一文读懂can总线的特点和优缺点

　　什么是CAN总线

　　CAN是控制器局域网络（ControllerAreaNetwork，CAN）的简称，是由以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，并最终成为国际标准（ISO11898），是国际上应用最广泛的现场总线之一。在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。

　　CAN总线的特点

　　（1）它是一种多主总线，即每个节点机均可成为主机，且节点机之间也可进行通信。

　　（2）通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1mb/s。

　　（3）can总线通信接口中集成了can协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等项工作。

　　（4）can协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，雨代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点是可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义211或229个不同的数据块，这种数据块编码方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分步式控制中非常重要。

　　（5）数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而倮证了通信的实时性。

　　（6）can协议采用crc检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。can总线所具有的卓越性能、极高的可靠性和独特设计，特别适合工业设各测控单元互连。因此备受工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。

　　CAN总线的工作原理

　　CAN总线使用串行数据传输方式，可以1Mb/s的速率在40m的双绞线上运行，也可以使用光缆连接，而且在这种总线上总线协议支持多主控制器。CAN与I2C总线的许多细节很类似，但也有一些明显的区别。

　　当CAN总线上的一个节点（站）发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点。对每个节点来说，无论数据是否是发给自己的，都对其进行接收。每组报文开头的11位字符为标识符，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的，不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。当几个站同时竞争总线读取时，这种配置十分重要。

　　当一个站要向其它站发送数据时，该站的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN芯片，并处于准备状态；当它收到总线分配时，转为发送报文状态。CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时网上的其它站处于接收状态。每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。

　　由于CAN总线是一种面向内容的编址方案，因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。我们可以很容易地在CAN总线中加进一些新站而无需在硬件或软件上进行修改。当所提供的新站是纯数据接收设备时，数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址。它允许分布过程同步化，即总线上控制器需要测量数据时，可由网上获得，而无须每个控制器都有自己独立的传感器。

　　CAN总线的优点

　　● 具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点；

　　● 采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作；

　　● 具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN 控制器挂到CAN-bus 上，形成多主机局部网络；

　　● 可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；

　　● 可靠的错误处理和检错机制；

　　● 发送的信息遭到破坏后，可自动重发；

　　● 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；

　　● 报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。

　　CAN总线缺点

　　1）不一致性

　　CAN总线中有一个著名的Last-But-One-Bit 错误。CAN总线2 OA在信息认证（MessageValidaTIon）中规定： 发送器验错的范围可覆盖到帧结束，如果发现错误，以后就按优先权和状态的规定重发; 接 器验错的范围覆盖到帧结束的前一位。因此，如果由于空间干扰、电 源波动等原因，对于帧的倒数第二位，一部分节点A认为无错，一 部分节点B 认为有错，即出现了所谓的ByzanTIne 错误。这时，根 EOF 应该是7 个隐性位，节点B 认为这是一种形式错误，所以就会启动错误帧，通知发送器重发，同时丢弃收到的帧。而认为设错的节点A 由于只查到倒数第二位，因此就会接收此帧。如果在发送器例行的下一次发送前B 通知的重发成功，A就会收到重复帧; 如果重发不成功，B 就丢了一帧。在转向和制动系统中，4 个轮子对命令的不同理解，可能造成性能的下降或其他更严重的后果。

　　2）不可预测性

　　CAN总线将节点状态分为ErrorAcTIve、Error Passive 和Bus Off 三种，这三种状态在一定条件下可以互相转换。不同状态中节点的发送有不同的延迟。最高优先权的信息发送延迟有几种可能： 当节点状态为ErrorAcTIve 时，若总线空闲，则立即发送; 当节点状态为ErorActive时，如果其它帧正在发送，则需等正在发送的报文结束后，再过3 位后发送; 当节点状态为ErrorPassive 时，它有一个出错重发的要求，若没有其它帧要发送，等3 位传送（Intemission）和8 位挂起传送（Suspend Transmission）后重发; 当节点状态为Error Passive时，若总线空闲，出错后等别的信息发送完后再发，等待时间与其它帧的长度有关; 当节点状态为Bus Off 时，需等状态恢复到ErrorPassive 或ErrorActive 再发。

　　当确认某节点的状态时，还有几个因素需要考虑： 首先，节点由最高优先权的信息和其他信息共用，因此，其他信息在传送过程中出现的错误也会影响到节点状态; 其次，进入ErrorPassive 或BusOff 状态的条件是发送错误计数器与/或接收错误计数器的值，由于CAN 的原子广播特点，其它节点的发送错误或接收错误会开启一个错误帧，从而影响到该节点的接收错误计数器的值，进而影响节点状态。

　　对于优先权较低的信息来说，发送时间的离散程度更大。在反馈控制系统中，采样调节周期的大范围抖动相当于信号延迟后的变化，它有可能使系统性能下降或不稳定。在与安全相关的开环系统中，抖动可能造成动作顺序的混乱。

　　3）信道出错堵塞

　　节点有可能受干扰或其它原因暂时或永久失效，出错的主机会命令CAN 收发器不断发送消息，即所谓的Babbling ldiot 错误。由于该信息的格式等均合法，因此CAN 没有相应的机制来处理这种情况。根据CAN 的优先权机制，比它优先权低的信息就被暂时或永久堵塞。由于CAN总线存在上述几种根本的缺陷，因此，在更为严格的控制系统中，它将会造成巨大的风险，无法满足安全、环保、节能的要求。CAN 的事件触发协议特点限制了ECU 的应用、开发与生产，不仅用过的ECU 难于重用，而且还不利于改善和开发新的ECU。

　　CAN总线的应用

　　现在CAN的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面，现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一、被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。

　　CAN总线在工控领域主要使用低速-容错CAN即ISO11898-3标准，在汽车领域常使用500Kbps的高速CAN。

　　某进口车型拥有，车身、舒适、多媒体等多个控制网络，其中车身控制使用CAN网络，舒适使用LIN网络，多媒体使用MOST网络，以CAN网为主网，控制发动机、变速箱、ABS等车身安全模块，并将转速、车速、油温等共享至全车，实现汽车智能化控制，如高速时自动锁闭车门，安全气囊弹出时，自动开启车门等功能。

　　CAN系统又分为高速和低速，高速CAN系统采用硬线是动力型，速度：500kbps，控制ECU、ABS等；低速CAN是舒适型，速度：125Kbps，主要控制仪表、防盗等。

　　某医院现有5台16T/H XXXX燃气锅炉，向洗衣房、制剂室、供应室、生活用水、暖气等设施提供5kg/cm2的蒸汽，全年耗用天然气1200万m3，耗用20万吨自来水。医院采用接力式方式供热，对热网进行地域性管理，分四大供热区。其中冬季暖气的用气量很大，据此设计了基于CAN现场总线的分布式锅炉蒸汽热网智能监控系统。现场应用表明：该楼宇自动化系统具有抗干扰能力强，现场组态容易，网络化程度高，人机界面友好等特点。