CAN匯流排技術

1. CAN匯流排的產生與發展 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，由於其卓越效能現已廣泛應用於工業自動化、多種控制裝置、交通工具、醫學儀器以及建築、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。  隨著電腦硬體、軟體技術及整合電路技術的迅速發展，工業控制系統已成為電腦技術應用領域中最具活力的一個分支，並取得了巨大進步。由於對系統可靠性和靈活性的高要求，工業控制系統的發展主要表現為：控制面向多元化，系統面向分散化，即負載分散、功能分散、危險分散和地區分散。 分散式工業控制系統就是為適應這種需要而發展起來的。這類系統是以微型機為核心，將 5C技術--COMPUTER（電腦技術）、CONTROL（自動控制技術）、COMMUNICATION（通訊技術）、CRT（顯示技術）和 CHANGE（轉換技術）緊密結合的產物。它在適應範圍、可擴充性、可維護性以及抗故障能力等方面，較之分散型儀錶控制系統和集中型電腦控制系統都具有明顯的優越性。 典型的分散式控制系統由現場裝置、介面與計算裝置以及通訊裝置群組成。現場匯流排（FIELDBUS）能同時滿足過程式控制制和製造業自動化的需要，因而現場匯流排已成為工業資料匯流排領域中最為活躍的一個領域。現場匯流排的研究與應用已成為工業資料匯流排領域的熱點。儘管目前對現場匯流排的研究尚未能提出一個完善的標準，但現場匯流排的高效能價格比將吸引眾多工業控制系統採用。同時，正由於現場匯流排的標準尚未統一，也使得現場匯流排的應用得以不拘一格地發揮，並將為現場匯流排的完善提供更加豐富的依據。控制器局部網 CAN（CONTROLLER AERANETWORK）正是在這種背景下應運而生的。 由於CAN為愈來愈多不同領域採用和推廣，導致要求各種應用領域通訊報文的標準化。為此，1991年 9月 PHILIPS SEMICONDUCTORS制訂並發布了 CAN技術規範（VERSION 2.0）。該技術規範包括A和B兩部分。2.0A給出了曾在CAN技術規範版本1.2中定義的CAN報文格式，而2.0B給出了標準的和擴充的兩種報文格式。此後，1993年11月ISO正式頒布了道路交通運載工具--數字資訊交換--高速通訊控制器局部網（CAN）國際標準（ISO11898），為控制器局部網標準化、正常化推廣鋪平了道路。

2. CAN匯流排特點 CAN匯流排是德國BOSCH公司從80年代初為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的資料交換而開發的一種串列資料通訊協定，它是一種多主匯流排，通訊介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通訊速率可達1MBPS。CAN匯流排通訊介面中整合了CAN協議的物理層和資料連結層功能，可完成對通訊資料的成幀處理，包括位填充、資料區塊編碼、循環冗餘檢查、優先順序判別等項工作。 CAN協議的一個最大特點是廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通訊資料區塊進行編碼。採用這種方法的優點可使網路內的節點個數在理論上不受限制，資料區塊的標識碼可由11位或29位位元組成，因此可以定義211或229個不同的資料區塊，這種按資料區塊編碼的方式，還可使不同的節點同時接收到相同的資料，這一點在分布式控制系統中非常有用。資料區段長度最多為8個位元組，可滿足通常工業領域中控制命令、工作狀態及測試資料的一般要求。同時，8個位元組不會佔用匯流排時間過長，從而保證了通訊的即時性。CAN協議採用CRC檢驗並可提供相應的錯誤處理功能，保證了資料通訊的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設計，特別適合工業過程監控裝置的互連，因此，越來越受到工業界的重視，並已公認為最有前途的現場匯流排之一。 另外，CAN匯流排採用了多主競爭式匯流排結構，具有多主站運行和分散仲裁的串列匯流排以及廣播通訊的特點。CAN匯流排上任意節點可在任意時刻主動地向網路上其它節點發送資訊而不分主次，因此可在各節點之間實現自由通訊。CAN匯流排協議已被國際標準組織認證，技術比較成熟，控制的晶片已經商品化，性價比高，特別適用於分布式測控系統之間的數通訊。CAN匯流排插卡可以任意插在PC AT XT相容機上，方便地構成分布式監控系統。

