摘要 介紹了CAN總線的發展歷史，并對CAN總線的特點及主要技術指標進行了敘述，最后給出了CAN總線在高速列車上的應用實例。 關鍵詞 CAN總線控制器 局域網絡 工業控制系統 高速列車 1 引言 CAN（Controller Area Network）即控制器局域網絡，是一種全數字化、多主和雙向的現場總線。CAN總線是BOSCH公司為現代汽車應用領先推出的一種多主機局部網，由于其卓越性能現已廣泛應用于工業自動化、多種控制設備、交通工具、醫療儀器以及建筑、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。 隨著計算機硬件、軟件技術及集成電路技術的迅速發展，工業控制系統已成為計算機技術應用領域中最具活力的一個分支，并取得了巨大進步。由于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—負載分散、功能分散、危險分散和地域分散。分散式工業控制系統就是為適應這種需要而發展起來的。分散式工業控制系統是以微型機為核心，將5C技術一一COMPUTER（計算機技術）、CON—TROL（自動控制技術）、COMMUNICATION（通信技術）、CRT（顯示技術）和CHANGE（轉換技術）緊密結合的產物。它在適應范圍、可擴展性、可維護性以及抗故障能力等方面，較之分散型儀表控制系統和集中型計算機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設備、接口與計算設備以及通信設備組成。現場總線（Fieldbus）能同時滿足過程控制和制造業自動化的需要，因而現場總線已成為工業數據總線領域中最為活躍的一個領域。現場總線的研究與應用已成為工業數據總線領域的熱點。盡管目前對現場總線的研究尚未能提出一個完善的標準，但現場總線的高性能價格比將吸引眾多工業控制系統采用。同時，正由于現場總線的標準尚未統一，也使得現場總線的應用得以不拘一格地發揮，并將為現場總線的完善提供更加豐富的依據。控制器局部網CAN正是在這種背景下應運而生的。 由于CAN為愈來愈多不同領域采用和推廣，導致要求各種應用領域通信報文的標準化。為此，1991年9月PHILIPS SEMICON—DUCTORS制訂并發布了CAN技術規范（VERSION 2．0）。該技術規范包括A和B兩部分。2．0A給出了曾在CAN技術規范版本1．2中定義的CAN報文格式，而2．0B給出了標準的和擴展的兩種報文格式。此后，1993年11月ISO正式頒布了道路交通運載工具——數字信息交換一一高速通信控制器局部網（CAN）國際標準（ISO11898），為控制器局部網標準化、規范化推廣鋪平了道路。 2 CAN總線特點 CAN總線是德國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問的數據交換而開發的一種串行數據通信協議，它是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率可達lMbps。CAN總線通信接口中集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環冗余檢驗、優先級判別等項工作。 CAN協議的一個最大特點是廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進行編碼。采用這種方法的優點可使網絡內的節點個數在理論上不受限制，數據塊的標識碼可由ll位或29位二進制數組成，因此可以定義2ll或229個不同的數據塊，這種按數據塊編碼的方式，還可使不同的節點同時接收到相同的數據，這一點在分布式控制系統中非常有用。數據段長度最多為8個字節，可滿足通常工業領域中控制命令、工作狀態及測試數據的一般要求。同時，8個字節不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協議采用 CRC （CRC——Cyclic RedundancyCheck）檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。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設備的互連，因此，越來越受到工業界的重視，并已公認為最有前途的現場總線之一。 另外，CAN總線采用了多主競爭式總線結構，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。CAN總線上任意節點可在任意時刻主動地向網絡上其它節點發送信息而不分主次，因此可在各節點之間實現自由通信。CAN總線協議已被國際標準化組織認證，技術比較成熟，控制的芯片已經商品化，性價比高，特別適用于分布式測控系統之間的數通訊。CAN總線插卡可以任意插在PC ATXT兼容機上，方便地構成分布式監控系統。 3 CAN總線技術 3．1 位仲裁 要對數據進行實時處理，就必須將數據快速傳送，這就要求數據的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個站同時需要發送數據時，要求快速地進行總線分配。實時處理通過網絡交換的緊急數據有較大的不同。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數據并要求更短的延時。 CAN總線以報文為單位進行數據傳送，報文的優先級結合在ll位標識符中，具有最低二進制數的標識符有最高的優先級。這種優先級一旦在系統設計時被確立后就不能再被更改。總線讀取中的沖突可通過位仲裁解決。例如，當幾個站同時發送報文時，站l的報文標識符為0111111；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0l，直到第3位進行比較時，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，總線中的信號持續跟蹤最后獲得總線讀取權的站的報文。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于，在網絡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絡上傳送了。所有未獲得總線讀取權的站都成為具有最高優先權報文的接收站，并且不會在總線再次空閑前發送報文。 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，這些請求是根據報文在整個系統中的重要性按順序處理的。這種方法在網絡負載較重時有很多優點，因為總線讀取的優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中較低的個體隱伏時問。 對于主站的可靠性，由于CAN協議執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，在系統中分幾次完成。這是實現有較高可靠性的通信系統的唯一方法。 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，不管每個節點是否申請總線，都對每個節點按最大期間分配。由此，總線可被分配給每個站并且是唯一的站，而不論其是立即進行總線存取或在一特定時間進行總線存取，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，總線按傳送數據的基本要求分配給一個站，總線系統按站希望的傳送分配（如：Ethemet CSMA／CD）。因此，當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實現總線分配的方法，可保證當不同的站申請總線存取時，明確地進行總線分配。這種位仲裁的方法可以解決當兩個站同時發送數據時產生的碰撞問題。不同于Eth—emet網絡的消息仲裁，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。甚至當總線在重負載情況下，以消息內容為優先的總線存取也被證明是一種有效的系統。