摘要 介紹了CAN總線的發(fā)展歷史，并對CAN總線的特點(diǎn)及主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了敘述，最后給出了CAN總線在高速列車上的應(yīng)用實例。 關(guān)鍵詞 CAN總線控制器 局域網(wǎng)絡(luò) 工業(yè)控制系統(tǒng) 高速列車 1 引言 CAN（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，是一種全數(shù)字化、多主和雙向的現(xiàn)場總線。CAN總線是BOSCH公司為現(xiàn)代汽車應(yīng)用領(lǐng)先推出的一種多主機(jī)局部網(wǎng)，由于其卓越性能現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門?？刂破骶植烤W(wǎng)將在我國迅速普及推廣。 隨著計算機(jī)硬件、軟件技術(shù)及集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)已成為計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中最具活力的一個分支，并取得了巨大進(jìn)步。由于對系統(tǒng)可靠性和靈活性的高要求，工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展主要表現(xiàn)為：控制面向多元化，系統(tǒng)面向分散化—負(fù)載分散、功能分散、危險分散和地域分散。分散式工業(yè)控制系統(tǒng)就是為適應(yīng)這種需要而發(fā)展起來的。分散式工業(yè)控制系統(tǒng)是以微型機(jī)為核心，將5C技術(shù)一一COMPUTER（計算機(jī)技術(shù)）、CON—TROL（自動控制技術(shù)）、COMMUNICATION（通信技術(shù)）、CRT（顯示技術(shù)）和CHANGE（轉(zhuǎn)換技術(shù)）緊密結(jié)合的產(chǎn)物。它在適應(yīng)范圍、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性以及抗故障能力等方面，較之分散型儀表控制系統(tǒng)和集中型計算機(jī)控制系統(tǒng)都具有明顯的優(yōu)越性。 典型的分散式控制系統(tǒng)由現(xiàn)場設(shè)備、接口與計算設(shè)備以及通信設(shè)備組成?，F(xiàn)場總線（Fieldbus）能同時滿足過程控制和制造業(yè)自動化的需要，因而現(xiàn)場總線已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域中最為活躍的一個領(lǐng)域?，F(xiàn)場總線的研究與應(yīng)用已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域的熱點(diǎn)。盡管目前對現(xiàn)場總線的研究尚未能提出一個完善的標(biāo)準(zhǔn)，但現(xiàn)場總線的高性能價格比將吸引眾多工業(yè)控制系統(tǒng)采用。同時，正由于現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，也使得現(xiàn)場總線的應(yīng)用得以不拘一格地發(fā)揮，并將為現(xiàn)場總線的完善提供更加豐富的依據(jù)?？刂破骶植烤W(wǎng)CAN正是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生的。 由于CAN為愈來愈多不同領(lǐng)域采用和推廣，導(dǎo)致要求各種應(yīng)用領(lǐng)域通信報文的標(biāo)準(zhǔn)化。為此，1991年9月PHILIPS SEMICON—DUCTORS制訂并發(fā)布了CAN技術(shù)規(guī)范（VERSION 2．0）。該技術(shù)規(guī)范包括A和B兩部分。2．0A給出了曾在CAN技術(shù)規(guī)范版本1．2中定義的CAN報文格式，而2．0B給出了標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)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(yùn)載工具——數(shù)字信息交換一一高速通信控制器局部網(wǎng)（CAN）國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898），為控制器局部網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化推廣鋪平了道路。 2 CAN總線特點(diǎn) CAN總線是德國BOSCH公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之問的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率可達(dá)lMbps。CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等項工作。 CAN協(xié)議的一個最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識碼可由ll位或29位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義2ll或229個不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協(xié)議采用 CRC （CRC——Cyclic RedundancyCheck）檢驗并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場總線之一。 