CAN總線原理

控制器局域網總線（CAN，Controller Area Network）是一種用于實時應用的串行通訊協議總線，它可以使用雙絞線來傳輸信號，是世界上應用最廣泛的現場總線之一。CAN協議由德國的Robert Bosch公司開發，用于汽車中各種不同元件之間的通信，以此取代昂貴而笨重的配電線束。該協議的健壯性使其用途延伸到其他自動化和工業應用。CAN協議的特性包括完整性的串行數據通訊、提供實時支持、傳輸速率高達1Mb/s、同時具有11位的尋址以及檢錯能力。
CAN總線是一種多主方式的串行通訊總線，基本設計規范要求有高的位速率，高抗電子干擾性，并且能夠檢測出產生的任何錯誤。CAN總線可以應用于汽車電控制系統、電梯控制系統、安全監測系統、醫療儀器、紡織機械、船舶運輸等領域。

CAN總線的特點
1、具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優點；
2、采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環境中工作；
3、具有優先權和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN 控制器掛到CAN-bus 上，形成多主機局部網絡；
4、可根據報文的ID決定接收或屏蔽該報文；
5、可靠的錯誤處理和檢錯機制；
6、發送的信息遭到破壞后，可自動重發；
7、節點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能；
8、報文不包含源地址或目標地址，僅用標志符來指示功能信息、優先級信息。

CAN總線的工作原理
CAN總線使用串行數據傳輸方式，可以1Mb/s的速率在40m的雙絞線上運行，也可以使用光纜連接，而且在這種總線上總線協議支持多主控制器。CAN與I2C總線的許多細節很類似，但也有一些明顯的區別。
當CAN總線上的一個節點(站)發送數據時，它以報文形式廣播給網絡中所有節點。對每個節點來說，無論數據是否是發給自己的，都對其進行接收。每組報文開頭的11位字符為標識符，定義了報文的優先級，這種報文格式稱為面向內容的編址方案。在同一系統中標識符是唯一的，不可能有兩個站發送具有相同標識符的報文。當幾個站同時競爭總線讀取時，這種配置十分重要。
當一個站要向其它站發送數據時，該站的CPU將要發送的數據和自己的標識符傳送給本站的CAN芯片，并處于準備狀態；當它收到總線分配時，轉為發送報文狀態。CAN芯片將數據根據協議組織成一定的報文格式發出，這時網上的其它站處于接收狀態。每個處于接收狀態的站對接收到的報文進行檢測，判斷這些報文是否是發給自己的，以確定是否接收它。
由于CAN總線是一種面向內容的編址方案，因此很容易建立高水準的控制系統并靈活地進行配置。我們可以很容易地在CAN總線中加進一些新站而無需在硬件或軟件上進行修改。當所提供的新站是純數據接收設備時，數據傳輸協議不要求獨立的部分有物理目的地址。它允許分布過程同步化，即總線上控制器需要測量數據時，可由網上獲得，而無須每個控制器都有自己獨立的傳感器。

CAN總線的應用
CAN總線在組網和通信功能上的優點以及其高性價比據定了它在許多領域有廣闊的應用前景和發展潛力。這些應用有些共同之處：CAN實際就是在現場起一個總線拓撲的計算機局域網的作用。不管在什么場合，它負擔的是任一節點之間的實時通信，但是它具備結構簡單、高速、抗干擾、可靠、價位低等優勢。CAN總線最初是為汽車的電子控制系統而設計的，目前在歐洲生產的汽車中CAN的應用已非常普遍，不僅如此，這項技術已推廣到火車、輪船等交通工具中。

1、汽車制造中的應用
應用CAN總線，可以減少車身布線，進一步節省了成本，由于采用總線技術，模塊之間的信號傳遞僅需要兩條信號線。布線局部化，車上除掉總線外其他所有橫貫車身的線都不再需要了，節省了布線成本。CAN總線系統數據穩定可靠，CAN總線具有線間干擾小、抗干擾能力強的特點。CAN總線專為汽車量身定做，充分考慮到了汽車上惡劣工作環境，比如點火線圈點火時產生的強大的反充電壓，電渦流緩沖器切斷時產生的浪涌電流及汽車發動機倉100℃左右的高溫。

隨著安全性能日益受到重視,安全氣囊也將逐漸增多,以前是在駕駛員前面安裝一個,今后側面與后座都會安裝安全氣囊,這些氣囊通過傳感器感受碰撞信號,通過CAN總線將傳感器信號傳送到一個中央處理器內,控制各安全氣囊的啟動彈出動作。同時,先進的防盜設計也正基于CAN總線網絡技術。首先,確認鑰匙合法性的校驗信息通過CAN網絡進行傳遞,改進了加密算法,其校驗的信息比以往的防盜系統更豐富;其次,車鑰匙、防盜控制器和發動機控制器相互儲存對方信息,而且在校驗碼中攙雜隨機碼,無法進行破譯,從而提高防盜系統的安全性。而這些功能的實現無一不借助CAN總線來完成,CAN總線成為汽車智能化控制的“定海神針”。
在現代轎車的設計中,CAN已經成為必須采用的裝置。奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃、雷諾等汽車都采用了CAN作為控制器聯網的手段。據報道,中國首輛CAN網絡系統混合動力轎車已在奇瑞公司試裝成功,并進行了初步試運行。在上海大眾的帕薩特和POLO汽車上也開始引入了CAN總線技術。但總的來說,目前CAN總線技術在我國汽車工業中的應用尚處于試驗和起步階段,絕大部分的汽車還沒有采用汽車總線設計。國內在技術、設計和應用上進行網絡總線的“深造”勢在必行。

