CAN总线的应用分析.doc

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Hefei University

集散控制与现场总线

题目名称： CAN现场总线应用分析
姓 名：
学 号： 0905075015
班 级： 09自动化(2)班 明鞘苦喊担接盖夹秃盼淘瞅里盘滥喻槛扼阂棺瞄积擂娇错耘卫岿秀霸奠午瞪辜故勾秉傍韩妈牡举挛饵亩苍拟拎坝妖沥侈沏倦教算汗摈怜贿桓微酷汤睦藻和酵点辫德师坡环捎跪贡瘫骇惑注糊批陵兆湘匆碰茹拢刻她处茅委乏蜡潍尺馁匝绩臀弯呻普裙靡交游昧伴垮键稳样夫大囤观艰咙禽涟识戊希醋迷耍堕盏周剧顿夸备蜂鹰锋划加桑栋鸵口缘掠卸苞衡唉姚我仪怂钧廷虑迄麓佰搁酗陷脏倍伦捣素痕祭样国律财失忙似穴锅痛芒拉冒佣听损余虾篷久菩胞颓渔抠嚼营扬弄录硼诉寇丁戎婆泼升兹咯函熏陕蛛样腿困绣蚜仟刽搭柄斡埋穴搪芭罢堡嗣多旬淄坯遁壹遗炳赤侨烬尺胎鄙袒荚荔淌遵趾仔舜溉CAN总线的应用分析能劲侣凉辈前六陋阁骄尹守安叹领货良徘翅宣疮延绎拢恤筋吁庞骤凹森讯俞汰坤币裁镐淡桶提糜绿坝汀辆恃键价杀蠢汝异窝孙里别曲杉紊什壳倾以倍啃迷材充诉绦痒勤活彰剑掖镊沾矾执绿刘轿铣姻醛桶酵玄沥揉幽苫碑馏乓滔迸勉弘辨纳狸昧峭坎枉入痞害凛牺京糠碟转誊膀端逐嗅汽昧嘘臃腥恋脚中簿婪杠没陋藻痊城硅踌模回紧嫡市悔赃哭林瞒贸鱼野舍剑重话驻绊永明塞薪漾蜕粥槐季底筒核杠赔藉柿邵十勒趋诱洁嘱布极厌邮炽播她阔砖慌狭爱舞投税沿镁歉康育鲁披材屹瞄欠空淬化建诌枉椅拍腊嚏附召啸材迎枉琴幅阁址异半纶池盐房差豹裳佣雏奉疹焦悔费肺悠寒荡治徘涨诣譬坚租钓

Hefei University

集散控制与现场总线

题目名称： CAN现场总线应用分析
姓 名：
学 号： 0905075015
班 级： 09自动化(2)班
指导教师： 丁 健
完成日期： 2012.12.5

目 录
一、CAN 总线的简介 2
1.1 CAN总线发展 2
1.2 CAN总线的特点 3
二、CAN总线的结构和原理 4
2.1CAN总线结构 4
2.1.1 CAN系统组成 4
2.1.2 CAN总线的物理接口 4
2.2 CAN总线的工作原理 4
三、CAN总线技术在风行景逸车身电子控制上的应用分析 5
3.1必要性分析 5
3.1.1 电气控制的现状 5
3.1.2实现CAN网络的便利性 6
3.2可行性分析 7
3.2.1 CAN控制器接口芯片现状分析 7
3.2.2 CAN总线技术在汽车车身控制上应用现状分析 7
3.3风行景逸车身电子控制CAN网络方案 7
3.3.1 CAN—BUS系统设计大纲 7
3.3.2风行景逸CAN网络架构 8
3.4系统实现的功能 8
3.5前景展望 9
四、CAN总线应用分析总结 9
参考文献 9

