CAN 總線：工作原理、優(yōu)點和缺點

　　控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (CAN) 總線是一種串行通信協(xié)議，允許設(shè)備可靠、高效地交換數(shù)據(jù)。 它廣泛應(yīng)用于車輛，像神經(jīng)系統(tǒng)一樣工作，連接車輛中的 ECU。

　　CAN 總線最初是博世在 1980 年代為汽車應(yīng)用而設(shè)計的。 它是一種多主機(jī)、多從機(jī)、半雙工和容錯協(xié)議，非常適合汽車應(yīng)用的要求。 它簡單、低成本、可靠，可用于惡劣環(huán)境。 CAN 總線為車輛中的所有 ECU 提供了一個入口點，這使得連接和診斷變得容易。

　　CAN 總線數(shù)據(jù)可以提供對所連接設(shè)備的性能和狀態(tài)的寶貴見解。 然而，由于高數(shù)據(jù)速率、低帶寬和多變的網(wǎng)絡(luò)條件，收集和處理 CAN 總線數(shù)據(jù)可能具有挑戰(zhàn)性。 克服這些挑戰(zhàn)的一種可能解決方案是使用 MQTT，即使在網(wǎng)絡(luò)條件較差的情況下也能將數(shù)據(jù)從汽車及時傳輸?shù)皆贫恕?/p>

　　“CAN 總線為車輛中的所有 ECU 提供了一個入口點，這使得連接和診斷變得容易?！?/p>

　　CAN總線簡史

　　CAN 總線的主要目的是為汽車應(yīng)用建立有效的通信系統(tǒng)，特別是為了降低車輛線束的復(fù)雜性。

　　1986 年，博世推出了他們最初的 CAN 協(xié)議，由于其可靠性和穩(wěn)健性，該協(xié)議在汽車制造商中迅速獲得了發(fā)展勢頭。 到 1993 年，它成為 ISO-11898 下的國際標(biāo)準(zhǔn)。 總結(jié)協(xié)議的演變：

　　? 1991 年：梅賽德斯-奔馳成為首批在其 W140 S 級車型中實施 CAN 總線的汽車制造商之一。

　　? 2004 年：推出 CAN FD(靈活數(shù)據(jù)速率)，提供比傳統(tǒng) CAN 網(wǎng)絡(luò)更高的數(shù)據(jù)速率和更大的有效載荷。

　　? 2015 年：采用 ISO-16845:2015 作為實現(xiàn)經(jīng)典 CAN 和 CAN FD 協(xié)議的設(shè)備的一致性測試計劃。

　　隨著時間的推移，除了汽車應(yīng)用，其他行業(yè)也開始采用這種多功能網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。 今天，它用于工業(yè)自動化系統(tǒng) (CANopen) 和海洋電子設(shè)備 (NMEA 2000)。 它的廣泛采用主要歸功于它即使在惡劣條件下也能可靠運(yùn)行，同時保持低成本實施要求。

　　CAN 總線如何工作?

　　CAN 總線是一種分散式通信協(xié)議。 其分散式方法使其成為可靠性和實時性能至關(guān)重要的汽車和工業(yè)系統(tǒng)應(yīng)用的理想選擇。

　　在 CAN 網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點都通過雙絞線或光纖電纜連接。 每個節(jié)點都有其微控制器負(fù)責(zé)處理傳入消息和發(fā)送傳出消息。 數(shù)據(jù)由共享總線上的一個節(jié)點廣播，允許所有其他節(jié)點接收它。 溝通過程的主要階段是：

　　1.仲裁：為了防止多個節(jié)點嘗試同時傳輸時發(fā)生沖突，CAN 使用基于消息優(yōu)先級的仲裁過程。 消息的標(biāo)識符值越低，其優(yōu)先級越高。

　　2.錯誤檢測：內(nèi)置錯誤檢測機(jī)制可確保 CAN 網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)完整性。 這些包括循環(huán)冗余校驗 (CRC)、幀校驗序列 (FCS) 和來自接收節(jié)點的確認(rèn)位。

　　3.故障限制：如果任何節(jié)點在傳輸過程中檢測到錯誤或故障，它將進(jìn)入“錯誤被動”狀態(tài)，直到恢復(fù)正常運(yùn)行。 這可以防止錯誤的傳輸影響整個系統(tǒng)的功能。

　　這種功能組合使 CAN 總線能夠保持高水平的效率，同時確保復(fù)雜系統(tǒng)(如車輛或工廠自動化設(shè)備)中不同組件之間的可靠通信。

　　CAN 協(xié)議中的消息結(jié)構(gòu)

　　CAN 總線系統(tǒng)中的消息結(jié)構(gòu)對于設(shè)備之間的高效通信至關(guān)重要。 該協(xié)議使用由多個字段組成的數(shù)據(jù)幀格式，包括標(biāo)識符、控制字段、數(shù)據(jù)字段和錯誤檢測機(jī)制。

　　? 標(biāo)識符：這個唯一的值決定了網(wǎng)絡(luò)上每條消息的優(yōu)先級。 在標(biāo)準(zhǔn)的 11 位標(biāo)識符 (CAN 2.0A) 中，有多達(dá) 2048 個不同的優(yōu)先級可用。 擴(kuò)展的 29 位標(biāo)識符 (CAN 2.0B) 提供了更多選項，具有超過十億個不同的值。

