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控制器局域網(wǎng)(CAN)技術(shù)在工程機械中的應(yīng)用
一 前言隨著計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，以全數(shù)字式現(xiàn)場總線技術(shù)為代表現(xiàn)場控制儀表、設(shè)備大量應(yīng)用，使得傳統(tǒng)的現(xiàn)場控制技術(shù)及現(xiàn)場控制設(shè)備發(fā)生了巨大的變化。繁瑣的現(xiàn)場連線被單一、簡潔的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)所替代，系統(tǒng)設(shè)計靈活、設(shè)備維護簡單，信號傳輸質(zhì)量也大幅提高。
電子技術(shù)的飛速發(fā)展及在工程機械上的廣泛應(yīng)用，使得工程機械的智能化程度越來越高，特別是在控制器技術(shù)被引入工程機械控制領(lǐng)域后，給工程機械的發(fā)展帶來了劃時代的變化，工程機械的操作便利性、安全性、燃油經(jīng)濟性都得到了大幅提高。
然而，電子設(shè)備的大量使用，必然導(dǎo)致車身布線越來越長愈來愈復(fù)雜，運行可靠性降低、故障維修難度增大，特別是電子控制單元的大量引入，為了提高信號的利用率，要求人批的數(shù)據(jù)信息能在不同的控制單元中共享，大量的控制信號也需要實時交換，傳統(tǒng)線束已遠遠不能滿足這種需求。在這種情況下，將串行通訊總線系統(tǒng)引入可以有效解決上述問題�；谏鲜鲈�，博世公司開發(fā)了控制器局域網(wǎng)（CAN），并獲得了國際標準化組織的認可及許多半導(dǎo)體器件制造商、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)商的支持�，F(xiàn)在它已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于汽車、工程機械和工業(yè)現(xiàn)場控制，實踐證明CAN網(wǎng)絡(luò)是一種性能優(yōu)異的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。
CAN總線技術(shù)的引入徹底改變了工程機械控制領(lǐng)域的面貌，分布式控制系統(tǒng)完全取代了集中式控制系統(tǒng)，在眾多具有CAN功能的控制器、傳感器和執(zhí)行器的支持下，繁瑣的現(xiàn)場連線被單一、簡潔的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)所替代，系統(tǒng)設(shè)計更加靈活、信號傳輸質(zhì)量也大幅提高。
眾多的國際知名公司早在80年代初就積極致力于工程機械及汽車局域網(wǎng)的應(yīng)用及研究。進入90年代，這些曰趨成熟的技術(shù)在國外已廣泛地應(yīng)用于工程機械領(lǐng)域。為縮短與國際先進水平的差距，研究和開發(fā)自己的工程機械局域網(wǎng)系統(tǒng)勢在必行。
二 CAN的技術(shù)特征
1 CAN的物理特性
1.1拓撲結(jié)構(gòu) CAN在物理結(jié)構(gòu)上屬于總線式通信網(wǎng)絡(luò)。
1.2機械參數(shù)及傳輸介質(zhì) 模塊通過一個9針的D型插頭連接到CAN總線上�？偩�采用屏蔽的或非屏蔽的雙絞線，用光纖更佳。
1.3電氣參數(shù)及信號表示 總線上的數(shù)據(jù)采用不歸零編碼方式（NRZ），可具有兩種互補的邏輯值之一：顯性及隱性。CAN總線中各節(jié)點使用相同的位速率。它的每位時間由同步段、傳播段、相位緩沖段1及相位緩沖段2組成。發(fā)送器在同步段前改變輸出的位數(shù)值，接受器在兩個相位緩沖段間采樣輸入位值，而兩個相位緩沖段長度可自由調(diào)節(jié)，以保證采樣的可靠性。另外，CAN總線采用時鐘同步技術(shù)來保證通訊的同步。
2 CAN協(xié)議
CAN總線以報文為單位進行信息交換，報文中含有標示符（ID），它既描述了數(shù)據(jù)的含義又表明了報文的優(yōu)先權(quán)。CAN總線上的各個協(xié)點都可主動發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)同時有兩個或兩個以上的節(jié)點發(fā)送報文時，CAN控制器采用ID進行仲裁。ID控制節(jié)點對總線的訪問。發(fā)送具有最高優(yōu)先權(quán)報文的節(jié)點獲得總線的使用權(quán)，其他節(jié)點自動停止發(fā)送，總線空閑后，這些節(jié)點將自動重發(fā)報文。
