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由于汽車產(chǎn)業(yè)不斷追求安全可靠、極致性能、舒適方便以及低成本等目標(biāo)，但汽車內(nèi)高復(fù)雜的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，使得線束過于龐大，導(dǎo)致成本提高且網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也難以持續(xù)提升，與前者形成沖突。 于是德國Bosch在1985年提出CAN BUS(Controller Area Network)，不但解決了車內(nèi)線束持續(xù)增加的問題，還為日后可靠且有效率的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)墊定了基礎(chǔ)。1993年，CAN BUS更制定為標(biāo)準(zhǔn)化(ISO-11898)，由于具有高可靠性和錯誤檢測能力，也被廣泛應(yīng)用在船舶、航空電子、大眾交通、農(nóng)用設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)控制中。 CAN BUS的架構(gòu)與特色 CAN BUS是一種串行雙線式差分傳輸?shù)募夹g(shù)規(guī)格(見圖1)，MCU負(fù)責(zé)運算數(shù)據(jù)，CAN Controller處理運算后的數(shù)據(jù)并傳送“0”或“1”數(shù)據(jù)，經(jīng)過 CAN Transceiver的轉(zhuǎn)換由CAN High和CAN Low產(chǎn)生差分信號(見圖2)。其中，CAN High電壓減CAN Low電壓小于0.5V代表邏輯狀態(tài)為“1”，而CAN High電壓減 CAN Low電壓大于0.9V代表邏輯狀態(tài)為“0”，所以圖2中傳送位串為101。藉由差分的方式可以避免噪聲的產(chǎn)生，而終端電阻120Ω則是防止信息傳送后反射造成的干擾。 CAN BUS上最小單位為節(jié)點(Node)，每個節(jié)點都可以主動發(fā)送信息到總線上，也可以要求特定節(jié)點回傳信息，并不限定于只有一個主控端。每個信息(Message)都是以識別子字段(ID Field )為起頭，以識別值決定發(fā)送信息的優(yōu)先權(quán)，數(shù)值越小優(yōu)先權(quán)越高。所以信息的傳遞并不是定義在節(jié)點上，而是定義在信息上。由于是串接的架構(gòu)加上識別子(ID)的判定機制，所以軟硬件不需要做修正就能夠輕易增加或移除節(jié)點，不但降低了布線成本也降低了維護(hù)的復(fù)雜度，這種多主控端架構(gòu)成就更完整的智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。 信息傳遞可透過節(jié)點上的設(shè)定，使信息可以被每個節(jié)點接收至緩沖器內(nèi)，也可以選擇對該信息置之不理。CAN BUS也支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求，當(dāng)該信息識別值符合節(jié)點內(nèi)部的識別值，且該信息是遠(yuǎn)程信息(Remote Message)時，指定的節(jié)點會將相符的數(shù)據(jù)傳送出去。用戶便可利用這功能，來進(jìn)行節(jié)點與節(jié)點間的溝通。 在CAN BUS上，傳輸速度最快可達(dá)1Mbps，用戶可藉由修改位時序設(shè)定來修改傳輸速度，而傳輸距離隨通信速度增加而遞減，例如當(dāng)通信速度40Kbps時，通信距離可達(dá)1km;當(dāng)通信速度1Mbps時，通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)40m，據(jù)此用戶可依照本身的應(yīng)用做調(diào)配。 強大的容錯能力 CAN BUS協(xié)議具有相當(dāng)可靠的錯誤處理和檢錯機制，這些都是屬于硬件自動偵測反應(yīng)，在此種機制下，網(wǎng)絡(luò)訊息的傳輸不但有效率且使用起來更加方便。 自動重傳 當(dāng)總線上的節(jié)點偵測到錯誤時，硬件會自動重新發(fā)送該訊息到總線上，直到該訊息有任何節(jié)點響應(yīng)ACK (Acknowledged)后，該訊息才會停止發(fā)送。 錯誤偵測 CAN BUS提供了五種錯誤偵測機制，分別為位錯誤(Bit Error)，填充位錯誤(Stuff Error)，循環(huán)冗余代碼校驗(CRC Error)，格式錯誤(Form Error)，響應(yīng)錯誤(Ack Error)，利用這些錯誤偵測機制，使得總線上的傳輸更加穩(wěn)定，而不需用戶介入。 