另外，CAN總線采用了多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運(yùn)行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點(diǎn)。CAN總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點(diǎn)之間實現(xiàn)自由通信。CAN總線協(xié)議已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)證，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價比高，特別適用于分布式測控系統(tǒng)之間的數(shù)通訊。CAN總線插卡可以任意插在PC ATXT兼容機(jī)上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。 3 CAN總線技術(shù) 3．1 位仲裁 要對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理，就必須將數(shù)據(jù)快速傳送，這就要求數(shù)據(jù)的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個站同時需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，要求快速地進(jìn)行總線分配。實時處理通過網(wǎng)絡(luò)交換的緊急數(shù)據(jù)有較大的不同。一個快速變化的物理量，如汽車引擎負(fù)載，將比類似汽車引擎溫度這樣相對變化較慢的物理量更頻繁地傳送數(shù)據(jù)并要求更短的延時。 CAN總線以報文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，報文的優(yōu)先級結(jié)合在ll位標(biāo)識符中，具有最低二進(jìn)制數(shù)的標(biāo)識符有最高的優(yōu)先級。這種優(yōu)先級一旦在系統(tǒng)設(shè)計時被確立后就不能再被更改?？偩€讀取中的沖突可通過位仲裁解決。例如，當(dāng)幾個站同時發(fā)送報文時，站l的報文標(biāo)識符為0111111；站2的報文標(biāo)識符為0100110；站3的報文標(biāo)識符為0100111。所有標(biāo)識符都有相同的兩位0l，直到第3位進(jìn)行比較時，站l的報文被丟掉，因為它的第3位為高，而其它兩個站的報文第3位為低。站2和站3報文的4、5、6位相同，直到第7位時，站3的報文才被丟失。注意，總線中的信號持續(xù)跟蹤最后獲得總線讀取權(quán)的站的報文。在此例中，站2的報文被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優(yōu)點(diǎn)在于，在網(wǎng)絡(luò)最終確定哪一個站的報文被傳送以前，報文的起始部分已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)上傳送了。所有未獲得總線讀取權(quán)的站都成為具有最高優(yōu)先權(quán)報文的接收站，并且不會在總線再次空閑前發(fā)送報文。 CAN具有較高的效率是因為總線僅僅被那些請求總線懸而未決的站利用，這些請求是根據(jù)報文在整個系統(tǒng)中的重要性按順序處理的。這種方法在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時有很多優(yōu)點(diǎn)，因為總線讀取的優(yōu)先級已被按順序放在每個報文中了，這可以保證在實時系統(tǒng)中較低的個體隱伏時問。 對于主站的可靠性，由于CAN協(xié)議執(zhí)行非集中化總線控制，所有主要通信，包括總線讀取（許可）控制，在系統(tǒng)中分幾次完成。這是實現(xiàn)有較高可靠性的通信系統(tǒng)的唯一方法。 3．2 CAN與其它通信方案的比較 在實踐中，有兩種重要的總線分配方法：按時間表分配和按需要分配。在第一種方法中，不管每個節(jié)點(diǎn)是否申請總線，都對每個節(jié)點(diǎn)按最大期間分配。由此，總線可被分配給每個站并且是唯一的站，而不論其是立即進(jìn)行總線存取或在一特定時間進(jìn)行總線存取，這將保證在總線存取時有明確的總線分配。在第二種方法中，總線按傳送數(shù)據(jù)的基本要求分配給一個站，總線系統(tǒng)按站希望的傳送分配（如：Ethemet CSMA／CD）。因此，當(dāng)多個站同時請求總線存取時，總線將終止所有站的請求，這時將不會有任何一個站獲得總線分配。為了分配總線，多于一個總線存取是必要的。 CAN實現(xiàn)總線分配的方法，可保證當(dāng)不同的站申請總線存取時，明確地進(jìn)行總線分配。這種位仲裁的方法可以解決當(dāng)兩個站同時發(fā)送數(shù)據(jù)時產(chǎn)生的碰撞問題。不同于Eth—emet網(wǎng)絡(luò)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(dāng)總線在重負(fù)載情況下，以消息內(nèi)容為優(yōu)先的總線存取也被證明是一種有效的系統(tǒng)。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(wǎng)絡(luò)中，如Ethemet，系統(tǒng)往往由于過載而崩潰，而這種情況在CAN中不會發(fā)生。 3．