2.1 CAN協(xié)議 分層結(jié)構(gòu)CAN總線規(guī)范規(guī)定了任意兩個節(jié)點之間的兼容性。包括電氣特件利數(shù)據(jù)解釋協(xié)議。
CAN協(xié)議可分為：目標層、傳送層、物理層。其中目標層和傳送層包括了ISO/OSI定義的數(shù)據(jù)鏈路的所有功能。目標層的功能包括：確認要發(fā)送的信息；位應(yīng)用層提供接口。傳送層功能包括：數(shù)據(jù)幀組織：總線仲裁：檢錯、錯誤報告、錯誤處理。
2.2 CAN通信協(xié)議 CAN支持四類信息幀類型。
（1）數(shù)據(jù)幀 CAN協(xié)議有兩種數(shù)據(jù)幀類型標準2.0A和標準2.0B。兩者本質(zhì)的不同在于ID的長度不同。在2.0A類型中，ID的長度為l l位；在2.0B類型中ID為29位。一個信息震中包括7個主要的域：
幀起始域——標志數(shù)據(jù)幀的開始，由一個顯性位組成。
仲裁域——內(nèi)容由標示符和遠程傳輸請求位（RTR）組成，RTR用以表明此信息幀是數(shù)據(jù)幀還是不包含任何數(shù)據(jù)的遠地請求幀。當(dāng)2.0A的數(shù)據(jù)幀和2.0B的數(shù)據(jù)幀必須在同一條總線上傳輸時，首先判斷其優(yōu)先權(quán)，如果ID相同，則非擴展數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先權(quán)高于擴展數(shù)據(jù)幀。
控制域——r0、r1是保留位，作為擴展位，DLC表示一幀中數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)目。
數(shù)據(jù)域——包含0～8字節(jié)的數(shù)據(jù)。
校驗域——檢驗位錯用的循環(huán)冗余校驗域，共15位。
應(yīng)答域——包括應(yīng)答位和應(yīng)答分隔符。正確接收到有效報文的接收站在應(yīng)答期間將總線值為顯性電平。
幀結(jié)束——由七位隱性電平組成。
（2）遠程幀 接受數(shù)據(jù)的節(jié)點可通過發(fā)遠程幀請求源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。它由6個域組成：幀起始、仲裁域、控制域、校驗域、應(yīng)答域、幀結(jié)束。
（3）錯誤指示幀 由錯誤標志和錯誤分界兩個域組成。接收節(jié)點發(fā)現(xiàn)總線上的報文有誤時，將自動發(fā)出“活動錯誤標志”其他節(jié)點檢測到活動錯誤標志后發(fā)送“錯誤認可標志”。
（4）超載幀 由超載標志和超載分隔符組成。超載幀只能在一個幀結(jié)束后開始。當(dāng)接收方接收下一幀之前，需要過多的時間處理當(dāng)前的數(shù)據(jù)，或在幀問空隙域檢測到顯性電平時，則導(dǎo)致發(fā)送超載幀。
（5）幀間空隙 位于數(shù)據(jù)幀和遠地幀與前面的信息幀之間，由幀間空隙和總線空閑狀態(tài)組成。幀間空隙是必要的，在此期間，CAN不進行新的幀發(fā)送，為的是CAN控制器在下次信息傳遞前有時間進行內(nèi)部處理操作。當(dāng)總線空閑時CAN控制器方可發(fā)送數(shù)據(jù)。
2.3 錯誤檢驗 為了提高抗干擾能力和數(shù)據(jù)的可靠性，采取了多種錯誤檢測手段：發(fā)送監(jiān)視、填充監(jiān)視、CRC錯、格式錯、應(yīng)答錯誤等。
2.4 總線訪問控制要做到數(shù)據(jù)的實時處理，數(shù)據(jù)的高速傳輸是關(guān)鍵。對于工程機械中的具體節(jié)點而言，不僅需要高達1Mbit/s的通信速率，更需要在幾個節(jié)點要競爭訪問總線時正確定位哪個節(jié)點獲得使用權(quán)�？偩�上的各種數(shù)據(jù)的延遲要求是不一樣的，快速變化的物理量（如發(fā)送機的轉(zhuǎn)速、路面的隨機波動信號等）比慢時變的物理量（如溫度、壓力等信號）要求訪問總線的頻率大的多。當(dāng)多個節(jié)點同時需要訪問總線時，CAN控制器通過各種報文被賦予的優(yōu)先權(quán)標示符及ID數(shù)的大小來仲裁誰先發(fā)送。
