由于汽車產(chǎn)業(yè)不斷追求安全可靠、極致性能、舒適方便以及低成本等目標(biāo)，但汽車內(nèi)高復(fù)雜的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，使得線束過(guò)于龐大，導(dǎo)致成本提高且網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也難以持續(xù)提升，與前者形成沖突。

于是德國(guó)Bosch在1985年提出CAN BUS（Controller Area Network），不但解決了車內(nèi)線束持續(xù)增加的問(wèn)題，還為日后可靠且有效率的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)墊定了基礎(chǔ)。1993年，CAN BUS更制定為標(biāo)準(zhǔn)化（ISO-11898），由于具有高可靠性和錯(cuò)誤檢測(cè)能力，也被廣泛應(yīng)用在船舶、航空電子、大眾交通、農(nóng)用設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)控制中。

CAN BUS的架構(gòu)與特色

CAN BUS是一種串行雙線式差分傳輸?shù)募夹g(shù)規(guī)格（見圖1），MCU負(fù)責(zé)運(yùn)算數(shù)據(jù)，CAN Controller處理運(yùn)算后的數(shù)據(jù)并傳送“0”或“1”數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò) CAN Transceiver的轉(zhuǎn)換由CAN High和CAN Low產(chǎn)生差分信號(hào)（見圖2）。其中，CAN High電壓減CAN Low電壓小于0.5V代表邏輯狀態(tài)為“1”，而CAN High電壓減 CAN Low電壓大于0.9V代表邏輯狀態(tài)為“0”，所以圖2中傳送位串為101。藉由差分的方式可以避免噪聲的產(chǎn)生，而終端電阻120Ω則是防止信息傳送后反射造成的干擾。

CAN BUS上最小單位為節(jié)點(diǎn)（Node），每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以主動(dòng)發(fā)送信息到總線上，也可以要求特定節(jié)點(diǎn)回傳信息，并不限定于只有一個(gè)主控端。每個(gè)信息（Message）都是以識(shí)別子字段（ID Field ）為起頭，以識(shí)別值決定發(fā)送信息的優(yōu)先權(quán)，數(shù)值越小優(yōu)先權(quán)越高。所以信息的傳遞并不是定義在節(jié)點(diǎn)上，而是定義在信息上。由于是串接的架構(gòu)加上識(shí)別子（ID）的判定機(jī)制，所以軟硬件不需要做修正就能夠輕易增加或移除節(jié)點(diǎn)，不但降低了布線成本也降低了維護(hù)的復(fù)雜度，這種多主控端架構(gòu)成就更完整的智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

信息傳遞可透過(guò)節(jié)點(diǎn)上的設(shè)定，使信息可以被每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收至緩沖器內(nèi)，也可以選擇對(duì)該信息置之不理。CAN BUS也支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求，當(dāng)該信息識(shí)別值符合節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的識(shí)別值，且該信息是遠(yuǎn)程信息（Remote Message）時(shí)，指定的節(jié)點(diǎn)會(huì)將相符的數(shù)據(jù)傳送出去。用戶便可利用這功能，來(lái)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間的溝通。

在CAN BUS上，傳輸速度最快可達(dá)1Mbps，用戶可藉由修改位時(shí)序設(shè)定來(lái)修改傳輸速度，而傳輸距離隨通信速度增加而遞減，例如當(dāng)通信速度40Kbps時(shí)，通信距離可達(dá)1km;當(dāng)通信速度1Mbps時(shí)，通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)40m，據(jù)此用戶可依照本身的應(yīng)用做調(diào)配。

強(qiáng)大的容錯(cuò)能力

CAN BUS協(xié)議具有相當(dāng)可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制，這些都是屬于硬件自動(dòng)偵測(cè)反應(yīng)，在此種機(jī)制下，網(wǎng)絡(luò)訊息的傳輸不但有效率且使用起來(lái)更加方便。

自動(dòng)重傳

當(dāng)總線上的節(jié)點(diǎn)偵測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)，硬件會(huì)自動(dòng)重新發(fā)送該訊息到總線上，直到該訊息有任何節(jié)點(diǎn)響應(yīng)ACK （Acknowledged）后，該訊息才會(huì)停止發(fā)送。

錯(cuò)誤偵測(cè)

CAN BUS提供了五種錯(cuò)誤偵測(cè)機(jī)制，分別為位錯(cuò)誤（Bit Error），填充位錯(cuò)誤（Stuff Error），循環(huán)冗余代碼校驗(yàn)（CRC Error），格式錯(cuò)誤（Form Error），響應(yīng)錯(cuò)誤（Ack Error），利用這些錯(cuò)誤偵測(cè)機(jī)制，使得總線上的傳輸更加穩(wěn)定，而不需用戶介入。

錯(cuò)誤通知

偵測(cè)到錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)送錯(cuò)誤訊息（Error Message）到總線上，使得總線上的所有節(jié)點(diǎn)都知道此時(shí)有錯(cuò)誤發(fā)生，以便作出相對(duì)的反應(yīng)，包括重傳或停止發(fā)送等。

