CANBUS總線基礎(chǔ)講解

1986 年2 月Robert Bosch 公司在SAE 汽車(chē)工程協(xié)會(huì)大會(huì)上介紹了一種新型的串行總線CAN
控制器局域網(wǎng),那是CAN 誕生的時(shí)刻今天在歐洲幾乎每一輛新客車(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(nèi)最重要的總線之
一 甚至領(lǐng)導(dǎo)著串行總線在1999 年接近6 千萬(wàn)個(gè)CAN 控制器投入應(yīng)用2000 年市場(chǎng)銷(xiāo)售超過(guò)
1 億個(gè)CAN 器件
在1980 年的早些時(shí)候Bosch 公司的工程師就開(kāi)始論證當(dāng)時(shí)的串行總線用于客車(chē)系統(tǒng)的可行性因?yàn)?
沒(méi)有一種現(xiàn)成的網(wǎng)絡(luò)方案能夠完全滿足汽車(chē)工程師們的要求于是在1983 年初Uwe Kiencke 開(kāi)始研究
一種新的串行總線新總線的主要方向是增加新功能減少電氣連接線 使其能夠用于產(chǎn)品而非用于驅(qū)
動(dòng)技術(shù)來(lái)自 Mercedes-Benz 的工程師較早制定了總線的狀態(tài)說(shuō)明而Intel 也準(zhǔn)備作為半導(dǎo)體生產(chǎn)的主要
廠商當(dāng)時(shí)聘請(qǐng)的顧問(wèn)之一是來(lái)自于德國(guó)Braunschweig-Wolfenbüttel 的Applied Science 大學(xué)教授Wolfhard
Lawrenz 博士 給出了新網(wǎng)絡(luò)方案的名字Controller Area Network ,簡(jiǎn)稱(chēng)CAN 來(lái)自Karlsruhe 大學(xué)的教授
Horst Wettstein 博士也提供了理論支持
1986 年2 月CAN 誕生了在底特律的汽車(chē)工程協(xié)會(huì)大會(huì)上由 Bosch 公司研究的新總線系統(tǒng)被稱(chēng)為
汽車(chē)串行控制器局域網(wǎng) Uwe Kiencke Siegfried Dais 和 Martin Litschel 分別介紹了這種多主網(wǎng)絡(luò)
方案此方案基于非破壞性的仲裁機(jī)制能夠確保高優(yōu)先級(jí)報(bào)文的無(wú)延遲傳輸并且不需要在總線上設(shè)
置主控制器此外CAN 之父上述幾位教授和Bosch 公司的Wolfgang Borst Wolfgang Botzenhard
Otto Karl Helmut Schelling Jan Unruh 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)種在CAN 中的錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制該錯(cuò)誤檢測(cè)也包括自
動(dòng)斷開(kāi)故障節(jié)點(diǎn)功能以確保能繼續(xù)進(jìn)行剩余節(jié)點(diǎn)之間的通訊傳輸?shù)膱?bào)文并非根據(jù)報(bào)文發(fā)送器/接收器的
節(jié)點(diǎn)地址識(shí)別幾乎其它的總線都是如此而是根據(jù)報(bào)文的內(nèi)容識(shí)別同時(shí)用于識(shí)別報(bào)文的標(biāo)識(shí)符也規(guī)
定了該報(bào)文在系統(tǒng)中的優(yōu)先級(jí)
當(dāng)關(guān)于這種革新的通訊方案的大部分文字內(nèi)容制定之后于1987 年中期Intel 提前計(jì)劃2 個(gè)月交付了
首枚CAN 控制器82526 這是CAN 方案首次通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)僅僅用了四年的時(shí)間設(shè)想就變成了現(xiàn)實(shí)
不久之后Philips 半導(dǎo)體推出了82C200 這兩枚最先的CAN 控制器在驗(yàn)收濾波和報(bào)文控制方面有許多不
同一方面由Intel 主推的FullCAN比由Philips 主推的BasicCAN占用較少的CPU載荷另一方面 FullCAN
器件所能接收的報(bào)文數(shù)目相對(duì)受到限制BasicCAN 控制器僅需較少的硅晶體今天的CAN 控制器中孫
子輩們?cè)谕荒K中的驗(yàn)收濾波和報(bào)文控制方面仍有相當(dāng)?shù)牟煌圃斐鯞asicCAN 和FullCAN 兩大陣
營(yíng)
標(biāo)準(zhǔn)化與一致性
在1990 年早些時(shí)候Bosch CAN 規(guī)范CAN 2.0 版被提交給國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織在數(shù)次行政討論之后
應(yīng)一些主要的法國(guó)汽車(chē)廠商要求增加了Vehicle Area Network VAN 內(nèi)容并于1993 年11 月出版了
