2.2.2　CAN总线技术

CAN总线是一种能有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，已经成为汽车控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线。

1. CAN总线的基本概念

在汽车行业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低功耗、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统在通信时所用的数据类型，以及对可靠性的要求不尽相同，因此采用了多条总线，线束的数量也很多。为了适应减少线束的数量、通过多个LAN进行大量数据高速通信的需要，德国BOSCH公司开发出面向汽车行业的CAN总线。目前，CAN总线已成为汽车网络的标准协议。

CAN总线的高性能和高可靠性已被认同，被广泛地应用于汽车、工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等领域。

2. CAN总线的优势

CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，基于CAN总线的分布式控制系统具有明显的优越性。

1）节点之间数据通信的实时性强

CAN总线中控制器有多种工作方式，网络中的各节点可根据总线访问优先权（取决于报文标识符），采用无损结构的逐位仲裁方式竞争向总线发送数据。CAN总线协议废除了站地址编码，取而代之的是对通信数据进行编码，不同的节点可同时接收到相同的数据。这使得基于CAN总线构成的分布式控制系统中各节点数据通信的实时性强，并且容易构成冗余结构，提高了系统的可靠性和灵活性。利用RS-485总线只能构成主从式结构的系统，通信方式也只能以轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差。

2）可靠性高、开发周期短

CAN总线通过CAN控制器芯片（如PCA82C250）的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端的状态只能是低电平或悬浮状态。这就保证CAN总线不会出现RS-485总线中的现象，即当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点。CAN总线中的节点在发生严重错误时具有自动关闭输出的功能，使CAN总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会因个别节点出现问题而使得总线处于死锁状态。另外，CAN总线具有完善的通信协议，这些协议可以通过CAN控制器及其接口芯片来实现，从而大大降低系统的开发难度，缩短了开发周期。

3）已成为国际标准

与其他现场总线比较而言，CAN总线具有数据传输速率高、容易实现、性价比高等特点，已成为国际标准。这也是CAN总线应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力的一个重要原因。

4）CAN总线是最有前途的现场总线之一

与一般的通信总线相比，CAN总线具有较高的可靠性、实时性和灵活性。由于CAN总线的良好性能及独特的设计，使其越来越受到人们的重视。CAN总线在汽车行业中的应用是最广泛的，很多汽车厂商都采用CAN总线来实现汽车内部控制系统与各执行机构之间的数据通信。由于CAN总线本身的特点，其应用范围已不再局限于汽车领域，已扩大到了自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域。

3. CAN总线的应用

1）CAN总线在汽车中的应用

在汽车中采用CAN总线后，模块之间的信号传输仅需要两条信号线，可节省布线成本。CAN总线是为汽车量身定做的，充分考虑到了汽车中的恶劣工作环境，如点火线圈点火时产生的强大反充电压、电涡流缓冲器切断时产生的浪涌电流，以及汽车发动机舱100℃左右的高温。

随着汽车安全性能日益受到重视，其安全气囊数量也在逐渐增多，通过CAN总线将传感器信号传输到中央处理器内，即可控制各个安全气囊的弹出动作。另外，先进的防盗设计也采用了CAN总线，在汽车钥匙合法性校验信息中改进了加密算法，钥匙、防盗控制器和发动机控制器相互存储对方的信息，而且在校验码中加入了随机码，无法进行破译，从而提高了防盗系统的安全性，而这些信息的传输均可借助CAN总线来完成。

2）CAN总线在大型仪器设备中的应用

大型仪器设备通常是一种按照一定步骤对多种信息进行采集、处理、控制、输出等操作的复杂系统。在大型仪器设备中，电子系统往往在结构和成本方面占据相当大的部分，而且可靠性不高，采用CAN总线后，在这方面有了明显的改观。

CAN总线是针对测控领域设计的，所以一次传输的报文量很小，一次报文量最大能够承载的数据上限为8 B。这种小数据量的传输，一方面能保证低优先级事务的传输，另一方面也非常符合测控需求。CAN总线非常适合大型仪器设备中模块之间的通信。

3）CAN总线在工业控制中的应用

随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，传统的工业控制领域正经历着一场前所未有的变革，而工业控制的网络化，更拓展了工业控制领域的发展空间，带来新的发展机遇。在工业领域中，CAN总线可作为现场设备级的通信总线，具有很高的可靠性和性价比。

例如，瑞士一家公司开发的轴控制系统ACS-E就采用了CAN总线，一方面可以通过CAN总线与上位机进行通信，另一方面可以通过CAN总线对数字式伺服电机进行控制，通过CAN总线最多可连接6台数字式伺服电机。

目前CAN总线在工程机械上的应用越来越普遍。国际上一些著名的工程机械公司都在自己的产品采用了CAN总线，不仅提高了整机的可靠性、可检测和可维修性，还提高了智能化水平。

4）CAN总线在智能家居中的应用

智能家居是一个综合性的系统工程，要从其功能、性能、成本、扩充能力，以及相关技术的应用等多方面来考虑。基于这样的需求，采用CAN总线设计的智能家居系统可满足多表远传、防盗、防火、可燃气体泄漏检测、紧急救援、家电控制等应用的需求。

5）CAN总线在工业机器人互联中的应用

伴随着工业机器人的普及应用，在制造生产过程中采用了工业机器人，这就要求多台工业机器人能通过网络进行互联，使多机器人系统的调度、维护工作变得尤为重要。制造车间底层电气装置通常包括运动控制器、基于微处理器的传感器、专用设备控制器等，结合实际情况，可将工业机器人控制器视为运动控制器。将CAN总线应用到现有的控制器中，可开发出高性能的多机器人系统。利用现有的控制技术，结合CAN总线和通信技术，通过对现有的工业机器人控制器进行软硬件方面的改进，可实现多台工业机器人的互联，最终实现基于CAN总线的多机器人系统。利用CAN总线，可通过单根电缆串接全部设备、节省安装维护开销，提高实时性，实现信息共享，提高多控制器系统的检测、诊断和控制的性能；通过离线的任务调度、作业下载以及错误监控等技术，还可以把一部分人员彻底地从工业机器人的作业现场脱离出来。