汽车电子技术与总线

汽车电子技术与ＣＡＮ总线
ＣＡＮ数据总线是一种各控制单元间的数据传输形式，它将各个控制单元形成一个整体，所有信息都沿两条线路传输，与所参与的控制单元数及所涉及的信息量的大小无关，这样就解决了随着新增信息量的加大，线路及控制单元上的插头的数目也增加的问题，并且每条信息需要不同线路的问题也得以解决。
２ＣＡＮ总线的产生与发展
ＣＡＮ初出现在上世纪８０年代末的汽车工业中，由德国Ｂｏｓｃｈ公司先提出。当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。提出ＣＡＮ总线的初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线（ＣＡＮ控制器局域网，所有的器件可以被挂接在该总线上。１９９３年，ＣＡＮ已成为国际标准ＩＳＯ１１８９８（高速应用）和ＩＳＯ１１５１９（低速应用）。
ＣＡＮ是一种很高保密性，有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。ＣＡＮ的应用范围遍及从高速网络到低成本底多线路网络。在自动化电子领域、发动机控制部件、传感器、抗滑系统等应用中，ＣＡＮ的位速率可高达１Ｍｂｐｓ。同时，它可以廉价地用于交通运载工具电气系统中，如灯光聚束、电气窗口等，可以替代所需要的硬件连接。它采用线性总线结构，每个子系统对总
线有相同的权利，即为多主工作方式。ＣＡＮ网络上任意一个节点可在任何时候向网络上的其他节点发送信息而不分主从。网络上的节点可分为不通优先级，满足不同的实时要求。采用非破坏性总线裁决技术，当两个节点
（即子系统）同时向网络上传递信息时，优先级低的停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传送数据。具有点对点、一点对多点及全局广播接收传送数据的功能。
随着ＣＡＮ在各种领域的应用和推广，对其通信格式的标准化提出了要求。１９９１年９月Ｐｈｉｌｉｐｓ
Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ制定并发布了ＣＡＮ技术规范（Ｖｅｒｓｉｏ２．０）。该技术包括Ａ和Ｂ两部分。２．０Ａ给出了ＣＡＮ报文标准格式，而２．０Ｂ给出了标准的和扩展的两种格式。
１９９３年１１月ＩＳＯ颁布了道路交通运输工具－数据信息交换－高速通信局域网（ＣＡＮ）国际标准ＩＳＯ１１８９８，为控制局域网的标准化和规范化铺平了道路。美国的汽车工程学会ＳＡＥ于２０００年提出的Ｊ１９３９，成为货车和客车中控制器局域网的通用标准。
３ＣＡＮ总线的特点及ＣＡＮ总线技术介绍
３．１ＣＡＮ总线的特点
ＣＡＮ总线是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达１ＭＢＰＳ。ＣＡＮ总线通信接口中集成了ＣＡＮ协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。
ＣＡＮ协议的一个大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的
汽车电子新技术与ＣＡＮ总线
解福泉，魏彦召
（河南交通职业技术学院，河南
郑州
４５０００５
）摘要：控制器局域网（ＣＡＮ）是一种有效支持分布式控制或实时控制的现场总线，具有高性能和高可靠性的特
点；其总线规范已经成为国际标准，被公认为几种有前途的总线之一。随着现代汽车技术的发展，ＣＡＮ技术在汽车电子领域应用日益广泛。文章介绍了汽车电子技术与ＣＡＮ总线的关系，并介绍了ＣＡＮ总线的产生与发展，以及ＣＡＮ总线的特点。并对ＣＡＮ总线技术进行了详述。
关键词：电子技术；汽车电子新技术；ＣＡＮ总线；控制器；局域网中图分类号：Ｕ４６
文献标识码：Ｂ
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优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由１１位或２９位二进制数组成，因此可以定义２１１或２２９个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。数据段长度多为８个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，８个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。ＣＡＮ协议采用ＣＲＣ检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。ＣＡＮ卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为有前途的现场总线之一。