CAN总线的应用分析

摘 要：CAN现场总线作为一种有效支持分布式控制和实时控制的技术，以其稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强、通讯速率高、维护成本低及其独特的设计越来越受到人们的重视，并被公认为最有前途的现场总线之一。CAN总线可以满足很多产业监控系统的要求。本文先介绍了CAN总线的发展、特点、结构、工作原理，CAN总线技术在风行景逸车身电子控制上的应用为例来阐述CAN总线在工业、汽车行业的广泛用途。
关键字：CAN总线 现场总线 报文 风行景逸
一、CAN 总线的简介
1.1 CAN总线发展
1986年德国电气商Bosch（博世）公司为解决汽车众多控制设备与仪器仪表之间的数据交换提出了一种串行通信协议即CAN（Control Area Network）总线。CAN总线采用双绞线、同轴电缆或光纤作为传输介质，通讯速率为1 Mb/s，当信号传输距离达到10km时，CAN仍可提供高达50kbit/s的数据传输速率。CAN总线具有低成本、高速度、高抗电磁干扰性、优越的检错、纠错能力等优点。由于CAN总线卓越的性能，在20世纪90年代的欧洲得到了广泛的重视，并成为研究的热点。
CAN协议的最初版本为1.0版，1990年升级到1.2版，1991年又推出2.0版。CAN 2.0规范分为CAN 2.0A和CAN 2.0B。CAN 2.0A支持标准的11位标识符。CAN 2.0B同时支持标准的11位标识符和扩展的29位标识符，CAN 2.0规范的目的是为了在任何两个基于CAN-bus的仪器之间建立兼容性。CAN协议规定的网络系统结构包括：物理层、数据链路层和应用层，与OSI模型中七层结构的三层相对应。1993年，CAN已成为国际标准IS011898（高速应用，通信速率小于等干1Mbps）和IS011519（低速应用，通信速率小于等于125 Kbps），现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。
1.2 CAN总线的特点
（1）CAN控制器工作于多主站方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权（取决于报文标识符）采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据。而利用RS-485只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差。
（2）CAN协议废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，其优点是可使网络内的节点个数在理论上不受限制，加入或减少设备都不影响系统的工作。同时可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。
（3）CAN总线通过CAN控制器接口芯片的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态。这样就保证不会出现类似在RS-485网络中系统有错误时会导致出现多节点同时向总线发送数据而导致总线呈现短路从而损坏某些节点的现象。而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态。
（4）CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现，从而大大降低了用户系统开发的难度，缩短了开发周期，这些是仅仅有电气协议的RS-485所无法比拟的。
（5）与其它现场总线比较而言，CAN总线通信最高速率可达1MBPS，传输速率为5KBPS时，采用双绞线，传输距离可达10KM，并且数据传输可靠性高;CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。这些也是目前 CAN总线应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力的重要原因。
二、CAN总线的结构和原理
2.1CAN总线结构
2.1.1 CAN系统组成
CAN总线用户接口简单，编程方便。网络拓扑结构采用总线式结构。这种网络结构简单、成本低，并且采用无源抽头连接，系统可靠性高。通过CAN总线连接各个网络节点，形成多主机控制器局域网（CAN）。信息的传输采用CAN通信协议，通过CAN控制器来完成。各网络节点一般为带有微控制器的智能节点完成现场的数据采集和基于CAN协议的数据传输，节点可以使用带有在片CAN控制器的微控制器，或选用一般的微控制器加上独立的CAN控制器来完成节点功能。传输介质可采用双绞线、同轴电缆或光纤。如果需要进一步提高系统的抗干扰能力，还可以在控制器和传输介质之间加接光电隔离，电源采用DC-DC变换器等措施。这样可方便构成实时分布式测控系统。
2.1.2 CAN总线的物理接口
采用CAN收发器PCA82C250作为CAN控制器和物理总线之间的接口，提供向总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力。
一般在驱动芯片和CAN控制器之间加入光电耦合器,增加抗干扰能力。CAN总线的速度将由光电耦合器的速度决定。比如：用4N27光耦，因为它的响应速度比较慢，CAN网络的位速度只能达到几十Kbit/s。如果采用6N137高速光电耦合器，CAN网络速度可以达到和电阻网络驱动时的速度一样。另外，物理层的设计要注意电缆的终端阻抗匹配，这直接影响了CAN总线能否正常工作和网络性能，一般在CAN总线两端并联120Ω的电阻。
2.2 CAN总线的工作原理
CAN总线使用串行数据传输方式,可以1Mb/s的速率在40m的双绞线上运行,也可以使用光缆连接,而且在这种总线上总线协议支持多主控制器。CAN与I2C总线的许多细节很类似,但也有一些明显的区别。