CAN 的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898 除了CAN 協(xié)議外它也規(guī)定了最高至1Mbps 波特率時(shí)的物理層同時(shí)在國(guó)
際標(biāo)準(zhǔn)ISO11519-2 中也規(guī)定了CAN 數(shù)據(jù)傳輸中的容錯(cuò)方法1995 年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898 進(jìn)行了擴(kuò)展
以附錄的形式說(shuō)明了29 位CAN 標(biāo)識(shí)符
但令人傷心的是所有出版的CAN 規(guī)范均包含錯(cuò)誤或者不完整因此為避免出現(xiàn)不兼容的CAN 應(yīng)
用Bosch 公司一直在進(jìn)行驗(yàn)證CAN 芯片是否基于Bosch 的CAN 參考模型的工件此外幾年來(lái)在Lawrenz
教授領(lǐng)導(dǎo)下位于德國(guó)Braunschweig/Wolfenbüttel 的 Applied Science 大學(xué)進(jìn)行CAN 的一致性測(cè)試測(cè)試模
式基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試規(guī)范ISO16845
當(dāng)前修訂的CAN 規(guī)范正在標(biāo)準(zhǔn)化中ISO11898-1 稱(chēng)為CAN 數(shù)據(jù)鏈路層ISO11898-2 稱(chēng)為非容
錯(cuò)CAN 物理層ISO11898-3 稱(chēng)為容錯(cuò)CAN 物理層國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11992 卡車(chē)和拖車(chē)接口和ISO11783
農(nóng)業(yè)和森林機(jī)械都在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)J1939 的基礎(chǔ)上定義了基于CAN 應(yīng)用的子協(xié)議但是它們并不完整
CAN 先行者的發(fā)展
盡管當(dāng)初研究CAN 的起點(diǎn)是應(yīng)用于客車(chē)系統(tǒng)但CAN 的第一個(gè)市場(chǎng)應(yīng)用卻來(lái)自于其他領(lǐng)域特別是
在北歐CAN 早已得到非常普遍的應(yīng)用在荷蘭電梯廠商Kone 使用CAN 總線瑞士工程辦公室Kvaser
已建議將CAN 應(yīng)用至一些紡織機(jī)械廠Lindauer Dornier 和 Sulzer 并由他們提供機(jī)器的通訊協(xié)議這一
領(lǐng)域中在 Lars-Berno Fredriksson 的領(lǐng)導(dǎo)下公司建立了CAN 紡織機(jī)械用戶集團(tuán) 到1989 年他們
已研究出通訊原理并于1990 年早期幫助建立CAN Kingdom 開(kāi)發(fā)環(huán)境盡管CAN Kingdom 并不是一
種基于OSI 參考模型的應(yīng)用層但它被認(rèn)為是基于CAN 的高層協(xié)議的原型
在荷蘭Philips 醫(yī)療系統(tǒng)決定使用CAN 構(gòu)成X 光機(jī)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)成為CAN 的工業(yè)用戶主要由Tom
Suters 發(fā)表的Philips 報(bào)文規(guī)范PMS 提出了CAN 網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)應(yīng)用層來(lái)自德國(guó)Weingarten 的Applied
Science 大學(xué)教授 Konrad Etschberger 博士也持同樣的觀點(diǎn)他管理Steinbeis Transfer Center for Process
Automation Stzp 公司現(xiàn)在更名為IXXAT Automation 公司并開(kāi)發(fā)出一個(gè)類(lèi)似的方案
不管如何第一個(gè)高層協(xié)議正在形成大多數(shù)CAN 的先行者使用單片電路的方法通訊功能網(wǎng)絡(luò)管
理應(yīng)用代碼組合在同一個(gè)軟件之中即使一些用戶有較多的標(biāo)準(zhǔn)模塊可供利用但面對(duì)所有的解決方案
他們也一定存在著缺陷必須持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)展CAN 的高層協(xié)議即使在今天仍然有部分用戶低估這個(gè)
問(wèn)題
在1990 年的早些時(shí)候開(kāi)始籌劃成立一個(gè)用戶組織從而將不同的解決方案標(biāo)準(zhǔn)化在1992 年初的
幾個(gè)月里當(dāng)時(shí)VMEbus 雜志的主管出版社Franzis Holger Zeltwanger 將用戶和廠商集中在一起討
