隨著微處理器及控制器的效能提升、價(jià)格降低及穩(wěn)定性增高等因素的產(chǎn)生，汽車產(chǎn)業(yè)中也開(kāi)始導(dǎo)入電子組件和裝置來(lái)取代傳統(tǒng)的純機(jī)械式產(chǎn)品，例如用電控燃油噴射系統(tǒng)來(lái)取代化油器，急剎車緩沖裝置采用高速的微處理器來(lái)達(dá)成實(shí)時(shí)的反應(yīng)速度等，這在安全氣囊及座椅安全帶方面也有所體現(xiàn)。另外在汽車中也加裝了許多傳感器，用來(lái)追蹤不同裝置在溫度和壓力上的改變，并在出現(xiàn)異常時(shí)提醒控制系統(tǒng)及早做出處置。
為了讓汽車更安全、更有效率、更可靠和更容易操控，一臺(tái)車體中采用的電子控制單元已越來(lái)越多。在這種情況下，各個(gè)單元間的通信通力也就越來(lái)越重要。傳統(tǒng)的配線方式已顯得過(guò)于復(fù)雜，而且會(huì)增加車體重量和配線成本。這時(shí)就出現(xiàn)了對(duì)先進(jìn)車載
總線技術(shù)的使用需求，以對(duì)復(fù)雜的電子控制單元及行車信息提供整合控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)線傳控制系統(tǒng)的理想境界。
在汽車中的電子化功能主要是要對(duì)車體中的各個(gè)零件及安全裝置進(jìn)行控制，以及為駕駛提供行車或娛樂(lè)性的信息。不同的應(yīng)用有不同的傳輸速率及控制機(jī)制的要求。目前業(yè)界常見(jiàn)或在發(fā)展中的幾項(xiàng)代表性的總線技術(shù)如圖1所示。
圖1 不同總線技術(shù)的速度及應(yīng)用定位
CAN的技術(shù)特色
CAN協(xié)議具有許多優(yōu)勢(shì)，包括它能讓設(shè)計(jì)者很容易地為CAN系統(tǒng)新增或移除網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，而且不會(huì)影響其他網(wǎng)絡(luò)。CAN系統(tǒng)中的分散性微控制器無(wú)需依賴中央的主控制器就能收發(fā)信號(hào)，從而讓信號(hào)的流量管理更有效率，也有助于減少內(nèi)部線路的需求。
在CAN系統(tǒng)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地位是相同的，也就是說(shuō)只要總線處于閑置狀態(tài)，每個(gè)控制器節(jié)點(diǎn)都可以傳送信號(hào)給任何其他的控制器。控制器所發(fā)出的每個(gè)信號(hào)都有自己的識(shí)別碼，因此各個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)接收與自己相關(guān)的信號(hào)，并忽略不相關(guān)的信號(hào)。更重要的是，在此機(jī)制中，當(dāng)任何控制器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)中的其他裝置仍然能夠正常運(yùn)作，并能保持無(wú)障礙的通信能力。
在應(yīng)用上，CAN協(xié)議通常是用來(lái)傳送信號(hào)以觸發(fā)某些事件，例如在急剎車時(shí)拉緊安全帶或傳送測(cè)量到的數(shù)據(jù)（如溫度值或壓力值），因此在它的定義中限定所傳送的信號(hào)不會(huì)大于8字節(jié)。它不會(huì)去中斷任何進(jìn)行中的通信行為，但會(huì)為發(fā)出的信號(hào)設(shè)定優(yōu)先權(quán)，以避免產(chǎn)生信號(hào)之間的沖突，并確保緊急的信號(hào)能夠被優(yōu)先傳送。不僅如此，此協(xié)議還具備誤碼檢查的機(jī)制，讓整個(gè)通信過(guò)程更可靠。此傳輸規(guī)范具有很高的效能，在CAN系統(tǒng)中每秒可傳送7600個(gè)8字節(jié)信號(hào)或1800個(gè)觸發(fā)信息。
一般來(lái)說(shuō)，CAN協(xié)議具有以下特性：
□ 信號(hào)的優(yōu)先次序；
□ 對(duì)延遲時(shí)間的保證；
□ 配置上的彈性；
□ 提供具有時(shí)序同步性的多點(diǎn)傳輸接收功能；
□ 系統(tǒng)級(jí)的寬數(shù)據(jù)一致性；