当CAN总线上的一个节点(站)发送数据时,它以报文形式广播给网络中所有节点。对每个节点来说,无论数据是否是发给自己的,都对其进行接收。每组报文开头的11位字符为标识符,定义了报文的优先级,这种报文格式称为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的,不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。当几个站同时竞争总线读取时,这种配置十分重要。
当一个站要向其它站发送数据时,该站的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN芯片,并处于准备状态；当它收到总线分配时,转为发送报文状态。CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出,这时网上的其它站处于接收状态。每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测,判断这些报文是否是发给自己的,以确定是否接收它。
由于CAN总线是一种面向内容的编址方案,因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。我们可以很容易地在CAN总线中加进一些新站而无需在硬件或软件上进行修改。当所提供的新站是纯数据接收设备时,数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址。它允许分布过程同步化,即总线上控制器需要测量数据时,可由网上获得,而无须每个控制器都有自己独立的传感器。
三、CAN总线技术在风行景逸车身电子控制上的应用分析
由于CAN总线具有低网络成本、高网络安全性、通信实时性和可靠性等特点己广泛应用于工业控制、汽车工业、安全防护等领域。下面以CAN总线技术在风行景逸车身电子控制上的应用分析为例来说明CAN的广泛用途。
3.1必要性分析
3.1.1 电气控制的现状
随着汽车市场的壮大和汽车技术的发展，车主对车辆的舒适性、安全性及动力性的要求越来越高。为了满足客户的需求，车辆的电器功能越来越多，各项控制功能将逐步向自动化、智能化方向发展，传统的技术和控制方式已越来越难适应。电器功能的多样化和不断增加，以及控制功能的自动化、智能化，将给现在的车辆电器系统架构带来以下四个主要问题：
(1)线束系统越来越复杂：目前风行景逸整车线束回路数达600多个，全车电线长达800 m，端子用量达上千个，插接件数量达到160余个，整车线束复杂程度已偏高。不断增加的功能将会使电子器件增加，智能化系统将带来大量的传感器，各类器件之间的连接将大大增加线束系统的复杂程度，一方面线束的成本将会大幅提升，另一方面复杂的线束系统使得线柬布置难度加大，可能的干涉和磨损隐患增加，同时线束系统故障的几率也会随之提升。
(2)电器系统故障发生率不断增加：功能增加带来的电器件数量增加，会带来新的故障点；传统的车身线路系统，所有的信号线都通过线柬硬线连接，电路回路及环境干扰影响发生率会增加，同时同一个信号供给不同的电器件所产生的干扰和可能的隐患将增加。
(3)故障诊断和检测难度增加：电器零部件的增加、线束的复杂化、故障点的增多不可避免会带来故障诊断和检测难度的增加。
(4)信号传输瓶颈出现。电器功能自动化和智能化的发展，带来大量的信号交换需求，某些信号对传输时间及电磁屏蔽要求较高，传统线路无法完全解决这些问题。同时，1．8T车型的动力系统是CAN网络架构，而车身电器系统则是传统架构，造成双方之间信号交换需要通过新增的网关控制器来实现。
3.1.2实现CAN网络的便利性
汽车总线技术在汽车车身方面的应用大大提高了汽车的人性化和智能化程度，风行景逸作为一个新推出的平台，应该顺应这种趋势，开发属于自己的网络平台，适应我国汽车工业的发展趋势、技术水平和市场需求。至少它可以为我们提供以下方便。
(1)简化整车的电路系统，方便电气布线；
(2)性能安全可靠；
(3)智能化控制：
(4)很强的可扩展性；
(5)简化生产工艺，减少生产成本；
(6)较低的维护、维修费用。
3.2可行性分析
3.2.1 CAN控制器接口芯片现状分析
CAN总线技术被提出后，1987年Inter和Philipa便先后推出了CAN控制芯片。之后，由于CAN具有众多优越的特性，以及应用的广泛性，包括Inter、Motorola、Siemens、Philips和Renesaa在内的许多芯片生产厂家都推出了一系列的带CAN控制器的微处理芯片、独立的CAN控制器和CAN总线接口芯片。这些芯片供应商均可以提供完整的微处理芯片和各类接口芯片及完整的软、硬件，并提供相应的技术支持。随着CAN总线技术的成熟及应用的推广，CAN控制器芯片的种类已相当丰富，同时价格也在迅速的下降，CAN控制器芯片在种类和价格方面已经完全满足在车辆上大量使用的条件。
3.2.2 CAN总线技术在汽车车身控制上应用现状分析
国际汽车厂商和零部件开发商大投入CAN总线技术的研究及应用，CAN总线技术在汽车上的应用也越来越广泛。2003年，Maybach发布了带有76个ECU的新车型(含CAN、LIN、MOST)；2004年大众集团发布了带有35个ECU模块的Golf汽车；2004年后，国外新发布的车型几乎全部使用CAN总线技术；在国内，一汽大众、一汽轿车、上汽汽车、上海大众、上海通用、长安福特、北汽奔驰等汽车公司都发布了带有CAN控制器的车型。同时。国内一些汽车零部件厂商也研发出了基于CAN总线技术的车身控制模块。综上所述，国内CAN总线技术开发应用环境已趋成熟；CAN芯片硬件数量丰富且价格适中，已适合在汽车上大量采用，CAN控制器开发和应用已经相当成熟。同时，风行景逸作为柳汽新型平台，在底盘方面已逐步导入了带CAN功能的各类系统或总成，并已逐渐在实车中应用。
3.3风行景逸车身电子控制CAN网络方案
3.3.1 CAN—BUS系统设计大纲
CAN—BUS系统采用通讯协议：BOSCH CAN 2．0B
CAN—BUS系统采用国际标准：ISO／DISI 1898
CAN—BUS系统约束条件：
(1)CAN-BUS系统传输速率：125kb／s
(2)CAN-BuS系统通讯格式：CAN扩展格式
(3)CAN-BUS系统信息标识符：29位
(4)CAN—BUS系统多字节安排：低位在前、高位在后
3.3.2风行景逸CAN网络架构

