1.2 CAN总线概述

CAN（Controller Area Network，控制器局域网络）属于工业现场总线的范畴。最初CAN总线是由德国的Bosch（博世）公司为汽车监测、系统控制而设计的。由于其高性能、高可靠性及独特的设计，CAN总线越来越受到人们的重视。它在汽车领域得到最广泛的应用，世界上几乎所有的汽车制造厂商都在使用。

1.2.1 CAN总线简史

CAN总线的发展历史在很大程度上代表着车载网络从产生到普及的过程，以下为CAN总线发展的5个关键阶段。

1983年，德国的Bosch公司开发设计了CAN总线协议。

1987年，第一块CAN控制器芯片由Intel公司设计成功。

1990年，第一辆应用CAN总线的量产车Mercedes S-Class出现。

1991年，CAN 2.0发布（Part A与Part B）。

1993年，CAN成为国际标准ISO 11898（高速应用）和ISO 11519（低速应用）。

1.2.2 CAN总线特点

CAN的规范从CAN 1.2规范（标准格式）发展为兼容CAN 1.2规范的CAN 2.0规范（CAN 2.0A为标准格式，CAN 2.0B为扩展格式），目前应用的CAN器件大多符合CAN 2.0规范。

CAN总线是一种串行数据通信协议，其通信接口中集成了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、优先级判别等工作。

CAN总线的特点主要如下。

（1）可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，不分主从，通信方式灵活。

（2）采用无破坏性的基于优先级的逐位仲裁，标识符越小，优先级越高。若两个节点同时向网络上传送数据，优先级高的报文获得总线访问权，优先级低的报文会在下一个总线周期自动重发。

（3）可以采用点对点、点对多及全局广播等传送方式收发数据。

（4）直接通信距离最远可达10km（速率5kb/s以下）。

（5）通信速率最高可达1Mb/s（此时距离最长40m）。

（6）节点数实际可达110个。

（7）每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，数据出错率极低。

（8）通信介质可采用双绞线、同轴电缆和光导纤维，一般采用廉价的双绞线即可，无特殊要求。

（9）节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，以切断它与总线的联系，使总线上的其他操作不受影响。

1.2.3 CAN总线主要应用

由于CAN总线具有突出的可靠性、实时性、良好的通信性能以及相对合理的成本价格，使得其在汽车制造、大型仪器设备、工业控制、楼宇智能化及智能机器人等方面的应用越来越广泛。

1．汽车制造中的应用

由于采用CAN总线技术，模块之间的信号传递仅需要一条或两条信号线，可以减少车身布线，进一步节省了成本。CAN总线系统数据稳定可靠，具有线间干扰小、抗干扰能力强等特点。CAN总线设计最初为汽车量身定做，充分考虑到了汽车上恶劣的工作环境。

在现代轿车的设计中，CAN已经成为必须采用的装置，奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺等汽车都采用了CAN作为控制器联网的通信方式。目前，CAN总线技术在我国汽车工业中已经被广泛应用。

2．大型仪器设备中的应用

大型仪器设备是一种参照一定步骤对多种信息采集、处理、控制、输出等操作的复杂系统。过去这类仪器设备的电子系统往往是在结构和成本方面占据相当大的部分，而且可靠性不高。采用CAN总线技术后，在这方面有了明显改观。

有些测控领域中，很多时候一次传输的报文量很小，但数据的传输需要考虑优先级别，这时CAN总线就非常适合应用于这类大型仪器系统模块化之间的互相通信。

3．工业控制中的应用

目前CAN总线技术作为现场设备级的通信总线，具有很高的可靠性和性价比，在工程机械上的应用越来越广泛。国际上一些著名的工程机械大公司如CAT、VOLVO等都在自己的产品上广泛采用CAN总线技术，大大提高了整机的可靠性、可检测性和可维修性，同时提高了智能化水平。而在国内，CAN总线控制系统也开始在工程汽车的控制系统中广泛应用，在工程机械行业中也正在逐步推广应用。

4．智能家庭和生活小区智能化中的应用

近些年，智能家庭和小区智能化发展迅速，但系统设计需要考虑功能、性能、成本、扩充能力及现代相关技术的应用等多方面。基于这样的需求，采用CAN技术所设计的家庭智能管理系统比较适合于远程抄表、防盗、防火、防可燃气体泄漏、紧急救援和家电控制等方面。

CAN总线可以作为小区管理系统的一部分，负责收集家庭中的一些数据和信号，并上传到小区监控中心。每户的家庭控制器是CAN总线上的节点，控制系统可通过总线发送报警信号，定期向自动抄表系统发送三表数据，并接收小区管理系统的通告信息，如欠费通知、火警警报等。

5．智能机器人技术中的应用

智能机器人技术是近年来一直备受关注的话题，也是我国开展新技术研究和新技术应用工程及产品开发的主要领域之一。把CAN总线技术充分应用于现有的控制器当中，将可开发出高性能的机器人生产线系统。通过对现有的机器人控制器进行硬件改进和软件开发，结合CAN技术和通信技术，并开发出上位机监控软件，从而实现多台机器人的网络互联，最终实现基于CAN网络的机器人生产线集成系统。这样做的好处有很多，例如，实现单根电缆串接全部设备，节省安装维护开销；提高实时性，信息可共享；提高多控制器系统的检测、诊断和控制性能；通过离线的任务调度、作业的下载及错误监控等技术，把一部分人从机器人工作的现场彻底脱离出来。

1.2.4 CAN-FD协议简介

在汽车领域，随着人们对数据传输带宽要求的增加，传统的CAN总线由于带宽的限制难以满足这种需求。此外，为了缩小CAN网络（max.1Mb/s）与FlexRay（max.10Mb/s）网络的带宽差距，Bosch公司推出了CAN-FD。

CAN-FD（CAN with Flexible Data rate）继承了CAN总线的主要特性。CAN总线有很高的安全性，但总线带宽和数据场长度却受到制约。CAN-FD总线弥补了CAN总线带宽和数据场长度的制约。CAN-FD总线与CAN总线的区别主要在以下两个方面。

1．可变速率

CAN-FD采用了两种位速率：从控制场中的BRS位到ACK场之前（含CRC分界符）为可变速率，其余部分为原CAN总线用的速率。两种速率各有一套位时间定义寄存器，它们除了采用不同的位时间单位TQ外，位时间各段的分配比例也可不同。

2．新的数据场长度

CAN-FD对数据场的长度做了很大的扩充，DLC最大支持64B，在DLC小于等于8B时与原CAN总线是一样的，大于8B时有一个非线性的增长，大大提高了报文中的有效数据，使得CAN-FD具有更高的传输带宽。