□ 多主機(jī)架構(gòu)；
□ 誤碼偵測(cè)和誤碼信息；
□ 當(dāng)總線出現(xiàn)空檔時(shí)，會(huì)立即自動(dòng)重傳損毀的信號(hào)；
□ 能分辨節(jié)點(diǎn)的暫時(shí)性錯(cuò)誤和永久性錯(cuò)誤，并自動(dòng)地關(guān)掉確定失常的節(jié)點(diǎn)。
CAN協(xié)議介紹
CAN協(xié)議是參考ISO/OSI的7層協(xié)議模式而做定義的，但因它主要是用來(lái)傳送簡(jiǎn)短且簡(jiǎn)單的信號(hào)，而且是一封閉性的系統(tǒng)，并不需要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的安全、產(chǎn)生用戶接口的數(shù)據(jù)，以及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的登入等動(dòng)作，因此只涉及了實(shí)體層和數(shù)據(jù)鏈接層的定義。
1、實(shí)體層規(guī)范特性
實(shí)體層負(fù)責(zé)的是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的連結(jié)，以及在銅線、同軸纜線、光纖，甚至是無(wú)線信號(hào)的實(shí)際電性脈沖傳送。傳送器的實(shí)體層會(huì)把從數(shù)據(jù)鏈接層來(lái)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電子信息，再傳送出去；在接收端，實(shí)體層將這些電子信息傳換為數(shù)據(jù)格式，再傳送到數(shù)據(jù)鏈接層。
在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，要確保各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間能夠順利地溝通，先決條件是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)體層特性必須是相同的，而CAN實(shí)體層的作用就在于規(guī)范位表示法、位時(shí)序及同步性，通常還包括腳位連接器和接線的型式。CAN由兩條序列總線（CAN_H和CAN_L）實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，傳輸速率可高達(dá)1Mb/s。理論上，每個(gè)CAN總線最多可連結(jié)2032個(gè)節(jié)點(diǎn)，但受限于收發(fā)器的功能，實(shí)際運(yùn)用上最多大約可連結(jié)100個(gè)節(jié)點(diǎn)，而在一般的運(yùn)用上則大約是連結(jié)3～10個(gè)節(jié)點(diǎn)。CAN實(shí)體層示意圖如圖2所示。
圖2 CAN實(shí)體層架構(gòu)示意圖
2、數(shù)據(jù)鏈接層規(guī)范特性：總線仲裁
CAN數(shù)據(jù)鏈接層可以說(shuō)是CAN功能的核心，其目的在于建立數(shù)據(jù)信框封包，在信框內(nèi)包含數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)鏈接層的主要功能之一，就是當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)兩個(gè)信號(hào)同時(shí)想使用網(wǎng)絡(luò)中的相同資源時(shí)，如何防止沖突的發(fā)生。這就是所謂MAC（Medium Access Control）功能。在CAN協(xié)議中，MAC功能會(huì)讓具有最高優(yōu)先權(quán)的數(shù)據(jù)信框優(yōu)先使用總線的網(wǎng)絡(luò)資源，此機(jī)制對(duì)于網(wǎng)絡(luò)效能的影響很大。
在網(wǎng)絡(luò)的接取控制上有兩大方向，即先決式和隨機(jī)式。在先決式的接取控制中，總線的使用權(quán)必須在節(jié)點(diǎn)接取總線前就預(yù)先定義好了，以確保不會(huì)發(fā)生任何沖突。此類網(wǎng)絡(luò)需要一個(gè)中央管控裝置來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，但一旦此裝置失常，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就無(wú)法運(yùn)作；也有非中心化的架構(gòu)，但相對(duì)會(huì)復(fù)雜許多。
