車(chē)載網(wǎng)絡(luò )系統及CAN協(xié)議的應用分析
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目前，CAN 協(xié)議及其網(wǎng)絡(luò )系統已被全球汽車(chē)廠(chǎng)商普遍接受，成為車(chē)載網(wǎng)絡(luò )系統的計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)基礎。
在歐洲幾乎每一輛新款汽車(chē)均裝配有CAN 局域網(wǎng)。同樣，CAN 也用于其他類(lèi)型的交通工具，從火車(chē)到輪船或者用于工業(yè)控制。CAN 已經(jīng)成為全球范圍內最重要的總線(xiàn)之一——甚至領(lǐng)導著(zhù)串行總線(xiàn)。在1999 年，接近6 千萬(wàn)個(gè)CAN 控制器投入應用。到了2000 年，全球市場(chǎng)銷(xiāo)售了超過(guò)1 億個(gè)CAN 元器件。
2.2 CAN 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的內容和基本原理
作為一種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議一般應符合ISO/OSI 模型，即國際標準化組織的開(kāi)放系統互連參考模型。但目前廣泛應用的許多網(wǎng)絡(luò )協(xié)議并不完全符合這個(gè)模型，CAN 就是這種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。對照ISO/OSI 模型中的7 層次，CAN 僅明確定義了相當于數據鏈路層和物理層的內容。圖2 給出它的層次結構。其中對象層和傳輸層包括所有由ISO/OSI 模型定義的數據鏈路層的服務(wù)和功能。
圖2
CAN 協(xié)議的報文傳輸由以下四種不同的幀類(lèi)型所表示和控制：
- 數據幀：數據幀攜帶數據從一個(gè)節點(diǎn)的發(fā)送器至所有節點(diǎn)的接收器。
- 遠程請求幀：總線(xiàn)的一個(gè)節點(diǎn)發(fā)出遠程請求幀，請求某個(gè)節點(diǎn)響應具有同一識別符的數據幀。
- 錯誤幀：總線(xiàn)上的任何節點(diǎn)一旦檢測到總線(xiàn)的錯誤就發(fā)出錯誤幀。
- 過(guò)載幀：過(guò)載幀用以在先行的和后續的數據幀（或遠程幀）之間提供一附加的延時(shí)，防止產(chǎn)生接收器過(guò)載。
CAN 協(xié)議在其幀結構中定義了多種校驗方式，確保信息傳送的可靠性。信息在網(wǎng)絡(luò )中采用廣播的方式，總線(xiàn)上所有的節點(diǎn)均先接收到報文，然后根據幀結構中的11 位或29 位標識符進(jìn)行識別，接收所需的信息，屏蔽掉本節點(diǎn)不需要的信息。
在報文發(fā)送時(shí)是采用內容（而不是一般的地址方式）擇優(yōu)的優(yōu)先級方式，我們稱(chēng)其為載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突檢測，即：CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect）。
如果利用一般的CSMA 訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)，可對總線(xiàn)上信號進(jìn)行檢測，只有當總線(xiàn)處于空閑狀態(tài)時(shí)才允許發(fā)送。利用這種方法可以允許多個(gè)節點(diǎn)掛接到同一網(wǎng)絡(luò )上，但當檢測到一個(gè)沖突位時(shí)，所有節點(diǎn)將重新回到監聽(tīng)總線(xiàn)的狀態(tài)，直到該沖突時(shí)間過(guò)后才開(kāi)始發(fā)送。在總線(xiàn)超載的情況下，這種技術(shù)可能會(huì )造成發(fā)送信號經(jīng)過(guò)許多延遲。為了避免發(fā)送延時(shí)可利用CSMA/CD 方式訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)：當總線(xiàn)上有兩個(gè)節點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行發(fā)送時(shí)，必須通過(guò)無(wú)損的逐位仲裁方法來(lái)使有最高優(yōu)先權的的報文優(yōu)先發(fā)送。在CAN 總線(xiàn)上發(fā)送的每一條報文都具有唯一的一個(gè)11 位或29 位的標識符 ，CAN 總線(xiàn)狀態(tài)取決于二進(jìn)制數0 而不是1 ，所以ID 號越小則該報文擁有越高的優(yōu)先權。因此一個(gè)為全0 標志符的報文具有總線(xiàn)上的最高級優(yōu)先權?？捎昧硗獾姆椒▉?lái)解釋,在消息沖突的位置第一個(gè)節點(diǎn)發(fā)送0，而另外的節點(diǎn)發(fā)送1，那么發(fā)送0 的節點(diǎn)將取得總線(xiàn)的控制權，并且能夠成功的發(fā)送出它的信息。這種獨特的總線(xiàn)爭用方式保證了高優(yōu)先級報文的及時(shí)發(fā)送，減少了時(shí)延。