另外，ＣＡＮ总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。ＣＡＮ总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。ＣＡＮ总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数通讯。ＣＡＮ总线插卡可以任意插在ＰＣＡＴＸＴ兼容机上，方便地构成分布式监控系统。
３．２ＣＡＮ总线技术介绍３．２．１位仲裁
要对数据进行实时处理，就必须将数据快速传送，这就要求数据的物理传输通路有较高的速度。在几个站同时需要发送数据时，要求快速地进行总线分配。实时处理通过网络交换的紧急数据有较大的不同。一个快速变化的物理量，如汽车引擎负载，将比类似汽车引擎温度这样相对变化较慢的物理量更频繁地传送数据并要求更短的延时。
ＣＡＮ总线以报文为单位进行数据传送，报文的优先级结合在１１位标识符中，具有低二进制数的标识符有高的优先级。这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。这种非破坏性位仲裁方法的优点在于，在网络终确定哪一个站的报文被传送以前，报文的起始部分已经在网络上传送了。所有未获得总线读取权的站都成为具有高优先权报文的接收站，并且不会在总线再次空闲前发送报文。
ＣＡＮ具有较高的效率是因为总线仅仅被那些请求总线悬而未决的站利用，这些请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处理的。这种方法在网络负载较重时有很多优点，因为总线读取的优先级已被按顺序放在每个报文中了，这可以保证在实时系统中较低的个体隐伏时间。
对于主站的可靠性，由于ＣＡＮ协议执行非集中化总线控制，所有主要通信，包括总线读取（许可）控制，在系统中分几次完成。这是实现有较高可靠性的通信系统的方法
３．２．２ＣＡＮ与其它通信方案的比较
在实践中，有两种重要的总线分配方法：按时间表分配和按需要分配。在种方法中，不管每个节点是否申请总线，都对每个节点按大期间分配。由此，总线可被分配给每个站并且是的站，而不论其是立即进行总线存取或在一特定时间进行总线存取。这将保证在总线存取时有明确的总线分配。在第二种方法中，总线按传送数据的基本要求分配给一个站，总线系统按站希望的传送分配（如：ＥｔｈｅｒｎｅｔＣＳＭＡ／ＣＤ）。因此，当多个站同时请求总线存取时，总线将终止所有站的请求，这时将不会有任何一个站获得总线分配。为了分配总线，多于一个总线存取是必要的。
ＣＡＮ实现总线分配的方法，可保证当不同的站申请总线存取时，明确地进行总线分配。这种位仲裁的方法可以解决当两个站同时发送数据时产生的碰撞问题。不同于Ｅｔｈｅｒｎｅｔ网络的消息仲裁，ＣＡＮ的非破坏性解决总线存取冲突的方法，确保在不传送有用消息时总线不被占用。甚至当总线在重负载情况下，以消息内容为优先的总线存取也被证明是一种有效的系统。虽然总线的传输能力不足，所有未解决的传输请求都按重要性顺序来处理。在ＣＳＭＡ／ＣＤ这样的网络中，如Ｅｔｈｅｒｎｅｔ，系统往往由于过载而崩溃，而这种情况在ＣＡＮ中不会发生。
３．２．３ＣＡＮ的报文格式
在总线中传送的报文，每帧由７部分组成。ＣＡＮ协议支持两种报文格式，其惟一的不同是标识符（ＩＤ）长度不同，标准格式为１１位，扩展格式为２９位。
在标准格式中，报文的起始位称为帧起始（ＳＯＦ），然后是由１１位标识符和远程发送请求位（ＲＴＲ）组成的仲裁场。ＲＴＲ位标明是数据帧还是请求帧，在请求帧中没有数据字节。
控制场包括标识符扩展位（ＩＤＥ），指出是标准格式还是扩展格式。它还包括一个保留位（ｒｏ），为将来扩展使用。它的后４个字节用来指明数据场中数据的长度
（ＤＬＣ）。数据场范围为０～８个字节，其后有一个检测数据错误的循环冗余检查（ＣＲＣ）。
应答场（ＡＣＫ）包括应答位和应答分隔符。发送站发送的这两位均为隐性电平（逻辑１），这时正确接收报文的接收站发送主控电平（逻辑０）覆盖它。用这种方法，发送站可以保证网络中至少有一个站能正确接收到报文。
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