自从具有控制器区域网(CAN)硬件的微控制器于1993年推出以来,基于CAN系统的应用有了稳步的增长。自其问世十年来,CAN现在已稳坐车载和工业网络协议的头把交椅。这一稳步增长可归功于以下几个因素:1.在创始人Robert Bosch的年代,有很好的契机、巨大的全球车载、消费和工业品制造市场；2. 支持这一协议的微控制器和收发器芯片等低成本硬件获得了广泛应用；3. 在增加产量和降低硬件成本双重因素的作用下,CAN技术的发展得到巩固。
随着业界最小、成本最低的CAN微控制器的出现,它进一步降低了采用CAN系统的成本并为基于CAN节点的网络开辟了更多的应用领域,因而显得意义重大。虽然本地互联网(LIN)这样的网络因其较低实现成本而经常受到关注,但是,成本持续降低的CAN系统却因其鲁棒性与成本的比率对许多设计者具有强大的吸引力而实实在在地开始侵入LIN的市场。
除了车载系统,CAN网络也可用于楼宇自动化、天气和灯光控制、空调、报警系统、喷淋系统、电梯/ 升降机、自动贩卖机和电机控制。未来,这一应用的范围会持续扩大,任何需要快速、稳定、低成本网络的场合均将成为CAN节点的备选应用,尽管目前已经建立了1亿5千万个CAN节点。
车载网络
尽管现在CAN应用增幅最大的领域或许在工业控制,但是,CAN的传统应用显然在车载领域。
车载网络化的主要目的是解决成本增加和多种电子系统造成的重量增加的问题。每个系统通常含有自身的配线线束,该配线线束连接到ECU、电池、仪表控制板、传感器和激励器,由分开的铜线组成的配线明显地增加了车载的重量。在复用网络出现以前,一辆豪华轿车可能含有由约1500根单线和2000多个接线端组成的超过1英里长的绝缘配线,加之其昂贵和笨重,人们已渐渐不可能将更多的配线线束置入车内。
传统的配线系统是多种可靠性问题的祸根。由于连接了所有的电子系统,互联得越多,出现机械连接问题的几率就越大,所以许多现场故障都起因于互联问题也就不足为奇了。
对于这一问题的解决方案是在可能的地方替换掉所有的独立的配线系统,采用复用串行通信网络。理论上讲,就是采用单一总线系统将车载中所有的相关系统连接起来,这样会减少线束的数量、重量、成本、缩短装配时间,并且通过减少互连线的数量能够提高可靠性。图1中所示的简图是采用常规配线方式和复用配线系统的两种门控系统的比较。图左手边的门使用了大量的线来连接到功能门控装置并且必须穿过门。图右手边所示的门使用了复用配线系统,该系统被连接到仪表系统的控制器上,复用配线系统使用了相当少的配线和连接点。
车载网络信息通过串行信息包来传递。它们通常由三个部分组成:报头、信息包的目的地址、和数据,长度通常为3-12个字节,以及数据校正位和循环冗余代码或校验和来确保信息包不被破坏。
网络也可提高对车载故障的诊断能力。不需要调试多种不同的系统来查找错误,已联网的车载设备通常用一个端口(通常在仪表盘下面)与诊断设备连接。由于每一个电子系统被网络连接到一起,通过这一端口可以访问到车内所有的电子系统,故障或状态信息的采集也比检查几种不同的独立系统要容易得多。
CAN微控制器
图2所示是基于微控制器的CAN控制器的基本要求。这一装置是基于CAN系统的基本元件并且用于网络中的每一个节点,硬件通常作为智能装置的形式存在,就像连接到网络上用于控制系统的微控制器那样的模块。
这个模块通常包括: 一个与中央处理单元(CPU)的简单接口以便由系统软件控制、一个从CPU无缝或同步向CAN 总线传输数据的缓冲级、一个负责将数据打包为CAN总线所要求的格式并最终将这个数据传输到包含独立的“物理层”的“协议处理”级。
收发器的作用是将用于控制器芯片上的数据信息转换为物理配线所要求的鲁棒的、具有较高电压的信号。此外,CAN 控制器会包含一些板上电路,该电路将检测、鉴别并报告错误、存储信息、对系统产生中断并在对CPU干扰作用尽可能小的情况下对系统的动作进行裁决。这表明微控制器的主要任务是控制节点应用而非花费资源去管理CAN网络。
或许CAN协议的成功与普及的最重要因素是构建基于CAN系统所采用的低成本电子元件随处可见。新的元件不断产生的意义是重大的,每个新一代元件都将推动价格的进一步下跌。2003年3月,基于CAN系统的一个新的里程碑诞生了,那就是两种新的CAN微控制器产品的出现使得最低成本的CAN节点成为可能。这两种器件就是MC68HC908GZ8和MC68HC908GZ16微控制器。两种器件均含有同样的技术功能,只是具有不同容量的片上闪烁电可擦除只读存储器(EEPROM)程序存储器。微控制器的方块图如图3所示。
MC68HC908GZ8 与
MC68HC908GZ16均基于Motorola的高性能8位HC08结构并且与68HC05家用微控制器(早在1993年就是集成了一个CAN控制器的第一颗8位微控制器)相兼容,两种器件的分别有8K和 16K闪存。
图中所显示的模块是用于控制整个系统的微控制器的电路。CPU与用于改变数据的闪存和随机存取存储器(RAM)一起作为一个模块。用于片上时钟控制的锁相环电路和时钟生成模块一起构成PLL。实际的CAN控制器模块在图中以MSCAN08显示,这种命名法表示摩托罗拉的可升级CAN系统,为CPU08处理器所专用。模块图的右手边所示为键盘中断系统(KBI)、4信道/10位模数转换器(ADC)、增强型串行通信接口(ESCI)、串行外设接口(SPI)和2×2信道/16位计时器和通用目的输入/输出脚(GPIO)。通常这些模块要连接到可能是发动机、继电器、螺线管、激励器和传感器之类的控制系统部件上。
微控制器的闪存功能非常重要。EEPROM的成本相对较低(较之于标准字节的可擦除的EEPROM),它可以在现场二次编程。字节可擦除EEPROM和闪存的主要区别是闪存阵列可以按照块来擦除。
控制系统的制造商经常希望现场修改软件,除非采用一种方法来遥控内存阵列的二次编程,否则,就要移动或替换密封的单元电路板才能修改软件。对于制造商而言,这是一个耗时又昂贵的办法,更不必说由此而来的诸多不便。闪烁EEPROM提供容许现场修改软件的技术,此外,由于ECU可能会被连接到复用总线系统上,通过该总线就能将修改后的软件传输到ECU。为了方便地修改软件,可以将承载修改软件的手提电脑在便利的位置连接到复用总线端口上。
系统的物理层部分通常是在单个芯片上实现的,这使得设计者赋予被实现的网络以灵活性。为了弥补MC68HC908GZ8/GZ16的不足,在此推荐采用MC33989系统基础芯片。该芯片包含CAN收发器以及电源系统中所需要的补充功能。
本文小结
基于CAN系统的增长惯穿了20世纪90年代,并且由于硬件控制器元件供应商不断降低成本的努力及提供大量产品来支持基于CAN的系统,这一增长趋势在未来十年仍将持续。CAN已经成为事实标准,在可预见的将来,新的低成本控制器芯片将会继续支持CAN市场的增长。
作者:Ross Bannatyne
分销市场美国区经理
Motorola半导体公司
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