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由于汽車(chē)產(chǎn)業(yè)不斷追求安全可靠、極致性能、舒適方便以及低成本等目標，但汽車(chē)內高復雜的系統網(wǎng)絡(luò )，使得線(xiàn)束過(guò)于龐大，導致成本提高且網(wǎng)絡(luò )架構也難以持續提升，與前者形成沖突。 于是德國B(niǎo)osch在1985年提出CAN BUS(Controller Area Network)，不但解決了車(chē)內線(xiàn)束持續增加的問(wèn)題，還為日后可靠且有效率的網(wǎng)絡(luò )系統墊定了基礎。1993年，CAN BUS更制定為標準化(ISO-11898)，由于具有高可靠性和錯誤檢測能力，也被廣泛應用在船舶、航空電子、大眾交通、農用設備、醫療設備、工業(yè)控制中。 CAN BUS的架構與特色 CAN BUS是一種串行雙線(xiàn)式差分傳輸的技術(shù)規格(見(jiàn)圖1)，MCU負責運算數據，CAN Controller處理運算后的數據并傳送“0”或“1”數據，經(jīng)過(guò) CAN Transceiver的轉換由CAN High和CAN Low產(chǎn)生差分信號(見(jiàn)圖2)。其中，CAN High電壓減CAN Low電壓小于0.5V代表邏輯狀態(tài)為“1”，而CAN High電壓減 CAN Low電壓大于0.9V代表邏輯狀態(tài)為“0”，所以圖2中傳送位串為101。藉由差分的方式可以避免噪聲的產(chǎn)生，而終端電阻120Ω則是防止信息傳送后反射造成的干擾。 CAN BUS上最小單位為節點(diǎn)(Node)，每個(gè)節點(diǎn)都可以主動(dòng)發(fā)送信息到總線(xiàn)上，也可以要求特定節點(diǎn)回傳信息，并不限定于只有一個(gè)主控端。每個(gè)信息(Message)都是以識別子字段(ID Field )為起頭，以識別值決定發(fā)送信息的優(yōu)先權，數值越小優(yōu)先權越高。所以信息的傳遞并不是定義在節點(diǎn)上，而是定義在信息上。由于是串接的架構加上識別子(ID)的判定機制，所以軟硬件不需要做修正就能夠輕易增加或移除節點(diǎn)，不但降低了布線(xiàn)成本也降低了維護的復雜度，這種多主控端架構成就更完整的智能網(wǎng)絡(luò )設備。 信息傳遞可透過(guò)節點(diǎn)上的設定，使信息可以被每個(gè)節點(diǎn)接收至緩沖器內，也可以選擇對該信息置之不理。CAN BUS也支持遠程數據請求，當該信息識別值符合節點(diǎn)內部的識別值，且該信息是遠程信息(Remote Message)時(shí)，指定的節點(diǎn)會(huì )將相符的數據傳送出去。用戶(hù)便可利用這功能，來(lái)進(jìn)行節點(diǎn)與節點(diǎn)間的溝通。 在CAN BUS上，傳輸速度最快可達1Mbps，用戶(hù)可藉由修改位時(shí)序設定來(lái)修改傳輸速度，而傳輸距離隨通信速度增加而遞減，例如當通信速度40Kbps時(shí)，通信距離可達1km;當通信速度1Mbps時(shí)，通信距離最遠可達40m，據此用戶(hù)可依照本身的應用做調配。 強大的容錯能力 CAN BUS協(xié)議具有相當可靠的錯誤處理和檢錯機制，這些都是屬于硬件自動(dòng)偵測反應，在此種機制下，網(wǎng)絡(luò )訊息的傳輸不但有效率且使用起來(lái)更加方便。 自動(dòng)重傳 當總線(xiàn)上的節點(diǎn)偵測到錯誤時(shí)，硬件會(huì )自動(dòng)重新發(fā)送該訊息到總線(xiàn)上，直到該訊息有任何節點(diǎn)響應ACK (Acknowledged)后，該訊息才會(huì )停止發(fā)送。 錯誤偵測 CAN BUS提供了五種錯誤偵測機制，分別為位錯誤(Bit Error)，填充位錯誤(Stuff Error)，循環(huán)冗余代碼校驗(CRC Error)，格式錯誤(Form Error)，響應錯誤(Ack Error)，利用這些錯誤偵測機制，使得總線(xiàn)上的傳輸更加穩定，而不需用戶(hù)介入。 錯誤通知 偵測到錯誤發(fā)生時(shí)，節點(diǎn)會(huì )發(fā)送錯誤訊息(Error Message)到總線(xiàn)上，使得總線(xiàn)上的所有節點(diǎn)都知道此時(shí)有錯誤發(fā)生，以便作出相對的反應，包括重傳或停止發(fā)送等。 