　　? 數(shù)據(jù)長度代碼 (DLC)：位于控制字段內(nèi)，此代碼指定數(shù)據(jù)字段中存在的字節(jié)數(shù)——范圍從零到八個字節(jié)。

　　? 數(shù)據(jù)字段：包含在字節(jié)大小的段中跨節(jié)點傳輸?shù)膶嶋H信息。

　　? 循環(huán)冗余校驗 (CRC)：一種內(nèi)置的錯誤檢測機(jī)制，通過檢測傳輸錯誤并在必要時請求重傳來確?？煽康耐ㄐ?。

　　? 確認(rèn)槽：接收節(jié)點用來確認(rèn)消息的成功接收或指示需要重傳的錯誤的單個位。

　　? 錯誤幀：CAN 消息傳遞的可選部分，允許節(jié)點在檢測到自身傳輸問題或從網(wǎng)絡(luò)上其他設(shè)備接收到的消息時發(fā)出信號。

　　CAN 的類型

　　以下是 CAN 的三種主要類型：

　　#1：低速 CAN

　　低速 CAN，也稱為容錯或 ISO 11898-3，以高達(dá) 125 kbps 的速度運(yùn)行。 它專為不太關(guān)鍵的系統(tǒng)而設(shè)計，例如車身控制模塊、門鎖、窗戶控制等，在這些系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸速度并不重要。 它的主要特點是即使在總線中的一根電線發(fā)生故障時也能繼續(xù)運(yùn)行。

　　#2：高速 CAN

　　高速 CAN 或 ISO 11898-2 可以達(dá)到高達(dá) 1 Mbps 的速度。 與低速網(wǎng)絡(luò)相比，這種類型的網(wǎng)絡(luò)具有更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，因此適用于對時間更敏感的應(yīng)用，例如發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)和電子制動系統(tǒng)。 但是，它缺乏低速網(wǎng)絡(luò)中的容錯能力。

　　#3：CAN FD(靈活數(shù)據(jù)速率)

　　CAN FD 由 Bosch 于 2012 年推出，是高速網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，具有更高的數(shù)據(jù)速率(高達(dá) 5 Mbps)，同時保持與現(xiàn)有高速設(shè)備的向后兼容性。 該技術(shù)的主要優(yōu)勢在于它能夠比傳統(tǒng) CAN 更有效地傳輸更大的有效載荷，使其成為電子系統(tǒng)日益復(fù)雜的現(xiàn)代車輛的理想選擇。

　　CAN總線：優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

　　優(yōu)點

　　CAN 總線數(shù)據(jù)可以為車輛的性能、健康狀況和行為提供有價值的見解。 將 CAN 總線數(shù)據(jù)收集到云端是通過大數(shù)據(jù)分析發(fā)揮車輛數(shù)據(jù)潛力的有效方式。

　　通過將機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能或其他分析工具應(yīng)用于從大量車輛收集的數(shù)據(jù)，汽車制造商可以獲得有價值的見解并利用它們來優(yōu)化車輛性能。

　　? 故障檢測、故障排除和預(yù)測：通過分析 CAN 總線數(shù)據(jù)，可以識別來自設(shè)備和傳感器的任何異常或錯誤信號。 這可以幫助診斷問題的根本原因并在它導(dǎo)致更多損壞或安全問題之前解決它。 制造商還可以通過將收集的數(shù)據(jù)輸入模型來訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型來預(yù)測故障。

　　? 可視化車輛數(shù)據(jù)：利用收集到的數(shù)據(jù)，用戶可以開發(fā)一個系統(tǒng)來在儀表板上顯示聚合數(shù)據(jù)，允許用戶過濾、排序和比較不同的車輛和指標(biāo)。 儀表板還根據(jù)數(shù)據(jù)分析提供警報和建議。 該系統(tǒng)使用戶能夠深入了解他們的表現(xiàn)。

　　? 車路協(xié)調(diào)：將采集到的數(shù)據(jù)與道路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)一起計算，構(gòu)建車路協(xié)調(diào)系統(tǒng)。

　　人工智能時代，數(shù)據(jù)是最有價值的財產(chǎn)。 通過將數(shù)據(jù)從汽車收集到云端，然后將其分發(fā)到各種數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施(如數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)湖)，用戶可以將數(shù)據(jù)用于幾乎所有類型的應(yīng)用程序。

　　挑戰(zhàn)

　　在車輛本地收集 CAN 總線數(shù)據(jù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。 然而，由于高數(shù)據(jù)速率、低帶寬和多變的網(wǎng)絡(luò)條件，收集和處理 CAN 總線數(shù)據(jù)并將洞察力實時傳輸?shù)皆贫丝赡芫哂刑魬?zhàn)性。 因此，將所有 CAN 總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行處理是不切實際的。 相反，可以在邊緣側(cè)本地收集和處理 CAN 總線數(shù)據(jù)，以減少數(shù)據(jù)量并將洞察力實時傳輸?shù)皆贫恕?/p>

　　您至少需要兩個組件來構(gòu)建這樣的解決方案：

　　1.邊緣計算引擎：邊緣計算引擎可以只采集需要的CAN總線信號，靈活處理并實時觸發(fā)MQTT傳輸動作。

　　2.云端MQTT代理：MQTT代理可以幫助將處理后的CAN總線數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)皆贫恕?/p>

　　作者：EMQ科技股份有限公司

來源：千家網(wǎng)