在差錯處理方面CAN 也有其獨特的優(yōu)勢。對于一個(gè)幀可以用互不排斥的5 種方式檢查出出錯的幀。
另外還有一個(gè)計數機制，當一個(gè)節點(diǎn)錯誤的次數滿(mǎn)足一定條件時(shí)，會(huì )被進(jìn)行相應的故障處理，以防止出故障的節點(diǎn)對整個(gè)系統的影響，保證其他節點(diǎn)之間的正常通信。
2.3 CAN 協(xié)議適宜于車(chē)載網(wǎng)絡(luò )應用的優(yōu)勢
正如本文1.2 節中所描述的那樣，一個(gè)適宜于汽車(chē)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議必須滿(mǎn)足許多苛刻的要求，并具有一些獨特的特性。CAN 具有十分優(yōu)越的特點(diǎn)，這使得絕大多數的工程師都選擇它作為車(chē)載網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的標準。這些優(yōu)點(diǎn)包括以下內容：
(1) 低成本。由于CAN 已經(jīng)成為車(chē)載網(wǎng)絡(luò )中應用最廣泛的標準，這使得相關(guān)元器件的產(chǎn)量很大，從而大大的降低了成本。對于已經(jīng)競爭非常激烈的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)是十分重要的。
(2) 極高的總線(xiàn)利用率。如前一節分析的那樣，其發(fā)送沖突解決方案是一種沖突規避的設計方式，減少了信息重發(fā)可能性，從而提高了利用率，對于發(fā)送優(yōu)先級高的重要信息尤為如此。
(3) 高速的數據傳輸速率可高達1 Mbit/s，完全可滿(mǎn)足汽車(chē)動(dòng)力和懸架等高速系統的傳輸需求。
(4) 可根據報文的ID 決定接收或屏蔽該報文，而不是采用一般的地址方式。方便與網(wǎng)絡(luò )相連的汽車(chē)電器系統的靈活配置。
(5) 可靠的錯誤處理和檢錯機制；發(fā)送的信息遭到破壞后可自動(dòng)重發(fā)；節點(diǎn)在錯誤嚴重的情況下具有自動(dòng)退出總線(xiàn)；這些特點(diǎn)都保證了系統極高的可靠性、安全性和健壯性。很明顯，這對于車(chē)載的網(wǎng)絡(luò )系統是十分重要的要求。
(6) 報文幀結構相對比較簡(jiǎn)單，占用總線(xiàn)時(shí)間短，從而保證了通信很高的實(shí)時(shí)性。
(7) 目前如：Bosch、Philips、Siemens、Delphi、Valeo 等世界上重要的汽車(chē)電器供應商已開(kāi)發(fā)出大量成熟的CAN 元器件和嵌入了CAN 接口的電控單元（ECU），這樣可大大的縮短相關(guān)汽車(chē)電器系統的開(kāi)發(fā)時(shí)間，減少開(kāi)發(fā)成本。
3 CAN 系統已經(jīng)開(kāi)始在新型的汽車(chē)上得到了廣泛的實(shí)際應用
3.1 CAN 在車(chē)載網(wǎng)絡(luò )中的應用
在CAN 協(xié)議中僅對網(wǎng)絡(luò )的低層進(jìn)行了具體規定，其應用層協(xié)議并未給出。這樣針對不同的應用，其應用層也不盡相同。在汽車(chē)領(lǐng)域，目前存在的多種車(chē)載網(wǎng)絡(luò )標準，其側重的功能也有所不同。為了便于設計和使用，SAE（汽車(chē)工程協(xié)會(huì )）將車(chē)載網(wǎng)絡(luò )按傳輸速率的不同劃分為A、B、C 三類(lèi)。其中B 類(lèi)在國際標準ISO-IS11519-2 中稱(chēng)為低速CAN 網(wǎng)，C 類(lèi)在國際標準ISO-IS11898 中稱(chēng)為高速CAN 網(wǎng)。（參見(jiàn)圖3）
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