控制器區域網(CAN)技術在工程機械中的應用論文
一 前言
隨著計算機技術、通訊技術、積體電路技術的飛速發展，以全數字式現場匯流排技術為代表現場控制儀表、裝置大量應用，使得傳統的現場控制技術及現場控制裝置發生了巨大的變化。繁瑣的現場連線被單一、簡潔的現場匯流排網路所替代，系統設計靈活、裝置維護簡單，訊號傳輸質量也大幅提高。
電子技術的飛速發展及在工程機械上的廣泛應用，使得工程機械的智慧化程度越來越高，特別是在控制器技術被引入工程機械控制領域後，給工程機械的發展帶來了劃時代的變化，工程機械的操作便利性、安全性、燃油經濟性都得到了大幅提高。
然而，電子裝置的大量使用，必然導致車身佈線越來越長愈來愈複雜，執行可靠性降低、故障維修難度增大，特別是電子控制單元的大量引入，為了提高訊號的利用率，要求人批的資料資訊能在不同的控制單元中共享，大量的控制訊號也需要實時交換，傳統線束已遠遠不能滿足這種需求。在這種情況下，將序列通訊匯流排系統引入可以有效解決上述問題。基於上述原因，博世公司開發了控制器區域網（CAN），並獲得了國際標準化組織的認可及許多半導體器件製造商、網路系統開發商的支援。現在它已經被廣泛地應用於汽車、工程機械和工業現場控制，實踐證明CAN網路是一種效能優異的現場網路。
CAN匯流排技術的引入徹底改變了工程機械控制領域的面貌，分散式控制系統完全取代了集中式控制系統，在眾多具有CAN功能的控制器、感測器和執行器的支援下，繁瑣的現場連線被單一、簡潔的現場匯流排網路所替代，系統設計更加靈活、訊號傳輸質量也大幅提高。
眾多的國際知名公司早在80年代初就積極致力於工程機械及汽車區域網的應用及研究。進入90年代，這些曰趨成熟的技術在國外已廣泛地應用於工程機械領域。為縮短與國際先進水平的差距，研究和開發自己的工程機械區域網系統勢在必行。
二 CAN的技術特徵
1CAN的物理特性
1.1拓撲結構 CAN在物理結構上屬於匯流排式通訊網路。
1.2機械引數及傳輸介質 模組透過一個9針的D型插頭連線到CAN總線上。匯流排採用遮蔽的或非遮蔽的雙絞線，用光纖更佳。
1.3電氣引數及訊號表示 總線上的資料採用不歸零編碼方式（NRZ），可具有兩種互補的邏輯值之一：顯性及隱性。CAN匯流排中各節點使用相同的位速率。它的每位時間由同步段、傳播段、相位緩衝段1及相位緩衝段2組成。傳送器在同步段前改變輸出的位數值，接受器在兩個相位緩衝段間取樣輸入位值，而兩個相位緩衝段長度可自由調節，以保證取樣的可靠性。另外，CAN匯流排採用時鐘同步技術來保證通訊的同步。
2CAN協議
CAN匯流排以報文為單位進行資訊交換，報文中含有標示符（ID），它既描述了資料的含義又表明了報文的優先權。CAN總線上的各個協點都可主動傳送資料。當同時有兩個或兩個以上的節點發送報文時，CAN控制器採用ID進行仲裁。ID控制節點對匯流排的訪問。傳送具有最高優先權報文的節點獲得匯流排的使用權，其他節點自動停止傳送，匯流排空閒後，這些節點將自動重發報文。
2.1CAN協議 分層結構CAN匯流排規範規定了任意兩個節點之間的相容性。包括電氣特件利資料解釋協議。
CAN協議可分為：目標層、傳送層、物理層。其中目標層和傳送層包括了ISO/OSI定義的資料鏈路的所有功能。目標層的功能包括：確認要傳送的資訊；位應用層提供介面。傳送層功能包括：資料幀組織：匯流排仲裁：檢錯、錯誤報告、錯誤處理。
2.2CAN通訊協議 CAN支援四類資訊幀型別。
（1）資料幀CAN協議有兩種資料幀型別標準2.0A和標準2.0B。兩者本質的不同在於ID的長度不同。在2.0A型別中，ID的長度為ll位；在2.0B型別中ID為29位。一個資訊震中包括7個主要的域：
幀起始域——標誌資料幀的開始，由一個顯性位組成。
仲裁域——內容由標示符和遠端傳輸請求位（RTR）組成，RTR用以表明此資訊幀是資料幀還是不包含任何資料的遠地請求幀。當2.0A的資料幀和2.0B的資料幀必須在同一條總線上傳輸時，首先判斷其優先權，如果ID相同，則非擴充套件資料幀的優先權高於擴充套件資料幀。
控制域——r0、r1是保留位，作為擴充套件位，DLC表示一幀中資料位元組的數目。
資料域——包含0～8位元組的資料。
校驗域——檢驗位錯用的迴圈冗餘校驗域，共15位。
應答域——包括應答位和應答分隔符。正確接收到有效報文的接收站在應答期間將匯流排值為顯性電平。
幀結束——由七位隱性電平組成。
（2）遠端幀接受資料的節點可透過發遠端幀請求源節點發送資料。它由6個域組成：幀起始、仲裁域、控制域、校驗域、應答域、幀結束。