錯(cuò)誤恢復(fù)與排除

在CAN協(xié)議中規(guī)范了每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有傳送錯(cuò)誤記數(shù)器（TEC： Transmit Error Counter）和接收錯(cuò)誤記數(shù)器（REC： Receive Error Counter），根據(jù)TEC和REC的值來(lái)決定目前節(jié)點(diǎn)為何種狀態(tài)，一旦TEC大于255，硬件會(huì)讓該節(jié)點(diǎn)脫機(jī)且暫時(shí)不接收與發(fā)送訊號(hào)到總線上，待特定情況發(fā)生時(shí)，用戶才可將該節(jié)點(diǎn)重新初始化，并重新開始監(jiān)控總線上的訊號(hào)，如此一來(lái)，可避免因各別節(jié)點(diǎn)使總線發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤，影響其他節(jié)點(diǎn)的傳輸。

CAN BUS的應(yīng)用實(shí)例

電梯系統(tǒng)（Elevator）

傳統(tǒng)的電梯系統(tǒng)采用繼電器邏輯線路，有著線束過(guò)多且維護(hù)不便等問(wèn)題，改換成以CAN建構(gòu)系統(tǒng)，不僅大幅減少線束，增加系統(tǒng)可靠度，更有著建構(gòu)簡(jiǎn)單，便于系統(tǒng)偵錯(cuò)等優(yōu)點(diǎn)。

橋梁應(yīng)變規(guī)（Strain Gage）

有鑒于天然災(zāi)害頻傳，所以藉由橋梁應(yīng)變規(guī)來(lái)監(jiān)控橋梁的健康度，以避免人員及車輛傷亡。但傳統(tǒng)應(yīng)變規(guī)多半置于橋上，需要人員到場(chǎng)而無(wú)法遠(yuǎn)程監(jiān)控。利用CAN BUS低速時(shí)傳輸距離長(zhǎng)的特性，可將規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的橋梁上放置應(yīng)變規(guī)，并連接至CAN BUS以回傳監(jiān)控中心監(jiān)控橋梁情形，大幅減少人力成本。

車用監(jiān)控系統(tǒng)（Recorder with car information）

由于車禍肇事頻傳，使用行車紀(jì)錄器掌握前方路況，作為車禍左證的功能。但監(jiān)視器只能錄取前方路況影像，而無(wú)法有效掌控本身行車內(nèi)部的信息，如目前車速，油門狀態(tài)等。運(yùn)用CAN處理行車信息，再由SPI（Serial Peripheral Interface）、I2C（Inter-Integrated Circuit）等高速接口傳給錄像監(jiān)視器，便可在每段錄像畫面加上目前車內(nèi)信息，成為車禍?zhǔn)露烁欣淖C據(jù)。

車用診斷系統(tǒng)（OBDII）

OBDII （On Board Diagnosis - II ） 為一種車輛發(fā)生故障時(shí)，產(chǎn)生故障警示訊號(hào)，提醒駕駛?cè)诉M(jìn)廠維修的協(xié)議。我們可以使用支持CAN的MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用USB（Universal Serial Bus）裝置和CAN來(lái)建構(gòu)診斷系統(tǒng)，可隨時(shí)將OBDII connector 接上汽車總線，并將其接收訊息透過(guò)USB傳送到計(jì)算機(jī)，配合計(jì)算機(jī)端程序來(lái)診斷汽車內(nèi)部異常訊號(hào)，進(jìn)而加速汽車維修速度。

CAN BUS示范系統(tǒng)

因?yàn)镃AN BUS具有高擴(kuò)充性、高可靠度且實(shí)時(shí)性強(qiáng)和低成本等特性，不僅成為車用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展技術(shù)的核心關(guān)鍵，更在其他產(chǎn)業(yè)發(fā)揮了強(qiáng)大而顯著的技術(shù)能力。為了能更了解CAN BUS整體的運(yùn)作，在此使用普遍常見的M0 MCU，示范一個(gè)以CAN BUS傳遞控制命令與狀態(tài)消息的馬達(dá)控制系統(tǒng)（圖3），其中NUC140 Tiny Board、Learning Board No.1/No/2和Motor Driving Board分別為CAN總線上不同的節(jié)點(diǎn)，利用計(jì)算機(jī)USB連接NUC140 Tiny Board，透過(guò)NUC140微處理器譯碼轉(zhuǎn)換成CAN的訊息，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與CAN BUS的鏈接，而各節(jié)點(diǎn)可發(fā)送與接收系統(tǒng)運(yùn)作狀態(tài)和控制命令。因此在示范系統(tǒng)中，透過(guò)CAN BUS的鏈接與NUC140微處理器的轉(zhuǎn)換，各節(jié)點(diǎn)均可接收到馬達(dá)的實(shí)時(shí)狀態(tài)消息，并顯示在板子上的LCD屏幕或者計(jì)算機(jī)上的人機(jī)接口。

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