3. CAN匯流排技術介紹 3.1位仲裁 要對資料進行即時處理,就必須將資料快速傳送,這就要求資料的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個站同時需要發送資料時,要求快速地進行匯流排分配。即時處理通過網路交換的緊急資料有較大的不同。一個快速變化的物理量,如汽車引擎負載,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資料並要求更短的延時。  CAN匯流排以報文為單位進行資料傳送,報文的優先順序結合在11位標識符中,具有最低位元的標識符有最高的優先順序。這種優先順序一旦在系統設計時被確立後就不能再被更改。匯流排讀取中的衝突可通過位仲裁解決。2所示,當幾個站同時發送報文時,站1的報文標識符為011111;站2的報文標識符為0100110;站3的報文標識符為0100111。所有標識符都有相同的兩位01,直到第3位進行比較時,站1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,匯流排中的訊號持續跟蹤最後獲得匯流排讀取權的站的報文。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點在於,在網路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在網路上傳送了。所有未獲得匯流排讀取權的站都成為具有最高優先權報文的接收站,並且不會在匯流排再次空閑前發送報文。  CAN具有較高的效率是因為匯流排僅僅被那些請求匯流排懸而未決的站利用,這些請求是根據報文在整個系統中的重要性按順序處理的。這種方法在網路負載較重時有很多優點,因為匯流排讀取的優先順序已被按順序放在每個報文中了,這可以保證在即時系統中較低的個體隱伏時間。  對於主站的可靠性,由於CAN協議執行非集中化匯流排控制,所有主要通訊,包括匯流排讀取 (許可)控制,在系統中分幾次完成。這是實現有較高可靠性的通訊系統的唯一方法

3.2 CAN與其它通訊方案的比較 在實踐中,有兩種重要的匯流排分配方法:按時間表分配和按需要分配。在第一種方法中 ,不管每個節點是否申請匯流排,都對每個節點按最大期間分配。由此,匯流排可被分配給每個站並且是唯一的站,而不論其是立即進行匯流排存取或在一特定時間進行匯流排存取。這將保證在匯流排存取時有明確的匯流排分配。在第二種方法中,匯流排按傳送資料的基本要求分配給一個站 ,匯流排系統按站希望的傳送分配(如:Ethernet CSMA/CD)。因此,當多個站同時請求匯流排存取時,匯流排將終止所有站的請求,這時將不會有任何一個站獲得匯流排分配。為了分配匯流排,多於一個匯流排存取是必要的。  CAN實現匯流排分配的方法,可保證當不同的站申請匯流排存取時,明確地進行匯流排分配。這種位仲裁的方法可以解決當兩個站同時發送資料時產生的碰撞問題。不同於Ethernet網路的訊息仲裁,CAN的非破壞性解決匯流排存取衝突的方法,確保在不傳送有用訊息時匯流排不被佔用。甚至當匯流排在重負載情況下,以訊息內容為優先的匯流排存取也被證明是一種有效系統。雖然匯流排的傳輸能力不足,所有未解決的傳輸請求都按重要性順序來處理。在CSMA/CD這樣的網路中,如Ethernet,系統往往由於過載而崩潰,而這種情況在CAN中不會發生。

3.3 CAN的報文格式 在匯流排中傳送的報文,每幀由7部分組成,見圖3。CAN協議支援兩種報文格式,其唯一的不同是標識符(ID)長度不同,標準格式為11位,擴充格式為29位。  在標準格式中,報文的起始位稱為幀起始(SOF),然後是由11位標識符和遠程發送請求位 (RTR)組成的仲裁場。RTR位標明是資料幀還是請求幀,在請求幀中沒有資料位元組。  控制場包括標識符擴充位(IDE),指出是標準格式還是擴充格式。它還包括一個保留位 (ro),為將來擴充使用。它的最後四個位元組用來指明資料場中資料的長度(DLC)。資料場範圍為0～8個位元組,其後有一個檢測資料錯誤的迴圈冗餘檢查(CRC)。  應答場(ACK)包括應答位和應答分隔字元。發送站發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送主控電平(邏輯0)覆蓋它。用這種方法,發送站可以保證網路中至少有一個站能正確接收到報文。  報文的尾部由幀結束標出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位,如果這時沒有站進行匯流排存取,匯流排將處於空閑狀態。

