摘要：本文简要介绍CAN的发展及特性。充分利用CAN的特性和优势，设计特种平台车的硬件结构，并明确指出CAN在特种车上的关键技术和优势。

　　一、引言

　　CAN是控制器局域网络（Controller Area Network）的简称，是国际上应用最广泛的现场总线之一。它是由德国的Bosch公司及几个半导体生产商开发出来的，CAN 总线是一种串行多主站控制器局域网总线。它具有很高的网络安全性、通讯可靠性和实时性，简单实用，网络成本低。特别适用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。最初，CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机控制系统、变速箱控制系统、故障自诊断系统、PLC电气控制系统，传感器及照明控制系统均嵌入CAN控制。

　　二、CAN的发展

　　CAN最初出现在80年代末的汽车工业中，由德国Bosch公司最先提出。当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子控制单元之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。提出CAN总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制单元之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。1993年，CAN 已成为国际标准ISO11898（高速应用）和ISO11519（低速应用）。

　　随着单片机在特种平台上的广泛应用， 特种平台上电子控制单元越来越多， 例如发动机ECU、变速箱ECU、总线手柄、总线控制盒等。在这种情况下，如果仍采用常规的布线方式，即电线一端与开关相接，另一端与用电设备相通，将导致车上电线数目急剧增加，使得电线的质量占整车质量的4％左右。另外，电控系统的增加虽然提高了特种平台车的动力性、经济性和舒适性，但随之增加的复杂电路也降低了车辆的可靠性，增加了车辆的故障点和维修的难度。因此，一种新的概念--控制器局域网络CAN应运而生。CAN已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。

　　三、CAN总线技术特性

　　CAN是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10Km时，CAN 仍可提供高达50Kbit/s的数据传输速率。

　　一个由CAN 总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。例如，当使用专用汽车控制器EPEC2024收发器时，同一网络中允许挂接110个节点。CAN 可提供高达1Mbit/s的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。另外，硬件的错误检定特性也增强了CAN的抗电磁干扰能力。

　　CAN能够使用多种物理介质，例如双绞线、光纤等。最常用的就是双绞线。信号使用差分电压传送，两条信号线被称为“CAN_H”和“CAN_L”，静态时均是2.5V左右，此时状态表示为逻辑“1”，也可以叫做“隐性”。用CAN_H比CAN_L高表示逻辑“0”，称为“显形”，此时，通常电压值为：CAN_H = 3.5V 和CAN_L = 1.5V 。如图1所示

　　CAN总线主要特点：

　　（1）灵活性。CAN总线为多主站总线，各节点可在任意时刻向网络上的其他节点发送信息，不分主从。

　　（2）实时性。CAN总线采用独特的非破坏性总线仲裁技术，优先级高的节点优先传送数据，可满足实时性要求。

　　（3）广播传送数据。CAN总线具有点对点、一点对多点及全局广播传送数据的功能 。

　　（4）可靠的错误处理和检错机制。CAN总线采用短帧结构，每帧有效字节数最多为8个，数据传输时间短，并有CRC及其他校验措施，数据出错率极机低。

　　（5）发送信息被破坏后可自动重发且受其他操作的影响。

　　（6）节点在错误严重的情况下可自动退出总线。

　　（7）高速数据传输速率和较远的传输距离。CAN总线最大传输速率可达1Mb/s（此时通信距离最长为40m），直接通信距离最远可达10km（速率5kbps以下）

　　（8）CAN总线上的节点数主要取决于总线驱动电路。在标准帧（11位报文标识符）可达110个，而在扩展帧（29位报文标识符）其个数几乎不受限制

　　四、CAN总线技术在特种平台车上的应用

　　1、硬件结构

　　特种平台车是机电液一体化的高科技产品，由于电气控制部分主要由很多独立的电子控制单元构成，控制的点比较分散，并且要求控制系统绝对的稳定可靠，实现精确的控制要求。为了将整个特种平台内部的电子控制单元统一管理，数据共享和相互之间的协调工作，利用CAN总线通讯实现数据传递成为必然。特种平台采用两条双绞连接各电子控制单元， CAN总线网络结构如图2所示：

