控制器局域网(CAN)技术在工程机械中的应用

一、前言
    随着计算机技术、通讯技术、集成电路技术的飞速发展，以全数字式现场总线技术为代表现场控制仪表、设备大量应用，使得传统的现场控制技术及现场控制设备发生了巨大的变化。繁琐的现场连线被单一、简洁的现场总线网络所替代，系统设计灵活、设备维护简单，信号传输质量也大幅提高。
    电子技术的飞速发展及在工程机械上的广泛应用，使得工程机械的智能化程度越来越高，特别是在控制器技术被引入工程机械控制领域后，给工程机械的发展带来了划时代的变化，工程机械的操作便利性、安全性、燃油经济性都得到了大幅提高。
    然而，电子设备的大量使用，必然导致车身布线越来越长愈来愈复杂，运行可靠性降低、故障维修难度增大，特别是电子控制单元的大量引入，为了提高信号的利用率，要求人批的数据信息能在不同的控制单元中共享，大量的控制信号也需要实时交换，传统线束已远远不能满足这种需求。在这种情况下，将串行通讯总线系统引入可以有效解决上述问题。基于上述原因，博世公司开发了控制器局域网（CAN），并获得了国际标准化组织的认可及许多半导体器件制造商、网络系统开发商的支持。现在它已经被广泛地应用于汽车、工程机械和工业现场控制，实践证明CAN网络是一种性能优异的现场网络。
    CAN总线技术的引入彻底改变了工程机械控制领域的面貌，分布式控制系统完全取代了集中式控制系统，在众多具有CAN功能的控制器、传感器和执行器的支持下，繁琐的现场连线被单一、简洁的现场总线网络所替代，系统设计更加灵活、信号传输质量也大幅提高。
    众多的国际知名公司早在80年代初就积极致力于工程机械及汽车局域网的应用及研究。进入90年代，这些曰趋成熟的技术在国外已广泛地应用于工程机械领域。为缩短与国际先进水平的差距，研究和开发自己的工程机械局域网系统势在必行。

