CAN是未来和今天控制系统中的重要总线技术

尽管集成控制器局域网 （CAN） 的系统成为头条新闻，但如今 CAN 很少被提及。无论您是在 CES、Embedded World 还是在自动驾驶汽车技术博览会上，您都会看到自动驾驶汽车和概念车深深嵌入了 CAN，以至于要确定它是否确实存在是一个挑战——它甚至可能被屏蔽来自 OEM。

尽管如此，CAN 仍然存在，它的工作做得很深入，因为在某处，必须极其可靠地传输相对较短的数据包。CAN 的安装基础已达数十亿台，是一种经过验证的网络技术，在未来与今天一样重要。

CAN 简介

由博世在 1980 年代为汽车行业的安全关键系统设计，CAN 提供了一些独特的功能，使其广泛适用于任何安全可靠的控制系统。其中包括：

可靠性：CAN 被广泛认为是传输实时数据的最可靠方法之一。CAN 协议确定发送的每条消息的优先级，即使同时发送多条消息，也能实现轻松、不间断的通信流程。

数据一致性：这在 CAN 系统中得到保证，因为每个节点都接收到相同的消息，并且所有节点在接受消息之前都会检查消息是否正确。“铸铁”数据一致性是任何安全安全系统的强制性要求，CAN 提供了一种特别优雅的方式来满足这一要求。

保证延迟：在 CAN 中，可以一次传输高优先级消息，并且按位仲裁将以可预测的方式解决任何消息冲突。具有 25 个节点的 CAN 系统保证高优先级消息的延迟小于 0.25 毫秒。相比之下，标准以太网无法保证延迟。变通方法涉及安装专用以太网网络以进行闭环控制，但最终，这些可能会很昂贵。

一种有效的寻址方法：CAN 没有地址，只有消息内容的标识符，允许非常短的消息，即只有一个内容标识符和一个值。因此，所有连接的 CAN 模块都会接收每条消息，并由接收器选择正确的消息进行处理。发送节点不需要知道谁应该接收消息，接收节点也不需要知道消息来源。同时，CAN 确保所有接收器获得相同的数据，以便在所有单元中同步决策。这是在控制系统中建立连接的一种极其有效的方式，可以轻松创建点对点、多播和广播消息方案。CAN 独特的寻址方法提供了高水平的系统和配置灵活性：

全网错误检测：在CAN中，所有节点都参与错误检测过程。如果任何节点检测到错误，所有节点都会在消息可用于应用程序之前将其删除，从而确保没有单元处理不同的数据。然后，发送器重新传输该消息，从而在 CAN 的较高比特率下导致重新传输的最大延迟在几分之一毫秒内。

向 CAN FD 的过渡

CAN 并非没有局限性。为了提供实时性能，CAN 比特率受总线长度的限制。此外，随着时间的推移，包长度受到限制，以确保低优先级 CAN 帧不会延迟高优先级信息。

因此，博世与多家汽车制造商和 CAN 行业参与者合作开发了更强大的 CAN 协议。2011年发布的CAN FD（Flexible Data-Rate）提高了数据部分的比特率，可以在不增加CAN帧时间长度的情况下增加数据部分的字节数。这种性能和带宽的改进促进了加密、身份验证和闪存等应用，这是每个 CAN 帧中对更多数据的需求背后的三个关键驱动因素。

在比较 CAN 和 CAN FD 时，主要收获如下：

CAN FD 具有更短的 CAN 帧，同时提高了比特率。这降低了延迟，提高了实时性能并增加了带宽。

CAN FD 可以在 CAN 帧中保存更多数据：每帧占用 8 到 64 个字节。通过较少的相对开销，您可以获得更好的数据吞吐量。发送大型数据对象时，您可以依赖更简单、更高效的软件。

CAN FD 具有更高性能的 CRC 算法，降低了未检测到错误的风险。

虽然尚未广泛实施，但 CAN FD 正与多家大型汽车制造商积极开发，并获得 Microchip、NXP、意法半导体和德州仪器等公司的大量芯片支持。CAN FD 提高的性能和通信带宽使其成为介于经典 CAN 和现代车辆中实施的更复杂协议（如 FlexRay 和以太网）之间的理想中间地带。

汽车行业向 CAN FD 过渡的最紧迫原因之一是系统内所有级别的安全性的必要性。CAN通常在封闭系统内运行，无法从外部访问的论点是监管机构将要改变的。CAN FD 在一帧中最多包含 64 个数据字节，为安全签名提供了充足的空间。随着 CAN FD 开始出现在中高端微控制器中，对高级加密标准 （AES） 等安全算法的内置硬件支持很有可能。软件解决方案可用于保护 CAN 和 CAN FD，例如 ESAcademy 的 CANcrypt，一种为 CAN FD 提供身份验证和加密的安全中间件。

CAN FD与以太网共存

那么，当带宽成为问题时，为什么不简单地使用以太网而不是 CAN FD？毕竟，现在可以通过四对双绞线以 5Gbps 的速度运行以太网。答案就在成语“课程的马”中。当需要传输大量信息时，以太网有它的位置，但时间并不重要。它还适用于专用的点对点通信，在这种通信中，不需要竞争通信带宽，例如在摄像头和处理图像的 ECU 之间。然而，CAN 是专门为分布式嵌入式控制系统设计的，其中需要以可预测的方式实现数据一致性和消息冲突解决。

如果 CAN 被指定使用相同的物理层技术，CAN 可以以与以太网相同的比特率运行（比特率越低，系统越健壮，因此 CAN 被指定为低比特率）。展望未来，CAN 和以太网完全有可能在同一物理层共存，例如，将 CAN 控制器置于静默模式一段时间，允许网络与以太网或其他协议一起运行以进行交换的非控制信息。高速协议的使用要求使用更好的电缆和更好的布线布局，这反过来又可以使 CAN 控制系统比现在更加可靠。

展望未来，很明显，CAN 与以太网一样，并没有停止发展。正在计划进一步增加有效负载，将 CAN-FD 的最大字节数从 64 个字节增加到 4，096 个字节。已经提出了几种方法，但一个关键的考虑因素将是服务组织，其工作是修复日益复杂的汽车通信网络。CAN 久经考验的稳健性和使用具有成本效益的可维修电缆仍然是非常有价值的特性。

审核编辑：郭婷