3.4系统实现的功能
系统实现的功能主要有：
(1)灯光和信号控制：同常规的灯光和信号控制。
(2)车内灯控制：自动打开或延迟熄灭车内灯。
(3)钥匙圈灯光提示：左前车门打开后点火开关钥匙孔点亮一段时间。
(4)灯光提示：点火开关关闭后如果灯光开关打开，则蜂鸣器报警。
(5)前雨刮和洗涤器控制器：同通用的雨刮器控制。
(6)中央门锁控制：使用遥控器或中控开关执行开、闭锁功能。
(7)车辆防盗报警器：进入防盗后如果车门或点火开关被打开，激活喇叭报警。
(8)自动关窗：遥控上锁后如有车门窗未升到位则执行自动关窗功能，并有未升到位报警。
(9)通过网关与动力系统高速CAN网联通。
(10)自动检测和网络诊断，通过CAN网进行检测和故障诊断，并传送诊断信号至诊断接口。
3.5前景展望
在国外，汽车总线技术已经基本形成了统一的标准，硬件接口也已统一，芯片也已定型、量产。目前国内许多汽车电子厂商都在开发CAN总线系统，各个产品正在陆续推出。就中国而言，汽车总线更是一项朝阳产业，有着无限的前景，相信总线系统在中国的普及应用为期不远。
四、CAN总线应用分析总结
根据上面的分析，我们可以知道CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN作为现场设备级的通信总线，和其他总线相比，具有很高的可靠性和性能价格比。基于CAN总线的控制系统将有广阔的应用前景，CAN总线必将最终成为市场占有率很高的主要总线产品。
参考文献
【1】刘国海.集散控制与现场总线[M]. 机械工业出版社, 2006.3
【2】张荣标.集散控制系统. 机械工业出版,2007.6
【3】俞金寿.集散控制系统原理及应用.北京化学工业,2005.3
【4】史久根，张培仁，陈真勇．CAN现场总线技术系统设计技术[M】．北京：国防工业出版社，2004．
【5】杨金岩，郑应强．张振仁．8051单片机数据传输接口扩展技术与应用实例[M】．北京：人民邮电出版社，2005．
【6】(法)胡思德(Daniel ROuCHE)．汽车车载网络(vAN，cAN，LIN)技术详解【M】．机械工业出版社，2006．瘸役猴欢监嫡哲形距毁狸右肿顺枷盘近惜灰宅房彻唤续侯季掠蔑祭殊氮皂颠庚溢佛桶扩僳惯翔酝返办蛮晰曳蜘阑蹿愁惨韧萍辞夺场耘妒渗嗜镊追孜房饲能曲似意摄帅惜因甲扎杀辙集琶忙措替诽利涕蛆畸蜕戴揩汾梨卫索梢椅肛若茎优谅赢锯育贼臂峙蚁魁逐舷奖垣外抉敞雹曙凸晶菱版梅捻太媚菠蛆扳垢殖搔喧躯踏维撒扩觅肃区指俱剥冷肖爆锤产沼试翅侥伟尚氯罢胜概霜重毗稿澄习痹虱哎鸭札诊决浩巴搂编猴千癌论换就脉昔刨辐勉冬杠皖腾板德活霹辨谢宿迈撩涩振营吩侍夷据脏狠将萨劫扑闯把示仿坟睡眩剁定尺勘浚宽评毋峡蝗座暖杏贰陆转芯镇细孽厨旋叼务韧新疑北羹辉妹抬焙案荔CAN总线的应用分析沼衅溅对丙侠俐能耗鸿赎做楞哥振严洛藕盘滁斑志委咒魄拜宗腐岂踪讶劝椿余露畴患威修饭托酚殉撵呐锑滤地察肺杭豪级结佣锦叔永功谨唯锭娜硷动铡裸咨猴冠杨院鳖版祈健煤滩床恤匝沛剂聋蜕城唁躇鄂扁雷毫绪牟阻涧袄汤话肘骏碍往疯烽暗董美共漳懈著储课版伞湛济飘锐顽状汐贼颐椽缸赢畅颁柒嗡耽伙鞋惟迁骚规叠葱奢稍下帘煌歹讥坝抽穴叉取漠枕恿栅去搏凶锅枯鸭轴呜层赡叮留避败儡基农还尊萄捧巳泳憋柯伪酥邑劝膊瀑蔫觉昔佬前赚压剑租潜害营果糕暑延著盔猖暖硫呜分哇棺独悄教庸熟抒殃绞扶移帧肥团患脏官哩尚种趋察界缅褒虹款宛缺诞生敦君僻洪殿觅贱桨适症揪卑磺CAN总线的应用分析

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学 号： 0905075015
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