　　特种平台车电气控制系统主要有控制底盘行驶的控制器1（EPEC2024）、控制平台升降及传输的控制器2（EPEC2024）、变速箱ECU、发动机ECU、总线手柄、总线线控制盒等控制构成一个实时控制系统。 控制器1作为整个电气控制系统的中央单元，通过CAN2通讯端口采集控制器2、变速箱ECU、发动机ECU等参数程序处理后经CAN1通讯端口发送到显示屏。显示屏有两个CAN口（CAN0和CAN1）主要功能：CAN1主要接收控制器1发送过来的信息，CAN0主要采集手柄和线控制盒发送来的信息，显示屏经程序处理显示发动机转速、发动机水温、发动机机油压力、发动机工作小时、发动机故障显示及整车故障诊断等。CAN1负责发送手柄和线控制盒模拟量和开关量参数给控制1。最后由控制1负责统一管理和程序处理。

　　2、特种平台车采用CAN通讯模式

　　本系统CAN通讯选用CAN2.0B协议的PeliCAN模式，CAN分为CAN2.0A和CAN2.0B两种硬件标准，CAN2.0A有11位标识符，而CAN2.0B有11位和29位两种标识符。 CANOpen遵循的是CAN2.0A标准，有11位标识符。 两个控制单元之间采用CANOPEN通讯，CANOPEN通讯主要有以下特点：

　　（1）每一个 CANopen 设备都有一个节点号， CANopen网络有一个主节点，可以有多个从节点。

　　（2）CANopen主接点的作用为： 激活网络、停止网络、隔离错误接点。

　　（3）CANopen系统所有接点由 ID号标识。

　　（4）ID号 范围1127， 即CANopen 网络最多可以有127 不同的接点。

　　EPEC的控制器使用CODESYS对其进行编程。Codesys是用于开发控制方案的开发平台。Codesys.包含有控制方案编辑器和仿真调试器，是一套完整控制编辑和调试软件包，它为程序员提供了一种简单的方法，功能强大的编程语言，来实现各种控制方案，并提供功能强大的离线仿真调试工具。

　　编程步骤如下：

　　（1）CANopen的初始化。

　　（2）发送PDOs到 CANopen 总线 在EPEC控制器中，发送PDO （tx）信息到CANopen总线就是把数据写入IEC输出映象区，起始地址为 %QW200（ = %QB400）。模块的硬件会把正确的PDO （tx） 发送到CANopen总线。

　　（3）从CANOPEN总线接收PDO 送PDOs到 CANopen 总线    在EPEC控制器中，从CANopen总线接收PDO （tx）信息就是从IEC输入映象区读取数据， 起始地址为 %IW200（ =%IB400）。，映象地址根据CANOPEN初始化代码进行分配， 接收信息中，按优先级排列依次分配输入映象地址，优先级最高的ID接点，他的PDO地址为%IW200- %IW215，第二个接点的PDO地址为 %IW216-%IW231，第三个接点的PDO地址为%IW232-%IW247 ，依次类推。

　　3、主要优势：

　　（1）信息共享

　　采用CAN总线技术可以实现各控制单元之间的信息共享，减少不必要的线束和传感器。例如具有CAN总线接口的电喷发动机，其它电器可共享其提供的转速、水温、机油压力、机油温度、油量、发动机故障显示、发动机电油门控制等，这样一方面可省去额外的水温、油压、油温传感器，另一方面可以将这些数据显示在仪表上，便于司机检查发动机运行工况，从而便于发动机的保养维护。表1给出了特种车部分电控单元产生及发送的数据类型及其他单元对这些信息共享的情况。

　　控制器1接收控制器2、变速箱、手柄、线控制盒发送的所需输出入输出端口信息参数，逻辑编程处理后发送给显示屏。 显示屏主要功能如下：主界面显示发动机转速、水温、机油压力、小时计、故障报警。其余界面可选择操作信息、仪表信息、控制器输出信息、程序中间变量参数、调整及故障报警、帮助。

