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电子干扰性，并且能够检测出产生的任何错误。

CAN总线可以应用于汽车电控制系统、电梯控制系统、安全监测系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输等领域。

2 CAN总线的特点
●具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点；
●采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作；
●具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN 控制器挂到CAN-bus 上，形成多主机局部网络；
●可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；
●可靠的错误处理和检错机制；
●发送的信息遭到破坏后，可自动重发；
●节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；
●报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。

3 CAN总线的工作原理
CAN总线使用串行数据传输方式，可以1Mb/s的速率在40m的双绞线上运行，也可以使用光缆连接，而且在这种总线上总线协议支持多主控制器。

CAN与I2C总线的许多细节很类似，但也有一些明显的区别。

当CAN总线上的一个节点(站)发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点。

对每个节点来说，无论数据是否是发给自己的，都对其进行接收。

每组报文开头的11位字符为标识符，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。

在同一系统中标识符是唯一的，不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。

当几个站同时竞争总线读取时，这种配置十分重要。

当一个站要向其它站发送数据时，该站的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN芯片，并处于准备状态；当它收到总线分配时，转为发送报文状态。

CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时网上的其它站处于接收状态。

每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。

由于CAN总线是一种面向内容的编址方案，因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。

我们可以很容易地在CAN总线中加进一些新站而无需在硬件或软件上进行修改。

当所提供的新站是纯数据接收设备时，数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址。

它允许分布过程同步化，即总线上控制器需要测量数据时，可由网上获得，而无须每个控制器都有自己独立的传感器。

4 CAN总线的应用
CAN总线在组网和通信功能上的优点以及其高性价比据定了它在许多领域有广阔的应用前景和发展潜力。

这些应用有些共同之处：CAN实际就是在现场起一个总线拓扑的计算机局域网的作用。

不管在什么场合，它负担的是任一节点之间的实时通信，但是它具备结构简单、高速、抗干扰、可靠、价位低等优势。

CAN 总线最初是为汽车的电子控制系统而设计的，目前在欧洲生产的汽车中CAN的应用已非常普遍，不仅如此，这项技术已推广到火车、轮船等交通工具中。

·汽车制造中的应用
应用CAN总线，可以减少车身布线，进一步节省了成本，由于采用总线技术，模块之间的信号传递仅需要两条信号线。

布线局部化，车上除掉总线外其他所有横贯车身的线都不再需要了，节省了布线成本。

CAN总线系统数据稳定可靠，CAN 总线具有线间干扰小、抗干扰能力强的特点。

CAN总线专为汽车量身定做，充分考虑到了汽车上恶劣工作环境，比如点火线圈点火时产生的强大的反充电压，电涡流缓冲器切断时产生的浪涌电流及汽车发动机仓100℃左右的高温。

随着安全性能日益受到重视,安全气囊也将逐渐增多,以前是在驾驶员前面安装一个,今后侧面与后座都会安装安全气囊,这些气囊通过传感器感受碰撞信号,通过CAN总线将传感器信号传送到一个中央处理器内,控制各安全气囊的启动弹出动作。

同时,先进的防盗设计也正基于CAN总线网络技术。

首先,确认钥匙合法性的校验信息通过CAN网络进行传递,改进了加密算法,其校验的信息比以往的防盗系统更丰富;其次,车钥匙、防盗控制器和发动机控制器相互储存对方信息,而且在校验码中搀杂随机码,无法进行破译,从而提高防盗系统的安全性。

而这些功能的实现无一不借助CAN总线来完成,CAN总线成为汽车智能化控制的“定海神针”。

在现代轿车的设计中,CAN已经成为必须采用的装置。

奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺等汽车都采用了CAN作为控制器联网的手段。

据报道,中国首辆CAN 网络系统混合动力轿车已在奇瑞公司试装成功,并进行了初步试运行。

在上海大众的帕萨特和POLO汽车上也开始引入了CAN总线技术。

但总的来说,目前CAN 总线技术在我国汽车工业中的应用尚处于试验和起步阶段,绝大部分的汽车还没有采用汽车总线设计。

国内在技术、设计和应用上进行网络总线的“深造”势在必行。

·大型仪器设备中的应用
大型仪器设备是一种参照一定步骤对多种信息采集、处理、控制、输出等操作的复杂系统。

过去这类仪器设备的电子系统往往是在结构和成本方面占据相当大的部分，而且可靠性不高。

采用CAN总线技术后，在这方面有了明显改观。

以医疗设备为例，病理分布式监控系统分别由中央控制式的中央监控单元和现场采集单元。

现场采集单元对医院各室诊断测量仪器进行数据、图像的实时采集，同时完成数据统计、存贮；中央监控单元可以定期或不定期地从现场采集单元获取数据并完成图像监测、数据统计、报表、打印及数据库管理。