3 CAN的報文格式 在總線中傳送的報文，每個數(shù)據(jù)幀（DataFrame）由7個不同的位場：幀起始SOF—Start of Frame、仲裁場—Arbitration Field、控制場—Control Field、數(shù)據(jù)場—Data Field、循環(huán)冗余碼校驗場CRC—Cyclic Redundan—cy Check、應(yīng)答場（ACK— ACKnowledge—ment）、幀結(jié)束—End of Frame組成。CAN協(xié)議支持2種不同的報文格式，其唯一的不同是標(biāo)識符（ID——IDentifier）長度不同：標(biāo)準(zhǔn)格式為11位，擴(kuò)展格式為29位。 在標(biāo)準(zhǔn)格式中，報文的起始位稱為幀起始SOF，它標(biāo)志數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的起始，僅由一個顯性位組成，只在總線空閑時才允許站點(diǎn)開始發(fā)送信號，所有的站必須同步于首先開始發(fā)送報文的站的幀起始前沿。然后是由1l位標(biāo)識符和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位（RTR——Remote Transmission Request）組成的仲裁場。RTR位標(biāo)明是數(shù)據(jù)幀還是請求幀，在請求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)。 控制場包括標(biāo)識符擴(kuò)展位（IDE——IDen—tifier Extension），指出是標(biāo)準(zhǔn)格式還是擴(kuò)展格式。它由6位組成，前面2位為兩個保留位，為將來擴(kuò)展使用；最后4位用來指明數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)的長度（DLC——Data Length Code）。數(shù)據(jù)場范圍為0—8個字節(jié)，每個字節(jié)包括8位。循環(huán)冗余碼校驗場包括CRC序列（CRCSequence），后隨CRC界定符（CRC dehmiter）。應(yīng)答場為2位，包括應(yīng)答間隙和應(yīng)答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平（邏輯1），這時正確接收報文的接收站發(fā)送主控電平（邏輯0）覆蓋它。用這種方法，發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡(luò)中至少有一個站能正確接收到報文。 報文的尾部由幀結(jié)束標(biāo)出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位，如果這時沒有站進(jìn)行總線存取，總線將處于空閑狀態(tài)。 3．4 數(shù)據(jù)錯誤檢測 不同于其它總線，CAN協(xié)議不能使用應(yīng)答信息。事實上，它可以將發(fā)生的任何錯誤用信號發(fā)出。CAN協(xié)議可使用五種檢查錯誤的方法，其中前三種為基于報文內(nèi)容檢查。 3．4．1 循環(huán)冗余檢查（CRC） 在一幀報文中加人冗余檢查位可保證報文正確。接收站通過CRC可判斷報文是否有錯。 3．4．2 幀檢查 這種方法通過位場檢查幀的格式和大小來確定報文的正確性，用于檢查格式上的錯誤。 3．4．3 應(yīng)答錯誤 如前所述，被接收到的幀由接收站通過明確的應(yīng)答來確認(rèn)。如果發(fā)送站未收到應(yīng)答，那么表明接收站發(fā)現(xiàn)幀中有錯誤，也就是說，ACK場已損壞或網(wǎng)絡(luò)中的報文無站接收。CAN協(xié)議也可通過位檢查的方法探測錯誤。 3．4．4 總線檢測 有時，CAN中的一個節(jié)點(diǎn)可監(jiān)測自己發(fā)出的信號。因此，發(fā)送報文的站可以觀測總線電平并探測發(fā)送位和接收位的差異。 3．4．5 位填充 一幀報文中的每一位都由不歸零碼表示，可保證位編碼的最大效率。然而，如果在一幀報文中有太多相同電平的位，就有可能失去同步。為保證同步，同步沿用位填充產(chǎn)生。在五個連續(xù)相等位后，發(fā)送站自動插人一個與之互補(bǔ)的補(bǔ)碼位；接收時，這個填充位被自動丟掉。 例如，五個連續(xù)的低電平位后，CAN自動插人一個高電平位。CAN通過這種編碼規(guī)則檢查錯誤，如果在一幀報文中有6個相同位，CAN就知道發(fā)生了錯誤。 如果至少有一個站通過以上方法探測到一個或多個錯誤，它將發(fā)送出錯標(biāo)志終止當(dāng)前的發(fā)送。這可以阻止其它站接收錯誤的報文，并保證網(wǎng)絡(luò)上報文的一致性。當(dāng)大量發(fā)送數(shù)據(jù)被終止后，發(fā)送站會自動地重新發(fā)送數(shù)據(jù)。作為規(guī)則，在探測到錯誤后23個位周期內(nèi)重新開始發(fā)送。在特殊場合，系統(tǒng)的恢復(fù)時間為31個位周期。但這種方法存在一個問題，即一個發(fā)生錯誤的站將導(dǎo)致所有數(shù)據(jù)被終止，其中也包括正確的數(shù)據(jù)。因此，如果不采取自監(jiān)測措施，總線系統(tǒng)應(yīng)采用模塊化設(shè)計。為此，CAN協(xié)議提供一種將偶然錯誤從永久錯誤和局部站失敗中區(qū)別出來的方法。這種方法可以通過對出錯站統(tǒng)計評估來確定一個站本身的錯誤并進(jìn)人一種不會對其它站產(chǎn)生不良影響的運(yùn)行方法來實現(xiàn)，即站可以通過關(guān)閉自己來阻止正常數(shù)據(jù)因被錯誤地當(dāng)成不正確的數(shù)據(jù)而被終止。 