　　（2）关联控制

　　由于独立的控制单元较多，特种平台车需要对各控制单元进行关联控制，而这是传统汽车控制方法难以完成的。CAN总线技术可以实现多个控制单元的实时关联控制。特种车上主要的控制单元有发动机ECU控制系统、变速箱控制系统、PLC控制系统、手柄控制系统、传感器控制、仪表控制系统等。

　　控制器1是整个汽车控制系统的核心，通过输入输出端口采集底盘控制信息，通过CAN2总线接收各控制单元的参数，实现关联控制。控制器1通过CAN2总线传输的数据全面撑握各个控制单元当前工作状况，即时发现故障并通过显示仪表报警或诊断故障发生的元件。当特种平台发生故障时，通过CAN总线将传感器、限位开关、接近开关、电磁阀等信号传送到一个中央处理器即图中的控制器1，控制器1发送给显示屏，通过显示屏监视各控制单元工作是否正常，以及报警信号来判断故障发生的元器件。如操作手柄向前行驶，车辆不动，从显示屏可以监视到特种车前端的触须开关动作是否正常或控制行驶的电磁阀是否得电，如果触须开关动作，那么车辆禁止前行。也可能是行驶使能电磁阀没有得电或行驶模式开关没有切换等原因。如图3：特种平台车故障自诊断仪。

　　（3）减少线束

　　随着特种平台技术的不断发展，车辆内部各种传感受器信号、开关信号、控制电磁阀多达上百个，所以，常常会看到车内一捆捆巨大的线束贯穿前后，这些线路本身没有故障检测功能，一旦出现故障则检测起来十分繁琐，而整车的综合布线和信息的共享交互提出了更高的要求，这样必然造成庞大的布线系统。据统计一辆采用传统布线方法，其导线长度可达2000米，电气节点达1500个，而且该数字大约每十年增长1倍。这种传统布线方法不能适应现代汽车的发展需求。CAN总线可有效减少线束，节省空间。例如传统的发动机控制与仪表之间布线需要10-20根，应用总线CAN则只需要2根。

　　（4）减少故障，节省安装费用

　　一对双绞线上可挂接多个控制设备， 便于节省安装费用。特种平台车一对双绞线挂接6个控制设备，所有控制设备都可通过CAN总线通讯控制并显示在故障自诊断显示屏上，减少大量的插接件和护套，从而减少接线引起的故障，大量节省安装费用，也相应降低维修成本。

　　五、 CAN总线技术在特种平台上应用的关键技术

　　特种平台车多用于航空机厂，高电磁干扰影响飞机的正常工作。总线传输信息的速率、容量、优先等级、网络的容错、监控实时性等迫切要求建立一个可靠的传输信息网络。解决的关键技术问题主要有：

　　（1）高电磁干扰环境下的可靠数据传输；

　　（2）总线传输信息的速率、容量、优先等级、节点容量等技术问题；

　　（3）网络的监控和故障诊断功能；

　　（4）实时控制网络的时间特性；

　　（5）网络的容错技术；

　　（6）确定最大传输时的延时大小；

　　（7）安装与维护中的布线；

　　（8）网络节点的增加与软硬件可扩展性。

　　六、结束语

　　CAN总线具有很高的实时性、可靠性，因此CAN已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。最近CAN总线在特种车上得到应用，使得特种平台车上的各控制单元能够通过CAN总线共享所有的信息和资源，达到简化布线、减少故障率、节省安装费用、避免控制功能重复、提高系统可靠性和可维护性、降低成本、更好地匹配各个控制系统。这样使得特种平台的动力性、操作稳定性、安全性都上升到新的高度。

　　参考文献

　　[1]  《CAN 基本知识》  周立功

　　[2]  《CAN总线在汽车领域的应用》中国汽车零部件资讯网

　　[3]  《CAN总线在军用车辆上的应用》周娟  陈慧岩