在隨機(jī)式接取控制中，當(dāng)總線閑置時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠要求使用網(wǎng)絡(luò)資源。最常見(jiàn)的隨機(jī)式接取控制方式是載波偵測(cè)多重存取（Carrier Sense Multiple Access，CSMA），CSMA又分成限制或防止信號(hào)碰撞的CSMA/CA方式和允許碰撞再進(jìn)行處置的CSMA/CD方式。由于CSMA/CD較浪費(fèi)頻寬資源及會(huì)產(chǎn)生較長(zhǎng)的延遲性，因此CAN采用的是CSMA/CA的方式，此作法又稱為非破壞性的按位仲裁機(jī)制。
CAN協(xié)議讓優(yōu)先權(quán)較高的信號(hào)先接取使用總線資源，在每個(gè)信號(hào)信框的一開(kāi)始處就存在仲裁域，仲裁域中有一個(gè)識(shí)別碼，識(shí)別碼的數(shù)值越小，表示其優(yōu)先權(quán)限越高。此作法能有效地利用總線資源，其具有最高優(yōu)先權(quán)的信號(hào)，最大的延遲時(shí)間大約只有150ms。
在CAN的2.0A標(biāo)準(zhǔn)中，一開(kāi)始定義識(shí)別碼的長(zhǎng)度為11位，后來(lái)因市場(chǎng)的需求又提出了延伸性的2.0B版本。2.0B的格式通常被稱為延伸性CAN，它允許29位的識(shí)別碼，而且有主動(dòng)及被動(dòng)式兩種：2.0B主動(dòng)，也就是能收、發(fā)延伸信框的節(jié)點(diǎn)；以及2.0B被動(dòng)，它會(huì)放棄掉接收到的延伸信框。2.0B的29位識(shí)別碼能夠提供51200萬(wàn)個(gè)獨(dú)特的信號(hào)及優(yōu)先等級(jí)，足以滿足來(lái)自越來(lái)越多節(jié)點(diǎn)的大量存取要求。
三、數(shù)據(jù)鏈接層規(guī)范特性：信框格式
所謂的信框即包含由傳送器送出的完整信號(hào)的數(shù)據(jù)封包。在CAN協(xié)議中具有4種信框，即數(shù)據(jù)信框、遠(yuǎn)程信框、誤碼信框及額外負(fù)載信框。以下主要介紹數(shù)據(jù)信框的組成。
數(shù)據(jù)信框包含了識(shí)別碼和各種控制信息，以及最多8字節(jié)的數(shù)據(jù)。其基本組成包括：信框開(kāi)始、仲裁域（又包括識(shí)別碼和RTR）、控制域（又包括IDE、r0和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度碼）、數(shù)據(jù)域、循環(huán)冗余碼檢驗(yàn)域、確認(rèn)域，以及信框終點(diǎn)等，如圖3所示。
圖3 延伸型CAN的數(shù)據(jù)信框組成架構(gòu)
其中控制信息是用來(lái)識(shí)別信框，決定對(duì)總線的使用，以及進(jìn)行誤碼偵測(cè)。控制信息的另一項(xiàng)主要功能，就在于能夠分辨出某一信號(hào)是否已損毀了。當(dāng)數(shù)據(jù)在任何網(wǎng)絡(luò)中傳送時(shí)，隨機(jī)性的誤碼是很常見(jiàn)的，所以數(shù)據(jù)鏈接層的重要任務(wù)之一，就是要限制這類錯(cuò)誤的發(fā)生。
CAN的特色之一，就是可以通過(guò)5種方式來(lái)進(jìn)行誤碼偵測(cè)，進(jìn)而能掌控錯(cuò)誤的發(fā)生。這5種方式包括：位檢驗(yàn)、信框檢驗(yàn)、循環(huán)冗余碼檢驗(yàn)、確認(rèn)檢驗(yàn)和填充規(guī)則檢驗(yàn)。透過(guò)這些方式，CAN系統(tǒng)中未被發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤發(fā)生率能夠有效地被降低到4.7×10-11。
