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can总线原理丨CAN总线技术原理详解

供稿:中国工控网 2016/6/27 14:05:25

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  • 关键词: can总线原理
  • 摘要:CAN是控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)的简称,是由以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的,并最终成为国际标准(ISO 11898),是国际上应用最广泛的现场总线之一。

CAN总线技术原理详解起源

  20世纪80年代,Robert Bosch 公司在 SAE(汽车工程协会)大会上介绍了一种新型的串行总线——CAN控制器局域网,那也是 CAN 诞生的时刻。今天,在欧洲几乎每一辆新客车均装配有 CAN 局域网。同样,CAN也用于其他类型的交通工具,从火车到轮船或者用于工业控制。CAN 已经成为全球范围内最重要的总线之一 —— 甚至领导着串行总线。

CAN总线技术原理详解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。

CAN总线技术原理详解CAN总线的特点

  1、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;

  2、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;

  3、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;

  4、可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文;

  5、可靠的错误处理和检错机制;

  6、发送的信息遭到破坏后,可自动重发;

  7、节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能;

8、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。

CAN总线技术原理详解CAN总线的优点

1、废除传统的站地址编码,代之以对通信数据块进行编码,可以多主方式工作;

2、采用非破坏性仲裁技术,当两个节点同时向网络上传送数据时,优先级低的节点主动停止数据发送,而优先级高的节点可不受影响继续传输数据,有效避免了总线冲突;

3、采用短帧结构,每一帧的有效字节数为8个,数据传输时间短,受干扰的概率低,重新发送的时间短;

4、每帧数据都有CRC校验及其他检错措施,保证了数据传输的高可靠性,适于在高干扰环境下使用;

5、节点在错误严重的情况下,具有自动关闭总线的功能,切断它与总线的联系,以使总线上其他操作不受影响;

6、可以点对点,一对多及广播集中方式传送和接受数据。

7、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;

8、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;

9、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;

11、可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文;

12、可靠的错误处理和检错机制;

13、发送的信息遭到破坏后,可自动重发;

14、节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能;

15、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。

CAN总线技术原理详解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。

  (1)CAN总线技术的应用:国外知名汽车基本都已经采用了CAN总线技术,例如沃尔沃、林肯、奥迪、宝马等,而国内汽车品牌,例如奇瑞等公司也已经有几款车型应用了总线技术。CAN总线技术就是通过遍布车身的传感器,将汽车的各种行驶数据发送到“总线”上,在这个信息共享平台上,凡是需要这些数据的接收端都可以从“总线”上读取需要的信息,从而使汽车的各个系统协调运作、信息共享、保证车辆安全行驶、舒适和可靠。一般来说,越高档的车配备的CAN_BUS数量越多,价格也越高,如途安、帕萨特等车型当中都配备了多个CAN总线。

  (2)汽车CAN总线节点ECU的硬件设计:汽车CAN总线研发的核心技术就是对带有CAN接口的ECU进行设计,其中ECU的CAN总线模块由CAN控制器和CAN收发器构成。CAN控制器执行完整的CAN协议,完成通讯功能,包括信息缓冲和接收滤波。CAN控制器与物理总线之间需CAN收发器作为接口,它实现CAN控制器与总线之间逻辑电平信号的转换。

  (3)CAN总线在国内自主品牌汽车中的应用:由于受成本控制、技术实力等因素的限制,CAN_BUS总线技术一般都出现在国外高端汽车,在A级及以下级别车型当中,该项技术大多出现在合资品牌当中,如POLO、新宝来等。在自主品牌中,采用CAN总线技术的车型中很少,风云2则是其中的代表车型。风云2CAN总线技术,可以实现发动机、变速箱、ABS、车身、仪表及其他控制器的通讯,做到全车信息及时共享。在风云2的组合仪表盘当中,阶段里程、未关车门精确显示、安全带未系提醒等20多项信息全部可以显示,比同级产品增加一倍,这样增加了驾驶过程中的安全度。

  (4)未来智能传感器发展趋势:CAN总线作为一种可靠的汽车计算机网络总线已在许多先进汽车上得到应用,将CAN总线应用于智能传感器中,使传感器获得的信号能通过总线实时地、可靠地、高速而准确地进行传输,使得各汽车计算机控制单元能够通过CAN总线共享所有信息和资源,达到简化布线、减少传感器数量、避免控制功能重复、提高系统可靠性、降低成本、更好地匹配和协调各个控制系统的目的。同时,由于整个智能传感器网络采用全数字化的通信,因此,总线也具有很好的抗干扰能力,是未来智能化传感器和智能化控制网络的发展趋势。

  另外,在CAN总线技术的帮助下,内部各种传感器实现信息共享后,大大减少了车体内线束和控制器的接口数量,避免了过多线束存在的互相干涉、磨损等隐患,降低了汽车电气系统的故障发生率。打开发动机舱盖,看到的是清晰简洁的舱内布局。维修方面,CAN总线技术的应用也使得故障排查得到最便利的保证。CAN总线智能管家系统符合欧美OBDII标准法规,实现了在线诊断的功能。在车辆发生故障后,各个控制器通过CAN总线智能管家系统存储故障代码,由专业人员,通过诊断仪为车辆诊断出各种故障状态,快速准确地查找到故障点,第一时间排除故障。利用CAN总线技术实现系统集成的信息传输,大大提高了各部件的响应速度,减少了配件磨损发生率,也相应的降低了维修成本;而且,先进集成技术的应用,也大幅提高了车辆自身的科技含量,增强了产品竞争力。

  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。

审核编辑(王雪)
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