錯誤通知 偵測到錯誤發(fā)生時，節(jié)點會發(fā)送錯誤訊息(Error Message)到總線上，使得總線上的所有節(jié)點都知道此時有錯誤發(fā)生，以便作出相對的反應(yīng)，包括重傳或停止發(fā)送等。 錯誤恢復(fù)與排除 在CAN協(xié)議中規(guī)范了每個節(jié)點都有傳送錯誤記數(shù)器(TEC: Transmit Error Counter)和接收錯誤記數(shù)器(REC: Receive Error Counter)，根據(jù)TEC和REC的值來決定目前節(jié)點為何種狀態(tài)，一旦TEC大于255，硬件會讓該節(jié)點脫機且暫時不接收與發(fā)送訊號到總線上，待特定情況發(fā)生時，用戶才可將該節(jié)點重新初始化，并重新開始監(jiān)控總線上的訊號，如此一來，可避免因各別節(jié)點使總線發(fā)生嚴(yán)重錯誤，影響其他節(jié)點的傳輸。 CAN BUS的應(yīng)用實例 電梯系統(tǒng)(Elevator) 傳統(tǒng)的電梯系統(tǒng)采用繼電器邏輯線路，有著線束過多且維護(hù)不便等問題，改換成以CAN建構(gòu)系統(tǒng)，不僅大幅減少線束，增加系統(tǒng)可靠度，更有著建構(gòu)簡單，便于系統(tǒng)偵錯等優(yōu)點。 橋梁應(yīng)變規(guī)(Strain Gage) 有鑒于天然災(zāi)害頻傳，所以藉由橋梁應(yīng)變規(guī)來監(jiān)控橋梁的健康度，以避免人員及車輛傷亡。但傳統(tǒng)應(yīng)變規(guī)多半置于橋上，需要人員到場而無法遠(yuǎn)程監(jiān)控。利用CAN BUS低速時傳輸距離長的特性，可將規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的橋梁上放置應(yīng)變規(guī)，并連接至CAN BUS以回傳監(jiān)控中心監(jiān)控橋梁情形，大幅減少人力成本。 車用監(jiān)控系統(tǒng)(Recorder with car information) 由于車禍肇事頻傳，使用行車紀(jì)錄器掌握前方路況，作為車禍左證的功能。但監(jiān)視器只能錄取前方路況影像，而無法有效掌控本身行車內(nèi)部的信息，如目前車速，油門狀態(tài)等。運用CAN處理行車信息，再由SPI(Serial Peripheral Interface)、I2C(Inter-Integrated Circuit)等高速接口傳給錄像監(jiān)視器，便可在每段錄像畫面加上目前車內(nèi)信息，成為車禍?zhǔn)露烁欣淖C據(jù)。 車用診斷系統(tǒng)(OBDII) OBDII (On Board Diagnosis - II ) 為一種車輛發(fā)生故障時，產(chǎn)生故障警示訊號，提醒駕駛?cè)诉M(jìn)廠維修的協(xié)議。我們可以使用支持CAN的MCU來實現(xiàn)，利用USB(Universal Serial Bus)裝置和CAN來建構(gòu)診斷系統(tǒng)，可隨時將OBDII connector 接上汽車總線，并將其接收訊息透過USB傳送到計算機，配合計算機端程序來診斷汽車內(nèi)部異常訊號，進(jìn)而加速汽車維修速度。 CAN BUS示范系統(tǒng) 因為CAN BUS具有高擴充性、高可靠度且實時性強和低成本等特性，不僅成為車用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展技術(shù)的核心關(guān)鍵，更在其他產(chǎn)業(yè)發(fā)揮了強大而顯著的技術(shù)能力。為了能更了解CAN BUS整體的運作，在此使用普遍常見的M0 MCU，示范一個以CAN BUS傳遞控制命令與狀態(tài)消息的馬達(dá)控制系統(tǒng)(圖3)，其中NUC140 Tiny Board、Learning Board No.1/No/2和Motor Driving Board分別為CAN總線上不同的節(jié)點，利用計算機USB連接NUC140 Tiny Board，透過NUC140微處理器譯碼轉(zhuǎn)換成CAN的訊息，以實現(xiàn)計算機與CAN BUS的鏈接，而各節(jié)點可發(fā)送與接收系統(tǒng)運作狀態(tài)和控制命令。因此在示范系統(tǒng)中，透過CAN BUS的鏈接與NUC140微處理器的轉(zhuǎn)換，各節(jié)點均可接收到馬達(dá)的實時狀態(tài)消息，并顯示在板子上的LCD屏幕或者計算機上的人機接口。 |