3.4 資料錯誤偵測 不同於其它匯流排,CAN協議不能使用應答資訊。事實上,它可以將發生的任何錯誤用訊號發出。CAN協議可使用五種檢查錯誤的方法,其中前三種為基於報文內容檢查。  3.4.1 迴圈冗餘檢查(CRC)  在一幀報文中加入冗餘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,用於檢查格式上的錯誤。  3.4.3.應答錯誤  如前所述,被接收到的幀由接收站通過明確的應答來確認。如果發送站未收到應答,那麼表明接收站發現幀中有錯誤,也就是說,ACK場已損壞或網路中的報文無站接收。CAN協議也可通過位檢查的方法探測錯誤。  3.4.4 匯流排檢測  有時,CAN中的一個節點可監測自己發出的訊號。因此,發送報文的站可以觀測匯流排電平並探測發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錶示,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,同步沿用位填充產生。在五個生。在五個連續相等位後,發送站自動插入一個與之互補的補碼位;接收時,這個填充位被自動丟掉。例如,五個連續的低電平位後,CAN自動插入一個高電平位。CAN通過這種編碼規則檢查錯誤,如果在一幀報文中有6個相同位,CAN就知道發生了錯誤。  如果至少有一個站通過以上方法探測到 一個或多個錯誤,它將發送出錯標誌終止當前的發送。這可以阻止其它站接收錯誤的報文,並保證網路上報文的一致性。當大量發送資料被終止後,發送站會自動地重新發送資料。作為規則,在探測到錯誤後23個位周期內重新開始發送。在特殊場合,系統的恢復為31個位周期。  但這種方法存在一個問題,即一個發生錯誤的站將導致所有資料被終止,其中也包括正確的資料。因此,如果不採取自監測措施,匯流排系統應採用模組化設計。為此,CAN協議提供一種將偶然錯誤從永久錯誤和局部站失敗中區別出來的辦法。這種方法可以通過對出錯站統計評估來確定一個站本身的錯誤並進入一種不會對其它站產生不良影響的運行方法來實現,即站可以通過關閉自己來阻止正常資料因被錯誤地當成不正確的資料而被終止。 3.4.6 CAN可靠性 為防止汽車在使用壽命期內由於資料交換錯誤而對司機造成危險,汽車的安全系統要求資料轉送具有較高的安全性。如果資料轉送的可靠性足夠高,或者殘留下來的資料錯誤足夠低的話,這一目標不難實現。從匯流排系統資料的角度看,可靠性可以理解為,對傳輸過程產生的資料錯誤的識別能力。  殘餘資料錯誤的機率可以通過對資料轉送可靠性的統計測量獲得。它描述了傳送資料被破壞和這種破壞不能被探測出來的機率。殘餘資料錯誤機率必須非常小,使其在系統整個壽命周期內,按平均統計時幾乎檢測不到。計算殘餘錯誤機率要求能夠對資料錯誤進行分類 ,並且資料轉送路徑可由一模型描述。如果要確定CAN的殘餘錯誤機率,我們可將殘留錯誤的機率作為具有80～90位的報文傳送時位錯誤機率的函數,並假定這個系統中有5～10個站,並且錯誤率為1/1000,那麼最大位錯誤機率為10—13數量級。例如,CAN網路的資料轉送率最大為1Mbps,如果資料轉送能力僅使用50%,那麼對於一個工作壽命4000小時、平均報文長度為 80位的系統,所傳送的資料總量為9×1010。在系統運行壽命期內,不可檢測的傳輸錯誤的統計平均小於10—2量級。換句話說,一個系統按每年365天,每天工作8小時,每秒錯誤率為0. 7計算,那麼按統計平均,每1000年才會發生一個不可檢測的錯誤。 4.應用舉例 某醫院現有5台16T/H德國菲斯曼燃氣鍋爐，向洗衣房、製劑室、供應室、生活用水、暖氣等設施提供5kg/cm2的蒸汽，全年耗用天然氣1200萬m3,耗用20萬噸自來水。醫院採用接力式方式供熱，對熱網進行地區性管理，分四大供熱區。其中冬季暖氣的用氣量很大，據此設計了基於CAN現場匯流排的分布式鍋爐蒸汽熱網智能監控系統。現場應用表明：該樓宇自動化系統具有抗幹擾能力強，現場組態容易，網路化程度高，人機介面友好等特點。