論建立一個(gè)促進(jìn)CAN 技術(shù)發(fā)展的中立平臺(tái)同時(shí)也針對(duì)串行總線市場(chǎng)進(jìn)行分析1992 年5 月CiA CAN
in Automation 用戶集團(tuán)正式成立僅在幾個(gè)星期后CiA 即發(fā)表了第一份技術(shù)雜志那是關(guān)于物理層的
CiA 推薦僅使用遵循ISO11898 的CAN 收發(fā)器到現(xiàn)在為止在當(dāng)時(shí)的CAN 網(wǎng)絡(luò)中使用非常普遍但并不
兼容的RS-485 收發(fā)器已基本消失盡管它也是廠商提供的
CiA 的首批任務(wù)之一是規(guī)定CAN 的應(yīng)用層根據(jù)Philips 醫(yī)療系統(tǒng)PMS 和Stzp 所提供的內(nèi)容依
靠其余CiA 會(huì)員的協(xié)助CAL CAN 應(yīng)用層也稱(chēng)為綠皮書(shū)誕生了在制定CAN 應(yīng)用規(guī)范時(shí)
CiA 的一個(gè)主要任務(wù)是進(jìn)行CAN 專(zhuān)家和其他CAN 學(xué)習(xí)者之間的信息交流因此從1994 年起CiA 每年
召開(kāi)一次國(guó)際CAN 會(huì)議iCC
另外一個(gè)理論的方法是借鑒于LAV 一個(gè)農(nóng)業(yè)的交通工具協(xié)會(huì)在1980 年晚些時(shí)候開(kāi)始一個(gè)基于
CAN 的農(nóng)業(yè)交通工具總線系統(tǒng)LBS 被制定出但在工作最終完成前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)決定改向支持
US 解決方案J1939 這也是一個(gè)基于CAN 的應(yīng)用子協(xié)議由SAE 的 Truck and Bus 協(xié)會(huì)制定J1939
是一個(gè)非模塊化的方案簡(jiǎn)單易學(xué)但靈活性很差
從理論到實(shí)踐
當(dāng)然生產(chǎn)CAN 模塊集成器件的15 家半導(dǎo)體廠商主要聚焦于汽車(chē)工業(yè)從1990 年中期起Infineon
公司和Motorola 公司已向歐洲的客車(chē)廠商提供了大量的CAN 控制器作為下一波從1990 年后期起遠(yuǎn)
東的半導(dǎo)體廠商也開(kāi)始提供CAN 控制器1994 年NEC 推出了傳說(shuō)中的CAN 芯片 72005 但是這一
步太早了當(dāng)時(shí)這個(gè)器件并不能投入使用
從1992 年起Mercedes-Benz 奔馳 開(kāi)始在他們的高級(jí)客車(chē)中使用CAN 技術(shù)第一步使用電子控制
器通過(guò)CAN 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行管理第二步使用控制器接收人們的操作信號(hào)這就使用了2 個(gè)物理上獨(dú)立的
CAN 總線系統(tǒng)它們通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接其他的客車(chē)廠商也紛紛趕來(lái)斯圖加特學(xué)習(xí)在他們的客車(chē)上也使用2
當(dāng)前修訂的CAN 規(guī)范正在標(biāo)準(zhǔn)化中ISO11898-1 稱(chēng)為CAN 數(shù)據(jù)鏈路層ISO11898-2 稱(chēng)為非容
錯(cuò)CAN 物理層ISO11898-3 稱(chēng)為容錯(cuò)CAN 物理層國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO11992 卡車(chē)和拖車(chē)接口和ISO11783
農(nóng)業(yè)和森林機(jī)械都在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)J1939 的基礎(chǔ)上定義了基于CAN 應(yīng)用的子協(xié)議但是它們并不完整
CAN 先行者的發(fā)展
盡管當(dāng)初研究CAN 的起點(diǎn)是應(yīng)用于客車(chē)系統(tǒng)但CAN 的第一個(gè)市場(chǎng)應(yīng)用卻來(lái)自于其他領(lǐng)域特別是
在北歐CAN 早已得到非常普遍的應(yīng)用在荷蘭電梯廠商Kone 使用CAN 總線瑞士工程辦公室Kvaser
已建議將CAN 應(yīng)用至一些紡織機(jī)械廠Lindauer Dornier 和 Sulzer 并由他們提供機(jī)器的通訊協(xié)議這一
領(lǐng)域中在 Lars-Berno Fredriksson 的領(lǐng)導(dǎo)下公司建立了CAN 紡織機(jī)械用戶集團(tuán) 到1989 年他們
已研究出通訊原理并于1990 年早期幫助建立CAN Kingdom 開(kāi)發(fā)環(huán)境盡管CAN Kingdom 并不是一
種基于OSI 參考模型的應(yīng)用層但它被認(rèn)為是基于CAN 的高層協(xié)議的原型