2、大型儀器設備中的應用
大型儀器設備是一種參照一定步驟對多種信息采集、處理、控制、輸出等操作的復雜系統。過去這類儀器設備的電子系統往往是在結構和成本方面占據相當大的部分，而且可靠性不高。采用CAN總線技術后，在這方面有了明顯改觀。

以醫療設備為例，病理分布式監控系統分別由中央控制式的中央監控單元和現場采集單元。 現場采集單元對醫院各室診斷測量儀器進行數據、圖像的實時采集，同時完成數據統計、存貯； 中央監控單元可以定期或不定期地從現場采集單元獲取數據并完成圖像監測、數據統計、報表、打印及數據庫管理。中央監控單元和現場采集單元之間通過CAN總線連接在一起，在這個網絡中，中央監控單元處于主控位置，而現場采集單元可以隨時響應中央監控單元的命令。其現場采集單元由單片機8C552及采集、存儲、顯示、遙控和通信模塊組成,每個現場采集單元可與10個測量儀器相接。
Can總線是針對測控領域設計的，所以一次傳輸的報文量很小，一次報文量最大能夠承載的數據上限為8字節，這種小數據量的傳輸一方面能夠使得低優先級事務的傳輸，另一方面也非常符合測控需求。針對can總線技術的諸多優點，非常適合應用于大型儀器系統模塊化之間的互相通信，采用模塊化組網的方式構建大型儀器系統。

3、工業控制中的應用
隨著計算機技術、通信技術和控制技術的發展,傳統的工業控制領域正經歷著一場前所未有的變革,而工業控制的網絡化,更拓展了工業控制領域的發展空間,帶來新的發展機遇。在廣泛的工業領域，CAN總線可作為現場設備級的通信總線，而且與其他的總線相比，具有很高的可靠性和性能價格比。這將是CAN技術開發應用的一個主要的方向。

例如，瑞士一家公司開發的軸控制系統ACS-E就帶有CAN接口。該系統可作為工業控制網絡中的一個從站，用于控制機床、機器人等。一方面通過CAN總線上上位機通信，另一方面可通過CAN總線對數字式伺服電機進行控制。通過CAN總線最多可連接6臺數字式伺服電機。
目前CAN總線技術在工程機械上的應用越來越普遍。國際上一些著名的工程機械大公司如CAT、VOLVO、利勃、海爾等都在自己的產品上廣泛采用CAN總線技術，大大提高了整機的可靠性、可檢測和可維修性，同時提高了智能化水平。而在國內，CAN總線控制系統也開始在工程汽車的控制系統中廣泛應用，在工程機械行業中也正在逐步推廣應用。

4、智能家庭和生活小區管理中的應用
小區智能化是一個綜合性系統工程，要從其功能、性能、成本、擴充能力及現代相關技術的應用等多方面來考慮?；谶@樣的需求，采用CAN技術所設計的家庭智能管理系統比較適合用于多表遠傳、防盜、防火、防可燃氣體泄漏、緊急救援、家電控制等方面。

CAN總線是小區管理系統的一部分，負責將家庭中的一些數據和信號收集起來，并送到小區管理中心處理，CAN總線上的節點是每戶的家庭控制器、小區的三表抄收系統和報警監測系統，每戶的家庭控制系統可通過總線發送報警信號，定期向自動抄表系統發送三表數據，并接收小區管理系統的通告信息，如欠費通知、火警警報等。
該系統充分利用CAN技術的特點和優勢，構成住宅小區智能化檢測系統，系統集多表集抄、防盜報警、水電控制、緊急求助、煤氣泄漏報警、火災報警和供電監控子系統等功能，并提供遠程通訊服務。

5、機器人網絡互聯中的應用
制造車間底層設備自動化，近幾年仍是我國開展新技術研究和新技術應用工程及產品開發的主要領域，其市場需求不斷增大且越發活躍，競爭也日益激烈。伴隨著工業機器人的產業化，目前機器人系統的應用大多要求采用機器人生產方式，這就要求多臺機器人能通過網絡進行互聯。隨之而來的是，在實際生產過程中，這種連網的多機器人系統的調度、維護工作也變得尤為重要。制造車間底層電氣裝置聯網是近幾年內技術發展的重點。其電器裝置包括有：運動控制器、基于微處理器的傳感器、專用設備控制器等底層設備；在這些裝置所構成的網絡上另有車間級管理機、監控機或生產單元控制器等非底層裝置。結合實際情況和要求，將機器人控制器視為運動控制器。

把CAN總線技術充分應用于現有的控制器當中，將可開發出高性能的多機器人生產線系統。利用現有的控制技術，結合CAN技術和通信技術，通過對現有的機器人控制器進行硬件改進和軟件開發，并相應地開發出上位機監控軟件，從而實現多臺機器人的網絡互聯。最終實現基于CAN網絡的機器人生產線集成系統。這樣做的好處很多，例如實現單根電纜串接全部設備，節省安裝維護開銷；提高實時性，信息可共享；提高多控制器系統的檢測、診斷和控制性能；通過離線的任務調度、作業的下載以及錯誤監控等技術，把一部分人從機器人工作的現場徹底脫離出來。

CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。由于其良好的性能及獨特的設計,CAN總線越來越受到人們的重視，它在汽車領域上的應用是最廣泛的。世界上一些著名的汽車制造廠商大都采用了CAN總線來實現汽車內部控制系統與各檢測和執行機構間的數據通信。同時,由于CAN總線本身的特點,其應用范圍目前已不再局限于汽車行業,而向自動控制、航空航天、航海、過程工業、機械工業、紡織機械、農用機械、機器人、數控機床、醫療器械及傳感器等領域發展。CAN已經形成國際標準,并已被公認為幾種最有前途的現場總線之一。