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控制器局域網(wǎng)(CAN)技術(shù)在工程機(jī)械中的應(yīng)用
一 前言隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，以全數(shù)字式現(xiàn)場總線技術(shù)為代表現(xiàn)場控制儀表、設(shè)備大量應(yīng)用，使得傳統(tǒng)的現(xiàn)場控制技術(shù)及現(xiàn)場控制設(shè)備發(fā)生了巨大的變化。繁瑣的現(xiàn)場連線被單一、簡潔的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)所替代，系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、設(shè)備維護(hù)簡單，信號傳輸質(zhì)量也大幅提高。
電子技術(shù)的飛速發(fā)展及在工程機(jī)械上的廣泛應(yīng)用，使得工程機(jī)械的智能化程度越來越高，特別是在控制器技術(shù)被引入工程機(jī)械控制領(lǐng)域后，給工程機(jī)械的發(fā)展帶來了劃時(shí)代的變化，工程機(jī)械的操作便利性、安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性都得到了大幅提高。
然而，電子設(shè)備的大量使用，必然導(dǎo)致車身布線越來越長愈來愈復(fù)雜，運(yùn)行可靠性降低、故障維修難度增大，特別是電子控制單元的大量引入，為了提高信號的利用率，要求人批的數(shù)據(jù)信息能在不同的控制單元中共享，大量的控制信號也需要實(shí)時(shí)交換，傳統(tǒng)線束已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這種需求。在這種情況下，將串行通訊總線系統(tǒng)引入可以有效解決上述問題�；谏鲜鲈�，博世公司開發(fā)了控制器局域網(wǎng)（CAN），并獲得了國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的認(rèn)可及許多半導(dǎo)體器件制造商、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)商的支持。現(xiàn)在它已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械和工業(yè)現(xiàn)場控制，實(shí)踐證明CAN網(wǎng)絡(luò)是一種性能優(yōu)異的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。
CAN總線技術(shù)的引入徹底改變了工程機(jī)械控制領(lǐng)域的面貌，分布式控制系統(tǒng)完全取代了集中式控制系統(tǒng)，在眾多具有CAN功能的控制器、傳感器和執(zhí)行器的支持下，繁瑣的現(xiàn)場連線被單一、簡潔的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)所替代，系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活、信號傳輸質(zhì)量也大幅提高。
眾多的國際知名公司早在80年代初就積極致力于工程機(jī)械及汽車局域網(wǎng)的應(yīng)用及研究。進(jìn)入90年代，這些曰趨成熟的技術(shù)在國外已廣泛地應(yīng)用于工程機(jī)械領(lǐng)域。為縮短與國際先進(jìn)水平的差距，研究和開發(fā)自己的工程機(jī)械局域網(wǎng)系統(tǒng)勢在必行。
二 CAN的技術(shù)特征
1 CAN的物理特性
1.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) CAN在物理結(jié)構(gòu)上屬于總線式通信網(wǎng)絡(luò)。
1.2機(jī)械參數(shù)及傳輸介質(zhì) 模塊通過一個(gè)9針的D型插頭連接到CAN總線上�？偩�采用屏蔽的或非屏蔽的雙絞線，用光纖更佳。
1.3電氣參數(shù)及信號表示 總線上的數(shù)據(jù)采用不歸零編碼方式（NRZ），可具有兩種互補(bǔ)的邏輯值之一：顯性及隱性。CAN總線中各節(jié)點(diǎn)使用相同的位速率。它的每位時(shí)間由同步段、傳播段、相位緩沖段1及相位緩沖段2組成。發(fā)送器在同步段前改變輸出的位數(shù)值，接受器在兩個(gè)相位緩沖段間采樣輸入位值，而兩個(gè)相位緩沖段長度可自由調(diào)節(jié)，以保證采樣的可靠性。另外，CAN總線采用時(shí)鐘同步技術(shù)來保證通訊的同步。
2 CAN協(xié)議
CAN總線以報(bào)文為單位進(jìn)行信息交換，報(bào)文中含有標(biāo)示符（ID），它既描述了數(shù)據(jù)的含義又表明了報(bào)文的優(yōu)先權(quán)。CAN總線上的各個(gè)協(xié)點(diǎn)都可主動發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)同時(shí)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文時(shí)，CAN控制器采用ID進(jìn)行仲裁。ID控制節(jié)點(diǎn)對總線的訪問。發(fā)送具有最高優(yōu)先權(quán)報(bào)文的節(jié)點(diǎn)獲得總線的使用權(quán)，其他節(jié)點(diǎn)自動停止發(fā)送，總線空閑后，這些節(jié)點(diǎn)將自動重發(fā)報(bào)文。
