CAN總線技術(shù)劉元盛無人駕駛汽車的總線通信方式

●CAN總線作為汽車中最常用的總線類型其特點是什么？●CAN總線的技術(shù)局限有哪些，在智能車中是否還在用？●未來智能汽車中僅僅使用CAN總線通信是否足夠？先提幾個大家感興趣的問題：CAN總線概述

CAN（ControllerAreaNetwork）即控制器局域網(wǎng)，可以歸屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇，通常稱為CANbus，即CAN總線，是目前國際上應(yīng)用最廣泛的開放式現(xiàn)場總線之一。CAN最初出現(xiàn)在汽車工業(yè)中，80年代由德國BOSCH公司最先提出。最初動機是為了解決現(xiàn)代汽車中龐大的電子控制裝置之間的通訊，減少不斷增加的信號線。

與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，它在汽車領(lǐng)域上的應(yīng)用最為廣泛，世界上一些著名的汽車制造廠商，都采用了CAN總線來實現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。CAN總線發(fā)展

20世紀(jì)80年代，Bosch的工程人員開始研究用于汽車的串行總線系統(tǒng)，因為當(dāng)時還沒有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能完全滿足汽車工程的要求。參加研究的還有Mercedes-Benz公司、Intel公司，還有德國兩所大學(xué)的教授。1986年，Bosch在SAE（汽車工程人員協(xié)會）大會上提出了CAN1987年，INTEL就推出了第一片CAN控制芯片—82526；隨后Philips半導(dǎo)體推出了82C200。1993年，CAN的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898公布從此CAN協(xié)議被廣泛的用于各類自動化控制領(lǐng)域。1992年，CIA（CANinAutomation）用戶組織成立，之后制定了第一個CAN應(yīng)用層“CAL”。1994年開始有了國際CAN學(xué)術(shù)年會（ICC）。1994年美國汽車工程師協(xié)會以CAN為基礎(chǔ)制定了SAEJ1939標(biāo)準(zhǔn)，

用于卡車和巴士控制和通信網(wǎng)絡(luò)。1993年CAN成為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898(高速應(yīng)用)和ISO11519（低速應(yīng)用）。CAN的規(guī)范從CAN1.2規(guī)范(標(biāo)準(zhǔn)格式)發(fā)展為兼容CAN1.2規(guī)范的CAN2.0規(guī)范(CAN2.0A為標(biāo)準(zhǔn)格式，CAN2.0B為擴展格式)

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CAN總線概述

依據(jù)OSI模型的CAN的分層結(jié)構(gòu)

CAN總線標(biāo)準(zhǔn)包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，其中鏈路層定義了不同的信息類型、總線訪問的仲裁規(guī)則及故障檢測與故障處理的方式。

CAN總線概述

有專門的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898。任一節(jié)點可在任一時刻主動發(fā)送。報文以標(biāo)識符分為不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時性要求。非破壞性總線仲裁技術(shù)，大大節(jié)省了總線沖突的仲裁時間。通過對報文濾波可實現(xiàn)點對點、一點對多點和全局廣播等多種傳送方式。速率最高可達1Mbps，最遠(yuǎn)可達10km節(jié)點數(shù)可達110個，標(biāo)識符幾乎不受限制CAN總線概述

短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低，適于工業(yè)環(huán)境；每幀信息都采用CRC校驗及其他檢錯措施，數(shù)據(jù)出錯率極低；通信介質(zhì)選擇靈活（雙絞線、同軸電纜或光纖）；錯誤嚴(yán)重情況下自動關(guān)閉輸出，保證不影響總線上其他節(jié)點通信；性價比高，器件容易購置，節(jié)點價格低；開發(fā)技術(shù)容易掌握，能充分利用現(xiàn)有的單片機開發(fā)工具。總線物理層特點-編碼方式

不歸零編碼（NRZ)-奔馳、大眾、戴姆勒克萊斯曼切斯特編碼（Manchester）-雷諾、標(biāo)致、雪鐵龍公司脈寬調(diào)制編碼（PWM)-福特馬自達公司采用可變脈寬調(diào)制編碼（VPWM)CAN總線特點

CAN總線上用顯性(Dominant)和隱性(Recessive)表示0和1。當(dāng)在總線上出現(xiàn)同時發(fā)送顯性位和隱性位時，總線上數(shù)值將出現(xiàn)顯性?？偩€上的信號使用差分電壓傳送，兩條信號線被稱為CAN_H和CAN_L。時間t在高速CAN中，差分電壓為0伏時是隱性位差分電壓為2伏時是顯性位信號線CAN_H的電壓比CAN_L的電壓高嗎！CAN總線的介質(zhì)訪問控制方式報文以標(biāo)識符分為不同的優(yōu)先級，采用非破壞性總線仲裁技術(shù)CSMA/CR(載波監(jiān)聽多路訪問/沖突解決)可從根本上避免沖突載波監(jiān)聽+仲裁機制（若存在沖突可能，并有仲裁機制決定優(yōu)先級別高的發(fā)送）汽車網(wǎng)絡(luò)中，大多數(shù)據(jù)總線是以該訪問機制為基礎(chǔ)CAN總線的介質(zhì)訪問控制方式

顯性隱性失去仲裁節(jié)點1節(jié)點2線上可見CAN總線概述

報文(Messages)

在總線上傳輸?shù)男畔?。信息路?InformationRouting)

CAN不對通信單元分配地址，報文的尋址內(nèi)容由報文的標(biāo)識符指定。所有CAN節(jié)點通過報文濾波來判斷是否接收報文。

優(yōu)先權(quán)(Priorities)

在CAN總線上發(fā)送的每一個報文都具有唯一的一個11位或29位的標(biāo)識符，標(biāo)識符越小，則報文優(yōu)先權(quán)越高，因此一個為全0標(biāo)識符的報文具有最高級優(yōu)先權(quán)。標(biāo)準(zhǔn)幀

11位標(biāo)識符擴展幀

29位標(biāo)識符幀類型數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯誤幀和過載幀CAN總線概述

由7個不同的場組成。數(shù)據(jù)場長度可為0CAN2.0B存在標(biāo)準(zhǔn)和擴展兩種幀格式為了設(shè)計簡單，可以對標(biāo)準(zhǔn)格式執(zhí)行部分?jǐn)U展，不一定要完全擴展可以用整個標(biāo)識符進行報文濾波，也可以把標(biāo)識符屏蔽一部分進行報文濾波仲裁場控制場數(shù)據(jù)場CRC場幀間空間幀結(jié)束幀起始ACK場幀間空間數(shù)據(jù)幀CAN總線概述

標(biāo)準(zhǔn)幀擴展幀CAN總線概述

優(yōu)點在網(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。CAN總線概述

缺點由于CAN總線采用的是固定優(yōu)先級，當(dāng)所有的節(jié)點都隨機的向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，具有低優(yōu)先級的節(jié)點是比