CAN總線35周年，回顧它的前世今生

來源 | 安富萊電子

編排 | strongerHuang

之前給大家分享過很多關于CAN的文章： CANOpen系列教程 CAN-FD協(xié)議你了解多少？ 第三代CAN技術即將到來
今年CAN總線35周年了，給大家分享一下CAN總線的歷史。
1986年2月，Robert Bosch GmbH在汽車工程師協(xié)會（SAE）大會上推出了控制器局域網(wǎng)（CAN）串行總線系統(tǒng)。這是有史以來最成功的網(wǎng)絡協(xié)議之一誕生的時刻。如今，歐洲幾乎所有汽車都配備了至少一個CAN網(wǎng)絡。CAN還用于其他類型的車輛，從火車到輪船，以及工業(yè)控制中，CAN是最主要的總線協(xié)議之一，甚至可能是全球領先的串行總線系統(tǒng)。

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從構思到第一個芯片

在1980年代初期，博世的工程師正在評估現(xiàn)有的串行總線系統(tǒng)，以探討其在汽車中的可能用途。由于沒有可用的網(wǎng)絡協(xié)議能夠滿足汽車工程師的要求，因此Uwe Kiencke于1983年開始開發(fā)新的串行總線系統(tǒng)。
新的總線協(xié)議主要是要增加新的功能 --- 減少線束不是CAN發(fā)展背后的驅動力。奔馳的工程師很早就參與了新的串行總線系統(tǒng)的規(guī)范制定階段，英特爾作為潛在的主要半導體供應商也參與了進來。來自德國Braunschweig-Wolfenbüttel的應用科學大學（現(xiàn)為Ostfalia University of Applied Science）的Wolfhard Lawrenz教授被聘為顧問，他將新的網(wǎng)絡協(xié)議命名為“Controller Area Network（控制器區(qū)域網(wǎng)絡）”。來自卡爾斯魯厄大學的Horst Wettstein教授也提供了學術幫助。
1986年2月，CAN誕生了：在底特律的SAE大會上，新的總線系統(tǒng)被稱為“Automotive Serial Controller Area Network（汽車串行控制器局域網(wǎng)）”。Uwe Kiencke，Siegfried Dais和Martin Litschel介紹了多主網(wǎng)絡協(xié)議。它基于一種非破壞性仲裁機制，該機制允許總線訪問具有最高優(yōu)先級的幀而沒有任何延遲。沒有中心控制器。此外，CAN之父（上述人員以及博世員工Wolfgang Borst，Wolfgang Botzenhard，Otto Karl，Helmut Schelling和Jan Unruh）已經(jīng)實現(xiàn)了幾種錯誤檢測機制。錯誤處理還包括自動斷開故障總線節(jié)點，以保持其余節(jié)點之間的通信。傳輸?shù)膸皇怯蓭l(fā)送器或幀接收器的節(jié)點地址（幾乎在所有其他總線系統(tǒng)中）識別的，而是由它們的內(nèi)容識別的。表示幀有效載荷的標識符，還具有指定幀在網(wǎng)絡段內(nèi)的優(yōu)先級。
隨后，許多介紹該創(chuàng)新通信協(xié)議的演講和出版物，直到1987年中期（比計劃提前兩個月），英特爾才交付了第一款CAN控制器芯片82526。這是CAN協(xié)議的第一個硬件實現(xiàn)。在短短四年內(nèi)，一個想法就變成了現(xiàn)實。此后不久，飛利浦半導體推出了82C200。CAN控制器的這兩個最早的祖先在接受過濾和幀處理方面有很大的不同。一方面，與飛利浦選擇的BasicCAN實施相比，英特爾所青睞的FullCAN概念要求所連接的微控制器的CPU負載更少。另一方面，F(xiàn)ullCAN設備在可以接收的幀數(shù)方面受到限制。BasicCAN控制器還需要更少的硅。在當今的CAN控制器中，實現(xiàn)了接受過濾和幀處理這兩種概念的混合。這使BasicCAN和FullCAN的誤導性術語過時了。