在荷蘭Philips 醫(yī)療系統(tǒng)決定使用CAN 構(gòu)成X 光機(jī)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)成為CAN 的工業(yè)用戶主要由Tom
Suters 發(fā)表的Philips 報(bào)文規(guī)范PMS 提出了CAN 網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)應(yīng)用層來(lái)自德國(guó)Weingarten 的Applied
Science 大學(xué)教授 Konrad Etschberger 博士也持同樣的觀點(diǎn)他管理Steinbeis Transfer Center for Process
Automation Stzp 公司現(xiàn)在更名為IXXAT Automation 公司并開(kāi)發(fā)出一個(gè)類(lèi)似的方案
不管如何第一個(gè)高層協(xié)議正在形成大多數(shù)CAN 的先行者使用單片電路的方法通訊功能網(wǎng)絡(luò)管
理應(yīng)用代碼組合在同一個(gè)軟件之中即使一些用戶有較多的標(biāo)準(zhǔn)模塊可供利用但面對(duì)所有的解決方案
他們也一定存在著缺陷必須持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)展CAN 的高層協(xié)議即使在今天仍然有部分用戶低估這個(gè)
問(wèn)題
在1990 年的早些時(shí)候開(kāi)始籌劃成立一個(gè)用戶組織從而將不同的解決方案標(biāo)準(zhǔn)化在1992 年初的
幾個(gè)月里當(dāng)時(shí)VMEbus 雜志的主管出版社Franzis Holger Zeltwanger 將用戶和廠商集中在一起討
論建立一個(gè)促進(jìn)CAN 技術(shù)發(fā)展的中立平臺(tái)同時(shí)也針對(duì)串行總線市場(chǎng)進(jìn)行分析1992 年5 月CiA CAN
in Automation 用戶集團(tuán)正式成立僅在幾個(gè)星期后CiA 即發(fā)表了第一份技術(shù)雜志那是關(guān)于物理層的
CiA 推薦僅使用遵循ISO11898 的CAN 收發(fā)器到現(xiàn)在為止在當(dāng)時(shí)的CAN 網(wǎng)絡(luò)中使用非常普遍但并不
兼容的RS-485 收發(fā)器已基本消失盡管它也是廠商提供的
CiA 的首批任務(wù)之一是規(guī)定CAN 的應(yīng)用層根據(jù)Philips 醫(yī)療系統(tǒng)PMS 和Stzp 所提供的內(nèi)容依
靠其余CiA 會(huì)員的協(xié)助CAL CAN 應(yīng)用層也稱(chēng)為綠皮書(shū)誕生了在制定CAN 應(yīng)用規(guī)范時(shí)
CiA 的一個(gè)主要任務(wù)是進(jìn)行CAN 專(zhuān)家和其他CAN 學(xué)習(xí)者之間的信息交流因此從1994 年起CiA 每年
召開(kāi)一次國(guó)際CAN 會(huì)議iCC
另外一個(gè)理論的方法是借鑒于LAV 一個(gè)農(nóng)業(yè)的交通工具協(xié)會(huì)在1980 年晚些時(shí)候開(kāi)始一個(gè)基于
CAN 的農(nóng)業(yè)交通工具總線系統(tǒng)LBS 被制定出但在工作最終完成前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)決定改向支持
US 解決方案J1939 這也是一個(gè)基于CAN 的應(yīng)用子協(xié)議由SAE 的 Truck and Bus 協(xié)會(huì)制定J1939
是一個(gè)非模塊化的方案簡(jiǎn)單易學(xué)但靈活性很差
從理論到實(shí)踐
當(dāng)然生產(chǎn)CAN 模塊集成器件的15 家半導(dǎo)體廠商主要聚焦于汽車(chē)工業(yè)從1990 年中期起Infineon
公司和Motorola 公司已向歐洲的客車(chē)廠商提供了大量的CAN 控制器作為下一波從1990 年后期起遠(yuǎn)
東的半導(dǎo)體廠商也開(kāi)始提供CAN 控制器1994 年NEC 推出了傳說(shuō)中的CAN 芯片 72005 但是這一
步太早了當(dāng)時(shí)這個(gè)器件并不能投入使用
從1992 年起Mercedes-Benz 奔馳 開(kāi)始在他們的高級(jí)客車(chē)中使用CAN 技術(shù)第一步使用電子控制
器通過(guò)CAN 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行管理第二步使用控制器接收人們的操作信號(hào)這就使用了2 個(gè)物理上獨(dú)立的
CAN 總線系統(tǒng)它們通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接其他的客車(chē)廠商也紛紛趕來(lái)斯圖加特學(xué)習(xí)在他們的客車(chē)上也使用2