錯誤恢復與排除 在CAN協(xié)議中規范了每個(gè)節點(diǎn)都有傳送錯誤記數器(TEC: Transmit Error Counter)和接收錯誤記數器(REC: Receive Error Counter)，根據TEC和REC的值來(lái)決定目前節點(diǎn)為何種狀態(tài)，一旦TEC大于255，硬件會(huì )讓該節點(diǎn)脫機且暫時(shí)不接收與發(fā)送訊號到總線(xiàn)上，待特定情況發(fā)生時(shí)，用戶(hù)才可將該節點(diǎn)重新初始化，并重新開(kāi)始監控總線(xiàn)上的訊號，如此一來(lái)，可避免因各別節點(diǎn)使總線(xiàn)發(fā)生嚴重錯誤，影響其他節點(diǎn)的傳輸。 CAN BUS的應用實(shí)例 電梯系統(Elevator) 傳統的電梯系統采用繼電器邏輯線(xiàn)路，有著(zhù)線(xiàn)束過(guò)多且維護不便等問(wèn)題，改換成以CAN建構系統，不僅大幅減少線(xiàn)束，增加系統可靠度，更有著(zhù)建構簡(jiǎn)單，便于系統偵錯等優(yōu)點(diǎn)。 橋梁應變規(Strain Gage) 有鑒于天然災害頻傳，所以藉由橋梁應變規來(lái)監控橋梁的健康度，以避免人員及車(chē)輛傷亡。但傳統應變規多半置于橋上，需要人員到場(chǎng)而無(wú)法遠程監控。利用CAN BUS低速時(shí)傳輸距離長(cháng)的特性，可將規劃區域內的橋梁上放置應變規，并連接至CAN BUS以回傳監控中心監控橋梁情形，大幅減少人力成本。 車(chē)用監控系統(Recorder with car information) 由于車(chē)禍肇事頻傳，使用行車(chē)紀錄器掌握前方路況，作為車(chē)禍左證的功能。但監視器只能錄取前方路況影像，而無(wú)法有效掌控本身行車(chē)內部的信息，如目前車(chē)速，油門(mén)狀態(tài)等。運用CAN處理行車(chē)信息，再由SPI(Serial Peripheral Interface)、I2C(Inter-Integrated Circuit)等高速接口傳給錄像監視器，便可在每段錄像畫(huà)面加上目前車(chē)內信息，成為車(chē)禍事端更有利的證據。 車(chē)用診斷系統(OBDII) OBDII (On Board Diagnosis - II ) 為一種車(chē)輛發(fā)生故障時(shí)，產(chǎn)生故障警示訊號，提醒駕駛人進(jìn)廠(chǎng)維修的協(xié)議。我們可以使用支持CAN的MCU來(lái)實(shí)現，利用USB(Universal Serial Bus)裝置和CAN來(lái)建構診斷系統，可隨時(shí)將OBDII connector 接上汽車(chē)總線(xiàn)，并將其接收訊息透過(guò)USB傳送到計算機，配合計算機端程序來(lái)診斷汽車(chē)內部異常訊號，進(jìn)而加速汽車(chē)維修速度。 CAN BUS示范系統 因為CAN BUS具有高擴充性、高可靠度且實(shí)時(shí)性強和低成本等特性，不僅成為車(chē)用網(wǎng)絡(luò )系統發(fā)展技術(shù)的核心關(guān)鍵，更在其他產(chǎn)業(yè)發(fā)揮了強大而顯著(zhù)的技術(shù)能力。為了能更了解CAN BUS整體的運作，在此使用普遍常見(jiàn)的M0 MCU，示范一個(gè)以CAN BUS傳遞控制命令與狀態(tài)消息的馬達控制系統(圖3)，其中NUC140 Tiny Board、Learning Board No.1/No/2和Motor Driving Board分別為CAN總線(xiàn)上不同的節點(diǎn)，利用計算機USB連接NUC140 Tiny Board，透過(guò)NUC140微處理器譯碼轉換成CAN的訊息，以實(shí)現計算機與CAN BUS的鏈接，而各節點(diǎn)可發(fā)送與接收系統運作狀態(tài)和控制命令。因此在示范系統中，透過(guò)CAN BUS的鏈接與NUC140微處理器的轉換，各節點(diǎn)均可接收到馬達的實(shí)時(shí)狀態(tài)消息，并顯示在板子上的LCD屏幕或者計算機上的人機接口。 |
