控制器局域網(CAN)技術在工程機械中的應用論文

　　一 前言

隨着計算機技術、通訊技術、集成電路技術的飛速發展，以全數字式現場總線技術爲代表現場控制儀表、設備大量應用，使得傳統的現場控制技術及現場控制設備發生了巨大的變化。繁瑣的現場連線被單一、簡潔的現場總線網絡所替代，系統設計靈活、設備維護簡單，信號傳輸質量也大幅提高。

電子技術的飛速發展及在工程機械上的廣泛應用，使得工程機械的智能化程度越來越高，特別是在控制器技術被引入工程機械控制領域後，給工程機械的發展帶來了劃時代的變化，工程機械的操作便利性、安全性、燃油經濟性都得到了大幅提高。

然而，電子設備的大量使用，必然導致車身佈線越來越長愈來愈複雜，運行可靠性降低、故障維修難度增大，特別是電子控制單元的大量引入，爲了提高信號的利用率，要求人批的數據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時交換，傳統線束已遠遠不能滿足這種需求。在這種情況下，將串行通訊總線系統引入可以有效解決上述問題。基於上述原因，博世公司開發了控制器局域網（CAN），並獲得了國際標準化組織的認可及許多半導體器件製造商、網絡系統開發商的支持。現在它已經被廣泛地應用於汽車、工程機械和工業現場控制，實踐證明CAN網絡是一種性能優異的現場網絡。

CAN總線技術的引入徹底改變了工程機械控制領域的面貌，分佈式控制系統完全取代了集中式控制系統，在衆多具有CAN功能的控制器、傳感器和執行器的支持下，繁瑣的現場連線被單一、簡潔的現場總線網絡所替代，系統設計更加靈活、信號傳輸質量也大幅提高。

衆多的國際知名公司早在80年代初就積極致力於工程機械及汽車局域網的應用及研究。進入90年代，這些曰趨成熟的技術在國外已廣泛地應用於工程機械領域。爲縮短與國際先進水平的差距，研究和開發自己的工程機械局域網系統勢在必行。

　　二 CAN的技術特徵

1CAN的物理特性

1.1拓撲結構 CAN在物理結構上屬於總線式通信網絡。

1.2機械參數及傳輸介質 模塊通過一個9針的D型插頭連接到CAN總線上。總線採用屏蔽的或非屏蔽的雙絞線，用光纖更佳。

1.3電氣參數及信號表示 總線上的數據採用不歸零編碼方式（NRZ），可具有兩種互補的邏輯值之一：顯性及隱性。CAN總線中各節點使用相同的位速率。它的每位時間由同步段、傳播段、相位緩衝段1及相位緩衝段2組成。發送器在同步段前改變輸出的位數值，接受器在兩個相位緩衝段間採樣輸入位值，而兩個相位緩衝段長度可自由調節，以保證採樣的可靠性。另外，CAN總線採用時鐘同步技術來保證通訊的同步。

2CAN協議

CAN總線以報文爲單位進行信息交換，報文中含有標示符（ID），它既描述了數據的含義又表明了報文的優先權。CAN總線上的各個協點都可主動發送數據。當同時有兩個或兩個以上的節點發送報文時，CAN控制器採用ID進行仲裁。ID控制節點對總線的訪問。發送具有最高優先權報文的`節點獲得總線的使用權，其他節點自動停止發送，總線空閒後，這些節點將自動重發報文。

2.1CAN協議 分層結構CAN總線規範規定了任意兩個節點之間的兼容性。包括電氣特件利數據解釋協議。

CAN協議可分爲：目標層、傳送層、物理層。其中目標層和傳送層包括了ISO/OSI定義的數據鏈路的所有功能。目標層的功能包括：確認要發送的信息；位應用層提供接口。傳送層功能包括：數據幀組織：總線仲裁：檢錯、錯誤報告、錯誤處理。

2.2CAN通信協議 CAN支持四類信息幀類型。

（1）數據幀CAN協議有兩種數據幀類型標準2.0A和標準2.0B。兩者本質的不同在於ID的長度不同。在2.0A類型中，ID的長度爲ll位；在2.0B類型中ID爲29位。一個信息震中包括7個主要的域：

幀起始域——標誌數據幀的開始，由一個顯性位組成。

仲裁域——內容由標示符和遠程傳輸請求位（RTR）組成，RTR用以表明此信息幀是數據幀還是不包含任何數據的遠地請求幀。當2.0A的數據幀和2.0B的數據幀必須在同一條總線上傳輸時，首先判斷其優先權，如果ID相同，則非擴展數據幀的優先權高於擴展數據幀。