2.1 CAN協(xié)議 分層結(jié)構(gòu)CAN總線規(guī)范規(guī)定了任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的兼容性。包括電氣特件利數(shù)據(jù)解釋協(xié)議。
CAN協(xié)議可分為：目標(biāo)層、傳送層、物理層。其中目標(biāo)層和傳送層包括了ISO/OSI定義的數(shù)據(jù)鏈路的所有功能。目標(biāo)層的功能包括：確認(rèn)要發(fā)送的信息；位應(yīng)用層提供接口。傳送層功能包括：數(shù)據(jù)幀組織：總線仲裁：檢錯(cuò)、錯(cuò)誤報(bào)告、錯(cuò)誤處理。
2.2 CAN通信協(xié)議 CAN支持四類信息幀類型。
（1）數(shù)據(jù)幀 CAN協(xié)議有兩種數(shù)據(jù)幀類型標(biāo)準(zhǔn)2.0A和標(biāo)準(zhǔn)2.0B。兩者本質(zhì)的不同在于ID的長度不同。在2.0A類型中，ID的長度為l l位；在2.0B類型中ID為29位。一個(gè)信息震中包括7個(gè)主要的域：
幀起始域——標(biāo)志數(shù)據(jù)幀的開始，由一個(gè)顯性位組成。
仲裁域——內(nèi)容由標(biāo)示符和遠(yuǎn)程傳輸請求位（RTR）組成，RTR用以表明此信息幀是數(shù)據(jù)幀還是不包含任何數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)地請求幀。當(dāng)2.0A的數(shù)據(jù)幀和2.0B的數(shù)據(jù)幀必須在同一條總線上傳輸時(shí)，首先判斷其優(yōu)先權(quán)，如果ID相同，則非擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先權(quán)高于擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀。
控制域——r0、r1是保留位，作為擴(kuò)展位，DLC表示一幀中數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)目。
數(shù)據(jù)域——包含0～8字節(jié)的數(shù)據(jù)。
校驗(yàn)域——檢驗(yàn)位錯(cuò)用的循環(huán)冗余校驗(yàn)域，共15位。
應(yīng)答域——包括應(yīng)答位和應(yīng)答分隔符。正確接收到有效報(bào)文的接收站在應(yīng)答期間將總線值為顯性電平。
幀結(jié)束——由七位隱性電平組成。
（2）遠(yuǎn)程幀 接受數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)可通過發(fā)遠(yuǎn)程幀請求源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。它由6個(gè)域組成：幀起始、仲裁域、控制域、校驗(yàn)域、應(yīng)答域、幀結(jié)束。
（3）錯(cuò)誤指示幀 由錯(cuò)誤標(biāo)志和錯(cuò)誤分界兩個(gè)域組成。接收節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)總線上的報(bào)文有誤時(shí)，將自動發(fā)出“活動錯(cuò)誤標(biāo)志”其他節(jié)點(diǎn)檢測到活動錯(cuò)誤標(biāo)志后發(fā)送“錯(cuò)誤認(rèn)可標(biāo)志”。
（4）超載幀 由超載標(biāo)志和超載分隔符組成。超載幀只能在一個(gè)幀結(jié)束后開始。當(dāng)接收方接收下一幀之前，需要過多的時(shí)間處理當(dāng)前的數(shù)據(jù)，或在幀問空隙域檢測到顯性電平時(shí)，則導(dǎo)致發(fā)送超載幀。
（5）幀間空隙 位于數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)地幀與前面的信息幀之間，由幀間空隙和總線空閑狀態(tài)組成。幀間空隙是必要的，在此期間，CAN不進(jìn)行新的幀發(fā)送，為的是CAN控制器在下次信息傳遞前有時(shí)間進(jìn)行內(nèi)部處理操作。當(dāng)總線空閑時(shí)CAN控制器方可發(fā)送數(shù)據(jù)。
2.3 錯(cuò)誤檢驗(yàn) 為了提高抗干擾能力和數(shù)據(jù)的可靠性，采取了多種錯(cuò)誤檢測手段：發(fā)送監(jiān)視、填充監(jiān)視、CRC錯(cuò)、格式錯(cuò)、應(yīng)答錯(cuò)誤等。
2.4 總線訪問控制要做到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，數(shù)據(jù)的高速傳輸是關(guān)鍵。對于工程機(jī)械中的具體節(jié)點(diǎn)而言，不僅需要高達(dá)1Mbit/s的通信速率，更需要在幾個(gè)節(jié)點(diǎn)要競爭訪問總線時(shí)正確定位哪個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得使用權(quán)。總線上的各種數(shù)據(jù)的延遲要求是不一樣的，快速變化的物理量（如發(fā)送機(jī)的轉(zhuǎn)速、路面的隨機(jī)波動信號等）比慢時(shí)變的物理量（如溫度、壓力等信號）要求訪問總線的頻率大的多。當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)需要訪問總線時(shí)，CAN控制器通過各種報(bào)文被賦予的優(yōu)先權(quán)標(biāo)示符及ID數(shù)的大小來仲裁誰先發(fā)送。