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這樣的網絡中，如Ethemet，系統往往由于過載而崩潰，而這種情況在CAN中不會發生。 3．3 CAN的報文格式 在總線中傳送的報文，每個數據幀（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、數據場—Data Field、循環冗余碼校驗場CRC—Cyclic Redundan—cy Check、應答場（ACK— ACKnowledge—ment）、幀結束—End of Frame組成。CAN協議支持2種不同的報文格式，其唯一的不同是標識符（ID——IDentifier）長度不同：標準格式為11位，擴展格式為29位。 在標準格式中，報文的起始位稱為幀起始SOF，它標志數據幀和遠程幀的起始，僅由一個顯性位組成，只在總線空閑時才允許站點開始發送信號，所有的站必須同步于首先開始發送報文的站的幀起始前沿。然后是由1l位標識符和遠程發送請求位（RTR——Remote Transmission Request）組成的仲裁場。RTR位標明是數據幀還是請求幀，在請求幀中沒有數據字節。 控制場包括標識符擴展位（IDE——IDen—tifier Extension），指出是標準格式還是擴展格式。它由6位組成，前面2位為兩個保留位，為將來擴展使用；最后4位用來指明數據場中數據的長度（DLC——Data Length Code）。數據場范圍為0—8個字節，每個字節包括8位。循環冗余碼校驗場包括CRC序列（CRCSequence），后隨CRC界定符（CRC dehmiter）。應答場為2位，包括應答間隙和應答分隔符。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，發送站可以保證網絡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總線存取，總線將處于空閑狀態。 3．4 數據錯誤檢測 不同于其它總線，CAN協議不能使用應答信息。事實上，它可以將發生的任何錯誤用信號發出。CAN協議可使用五種檢查錯誤的方法，其中前三種為基于報文內容檢查。 3．4．1 循環冗余檢查（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，那么表明接收站發現幀中有錯誤，也就是說，ACK場已損壞或網絡中的報文無站接收。CAN協議也可通過位檢查的方法探測錯誤。 3．4．4 總線檢測 有時，CAN中的一個節點可監測自己發出的信號。因此，發送報文的站可以觀測總線電平并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，同步沿用位填充產生。在五個連續相等位后，發送站自動插人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后，CAN自動插人一個高電平位。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，它將發送出錯標志終止當前的發送。這可以阻止其它站接收錯誤的報文，并保證網絡上報文的一致性。當大量發送數據被終止后，發送站會自動地重新發送數據。作為規則，在探測到錯誤后23個位周期內重新開始發送。在特殊場合，系統的恢復時間為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數據被終止，其中也包括正確的數據。因此，如果不采取自監測措施，總線系統應采用模塊化設計。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方法。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并進人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數據因被錯誤地當成不正確的數據而被終止。 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由于數據交換錯誤而造成不必要的后果，要求數據傳輸具有較高的安全性。如果數據傳輸的可靠性足夠高，或者殘留下來的數據錯誤足夠低的話，這一目標不難實現。從總線系統數據的角度看，可靠性可以理解為，對傳輸過程產生的數據錯誤的識別能力。 殘余數據錯誤的概率可以通過對數據傳輸可靠性的統計測量獲得。它描述了傳送數據被破壞和這種破壞不能被探測出來的概率。殘余數據錯誤概率必須非常小，使其在系統整個壽命周期內，按平均統計時幾乎檢測不到。計算殘余錯誤概率要求能夠對數據錯誤進行分類，并且數據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，并假定這個系統中有5～10個站，并且錯誤率為1／1000，那么最大位錯誤概率為1O～13數量級。例如，CAN網絡的數據傳輸率最大為1Mbps，如果數據傳輸能力僅使用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，所傳送的數據總量為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于1O～2數量級。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，那么按統計平均，每1000年才會發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而設計的，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議是至關重要的。在發布了2．0B版的CAN總線技術規范后，其最大的通訊速率已經比1．2版提高了8倍，達lM位／秒，在這種速率下，即便是對時間要求非常關鍵的參數也可以通過CAN總線傳輸而不必擔心其時延。另外，CAN總線協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總線上的個節點具有檢測多種通訊差錯信息的能力并采取相關的應對措施：錯誤可通過”CRC出錯”檢測到；普通接收錯誤可通過”應答出錯”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總線上的節點都有一個出錯計數器用以記錄各種錯誤發生的次數。取決于出錯的嚴重性，通過這些計數器就可以確認這些節點是否應工作到降級模式；總線上的節點可以從正常工作模式（正常收發數據和出錯信息）降級到消極工作模式（只有在總線空閑時才能取得控制權），或者到關斷模式（和總線隔離）。CAN總線上各節點還有能力監測是短期的干擾還是永久性的故障，并采取相關的應對措施，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，故障節點將會被及時關斷，不會永久占用總線。這一點對關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用 某型高速列車上診斷系統將CAN作為各個電子控制器聯網的手段，為了提高系統的可靠性，每節車輛共有4條CAN總線，左右側各兩條，每條CAN總線的最大長度為80m，CAN總線的數據傳輸速率最小為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。 在車載診斷系統中，車輛上各個設備通過CAN總線連接起來。各個車輛上有一個車輛診斷計算機，該計算機上有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的信號采集裝置采集部件中的狀態信號，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。其結構如圖1所示。 [align=center] 圖1 車載診斷系統CAN總線示意圖[/align] 參考文獻 [1]馮軍．一種新型總線系統CAN [2]鄔寬明．CAN總線原理和應用系統設計．北京航空航天大學出版社，1996 [3]饒運濤，皺繼軍，鄭勇蕓．現場總線CAN原理與應用技術．北京航空航天大學出版社，2003。