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標準化和規(guī)格

博世CAN規(guī)范（2.0版）已于1990年代初提交國際標準化。在發(fā)生了幾場政治糾紛之后，尤其是涉及到法國一些主要汽車制造商開發(fā)的“車載區(qū)域網(wǎng)絡”（VAN，Vehicle Area Network），ISO 11898標準于1993年11月發(fā)布。除了CAN協(xié)議外，它還標準化了物理層，速率高達1 Mbit / s。同時，ISO 11519-2對通過CAN的低功耗，容錯數(shù)據(jù)傳輸方式進行了標準化。由于該標準存在缺陷，因此從未實施。在1995年，ISO 11898標準通過附錄進行了擴展，該附錄描述了使用29位CAN標識符的擴展幀格式。
不幸的是，所有已發(fā)布的CAN規(guī)范和標準化都包含錯誤或不完整。為避免不兼容的CAN實施方案，Bosch確保所有CAN芯片均符合Bosch CAN參考模型。此外，由Wolfhard Lawrenz教授領導的德國Braunschweig-Wolfenbüttel應用科學大學已經(jīng)進行了幾年的CAN一致性測試。所使用的測試模式基于ISO 16845一致性測試計劃標準系列。今天，多家測試機構可提供CAN一致性測試服務。
修訂后的CAN規(guī)范已標準化。ISO 11898-1描述了“ CAN數(shù)據(jù)鏈路層”，ISO 11898-2標準化了“非容錯” CAN物理層，而ISO 11898-3指定了“容錯CAN物理層”。ISO 11992系列（卡車和拖車接口）和ISO 11783（農(nóng)業(yè)和林業(yè)機械）系列指定了基于SAE J1939網(wǎng)絡方法的應用程序配置文件。它們不兼容，因為物理層規(guī)范不同。

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CAN時代的先鋒

盡管CAN最初被開發(fā)用于汽車，但最初的應用來自不同的市場領域。特別是在北歐，CAN在早期已經(jīng)非常流行。在芬蘭，電梯制造商Kone 使用了CAN總線。瑞典工程辦公室Kvaser向一些紡織機械制造商（Lindauer Dornier和Sulzer）及其供應商建議將CAN作為機器內(nèi)部的通信協(xié)議。在Lars-Berno Fredriksson的領導下，這些公司成立了“ CAN紡織品用戶小組”。到1989年，他們制定了溝通原則，有助于在1990年代初塑造發(fā)展環(huán)境“ CAN Kingdom”。盡管相對于OSI參考模型，CAN Kingdom不是應用程序層。
在荷蘭，飛利浦醫(yī)療系統(tǒng)決定將CAN用于其X射線機的內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)，從而加入了工業(yè)CAN用戶。主要由Tom Suters開發(fā)的“ Philips消息規(guī)范”（PMS）代表了CAN網(wǎng)絡的第一個應用層。來自德國Weingarten應用科學大學的Konrad Etschberger教授也有相同的想法，在他負責的Steinbeis過程自動化轉移中心（STZP）中，他開發(fā)了類似的協(xié)議。
盡管第一個標準化的高層協(xié)議開始出現(xiàn)，但大多數(shù)CAN開拓者還是采用了整體法。通信功能，網(wǎng)絡管理和應用程序代碼是一種軟件。即使某些用戶希望采用模塊化的方法，但他們?nèi)杂袑Ｓ薪鉀Q方案的缺點。增強和維護CAN高層協(xié)議的必要努力被低估了 ---今天仍然部分是正確的。
在1990年代初，是時候成立了一個用戶小組，以推廣CAN協(xié)議并促進其在許多應用中的使用。1992年1月，當時的《 VMEbus》雜志編輯（出版商：Franzis）的Holger Zeltwanger吸引了用戶和制造商一起建立了一個中立的平臺，用于CAN的技術增強以及串行總線系統(tǒng)的市場營銷。兩個月后，“ CAN in Automation”（CiA）國際用戶和制造商小組正式成立。在早期，CAN通訊已經(jīng)出版。
僅幾周后發(fā)布的第一份技術出版物涉及物理層：CiA建議僅使用符合ISO 11898的CAN收發(fā)器。如今，制造商專用的EIA-485收發(fā)器在CAN網(wǎng)絡中非常普遍，那個時候，并不總是兼容，應該已經(jīng)完全消失了。
CiA的首要任務之一是規(guī)范CAN應用層。利用飛利浦醫(yī)療系統(tǒng)公司和STZP提供的現(xiàn)有材料，并在CiA其他成員的幫助下，開發(fā)了“ CAN應用程序層”（CAL），也稱為“綠皮書”。在使用CAN制定規(guī)范時，CiA的主要任務之一是組織CAN專家與那些希望在CAN上變得更多知識的專家之間的信息交換。因此，自1994年以來，舉行了國際CAN會議（iCC）。
LAV（德國農(nóng)業(yè)車輛協(xié)會）追求另一種學術方法。自1980年代后期以來，已經(jīng)開發(fā)了基于CAN的農(nóng)用車輛總線系統(tǒng)（LBS）。但是在這項工作可以成功完成之前，國際委員會已決定支持美國的解決方案J1939（ISO 11783）。此應用程序配置文件也基于CAN，由SAE卡車和公共汽車協(xié)會的委員會定義。J1939是一種非模塊化方法，非常易于使用，但也非常不靈活。
還為卡車開發(fā)了CAN的標準化?？ㄜ嚭屯宪囍g的網(wǎng)絡標準化為ISO11992。該協(xié)議基于J1939，從2006年起必須在歐洲使用。汽車的趨勢是向OSEK-COM和OSEK-NM，通信協(xié)議和網(wǎng)絡管理邁進。兩者均已提交國際標準化。到目前為止，汽車制造商一直在使用專有軟件解決方案。

