2020年04月17日 | CAN BUS的架构特点、应用优势与实例分析

由于汽车产业不断追求安全可靠、极致性能、舒适方便以及低成本等目标，但汽车内高复杂的系统网络，使得线束过于庞大，导致成本提高且网络架构也难以持续提升，与前者形成冲突。

于是德国Bosch在1985年提出CAN BUS（Controller Area Network），不但解决了车内线束持续增加的问题，还为日后可靠且有效率的网络系统垫定了基础。1993年，CAN BUS更制定为标准化（ISO-11898），由于具有高可靠性和错误检测能力，也被广泛应用在船舶、航空电子、大众交通、农用设备、医疗设备、工业控制中。

CAN BUS的架构与特色

CAN BUS是一种串行双线式差分传输的技术规格（见图1），MCU负责运算数据，CAN Controller处理运算后的数据并传送“0”或“1”数据，经过 CAN Transceiver的转换由CAN High和CAN Low产生差分信号（见图2）。其中，CAN High电压减CAN Low电压小于0.5V代表逻辑状态为“1”，而CAN High电压减 CAN Low电压大于0.9V代表逻辑状态为“0”，所以图2中传送位串为101。藉由差分的方式可以避免噪声的产生，而终端电阻120Ω则是防止信息传送后反射造成的干扰。

CAN BUS上最小单位为节点（Node），每个节点都可以主动发送信息到总线上，也可以要求特定节点回传信息，并不限定于只有一个主控端。每个信息（Message）都是以识别子字段（ID Field ）为起头，以识别值决定发送信息的优先权，数值越小优先权越高。所以信息的传递并不是定义在节点上，而是定义在信息上。由于是串接的架构加上识别子（ID）的判定机制，所以软硬件不需要做修正就能够轻易增加或移除节点，不但降低了布线成本也降低了维护的复杂度，这种多主控端架构成就更完整的智能网络设备。

信息传递可透过节点上的设定，使信息可以被每个节点接收至缓冲器内，也可以选择对该信息置之不理。CAN BUS也支持远程数据请求，当该信息识别值符合节点内部的识别值，且该信息是远程信息（Remote Message）时，指定的节点会将相符的数据传送出去。用户便可利用这功能，来进行节点与节点间的沟通。

在CAN BUS上，传输速度最快可达1Mbps，用户可藉由修改位时序设定来修改传输速度，而传输距离随通信速度增加而递减，例如当通信速度40Kbps时，通信距离可达1km;当通信速度1Mbps时，通信距离最远可达40m，据此用户可依照本身的应用做调配。

强大的容错能力

CAN BUS协议具有相当可靠的错误处理和检错机制，这些都是属于硬件自动侦测反应，在此种机制下，网络讯息的传输不但有效率且使用起来更加方便。

自动重传

当总线上的节点侦测到错误时，硬件会自动重新发送该讯息到总线上，直到该讯息有任何节点响应ACK （Acknowledged）后，该讯息才会停止发送。

错误侦测

CAN BUS提供了五种错误侦测机制，分别为位错误（Bit Error），填充位错误（Stuff Error），循环冗余代码校验（CRC Error），格式错误（Form Error），响应错误（Ack Error），利用这些错误侦测机制，使得总线上的传输更加稳定，而不需用户介入。

错误通知

侦测到错误发生时，节点会发送错误讯息（Error Message）到总线上，使得总线上的所有节点都知道此时有错误发生，以便作出相对的反应，包括重传或停止发送等。

错误恢复与排除

在CAN协议中规范了每个节点都有传送错误记数器（TEC： Transmit Error Counter）和接收错误记数器（REC： Receive Error Counter），根据TEC和REC的值来决定目前节点为何种状态，一旦TEC大于255，硬件会让该节点脱机且暂时不接收与发送讯号到总线上，待特定情况发生时，用户才可将该节点重新初始化，并重新开始监控总线上的讯号，如此一来，可避免因各别节点使总线发生严重错误，影响其他节点的传输。

CAN BUS的应用实例

电梯系统（Elevator）

传统的电梯系统采用继电器逻辑线路，有着线束过多且维护不便等问题，改换成以CAN建构系统，不仅大幅减少线束，增加系统可靠度，更有着建构简单，便于系统侦错等优点。

桥梁应变规（Strain Gage）

有鉴于天然灾害频传，所以藉由桥梁应变规来监控桥梁的健康度，以避免人员及车辆伤亡。但传统应变规多半置于桥上，需要人员到场而无法远程监控。利用CAN BUS低速时传输距离长的特性，可将规划区域内的桥梁上放置应变规，并连接至CAN BUS以回传监控中心监控桥梁情形，大幅减少人力成本。

车用监控系统（Recorder with car information）

由于车祸肇事频传，使用行车纪录器掌握前方路况，作为车祸左证的功能。但监视器只能录取前方路况影像，而无法有效掌控本身行车内部的信息，如目前车速，油门状态等。运用CAN处理行车信息，再由SPI（Serial Peripheral Interface）、I2C（Inter-Integrated Circuit）等高速接口传给录像监视器，便可在每段录像画面加上目前车内信息，成为车祸事端更有利的证据。

车用诊断系统（OBDII）

OBDII （On Board Diagnosis - II ） 为一种车辆发生故障时，产生故障警示讯号，提醒驾驶人进厂维修的协议。我们可以使用支持CAN的MCU来实现，利用USB（Universal Serial Bus）装置和CAN来建构诊断系统，可随时将OBDII connector 接上汽车总线，并将其接收讯息透过USB传送到计算机，配合计算机端程序来诊断汽车内部异常讯号，进而加速汽车维修速度。

CAN BUS示范系统

因为CAN BUS具有高扩充性、高可靠度且实时性强和低成本等特性，不仅成为车用网络系统发展技术的核心关键，更在其他产业发挥了强大而显著的技术能力。为了能更了解CAN BUS整体的运作，在此使用普遍常见的M0 MCU，示范一个以CAN BUS传递控制命令与状态消息的马达控制系统（图3），其中NUC140 TIny Board、Learning Board No.1/No/2和Motor Driving Board分别为CAN总线上不同的节点，利用计算机USB连接NUC140 TIny Board，透过NUC140微处理器译码转换成CAN的讯息，以实现计算机与CAN BUS的链接，而各节点可发送与接收系统运作状态和控制命令。因此在示范系统中，透过CAN BUS的链接与NUC140微处理器的转换，各节点均可接收到马达的实时状态消息，并显示在板子上的LCD屏幕或者计算机上的人机接口。