3 CAN總線技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)及支持器件
（一）CAN總線技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)
1.CAN網(wǎng)絡(luò)上任何一節(jié)點(diǎn)均可作為主結(jié)點(diǎn)主動地與其他節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)，大大提高系統(tǒng)的性能。
2?CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信息幀可分出優(yōu)先級，且單幀字節(jié)長度短，有很好的實(shí)時(shí)性。
3.CAN的物理層及數(shù)據(jù)鏈路層采用獨(dú)特的設(shè)計(jì)技術(shù)，使其在抗干擾，錯(cuò)誤監(jiān)測能力等方面的性能均超過其他總線。
4.CAN的通信速率相當(dāng)高。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線的長度不超過40米時(shí)，其通信速率可達(dá)1Mbit/s。
5.CAN總線每幀數(shù)據(jù)都含有CRC校驗(yàn)及其他校驗(yàn)措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率低。
6 CAN總線節(jié)點(diǎn)在嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下，可自動切斷與總線的通信聯(lián)系，以使總線上的其他操作不受影響。
（二）CAN總線技術(shù)的支持器件
CAN總線自問世以來，由于具有眾多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用，而且受到眾多的半導(dǎo)體廠商的支
持。目前生產(chǎn)支持CAN協(xié)議器件的公司有INTEL、MOTOROLA、PHILIPS、SIEMENS、NEC、HONEYWELL等百余家國際著名公司。其應(yīng)用器件琳瑯滿目、層出不窮，已經(jīng)形成產(chǎn)品系列。
目前市場上比較常見的有INTEL的CCU3010E、；MISUBISHI的37630；MOTOROLA的MC68HC05XX/MC68376；SIMENS的C505C、C167CR；NEC的78K/0；PHILIPS的80592/98、XA-C3；TEXAS INSTRUMENTS的TMS370E08D55等控制器件及外圍傳感器及執(zhí)行器件。
三 CAN在工程機(jī)械中的應(yīng)用
CAN由于具有良好的運(yùn)行特性、極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，不但特別適合現(xiàn)代工程機(jī)械及汽車各電子單元之間的互連通訊，而且日益受到其他業(yè)界的歡迎，并被公認(rèn)為最有發(fā)展前途的現(xiàn)場總線之一。
在眾多半導(dǎo)體廠商的支持下，國際上一些著名的工程機(jī)械大公司如CAT、VOLVO、利勃海爾等都在自己的產(chǎn)品上廣泛采用CAN總線技術(shù)來提高產(chǎn)品的技術(shù)檔次及可靠性。下面就CAN總線在半主動油氣懸架加以說明。
在工程機(jī)械半主動變阻尼油氣懸架控制中，利用CAN網(wǎng)絡(luò)作為懸架之間交換信息的通道，變集中控制為分布式控制，大大地簡化了線束及器件的布置，提高了可靠性。
4個(gè)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先權(quán)按降序排列依次為：右前輪——左前輪——右后輪——左后輪。數(shù)據(jù)幀包含三字節(jié)數(shù)據(jù)，其中兩個(gè)字節(jié)為非懸架質(zhì)量加速度，一個(gè)字節(jié)為可調(diào)阻尼器的相對開度值。通訊速率為300 kbit/s。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行良好，懸架的減震達(dá)到預(yù)期要求，而且在諸如啟動、急剎車、急轉(zhuǎn)彎等特殊工況下，通過網(wǎng)絡(luò)的合理調(diào)度，提高了車輛的抗俯仰、側(cè)傾的能力，改善了操縱的穩(wěn)定性。
四、結(jié)束語
隨著電子技術(shù)和大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制芯片性能逐步提高，體積逐步減小，價(jià)格進(jìn)一步降低，為工程機(jī)械局域網(wǎng)技術(shù)的普及推廣創(chuàng)造了良好的條件。智能芯片價(jià)格的下降使得工程機(jī)械局域網(wǎng)的成本相差無幾，性能成為影響網(wǎng)絡(luò)選擇的主要因素。CAN以其優(yōu)異的品質(zhì)具有明顯的優(yōu)勢，越發(fā)受到業(yè)界的歡迎。CAN總線在工程機(jī)械上的廣泛應(yīng)用將使工程機(jī)械的控制性能、動力性、操縱穩(wěn)定性、安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性都上升到一個(gè)新的高度，給工程機(jī)械技術(shù)的發(fā)展注入新的活力。
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