中央监
控单元和现场采集单元之间通过CAN总线连接在一起，在这个网络中，中央监控单元处于主控位置，而现场采集单元可以随时响应中央监控单元的命令。

其现场采集单元由单片机8C552及采集、存储、显示、遥控和通信模块组成,每个现场采集单元可与10个测量仪器相接。

Can总线是针对测控领域设计的，所以一次传输的报文量很小，一次报文量最大能够承载的数据上限为8字节，这种小数据量的传输一方面能够使得低优先级事务的传输，另一方面也非常符合测控需求。

针对can总线技术的诸多优点，非常适合应用于大型仪器系统模块化之间的互相通信，采用模块化组网的方式构建大型仪器系统。

·工业控制中的应用
随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展,传统的工业控制领域正经历着一场前所未有的变革,而工业控制的网络化,更拓展了工业控制领域的发展空间,带来新的发展机遇。

在广泛的工业领域，CAN总线可作为现场设备级的通信总线，而且与其他的总线相比，具有很高的可靠性和性能价格比。

这将是CAN技术开发应用的一个主要的方向。

例如，瑞士一家公司开发的轴控制系统ACS-E就带有CAN接口。

该系统可作为工业控制网络中的一个从站，用于控制机床、机器人等。

一方面通过CAN总线上上位机通信，另一方面可通过CAN总线对数字式伺服电机进行控制。

通过CAN总线最多可连接6台数字式伺服电机。

目前CAN总线技术在工程机械上的应用越来越普遍。

国际上一些著名的工程机械大公司如CAT、VOLVO、利勃、海尔等都在自己的产品上广泛采用CAN总线技术，大大提高了整机的可靠性、可检测和可维修性，同时提高了智能化水平。

而在国内，CAN总线控制系统也开始在工程汽车的控制系统中广泛应用，在工程机械行业中也正在逐步推广应用。

·智能家庭和生活小区管理中的应用
小区智能化是一个综合性系统工程，要从其功能、性能、成本、扩充能力及现代相关技术的应用等多方面来考虑。

基于这样的需求，采用CAN技术所设计的家庭智能管理系统比较适合用于多表远传、防盗、防火、防可燃气体泄漏、紧急救援、家电控制等方面。

CAN总线是小区管理系统的一部分，负责将家庭中的一些数据和信号收集起来，并送到小区管理中心处理，CAN总线上的节点是每户的家庭控制器、小区的三表抄收系统和报警监测系统，每户的家庭控制系统可通过总线发送报警信号，定期向自动抄表系统发送三表数据，并接收小区管理系统的通告信息，如欠费通知、火警警报等。

该系统充分利用CAN技术的特点和优势，构成住宅小区智能化检测系统，系统集多表集抄、防盗报警、水电控制、紧急求助、煤气泄漏报警、火灾报警和供电监控子系统等功能，并提供远程通讯服务。

·机器人网络互联中的应用
制造车间底层设备自动化，近几年仍是我国开展新技术研究和新技术应用工程及产品开发的主要领域，其市场需求不断增大且越发活跃，竞争也日益激烈。

伴随着工业机器人的产业化，目前机器人系统的应用大多要求采用机器人生产方式，这就要求多台机器人能通过网络进行互联。

随之而来的是，在实际生产过程中，这种连网的多机器人系统的调度、维护工作也变得尤为重要。

制造车间底层电气装置联网是近几年内技术发展的重点。

其电器装置包括有：运动控制器、基
于微处理器的传感器、专用设备控制器等底层设备；在这些装置所构成的网络上另有车间级管理机、监控机或生产单元控制器等非底层装置。

结合实际情况和要求，将机器人控制器视为运动控制器。

把CAN总线技术充分应用于现有的控制器当中，将可开发出高性能的多机器人生产线系统。

利用现有的控制技术，结合CAN技术和通信技术，通过对现有的机器人控制器进行硬件改进和软件开发，并相应地开发出上位机监控软件，从而实现多台机器人的网络互联。

最终实现基于CAN网络的机器人生产线集成系统。

这样做的好处很多，例如实现单根电缆串接全部设备，节省安装维护开销；提高实时性，信息可共享；提高多控制器系统的检测、诊断和控制性能；通过离线的任务调度、作业的下载以及错误监控等技术，把一部分人从机器人工作的现场彻底脱离出来。

5 结论
CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。

由于其良好的性能及独特的设计,CAN总线越来越受到人们的重视，它在汽车领域上的应用是最广泛的。

世界上一些著名的汽车制造厂商大都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。

同时,由于CAN总线本身的特点,其应用范围目前已不再局限于汽车行业,而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。

CAN已经形成国际标准,并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。

参考文献：
[1]马洪连，丁男，李屹璐，嵌入式系统设计教程，电子工业出版社，2006
[2]饶云涛，邹继军，王进宏，郑勇芸，现场总线CAN原理与应用技术（第二版），北京航空航天大学出版社，2007
[3]杜尚丰，曹晓钟，徐津，CAN总线测控技术及其应用，电子工业出版社，2007
[4]百度百科，CAN总线。