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CAN（Controllor Area Networks，控制器局域网络）只是一个模型或是一个框架，真正应用的主要是CAN-Open和DeviceNet两种总线传输协议，前者主要由Bosch主导形成，后者是美国AB-Rockwell开发的。CAN总线是最早的现场总线，用于自动控制系统的数据传输。CAN总线的方案也是现场总线中结构最简单、成本最低的一种，也是由于这个的原因，在CAN总线发展的初期，应用的最为广泛，远远领先于其他标准的现场总线。 那时我所在的公司就有CAN总线产品，同时支持CAN-Open和DeviceNet。在一次展会上，一个老外对这类产品比较感兴趣，与他聊了聊，得知他是AB的，就对CAN总线称赞一番，也对AB称赞了几句，那家伙很高兴。自家的东西被人夸赞，喜不胜收，也是人之常情。 AB的协议是DeviceNet，更多的应用在工业设备之间的通信；CAN-Open主要应用于汽车内各个电子设备的连接。几年前有个留美的同学回国聚会，谈到她在做软件开发，问是那个软件公司，得知是在福特，我就问了一下是不是做CAN，果然。 后来，更多的现场总线标准被提出，CAN总线的弊端暴露出来，网络容量小，传输距离近（也可以传远，但其他优势受到影响)，信道容量小，系统互联不甚方便等。因此，CAN总线的使用日趋减少。更重要的是各个自动化行业的巨头，出于商业方面的考虑，更愿意采用自己的专有技术，比如欧洲巨头西门子主推ProfiBus，北美的厂商主推FF Bus（现场总线基金会标准），在我国市场上，由于没有自己的标准，成了万国博览会，几十种标准的产品都有，但西门子产品市场占有率较高，所以ProfiBus应用较多。 由于几大巨头的夹击，CAN 总线江河日下，应用越来越少，现在基本收缩到两个主要的行业：汽车和电力，另外在一些军工、石油和传感器等方面还有一些小规模的应用。 CAN总线主要的物理传输介质是铜缆双绞线（STP或UTP，较少使用光纤），造价低，系统简单，近距离传输速率高，实时性好，多主传输，区分优先级，技术难度低。平心而论，CAN总线应用在汽车上面是很合适的。 在CAN总线的诸多优点中，低成本、实时性好的优点，对于汽车控制比较为重要。 低成本无需多说，就说说实时性。 所谓总线，可以比喻成双向只有一条车道的公路。总线的特性，就是同一时刻，所有连接在网络上的设备中，只能有一个设备能够使用网络传输数据，其余的设备都只能接收和等待，否则无法通信。所以总线协议都需要对于总线竞争给出仲裁方法，就像是交通规则。 仲裁方案最有意思的是以太网（Ethernet），也就是我们所说的局域网（LAN，其实EtherNet只是局域网的一种，不知道有没有人知道令牌环？），也是应用的最为广泛的网络协议。这个协议比较复杂，最早是为无线通信开发的，按照ISO的模型，完整的协议要有七层，但实际的应用，合并的合并简配的简配，一般用到4-5层。它的仲裁机制叫做CSMA/CD协议（载波侦听多路访问/冲突检测协议），大概的意思是说每个网络设备在发数据之前，先收一下，看看有没有人在发数据，有的话就等待一下，否则就开始发数据；在发数据的同时，自己也接收数据，如果两者相同，就认为发送成功，天下太平；反之，就是别人也在发数据，撞车了。这时大家都要立即停止发送，以免肇事，然后等待一小会儿，再重发，如果再碰撞，就再等，直到检测不到到碰撞。由于每个设备的等待时间不一致，再次碰撞的机会较少，所以网络在不太繁忙的时候，秩序很好，因为大家都是谦谦君子，文明司机。 