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CAN BUS特色与应用实例

由于汽车产业不断追求安全可靠、极致性能、舒适方便以及低成本等目标,但汽车内高复杂的系统网络,使得线束过于庞大,导致成本提高且网络架构也难以持续提升,与前者形成冲突。 于是德国Bosch在1985年提出CAN BUS(Controller Area Network),不但解决了车内线束持续增加的问题,还为日后可靠且有效率的网络系统垫定了基础。1993年,CAN BUS更制定为标准化(ISO-11898),由于具有高可靠性和错误检测能力,也被广泛应用在船舶、航空电子、大众交通、农用设备、医疗设备、工业控制中。 CAN BUS的架构与特色 CAN BUS是一种串行双线式差分传输的技术规格(见图1),MCU负责运算数据,CAN Controller处理运算后的数据并传送“0”或“1”数据,经过 CAN Transceiver的转换由CAN High和CAN Low产生差分信号(见图2)。其中,CAN High电压减CAN Low电压小于0.5V代表逻辑状态为“1”,而CAN High电压减 CAN Low电压大于0.9V代表逻辑状态为“0”,所以图2中传送位串为101。藉由差分的方式可以避免噪声的产生,而终端电阻120Ω则是防止信息传送后反射造成的干扰。

CAN BUS上最小单位为节点(Node),每个节点都可以主动发送信息到总线上,也可以要求特定节点回传信息,并不限定于只有一个主控端。每个信息(Message)都是以识别子字段(ID Field )为起头,以识别值决定发送信息的优先权,数值越小优先权越高。所以信息的传递并不是定义在节点上,而是定义在信息上。由于是串接的架构加上识别子(ID)的判定机制,所以软硬件不需要做修正就能够轻易增加或移除节点,不但降低了布线成本也降低了维护的复杂度,这种多主控端架构成就更完整的智能网络设备。 信息传递可透过节点上的设定,使信息可以被每个节点接收至缓冲器内,也可以选择对该信息置之不理。CAN BUS也支持远程数据请求,当该信息识别值符合节点内部的识别值,且该信息是远程信息(Remote Message)时,指定的节点会将相符的数据传送出去。用户便可利用这功能,来进行节点与节点间的沟通。 在CAN BUS上,传输速度最快可达1Mbps,用户可藉由修改位时序设定来修改传输速度,而传输距离随通信速度增加而递减,例如当通信速度40Kbps时,通信距离可达1km;当通信速度1Mbps时,通信距离最远可达40m,据此用户可依照本身的应用做调配。 强大的容错能力 CAN BUS协议具有相当可靠的错误处理和检错机制,这些都是属于硬件自动侦测反应,在此种机制下,网络讯息的传输不但有效率且使用起来更加方便。 自动重传 当总线上的节点侦测到错误时,硬件会自动重新发送该讯息到总线上,直到该讯息有任何节点响应ACK (Acknowledged)后,该讯息才会停止发送。 错误侦测 CAN BUS提供了五种错误侦测机制,分别为位错误(Bit Error),填充位错误(Stuff Error),循环冗余代码校验(CRC Error),格式错误(Form Error),响应错误(Ack Error),利用这些错误侦测机制,使得总线上的传输更加稳定,而不需用户介入。 错误通知 侦测到错误发生时,节点会发送错误讯息(Error Message)到总线上,使得总线上的所有节点都知道此时有错误发生,以便作出相对的反应,包括重传或停止发送等。 错误恢复与排除 在CAN协议中规范了每个节点都有传送错误记数器(TEC: Transmit Error Counter)和接收错误记数器(REC: Receive Error Counter),根据TEC和REC的值来决定目前节点为何种状态,一旦TEC大于255,硬件会让该节点脱机且暂时不接收与发送讯号到总线上,待特定情况发生时,用户才可将该节点重新初始化,并重新开始监控总线上的讯号,如此一来,可避免因各别节点使总线发生严重错误,影响其他节点的传输。

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第1页:CAN BUS特色

第2页:CAN BUS应用实例

CAN BUS的应用实例 电梯系统(Elevator) 传统的电梯系统采用继电器逻辑线路,有着线束过多且维护不便等问题,改换成以CAN建构系统,不仅大幅减少线束,增加系统可靠度,更有着建构简单,便于系统侦错等优点。 桥梁应变规(Strain Gage) 有鉴于天然灾害频传,所以藉由桥梁应变规来监控桥梁的健康度,以避免人员及车辆伤亡。但传统应变规多半置于桥上,需要人员到场而无法远程监控。利用CAN BUS低速时传输距离长的特性,可将规划区域内的桥梁上放置应变规,并连接至CAN BUS以回传监控中心监控桥梁情形,大幅减少人力成本。 车用监控系统(Recorder with car information) 由于车祸肇事频传,使用行车纪录器掌握前方路况,作为车祸左证的功能。但监视器只能录取前方路况影像,而无法有效掌控本身行车内部的信息,如目前车速,油门状态等。运用CAN处理行车信息,再由SPI(Serial Peripheral Interface)、I2C(Inter-Integrated Circuit)等高速接口传给录像监视器,便可在每段录像画面加上目前车内信息,成为车祸事端更有利的证据。 车用诊断系统(OBDII) OBDII (On Board Diagnosis - II ) 为一种车辆发生故障时,产生故障警示讯号,提醒驾驶人进厂维修的协议。我们可以使用支持CAN的MCU来实现,利用USB(Universal Serial Bus)装置和CAN来建构诊断系统,可随时将OBDII connector 接上汽车总线,并将其接收讯息透过USB传送到计算机,配合计算机端程序来诊断汽车内部异常讯号,进而加速汽车维修速度。 CAN BUS示范系统

因为CAN BUS具有高扩充性、高可靠度且实时性强和低成本等特性,不仅成为车用网络系统发展技术的核心关键,更在其他产业发挥了强大而显著的技术能力。为了能更了解CAN BUS整体的运作,在此使用普遍常见的M0 MCU,示范一个以CAN BUS传递控制命令与状态消息的马达控制系统(图3),其中NUC140 Tiny Board、Learning Board No.1/No/2和Motor Driving Board分别为CAN总线上不同的节点,利用计算机USB连接NUC140 Tiny Board,透过NUC140微处理器译码转换成CAN的讯息,以实现计算机与CAN BUS的链接,而各节点可发送与接收系统运作状态和控制命令。因此在示范系统中,透过CAN BUS的链接与NUC140微处理器的转换,各节点均可接收到马达的实时状态消息,并显示在板子上的LCD屏幕或者计算机上的人机接口。

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