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從理論到實踐

當然，將CAN內(nèi)核實現(xiàn)到其微控制器中的半導體供應商主要集中在汽車行業(yè)。自1990年代中期以來，英飛凌科技公司（以前為西門子半導體公司）和摩托羅拉公司（外包為飛思卡爾，后來被NXP收購）已經(jīng)向歐洲汽車制造商及其供應商運送了大量CAN控制器。自1990年代末以來，遠東半導體供應商也開始提供CAN控制器。NEC在1994年推出了他們傳奇的CAN芯片72005，但為時過早-該組件在商業(yè)上并不成功。
自1991年以來，奔馳一直在其汽車中使用CAN。第一步，通過CAN連接負責發(fā)動機管理的電子控制單元。1995年，寶馬在其7系汽車中使用了帶有五個ECU（電子控制單元）的樹/星拓撲CAN網(wǎng)絡。第二步，跟隨人體電子設備所需的控制單元。實現(xiàn)了兩個物理上分離的CAN網(wǎng)絡，通常通過網(wǎng)關連接。其他汽車制造商也沿用了奔馳的方式，通常在乘用車中實現(xiàn)兩個CAN網(wǎng)絡。如今，他們都在自己的車輛中實現(xiàn)了多個CAN網(wǎng)絡。
在1990年代初期，美國機械工程公司Cincinnati Milacron的工程師與Allen-Bradley和Honeywell Microswitch共同成立了一家合資公司，以基于CAN的控制和通信項目。但是，不久之后，重要的項目成員換了工作，合資企業(yè)瓦解了。但是Allen-Bradley和Honeywell分別繼續(xù)工作。這導致了至少在較低的通信層中非常相似的兩個高層協(xié)議“ DeviceNet”和“智能分布式系統(tǒng)”（SDS）。1994年初，Allen-Bradley將DeviceNet規(guī)范移交給了“開放DeviceNet供應商協(xié)會”（ODVA），這促進了DeviceNet的普及。Honeywell未能在SDS上采取類似的方式，這使SDS看起來更像是Honeywell微動的內(nèi)部解決方案。DeviceNet是專為工廠自動化而開發(fā)的，因此，它本身就是Profibus-DP和Interbus等協(xié)議的直接對手。提供現(xiàn)成的即插即用功能，DeviceNet已成為美國這個特定細分市場中領先的總線系統(tǒng)。
在歐洲，幾家公司嘗試使用CAL。盡管CAL方法在學術上是正確的，并且可以在工業(yè)應用中使用它，但是每個用戶都需要設計一個新的配置文件，因為CAL是真正的應用程序層。CAL可以看作是獨立于應用程序的CAN解決方案必不可少的學術步驟，但它從未在該領域獲得廣泛認可。