控制域——r0、r1是保留位，作爲擴展位，DLC表示一幀中數據字節的數目。

數據域——包含0～8字節的數據。

校驗域——檢驗位錯用的循環冗餘校驗域，共15位。

應答域——包括應答位和應答分隔符。正確接收到有效報文的接收站在應答期間將總線值爲顯性電平。

幀結束——由七位隱性電平組成。

（2）遠程幀接受數據的節點可通過發遠程幀請求源節點發送數據。它由6個域組成：幀起始、仲裁域、控制域、校驗域、應答域、幀結束。

（3）錯誤指示幀由錯誤標誌和錯誤分界兩個域組成。接收節點發現總線上的報文有誤時，將自動發出“活動錯誤標誌”其他節點檢測到活動錯誤標誌後發送“錯誤認可標誌”。

（4）超載幀由超載標誌和超載分隔符組成。超載幀只能在一個幀結束後開始。當接收方接收下一幀之前，需要過多的時間處理當前的數據，或在幀問空隙域檢測到顯性電平時，則導致發送超載幀。

（5）幀間空隙位於數據幀和遠地幀與前面的信息幀之間，由幀間空隙和總線空閒狀態組成。幀間空隙是必要的，在此期間，CAN不進行新的幀發送，爲的是CAN控制器在下次信息傳遞前有時間進行內部處理操作。當總線空閒時CAN控制器方可發送數據。

2.3錯誤檢驗爲了提高抗干擾能力和數據的可靠性，採取了多種錯誤檢測手段：發送監視、填充監視、CRC錯、格式錯、應答錯誤等。

2.4總線訪問控制要做到數據的實時處理，數據的高速傳輸是關鍵。對於工程機械中的具體節點而言，不僅需要高達1Mbit/s的通信速率，更需要在幾個節點要競爭訪問總線時正確定位哪個節點獲得使用權。總線上的各種數據的延遲要求是不一樣的，快速變化的物理量（如發送機的轉速、路面的隨機波動信號等）比慢時變的物理量（如溫度、壓力等信號）要求訪問總線的頻率大的多。當多個節點同時需要訪問總線時，CAN控制器通過各種報文被賦予的優先權標示符及ID數的大小來仲裁誰先發送。

3 CAN總線技術的應用特點及支持器件

（一）CAN總線技術的應用特點

網絡上任何一節點均可作爲主結點主動地與其他節點交換數據，大大提高系統的性能。

2?AN網絡節點的信息幀可分出優先級，且單幀字節長度短，有很好的實時性。

的物理層及數據鏈路層採用獨特的設計技術，使其在抗干擾，錯誤監測能力等方面的性能均超過其他總線。

的通信速率相當高。當網絡線的長度不超過40米時，其通信速率可達1Mbit/s。

總線每幀數據都含有CRC校驗及其他校驗措施，數據出錯率低。

6CAN總線節點在嚴重錯誤的情況下，可自動切斷與總線的通信聯繫，以使總線上的其他操作不受影響。

（二）CAN總線技術的支持器件

CAN總線自問世以來，由於具有衆多獨特的優點，得到廣泛的應用，而且受到衆多的半導體廠商的支持。目前生產支持CAN協議器件的公司有INTEL、MOTOROLA、PHILIPS、SIEMENS、NEC、HONEYWELL等百餘家國際著名公司。其應用器件琳琅滿目、層出不窮，已經形成產品系列。

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；TEXASINSTRUMENTS的TMS370E08D55等控制器件及外圍傳感器及執行器件。

　　三 CAN在工程機械中的應用

CAN由於具有良好的運行特性、極高的可靠性和獨特的設計，不但特別適合現代工程機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界的歡迎，並被公認爲最有發展前途的現場總線之一。

在衆多半導體廠商的支持下，國際上一些著名的工程機械大公司如CAT、VOLVO、利勃海爾等都在自己

的產品上廣泛採用CAN總線技術來提高產品的技術檔次及可靠性。下面就CAN總線在半主動油氣懸架加以說明。

在工程機械半主動變阻尼油氣懸架控制中，利用CAN網絡作爲懸架之間交換信息的通道，變集中控制爲分佈式控制，大大地簡化了線束及器件的佈置，提高了可靠性。

4個節點的優先權按降序排列依次爲：右前輪——左前輪——右後輪——左後輪。數據幀包含三字節數據，其中兩個字節爲非懸架質量加速度，一個字節爲可調阻尼器的相對開度值。通訊速率爲300kbit/s。實際應用結果表明網絡運行良好，懸架的減震達到預期要求，而且在諸如啓動、急剎車、急轉彎等特殊工況下，通過網絡的合理調度，提高了車輛的抗俯仰、側傾的能力，改善了操縱的穩定性。

　　四、結束語

隨着電子技術和大規模集成電路的迅速發展，網絡控制芯片性能逐步提高，體積逐步減小，價格進一步降低，爲工程機械局域網技術的普及推廣創造了良好的條件。智能芯片價格的下降使得工程機械局域網的成本相差無幾，性能成爲影響網絡選擇的主要因素。CAN以其優異的品質具有明顯的優勢，越發受到業界的歡迎。CAN總線在工程機械上的廣泛應用將使工程機械的控制性能、動力性、操縱穩定性、安全性、燃油經濟性都上升到一個新的高度，給工程機械技術的發展注入新的活力。