二、CAN的技术特征
    1、CAN的物理特性
    1.1拓扑结构
    CAN在物理结构上属于总线式通信网络。
    1.2机械参数及传输介质
    模块通过一个9针的D型插头连接到CAN总线上。总线采用屏蔽的或非屏蔽的双绞线，用光纤更佳。
    1.3电气参数及信号表示
    总线上的数据采用不归零编码方式（NRZ），可具有两种互补的逻辑值之一：显性及隐性。CAN总线中各节点使用相同的位速率。它的每位时间由同步段、传播段、相位缓冲段1及相位缓冲段2组成。发送器在同步段前改变输出的位数值，接受器在两个相位缓冲段间采样输入位值，而两个相位缓冲段长度可自由调节，以保证采样的可靠性。另外，CAN总线采用时钟同步技术来保证通讯的同步。
    2、CAN协议
    CAN总线以报文为单位进行信息交换，报文中含有标示符（ID），它既描述了数据的含义又表明了报文的优先权。CAN总线上的各个协点都可主动发送数据。当同时有两个或两个以上的节点发送报文时，CAN控制器采用ID进行仲裁。ID控制节点对总线的访问。发送具有最高优先权报文的节点获得总线的使用权，其他节点自动停止发送，总线空闲后，这些节点将自动重发报文。
    2.1 CAN协议
    分层结构CAN总线规范规定了任意两个节点之间的兼容性。包括电气特件利数据解释协议。CAN协议可分为：目标层、传送层、物理层。其中目标层和传送层包括了ISO/OSI定义的数据链路的所有功能。目标层的功能包括：确认要发送的信息；位应用层提供接口。传送层功能包括：数据帧组织：总线仲裁：检错、错误报告、错误处理。
    2.2 CAN通信协议
    CAN支持四类信息帧类型。
    （1）数据帧：CAN协议有两种数据帧类型标准2.0A和标准2.0B。两者本质的不同在于ID的长度不同。在2.0A类型中，ID的长度为l l位；在2.0B类型中ID为29位。一个信息震中包括7个主要的域：
    帧起始域——标志数据帧的开始，由一个显性位组成。
    仲裁域——内容由标示符和远程传输请求位（RTR）组成，RTR用以表明此信息帧是数据帧还是不包含任何数据的远地请求帧。当2.0A的数据帧和2.0B的数据帧必须在同一条总线上传输时，首先判断其优先权，如果ID相同，则非扩展数据帧的优先权高于扩展数据帧。
    控制域——r0、r1是保留位，作为扩展位，DLC表示一帧中数据字节的数目。
    数据域——包含0～8字节的数据。
    校验域——检验位错用的循环冗余校验域，共15位。
    应答域——包括应答位和应答分隔符。正确接收到有效报文的接收站在应答期间将总线值为显性电平。帧结束——由七位隐性电平组成。
    （2）远程帧：接受数据的节点可通过发远程帧请求源节点发送数据。它由6个域组成：帧起始、仲裁域、控制域、校验域、应答域、帧结束。
    （3）错误指示帧：由错误标志和错误分界两个域组成。接收节点发现总线上的报文有误时，将自动发出“活动错误标志”其他节点检测到活动错误标志后发送“错误认可标志”。
    （4）超载帧 由超载标志和超载分隔符组成。超载帧只能在一个帧结束后开始。当接收方接收下一帧之前，需要过多的时间处理当前的数据，或在帧问空隙域检测到显性电平时，则导致发送超载帧。
    （5）帧间空隙 位于数据帧和远地帧与前面的信息帧之间，由帧间空隙和总线空闲状态组成。帧间空隙是必要的，在此期间，CAN不进行新的帧发送，为的是CAN控制器在下次信息传递前有时间进行内部处理操作。当总线空闲时CAN控制器方可发送数据。
    2.3 错误检验
    为了提高抗干扰能力和数据的可靠性，采取了多种错误检测手段：发送监视、填充监视、CRC错、格式错、应答错误等。
    2.4 总线访问控制要做到数据的实时处理，数据的高速传输是关键。对于工程机械中的具体节点而言，不仅需要高达1Mbit/s的通信速率，更需要在几个节点要竞争访问总线时正确定位哪个节点获得使用权。总线上的各种数据的延迟要求是不一样的，快速变化的物理量（如发送机的转速、路面的随机波动信号等）比慢时变的物理量（如温度、压力等信号）要求访问总线的频率大的多。当多个节点同时需要访问总线时，CAN控制器通过各种报文被赋予的优先权标示符及ID数的大小来仲裁谁先发送。
    3、CAN总线技术的应用特点及支持器件
    （一）CAN总线技术的应用特点
    1、CAN网络上任何一节点均可作为主结点主动地与其他节点交换数据，大大提高系统的性能。
    2、CAN网络节点的信息帧可分出优先级，且单帧字节长度短，有很好的实时性。
    3、CAN的物理层及数据链路层采用独特的设计技术，使其在抗干扰，错误监测能力等方面的性能均超过其他总线。
    4、CAN的通信速率相当高。当网络线的长度不超过40米时，其通信速率可达1Mbit/s。
    5.CAN总线每帧数据都含有CRC校验及其他校验措施，数据出错率低。    6 CAN总线节点在严重错误的情况下，可自动切断与总线的通信联系，以使总线上的其他操作不受影响。
    （二）CAN总线技术的支持器件
    CAN总线自问世以来，由于具有众多独特的优点，得到广泛的应用，而且受到众多的半导体厂商的支持。目前生产支持CAN协议器件的公司有INTEL、MOTOROLA、PHILIPS、SIEMENS、NEC、HONEYWELL等百余家国际著名公司。其应用器件琳琅满目、层出不穷，已经形成产品系列。
    目前市场上比较常见的有INTEL的CCU3010E、；MISUBISHI的37630；MOTOROLA的MC68HC05XX/MC68376；SIMENS的C505C、C167CR；NEC的78K/0；PHILIPS的80592/98、XA-C3；TEXAS INSTRUMENTS的TMS370E08D55等控制器件及外围传感器及执行器件。

三、CAN在工程机械中的应用
    CAN由于具有良好的运行特性、极高的可靠性和独特的设计，不但特别适合现代工程机械及汽车各电子单元之间的互连通讯，而且日益受到其他业界的欢迎，并被公认为最有发展前途的现场总线之一。
    在众多半导体厂商的支持下，国际上一些著名的工程机械大公司如CAT、VOLVO、利勃海尔等都在自己的产品上广泛采用CAN总线技术来提高产品的技术档次及可靠性。下面就CAN总线在半主动油气悬架加以说明。
    在工程机械半主动变阻尼油气悬架控制中，利用CAN网络作为悬架之间交换信息的通道，变集中控制为分布式控制，大大地简化了线束及器件的布置，提高了可靠性。
    4个节点的优先权按降序排列依次为：右前轮——左前轮——右后轮——左后轮。数据帧包含三字节数据，其中两个字节为非悬架质量加速度，一个字节为可调阻尼器的相对开度值。通讯速率为300 kbit/s。实际应用结果表明网络运行良好，悬架的减震达到预期要求，而且在诸如启动、急刹车、急转弯等特殊工况下，通过网络的合理调度，提高了车辆的抗俯仰、侧倾的能力，改善了操纵的稳定性。

四、结束语
    随着电子技术和大规模集成电路的迅速发展，网络控制芯片性能逐步提高，体积逐步减小，价格进一步降低，为工程机械局域网技术的普及推广创造了良好的条件。智能芯片价格的下降使得工程机械局域网的成本相差无几，性能成为影响网络选择的主要因素。CAN以其优异的品质具有明显的优势，越发受到业界的欢迎。CAN总线在工程机械上的广泛应用将使工程机械的控制性能、动力性、操纵稳定性、安全性、燃油经济性都上升到一个新的高度，给工程机械技术的发展注入新的活力。