自1993年以來，在Esprit項目ASPIC的范圍內(nèi)，由博世領導的歐洲財團一直在開發(fā)CANopen的原型。它是用于生產(chǎn)單元內(nèi)部網(wǎng)絡的CAL配置文件。在學術方面，來自德國羅伊特林根應用科學大學的Gerhard Gruhler教授和來自英國紐卡斯爾大學的Mohammed Farsi博士參加了有史以來最成功的Esprit活動之一。項目完成后，CANopen規(guī)范移交給了CiA，以進行進一步的開發(fā)和維護。1995年，發(fā)布了經(jīng)過完全修訂的CANopen通信配置文件，并在短短五年內(nèi)成為歐洲最重要的標準化嵌入式網(wǎng)絡。
第一個CANopen網(wǎng)絡用于內(nèi)部機器通信，尤其是驅動器。CANopen提供了很高的靈活性和可配置性。高層協(xié)議已用于多個非常不同的應用領域（工業(yè)自動化，航海電子，軍用車輛等），同時其國際標準為EN 50325-4（2003）。CANopen尤其在歐洲使用。意大利的注塑機，德國的木鋸和機器，英國的卷煙機，法國的起重機，奧地利的搬運機以及瑞士的鐘表制造機只是工業(yè)自動化和機械制造中的幾個例子。在美國，推薦將CANopen用于叉車并將其用于信件分揀機中。
CANopen不僅定義了應用程序層和通信配置文件，而且還定義了可編程系統(tǒng)以及不同設備，接口和應用程序配置文件的框架。這是整個行業(yè)（例如印刷機，海事應用，醫(yī)療系統(tǒng)）決定在1990年代后期使用CANopen的重要原因。
借助DeviceNet和CANopen，可以使用兩個標準化的（IEC 62026-3或EN 50325-4 / 5）應用層，以滿足不同的工業(yè)自動化市場的需求。DeviceNet針對工廠自動化進行了優(yōu)化，而CANopen特別適合于各種機器控制中的嵌入式網(wǎng)絡。這使得專有的應用程序層已過時。定義特定于應用程序的應用程序層的必要性已成為歷史（也許，對于某些專用的大容量嵌入式系統(tǒng)而言除外）。

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時間觸發(fā)的通訊

在2000年初，一個由數(shù)家公司組成的ISO特別工作組為CAN幀的時間觸發(fā)傳輸定義了一個協(xié)議。Bernd Mueller博士，Thomas Fuehrer博士和其他博世員工，以及半導體行業(yè)和學術研究專家共同定義了協(xié)議“ CAN上的時間觸發(fā)通信”（TTCAN，Time-triggered communication on CAN）。
這種CAN擴展可以實現(xiàn)時間等量的幀傳輸和通過CAN的閉環(huán)控制的實現(xiàn)，而且還可以在x-by-wire的應用中使用CAN。由于CAN協(xié)議未更改，因此可以通過同一物理總線系統(tǒng)傳輸時間觸發(fā)幀和事件觸發(fā)幀。但是，汽車行業(yè)尚未采用TTCAN。而且，工業(yè)用戶很少使用時間觸發(fā)的協(xié)議擴展。他們改用CANopen中指定的同步傳輸功能，可以說是一種軟時間觸發(fā)方法。