这个协议的问题是，一旦有一个设备出了故障，不停地发数据，或者乱发数据，比如出现了一个或若干个虎女，或者来了军警特宪的王牌车，网络就瘫痪了；或者网络很拥挤的时候，大家都检测到碰撞，你让我我让你，结果出现了大家都走不了的情况；更严重的是，如果有一个非常紧急的数据需要发出去（比如来了一辆救护车），也没有办法让它优先，保证不了通信的实时性。 这个东西如果用在汽车上，问题就严重了。而汽车控制对于实时性的要求，是显而易见的。做个比喻吧，加速度传感器测得加速度值，传递给气囊控制器（可能还有ESP控制器，安全带等），气囊控制器根据此数值，决定是不是该弹出。这个信号的传输速度，自然是越快越好。如果这个信号在一个实时性很不好的系统中悠哉游哉地漫步，一直都在做文明司机，等信号送到，黄瓜菜都凉了。 而CAN的总线仲裁机制，是采用了对各个设备进行优先级区分的办法实现的。每个设备的优先级不一样，优先级高的，可以抢先发送。而这个优先级，就是该设备的网络地址。比如加速度传感器优先级最高，可以获得最好的响应速度，保证了实时性，确保安全；而诸如水箱温度优先级就让它低一些，不就是在仪表盘上显示个数据么，温度优势缓变信号，晚几秒钟没有问题，有几个驾驶员每秒钟都看温度？ CAN总线可以用布置成多主结构和点对点（peer to peer）同级通信的办法，提高总线利用效率。比如在汽车中水箱温度升高，按照一般的方法，控制器查询温度传感器的温度，温度传感器将温度值传递给控制器，控制器再依次开动冷却风扇，增加冷却水循环速度，更新仪表盘数据，再启动声音提醒等，这是一个典型的主从结构网络的工作过程。这个过程中，数据（包括控制信号）被传输了多次，不仅耽搁了时间，也占用了宝贵的信道资源，效率低下。而采用多主传输，温度传感器可以主动将数据传递给所有需要温度值的设备，各个设备依照该温度值自行采取相应的动作，大大的提高了总线效率。 从控制系统的角度来讲，CAN总线只是一种普通的串行总线技术，技术含量并不高。而且相对于所谓的K线而言，减少了大量的线束及附件，简化了系统，降低了故障率，同时也节省了大量的布线空间，使得设计、制造、维护的难度大大减小。所以采用CAN总线系统，并不会增加多少成本，如果处理的好，还能够降低成本。 汽车内部的CAN总线，应该是使用双绞线，不大可能采用光纤。从成本考虑，光纤本身并不比铜缆贵，甚至比铜缆便宜，但光纤的接口器件很贵，连接起来也比较麻烦，综合起来看，采用光纤的方案，成本要高很多。当然光纤的优点也是非常明显的，就是信道容量大，传输速率高，距离远。 虽然光纤有抗电磁干扰强的优点，但它的另外一个缺点更致命----就是一旦断裂，修复困难。现在只能用熔接的方法修复，费时费力，还需要专用的熔接器；而使用铜缆的双绞线的连接，要容易得多，包好绝缘，就能使用，在应急的时候，甚至可以徒手操作。两者相比，优劣自现。 有人说，铜缆的绝缘在高温的情况下，容易老化，碎裂，从而引发故障。这的确是个弱点，但光纤也好不到哪儿去。光纤（尤其是多模光纤，汽车上不大可能使用单模光纤）也是一种塑料，也是怕高温的。同时，光纤的机械性能很差，必须包裹厚厚的护套。铠装的光纤只能提高机械强度，对于高温，也无能为力。况且，使用铜缆即使在绝缘老化的情况下，只要不短路，还能凑合用，而光纤在高温下特性会劣化，更经不起折腾。 CAN总线应用在汽车上，也并非完美无缺。CAN总线终归是一种总线技术，总线所连接的所有设备，其数据通信完全依赖于这条线路，一旦总线故障，所受的影响，比之每个设备都用单独的连线连接，要严重得多，可以说是一损俱损。而汽车的安全性，在所有的指标中，是最为敏感、最为重要的。这大概也就是CAN总线在汽车上的应用，没有一哄而起，而是逐步推进的主要原因吧。 |
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