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CAN (控制器局域網(wǎng)) 是一種與汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用高度相關(guān)的通信技術(shù)。隨著附加功能被集成到這些應(yīng)用中，對(duì)更復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和更快速數(shù)據(jù)速率的需求正在增加。這兩種需求都與總線上信號(hào)振鈴的增加效應(yīng)相沖突，這突出說(shuō)明了CAN介質(zhì)訪問(wèn)傳統(tǒng)技術(shù)的能力有限。CAN信號(hào)增強(qiáng)能力 (SIC) 的引入可能改變這種狀況。

  數(shù)十年的CAN轉(zhuǎn)型

  CAN于20世紀(jì)90年代推出，專(zhuān)用于汽車(chē)行業(yè)。此后，該技術(shù)不斷發(fā)展壯大，以支持更復(fù)雜的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)和越來(lái)越多的節(jié)點(diǎn)。CAN FD (靈活的數(shù)據(jù)速率) 是針對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)的高帶寬通信需求而開(kāi)發(fā)的。

CAN FD是經(jīng)典CAN協(xié)議的擴(kuò)展，利用高速 (HS) CAN收發(fā)器將數(shù)據(jù)傳輸速率提高到5 Mbit/s。但是由于信號(hào)振鈴的影響，在實(shí)際拓?fù)渲校淇蓪?shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率不會(huì)超過(guò)2 Mbit/s。CAN SIC收發(fā)器 (如恩智浦TJA146x) 主動(dòng)改善信號(hào)，因此受振鈴的限制較小，在更復(fù)雜的拓?fù)渲锌蓪?shí)現(xiàn)更高的比特率，對(duì)現(xiàn)有的CAN FD網(wǎng)絡(luò)形成補(bǔ)充。

表1：多種收發(fā)器技術(shù)之間的比較和所得到的最大可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)速率

  轉(zhuǎn)向工業(yè)

  CAN SIC在汽車(chē)業(yè)的成功應(yīng)用使其在工業(yè)應(yīng)用中也得到了廣泛普及。雖然IP通信越來(lái)越受到重視，但CAN總線技術(shù)具有穩(wěn)健、可靠、成本低廉等特點(diǎn)，仍然是工業(yè)領(lǐng)域的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

CAN網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)存在于幾大工業(yè)領(lǐng)域，包括嵌入式機(jī)器控制、移動(dòng)機(jī)器人、醫(yī)療保健、電梯工業(yè)，以及用于海洋地面，甚至外太空。采用CAN SIC收發(fā)器，可以大大提高CAN FD網(wǎng)絡(luò)在這些行業(yè)的性能。這種改進(jìn)至關(guān)重要，因?yàn)橐恍┕I(yè)應(yīng)用需要在復(fù)雜的拓?fù)渲锌缭胶荛L(zhǎng)的距離才能連接其網(wǎng)絡(luò)。如果無(wú)人值守，則可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)振鈴，從而更難以達(dá)到所需的帶寬，也無(wú)法創(chuàng)建在布線和成本方面有效的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

  利用CAN SIC實(shí)現(xiàn)更多功能

  為了說(shuō)明CAN SIC的優(yōu)勢(shì)，我們研究了移動(dòng)機(jī)器人的案例。這種類(lèi)型的應(yīng)用可以在菊花鏈網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)，通常使用有限的2 Mbit/s數(shù)據(jù)速率以避免信號(hào)振鈴的限制，并可靠地運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)。但還有一種替代拓?fù)渚哂卸喾N優(yōu)勢(shì)。

圖1：線性拓?fù)浜投鄻锻負(fù)浣M成同一網(wǎng)絡(luò)的對(duì)比

  帶有中央端接的多樁拓?fù)渖婕皟?yōu)化電纜長(zhǎng)度，從而降低主網(wǎng)絡(luò)和潛在冗余網(wǎng)絡(luò)的重量和成本。它還可以降低通信和丟失終端的風(fēng)險(xiǎn)，并通過(guò)將終端遷移到中央ECU來(lái)提供標(biāo)準(zhǔn)化的電機(jī)ECU (電子控制單元)。盡管有這些優(yōu)勢(shì)，多樁拓?fù)溆袀€(gè)主要缺點(diǎn)，即線樁增加了信號(hào)振鈴效應(yīng)并因此限制了使用標(biāo)準(zhǔn)CAN FD收發(fā)器可以達(dá)到的數(shù)據(jù)速率。

  如果主動(dòng)改善信號(hào)，CAN SIC可以避開(kāi)振鈴效應(yīng)。圖2中的仿真結(jié)果說(shuō)明在多樁拓?fù)渲?，CAN SIC與CAN FD相比如何實(shí)現(xiàn)可靠的通信，從而允許數(shù)據(jù)速率超過(guò)2 Mbit/s并創(chuàng)建更高效且更安全的拓?fù)湓O(shè)計(jì)。沒(méi)有CAN SIC，更有效的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就無(wú)法運(yùn)行可靠的2Mbit/s CAN FD通信。

  圖2：在具有中央端接的多樁網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行2Mbit/s CAN SIC仿真

圖3：在具有中央端接的多樁網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行2Mbit/s CAN FD仿真

  如圖1所示，在具有中央端接的同一多樁拓?fù)渲?，模擬2 Mbit/s的CAN SIC (圖2) 和CAN FD (圖3) 性能。紅色方框表示信號(hào)的禁區(qū)，用于可靠通信;紅色方框表示CAN SIC更緊密，因?yàn)楦纳屏藢?duì)稱(chēng)定時(shí)性能。通過(guò)實(shí)施CAN SIC，CAN信號(hào)得到了改善，為將可達(dá)數(shù)據(jù)速率提高到5 Mbit/s創(chuàng)造了空間。

  對(duì)于長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)和CAN SIC，還需要進(jìn)行一些評(píng)估。在1992年成立的非營(yíng)利性用戶和制造商組織CAN in Automation (CiA) 中，海洋業(yè)正在尋找長(zhǎng)度約500米的CAN FD網(wǎng)絡(luò)。還有其他具有長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)需求的應(yīng)用領(lǐng)域，包括起重機(jī)、土方機(jī)械和電梯，不勝枚舉。這些領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是抑制網(wǎng)絡(luò)線路上的振鈴，同時(shí)防止壓降導(dǎo)致比特錯(cuò)誤。