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當局批準

在90年代后期，發(fā)明了幾種基于CAN的專有安全協(xié)議。幸存下來的是德國Pilz生產(chǎn)的Safetybus p。在1999年，CiA開始開發(fā)CANopen-Safety協(xié)議，該協(xié)議已獲得德國TüV的批準。經(jīng)過標準化機構的大量參與之后，此CANopen擴展（CiA 304）在EN 50325-5（2009）中進行了國際標準化。
DeviceNet使用CIP安全協(xié)議擴展。全球領先的船級社之一的德國勞埃德船級社（Germanischer Lloyd）已批準了適用于海事應用的CANopen框架（CiA 307）。除其他外，該框架規(guī)定了從默認的CANopen網(wǎng)絡到冗余總線系統(tǒng)的自動切換。如今，這些功能已在CiA 302系列其他CANopen應用層功能中得到了概括和指定。

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CAN FD開發(fā) 2011年初，通用汽車和博世開始著手開發(fā)一些有關提高吞吐量的CAN協(xié)議。當將越來越多的軟件包下載到電子控制單元（ECU）時，汽車行業(yè)尤其受苦。高性能通信系統(tǒng)必須縮短這項耗時的任務。通過引入第二個比特率來提高CAN傳輸速度的想法并不新鮮。自2000年初以來，已有幾位學者發(fā)表了研究方法。但是，沒有一個研究者能夠說服汽車制造商。博世與其他CAN專家合作，預先開發(fā)了CAN FD規(guī)范，該規(guī)范于2012年在德國哈姆巴赫城堡舉行的第13屆國際CAN會議上正式推出。
在ISO的標準化過程中，發(fā)現(xiàn)了所提出的錯誤檢測機制中的一些學術缺陷。這需要對CAN FD協(xié)議進行審查，并引入其他防護措施（例如，填充位計數(shù)器）。這就是為什么存在非ISO CAN FD協(xié)議的原因，該協(xié)議與ISO 11898-1中標準化的ISO CAN FD協(xié)議不兼容。
戴姆勒公司的Mark Schreiner博士為設計CAN FD網(wǎng)絡提供了很多提示和知識。他的許多想法都包含在CAN FD節(jié)點的CiA 601系列以及系統(tǒng)設計建議和規(guī)范中。

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CAN的未來是光明的 隨著CAN FD協(xié)議的引入，CAN技術的壽命得以延長。汽車行業(yè)已經(jīng)開始為下一代車載網(wǎng)絡采用CAN FD協(xié)議?？梢灶A期，所有未來的應用程序都將使用CAN FD協(xié)議。不管它們是否需要更高的帶寬都沒關系。您仍然可以將CAN FD與單個位定時設置一起使用。有效負載長度無論如何都可以在0到64字節(jié)之間配置。
對于那些需要更多帶寬并需要混合拓撲的用戶，CiA已開發(fā)了所謂的SIC（信號改善電路）收發(fā)器規(guī)范（CiA 601-4）。最初的想法來自日本Tier-1供應商Denso。
CiA還開發(fā)了基于CAN FD下層的CANopen FD協(xié)議。特別是對于工業(yè)運動控制應用，非常適合更高的傳輸速率和更長的有效載荷（最大64字節(jié)）。CiA還參與了使用SAE J1939系列中指定的現(xiàn)有參數(shù)組的商用車，基于CAN FD的應用層的開發(fā)。

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第三代CAN 2018年底，CiA開始開發(fā)第三代基于CAN的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議CAN XL。 它是應大眾汽車的要求啟動的。 Carsten Schanze和Alexander Mueller提供了許多最初的想法。
2020年由于疫情，取消了國際CAN會議的執(zhí)行，今年的國際CAN會議改為線上舉行，主題是CAN XL。CAN XL速度提升至10Mbps。


同時保持CAN協(xié)議的優(yōu)勢以及與CAN和CAN FD的兼容性。下面是CAN FD和CAN XL的混合網(wǎng)絡：

補充：
（1）CiA CAN XL規(guī)范于2018年12月開始，目標是在2019年底之前擁有OSI第2層規(guī)范（稱為CAN XL協(xié)議），第二步，將開始進行ISO標準化。
（2）經(jīng)典CAN是1Mbps，CAN FD最高2Mbps，CAN FD-SiC是5-8Mbps，CAN XL是10Mbps。

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