（3）錯誤指示幀由錯誤標誌和錯誤分界兩個域組成。接收節點發現總線上的報文有誤時，將自動發出“活動錯誤標誌”其他節點檢測到活動錯誤標誌後傳送“錯誤認可標誌”。
（4）超載幀由超載標誌和超載分隔符組成。超載幀只能在一個幀結束後開始。當接收方接收下一幀之前，需要過多的時間處理當前的資料，或在幀問空隙域檢測到顯性電平時，則導致傳送超載幀。
（5）幀間空隙位於資料幀和遠地幀與前面的資訊幀之間，由幀間空隙和匯流排空閒狀態組成。幀間空隙是必要的，在此期間，CAN不進行新的幀傳送，為的是CAN控制器在下次資訊傳遞前有時間進行內部處理操作。當匯流排空閒時CAN控制器方可傳送資料。
2.3錯誤檢驗為了提高抗干擾能力和資料的可靠性，採取了多種錯誤檢測手段：傳送監視、填充監視、CRC錯、格式錯、應答錯誤等。
2.4匯流排訪問控制要做到資料的實時處理，資料的高速傳輸是關鍵。對於工程機械中的具體節點而言，不僅需要高達1Mbit/s的通訊速率，更需要在幾個節點要競爭訪問匯流排時正確定位哪個節點獲得使用權。總線上的各種資料的延遲要求是不一樣的，快速變化的物理量（如傳送機的轉速、路面的隨機波動訊號等）比慢時變的`物理量（如溫度、壓力等訊號）要求訪問匯流排的頻率大的多。當多個節點同時需要訪問匯流排時，CAN控制器透過各種報文被賦予的優先權標示符及ID數的大小來仲裁誰先發送。
3 CAN匯流排技術的應用特點及支援器件
（一）CAN匯流排技術的應用特點
1.CAN網路上任何一節點均可作為主結點主動地與其他節點交換資料，大大提高系統的效能。
2盋AN網路節點的資訊幀可分出優先順序，且單幀位元組長度短，有很好的實時性。
3.CAN的物理層及資料鏈路層採用獨特的設計技術，使其在抗干擾，錯誤監測能力等方面的效能均超過其他匯流排。
4.CAN的通訊速率相當高。當網路線的長度不超過40米時，其通訊速率可達1Mbit/s。
5.CAN匯流排每幀資料都含有CRC校驗及其他校驗措施，資料出錯率低。
6CAN匯流排節點在嚴重錯誤的情況下，可自動切斷與匯流排的通訊聯絡，以使總線上的其他操作不受影響。
（二）CAN匯流排技術的支援器件
CAN匯流排自問世以來，由於具有眾多獨特的優點，得到廣泛的應用，而且受到眾多的半導體廠商的支援。目前生產支援CAN協議器件的公司有INTEL、MOTOROLA、PHILIPS、SIEMENS、NEC、HONEYWELL等百餘家國際著名公司。其應用器件琳琅滿目、層出不窮，已經形成產品系列。
目前市場上比較常見的有INTEL的CCU3010E、；MISUBISHI的37630；MOTOROLA的MC68HC05XX/MC68376；SIMENS的C505C、C167CR；NEC的78K/0；PHILIPS的80592/98、XA-C3；TEXASINSTRUMENTS的TMS370E08D55等控制器件及外圍感測器及執行器件。
三 CAN在工程機械中的應用
CAN由於具有良好的執行特性、極高的可靠性和獨特的設計，不但特別適合現代工程機械及汽車各電子單元之間的互連通訊，而且日益受到其他業界的歡迎，並被公認為最有發展前途的現場匯流排之一。
在眾多半導體廠商的支援下，國際上一些著名的工程機械大公司如CAT、VOLVO、利勃海爾等都在自己
的產品上廣泛採用CAN匯流排技術來提高產品的技術檔次及可靠性。下面就CAN匯流排在半主動油氣懸架加以說明。
在工程機械半主動變阻尼油氣懸架控制中，利用CAN網路作為懸架之間交換資訊的通道，變集中控制為分散式控制，大大地簡化了線束及器件的佈置，提高了可靠性。
4個節點的優先權按降序排列依次為：右前輪——左前輪——右後輪——左後輪。資料幀包含三位元組資料，其中兩個位元組為非懸架質量加速度，一個位元組為可調阻尼器的相對開度值。通訊速率為300kbit/s。實際應用結果表明網路執行良好，懸架的減震達到預期要求，而且在諸如啟動、急剎車、急轉彎等特殊工況下，透過網路的合理排程，提高了車輛的抗俯仰、側傾的能力，改善了操縱的穩定性。
四、結束語
隨著電子技術和大規模積體電路的迅速發展，網路控制晶片效能逐步提高，體積逐步減小，價格進一步降低，為工程機械區域網技術的普及推廣創造了良好的條件。智慧芯片價格的下降使得工程機械區域網的成本相差無幾，效能成為影響網路選擇的主要因素。CAN以其優異的品質具有明顯的優勢，越發受到業界的歡迎。CAN匯流排在工程機械上的廣泛應用將使工程機械的控制性能、動力性、操縱穩定性、安全性、燃油經濟性都上升到一個新的高度，給工程機械技術的發展注入新的活力。