3．5 CAN可靠性 3．5．1 安全性 為防止CAN總線在使用壽命期內(nèi)由于數(shù)據(jù)交換錯誤而造成不必要的后果，要求數(shù)據(jù)傳輸具有較高的安全性。如果數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃宰銐蚋撸蛘邭埩粝聛淼臄?shù)據(jù)錯誤足夠低的話，這一目標(biāo)不難實現(xiàn)。從總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)的角度看，可靠性可以理解為，對傳輸過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯誤的識別能力。 殘余數(shù)據(jù)錯誤的概率可以通過對數(shù)據(jù)傳輸可靠性的統(tǒng)計測量獲得。它描述了傳送數(shù)據(jù)被破壞和這種破壞不能被探測出來的概率。殘余數(shù)據(jù)錯誤概率必須非常小，使其在系統(tǒng)整個壽命周期內(nèi)，按平均統(tǒng)計時幾乎檢測不到。計算殘余錯誤概率要求能夠?qū)?shù)據(jù)錯誤進(jìn)行分類，并且數(shù)據(jù)傳輸路徑可由一模型描述。如果要確定CAN的殘余錯誤概率，可將殘留錯誤的概率作為具有8O～9O位的報文傳送時位錯誤概率的函數(shù)，并假定這個系統(tǒng)中有5～10個站，并且錯誤率為1／1000，那么最大位錯誤概率為1O～13數(shù)量級。例如，CAN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸率最大為1Mbps，如果數(shù)據(jù)傳輸能力僅使用50％ ，那么對于一個工作壽命4000小時、平均報文長度為8O位的系統(tǒng)，所傳送的數(shù)據(jù)總量為9×1010。在系統(tǒng)運(yùn)行壽命期內(nèi)，不可檢測的傳輸錯誤的統(tǒng)計平均小于1O～2數(shù)量級。換句話說，一個系統(tǒng)按每年365天，每天工作8小時，每秒錯誤率為0．7計算，那么按統(tǒng)計平均，每1000年才會發(fā)生一個不可檢測的錯誤。 3．5．2 正確、完整性 CAN總線一開始是為汽車工業(yè)而設(shè)計的，如果要使這一市場能夠接受它，一個能高效處理出錯情況的通訊協(xié)議是至關(guān)重要的。在發(fā)布了2．0B版的CAN總線技術(shù)規(guī)范后，其最大的通訊速率已經(jīng)比1．2版提高了8倍，達(dá)lM位／秒，在這種速率下，即便是對時間要求非常關(guān)鍵的參數(shù)也可以通過CAN總線傳輸而不必?fù)?dān)心其時延。另外，CAN總線協(xié)議有一套完整的差錯定義，能夠自動地檢測出這些錯誤信息，由此保證了被傳信息的正確必性和完整性。 CAN總線上的個節(jié)點(diǎn)具有檢測多種通訊差錯信息的能力并采取相關(guān)的應(yīng)對措施：錯誤可通過”CRC出錯”檢測到；普通接收錯誤可通過”應(yīng)答出錯”檢測到；CAN報文格式錯誤可通過”格式出錯”檢測到；CAN總線信號錯誤可通過”位出錯”檢測到；同步和定時錯誤可通過”阻塞出錯”檢測到。每個CAN總線上的節(jié)點(diǎn)都有一個出錯計數(shù)器用以記錄各種錯誤發(fā)生的次數(shù)。取決于出錯的嚴(yán)重性，通過這些計數(shù)器就可以確認(rèn)這些節(jié)點(diǎn)是否應(yīng)工作到降級模式；總線上的節(jié)點(diǎn)可以從正常工作模式（正常收發(fā)數(shù)據(jù)和出錯信息）降級到消極工作模式（只有在總線空閑時才能取得控制權(quán)），或者到關(guān)斷模式（和總線隔離）。CAN總線上各節(jié)點(diǎn)還有能力監(jiān)測是短期的干擾還是永久性的故障，并采取相關(guān)的應(yīng)對措施，這種匹配電阻特性被叫做”故障界定隔離”。采取了這種故障界定隔離措施后，故障節(jié)點(diǎn)將會被及時關(guān)斷，不會永久占用總線。這一點(diǎn)對關(guān)鍵信息能在總線上暢通無阻地傳送是非常重要的。 4 CAN總線在高速列車上的應(yīng)用 某型高速列車上診斷系統(tǒng)將CAN作為各個電子控制器聯(lián)網(wǎng)的手段，為了提高系統(tǒng)的可靠性，每節(jié)車輛共有4條CAN總線，左右側(cè)各兩條，每條CAN總線的最大長度為80m，CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸速率最小為125kb／s。車輛上要診斷的部件分為4組，分別接在4條不同的CAN總線段上，避免因為CAN總線故障而影響所有的部件診斷功能。 在車載診斷系統(tǒng)中，車輛上各個設(shè)備通過CAN總線連接起來。各個車輛上有一個車輛診斷計算機(jī)，該計算機(jī)上有4個CAN總線I／O接口卡，分別與這4條CAN總線相連。各車輛的功能部件通過部件內(nèi)的信號采集裝置采集部件中的狀態(tài)信號，并將這些信號通過雙絞屏蔽CAN總線傳輸給所在車輛的車輛診斷計算機(jī)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。 [align=center] 圖1 車載診斷系統(tǒng)CAN總線示意圖[/align] 參考文獻(xiàn) [1]馮軍．一種新型總線系統(tǒng)CAN [2]鄔寬明．CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計．北京航空航天大學(xué)出版社，1996 [3]饒運(yùn)濤，皺繼軍，鄭勇蕓．現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)．北京航空航天大學(xué)出版社，2003。