此外，當(dāng)損毀的信號(hào)被發(fā)現(xiàn)后，偵測(cè)到錯(cuò)誤的節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)這個(gè)信號(hào)做記號(hào)，其他節(jié)點(diǎn)會(huì)忽視這些信號(hào)，并等待正碼信號(hào)再被重傳。如果沒(méi)有更多的錯(cuò)誤出現(xiàn)，從偵測(cè)到重傳的恢復(fù)時(shí)間是29個(gè)位時(shí)間。
CAN控制器的應(yīng)用
一個(gè)CAN系統(tǒng)的建置中，主要的組成單元包括：控制器節(jié)點(diǎn)、接收/傳送發(fā)報(bào)器、兩個(gè)數(shù)據(jù)總線的終端器（電阻器）和兩條數(shù)據(jù)總線。控制器當(dāng)然是其中的核心單元，在車載系統(tǒng)中，它可以是使用高速CAN中的汽車動(dòng)力或傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制單元，例如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、自動(dòng)變速器控制單元、ABS控制單元、安全氣囊控制單元等；也可以是使用低速CAN的車身系統(tǒng)，例如車門上的集控鎖、車窗、行李箱鎖、后視鏡及車內(nèi)頂燈。在具備遙控功能的情況下，CAN控制器還能對(duì)遙控信號(hào)進(jìn)行接收處理，或控制其他防盜系統(tǒng)。
CAN控制器能夠?qū)崿F(xiàn)上述CAN協(xié)議中的實(shí)體層及數(shù)據(jù)鏈接層的功能，達(dá)成位同步、優(yōu)先權(quán)仲裁和誤碼偵測(cè)等要求。今天的CAN控制器大多是延伸型的2.0B型式，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)型的2.0A或更早的1.x型式控制器無(wú)法識(shí)別29位的仲裁位。其中2.0B被動(dòng)型式的控制器可以接受這些仲裁位，確認(rèn)它們是否正確，再加以放棄；2.0B主動(dòng)型式的控制器能傳送和接收這些位。
在使用上，2.0B和2.0A/1.x的控制器彼此是兼容的，只要2.0B的控制器能夠調(diào)整為不送延伸信框的模式，大家都能在同樣的總線上一起使用。就2.0B CAN控制器的型式來(lái)講，還有許多選擇。以意法半導(dǎo)體（ST）的CAN控制器來(lái)說(shuō)，就依信號(hào)緩沖的數(shù)目和接收過(guò)濾器的數(shù)目不同而分為5種類型，不同的類型又有其適合的應(yīng)用領(lǐng)域，如圖4和下表所示：
圖4 依信號(hào)緩沖及接收過(guò)濾器數(shù)目而區(qū)分的CAN控制器型式
1、pCAN（passive CAN）：支持2.0B被動(dòng)協(xié)議，它有3個(gè)傳送/接收郵箱和2個(gè)信號(hào)識(shí)別碼過(guò)濾器、2個(gè)中斷向量，并支持低功耗模式；
2、beCAN（basic-enhanced）：支持2.0B主動(dòng)協(xié)議，它有2個(gè)優(yōu)先傳送郵箱和1個(gè)接收
FIFO，有助于實(shí)時(shí)性的表現(xiàn)；有4個(gè)可延展和可配置的過(guò)濾器，用來(lái)處理所有的信號(hào)，由于是透過(guò)硬件來(lái)過(guò)濾，所以能將對(duì)CPU的負(fù)載需求降到最小。beCAN對(duì)媒介復(fù)雜度高的車體及汽車無(wú)線系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是很理想的選擇；
3、bxCAN（basic-extended）：它有beCAN的各種特性，但還多了3個(gè)傳送郵箱、2個(gè)獨(dú)立的接收FIFO和8個(gè)過(guò)濾器。它為高階車體及低階網(wǎng)關(guān)器等應(yīng)用做了最佳化的設(shè)計(jì)；
4、FullCAN：它和Intel的82527 CAN控制器兼容，具有14個(gè)傳送/接收郵箱、一個(gè)接收
FIFO和29位的識(shí)別碼過(guò)濾器。FullCAN是引擎管理系統(tǒng)的理想選擇。
5、cCAN：它是新一代的FullCAN裝置，有32個(gè)傳送/接收郵箱，允許大量的信號(hào)被靜態(tài)和自動(dòng)地處理。它的接收郵箱支持FIFO模式，每個(gè)郵箱有自己的過(guò)濾器。cCAN很適合高階的網(wǎng)關(guān)器和動(dòng)力傳動(dòng)的應(yīng)用。(e
