局部网络控制器性能分析与优化

控制器局部网（CAN-Controller Area Network）属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN网络原本是德国BOSCH公司为欧洲汽车市场所开发的。CAN推出之初是用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信。例如汽车制动防抱死系统、安全气囊等。对机动车辆总线和对现场总线的需求有许多相似之处，即能够以较低的成本、较高的实时处理能力在强电磁干扰环境下可靠地工作。因此CAN总线可广泛应用于离散控制领域中的过程监测和控制，特别是工业自动化的底层监控，以解决控制与测试之间的可靠和实时数据交换。

CAN总线有如下基本特点：

1）CAN协议最大的特点是废除了传统的站地址编码，代之以对数据通信数据块进行编码，可以多主方式工作。

2）CAN采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，有效避免了总线冲突。

3）CAN采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个（CAN技术规范2.0A），数据传输时间短，受干扰的概率低，重新发送的时间短。

4）CAN的每帧数据都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性，适于在高干扰环境中使用。

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

6）CAN可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播集中方式传送和接受数据。

7）CAN总线直接通信距离最远可达10km/5KB/s，通信速率最高可达1MB/s。

8）采用不归零码（NRZ：Non-Return-to-Zero）编码/解码方式，并采用位填充（插入）技术。(www.xing528.com)

柴油机电控系统中，随着控制功能的增加，系统越来越复杂，各功能部件之间的通信问题也日趋复杂，因此，许多系统都已开始使用CAN总线。如图7-36所示，CAN系统通过一根可以同时传输电源信号和数据信号的总线，将所有满足CAN系统通信协议的电控单元、传感器和执行器挂接在总线之上，并通过总线与设在汽车驾驶室内的中央监控计算机相互通信，形成能提供点对点、一点对多点及广播式三种通信方式的通信网络。

所有满足CAN系统通信协议的电控单元、传感器和执行器（简称为节点）通过总线与中央监控计算机相互通信，图7-36中的车速传感器检测到的信号由前置电路处理后送微处理器，经处理后的数据送CAN接口控制器芯片，并通过总线以串行数据通信方式传递给中央监控计算机，提供当前的车速数据，这一数据可供网络中需要这一信息的有关系统使用。与此同时，网络上各节点之间也可通过总线相互传递数据信息。

图7-36 CAN网络通信系统

采用了CAN系统后，不但避免了传感器和其他检测元件的重复使用，简化了信息传输所需的线束，降低了成本，而且大大提高了汽车内数据通信系统的通信速率，其最高通信速率可达1MB/s。由于在传输过程中采用了短帧结构，使网络具有了较强的抗干扰能力。此外，由于采用了非破坏性总线竞争仲裁技术，保证了优先级较高的信息的实时传递。同时由于有较完善的侦错和检错措施，保证了数据通信的可靠性。

此外CAN总线开发系统廉价，用户容易操作，许多国际上大的半导体厂商也积极开发出支持CAN总线的专用芯片，其中有智能CAN芯片，也有非智能CAN控制器、收发器。而且许多微控制器都集成了CAN控制器模块，例如Freescale公司的MC9S12DG128单片机中有三个1MB/s的CAN控制器，兼容CAN2.0A/B。Philips公司生产的P8XC592微控制器上集成了CAN控制器取代了原来的I²C串行口。

上述优点，使CAN系统比以往汽车中各个电控系统之间的数据信息交换系统具有明显的技术优势。目前，几乎所有著名的汽车制造公司都在竞相开发基于CAN的汽车内数据通信系统。而CAN系统也将随着其广泛的使用而不断趋于成熟和完善，成为汽车内数据通信系统的主流。

为了促进与推动CAN系统的广泛应用，统一CAN系统产品的标准，实现系列产品的互换性和互操作性，国际标准化组织ISO/TC22技术委员会参照了国际标准化组织的开放式系统的ISO/OSI互联模型，制订了两个CAN系统通信协议的国际标准：适用于通信速率低于或等于1MB/s，但高于125KB/s的ISO/DISll859；适用于通信速率低于125KB/s的ISO/DIS11519。同时，美国汽车工程师协会（SAE）也制订了用于汽车制造业的关于CAN系统的SAEJ1939标准。

显然，CAN系统的应用使现代汽车进入了一个更高级的发展阶段。奔驰S级轿车采用的就是CAN总线系统；美国商用车辆制造商们也将注意力转向CAN总线；美国一些企业已将CAN作为内部总线应用在生产线和机床上。由于CAN总线可以提供较高的安全性，因此在医疗领域、纺织机械和电梯控制中也得到了广泛应用。