CAN总线原理及应用研究

作者简介：陈益庆（1987-），男，汉族，四川省邻水县，硕士研究生，重庆交通大学，研究方向：汽车电子控制。

摘要：控制器局域网络CAN（Control Area Network）总线是最流行的现场总线之一，是一种多主控制和实时通信控制的串行通信网络，具有通信系统柔韧性好、通信速度快、可靠性高、抗干扰性强以及良好的错误检测能力等优点。对CAN总线技术的特性进行了阐述，研究了CAN总线技术的应用，并对其发展前景进行了分析探讨。

关键词：CAN总线；技术应用；前景分析

一、前言

CAN最初出现在80年代末的汽车工业中，由德国Bosch公司最先提出。随着汽车工业的发展，消费者对汽车的性能要求越来越高，其很大程度上是基于汽车电子控制方面，从而使得汽车电子产品越来越多而且更为复杂，各控制单元之间的通信要求越来越高，一种有效的通信方式也是迫在眉睫。CAN总线就是为解决此项技术难题应运而生。

二、CAN总线原理

CAN通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。CAN层的定义与开放系统互连模型（OSI）一致。每一层与另一设备上相同的那一层通讯。实际的通讯发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互连。CAN的规范定义了模型的最下面两层：数据链路层和物理层。下表中展示了OSI开放式互连模型的各层。

表1OSI开放系统互连模型

7应用层最高层。用户、软件、网络终端等之间用来进行信息交换。

6表示层将两个应用不同数据格式的系统信息转化为能共同理解的格式

5会话层依靠低层的通信功能来进行数据的有效传递。

4传输层两通讯节点之间数据传输控制。操作如：数据重发，数据错误修复

3网络层规定了网络连接的建立、维持和拆除的协议。如：路由和寻址

2数据链路层规定了在介质上传输的数据位的排列和组织。如：数据校验、帧结构

1物理层规定通讯介质的物理特性。如：电气特性和信号交换的解释

CAN能够使用多种物理介质，例如双绞线、光纤等。最常用的就是双绞线。信号使用差分电压传送，两条信号线被称为“CAN_H”和“CAN_L”，静态时均是2.5V左右，此时状态表示为逻辑“1”，也可以叫做“隐性”。用CAN_H比CAN_L高表示逻辑“0”，称为“显形”，此时，通常电压值为：CAN_H=3.5V和CAN_L=1.5V。

CAN总线节点的硬件构成方案如图，有两种：

1MCU控制器+独立CAN控制器+CAN收发器。独立CAN控制器如SJA1000、MCP2515，其中MCP2515通过SPI总线和MCU连接，SJA1000通过数据总线和MCU连接。

2带有CAN控制器的MCU+CAN收发器。目前市场上有许多种，如P87C591、LPC2294、C8051F060等。

两种方案的节点构成都需要通过CAN收发器通CAN总线相连接，常用的CAN收发器有PCA82C250、PCA82C251、TJA1050、TJA1040等。

三、CAN总线技术特点：

CAN具有十分优越的特点，使人们乐于选择。这些特性包括：

低成本

极高的总线利用率

很远的数据传输距离（长达10Km）

高速的数据传输速率（高达1Mbit/s）

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

四、CAN总线的应用及发展

作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本较低的网络通信控制方式，CAN总线广泛应用于楼宇自动化、安全监控、汽车工业、航空工业等领域。

1.楼宇自动化

在楼宇自动化中，加热和通风、照明、安全和监控等系统对建筑安装提出了更高的要求，现代的建筑安装系统越来越多地建立在CAN总线系统上，通过其现实开关、按钮、传感器、照明设备、其他执行器和多控制系统之间的数据交换，实现建筑中各操作单元之间的协作，并对各单元不断变化的状态实时控制。

2.安全监控

在当前的各种监控系统中，普遍存在可靠性、实时性不高，分站缺乏统一规范等缺点，不能够很好地满足实时监控的要求。CAN总线由于具有高数据传输率、完善的规范和协议、高实时性、安全性、可靠性等，可以很好地克服当前监控系统中存在的各种问题。如：水电站高边坡监控系统、大型远程高边坡监控网络、辊道陶瓷窖等监控系统的应用。

3.汽车工业

在汽车工业中，CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。如：汽车动力系统、制动控制系统、变速箱控制器、仪表、车载网络、电子主干系统中，均嵌入CAN控制装置。其应用使汽车的安全性、舒适性、动力性等性能都进入一个新的高度，给汽车工业发展注入新的活力。

五、总结

CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络，虽然CAN总线最初是为了解决汽车电子控制模块、传感器和执行器的通信问题而被提出的，但由于CAN总线具有成本低，安全性高、可靠性好、实时通信，较强的电磁抗干扰能力，可在高噪声干扰环境中工作等优势，已被广泛应用于各个领域，随着CAN总线技术的不断完善，必将得到更大的发展和更加广泛的应用。（作者单位：重庆交通大学）

参考文献：

[1]牛跃听，周立功，CAN总线应用层协议实例解析，北京航空航天大学出版社；

[2]袁任光，集散型控制系统应用技术与实例，机械工业出版社；

[3]邬宽明，CAN总线原理和应用系统设计，北京航空航天大学出版社；

[4]张培仁，杜洪亮，CAN现场总线监控系统原理和应用设计，中国科学技术大学出版社；

[5]刘滏，CAN总线综述，福建电脑，2006年；

[6]徐丽平，CAN总线技术应用研究，电脑知识与技术，2012年。

[7]张建立，基于Vxworks的井下通用监控研究，2007年。