3 CAN總線技術(shù)的應(yīng)用特點及支持器件
（一）CAN總線技術(shù)的應(yīng)用特點
1.CAN網(wǎng)絡(luò)上任何一節(jié)點均可作為主結(jié)點主動地與其他節(jié)點交換數(shù)據(jù)，大大提高系統(tǒng)的性能。
2?CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的信息幀可分出優(yōu)先級，且單幀字節(jié)長度短，有很好的實時性。
3.CAN的物理層及數(shù)據(jù)鏈路層采用獨特的設(shè)計技術(shù)，使其在抗干擾，錯誤監(jiān)測能力等方面的性能均超過其他總線。
4.CAN的通信速率相當(dāng)高。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)線的長度不超過40米時，其通信速率可達1Mbit/s。
5.CAN總線每幀數(shù)據(jù)都含有CRC校驗及其他校驗措施，數(shù)據(jù)出錯率低。
6 CAN總線節(jié)點在嚴重錯誤的情況下，可自動切斷與總線的通信聯(lián)系，以使總線上的其他操作不受影響。
（二）CAN總線技術(shù)的支持器件
CAN總線自問世以來，由于具有眾多獨特的優(yōu)點，得到廣泛的應(yīng)用，而且受到眾多的半導(dǎo)體廠商的支
持。目前生產(chǎn)支持CAN協(xié)議器件的公司有INTEL、MOTOROLA、PHILIPS、SIEMENS、NEC、HONEYWELL等百余家國際著名公司。其應(yīng)用器件琳瑯滿目、層出不窮，已經(jīng)形成產(chǎn)品系列。
目前市場上比較常見的有INTEL的CCU3010E、；MISUBISHI的37630；MOTOROLA的MC68HC05XX/MC68376；SIMENS的C505C、C167CR；NEC的78K/0；PHILIPS的80592/98、XA-C3；TEXAS INSTRUMENTS的TMS370E08D55等控制器件及外圍傳感器及執(zhí)行器件。
三 CAN在工程機械中的應(yīng)用
CAN由于具有良好的運行特性、極高的可靠性和獨特的設(shè)計，不但特別適合現(xiàn)代工程機械及汽車各電子單元之間的互連通訊，而且日益受到其他業(yè)界的歡迎，并被公認為最有發(fā)展前途的現(xiàn)場總線之一。
在眾多半導(dǎo)體廠商的支持下，國際上一些著名的工程機械大公司如CAT、VOLVO、利勃海爾等都在自己的產(chǎn)品上廣泛采用CAN總線技術(shù)來提高產(chǎn)品的技術(shù)檔次及可靠性。下面就CAN總線在半主動油氣懸架加以說明。
在工程機械半主動變阻尼油氣懸架控制中，利用CAN網(wǎng)絡(luò)作為懸架之間交換信息的通道，變集中控制為分布式控制，大大地簡化了線束及器件的布置，提高了可靠性。
4個節(jié)點的優(yōu)先權(quán)按降序排列依次為：右前輪——左前輪——右后輪——左后輪。數(shù)據(jù)幀包含三字節(jié)數(shù)據(jù)，其中兩個字節(jié)為非懸架質(zhì)量加速度，一個字節(jié)為可調(diào)阻尼器的相對開度值。通訊速率為300 kbit/s。實際應(yīng)用結(jié)果表明網(wǎng)絡(luò)運行良好，懸架的減震達到預(yù)期要求，而且在諸如啟動、急剎車、急轉(zhuǎn)彎等特殊工況下，通過網(wǎng)絡(luò)的合理調(diào)度，提高了車輛的抗俯仰、側(cè)傾的能力，改善了操縱的穩(wěn)定性。
四、結(jié)束語
隨著電子技術(shù)和大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制芯片性能逐步提高，體積逐步減小，價格進一步降低，為工程機械局域網(wǎng)技術(shù)的普及推廣創(chuàng)造了良好的條件。智能芯片價格的下降使得工程機械局域網(wǎng)的成本相差無幾，性能成為影響網(wǎng)絡(luò)選擇的主要因素。CAN以其優(yōu)異的品質(zhì)具有明顯的優(yōu)勢，越發(fā)受到業(yè)界的歡迎。CAN總線在工程機械上的廣泛應(yīng)用將使工程機械的控制性能、動力性、操縱穩(wěn)定性、安全性、燃油經(jīng)濟性都上升到一個新的高度，給工程機械技術(shù)的發(fā)展注入新的活力。
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