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[摘 要]本文对CAN总线技术进行了简介，并针对CAN总线技术在电子对抗阵列系统应用中遇到的关键设计问题及解决办法进行了详细介绍。CAN总线具有良好的可扩展性，可在大规模阵列系统中方便的实现设备扩展和缩减，从而实现系统功能重构。
[关键词]CAN总线、阵列系统
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）24-0372-02
一、CAN总线简介
CAN的全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是目前国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN最初出现在80年代末的汽车工业中，由德国Bosch公司最先提出。当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。提出CAN总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。
1993年，CAN 已成为国际标准ISO11898（高速应用）和ISO11519（低速应用）。由于CAN总线具有很高的实时性能，CAN总线已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。
CAN总线主要有以下特点：
1.它是一种多主总线，即每个节点机均可成为主机，且节点机之间也可进行通信。
2.通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，最大传输速率可达1Mbit/s，对应的最大传输距离为40m；传输速率为5Kbit/s时对应的最大传输距离为10km。
3.各节点可以定义成不同的优先级。当两个节点同时向网络发送数据时，优先级低的节点会主动停止数据发送，而优先级高的节点则不受影响地继续传送数据。
4.CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，还可使不同的节点同时接收到相同的数据。
5.数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。
6.网络上的节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，可退出网络通信，保证总线上的其它操作不受影响。
7.CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。
二、CAN总线在阵列系统中的应用
电子对抗阵列系统由于通道数量大，往往设备数量也较庞大，并且很多分机及组件在功能上相同或者相似。由于CAN总线技术有上述的优点，可以大大减少系统中分机间以及分机内部组件间的互联线缆。因此在目前发展迅速的阵列系统中有较大优势，并且当阵列系统规模根据需求有所变化时，相同种类的分机可以方便地加入系统或者从系统中移除，这也可以大大提高分机、组件复用率，减少重复设计。CAN总线技术在阵列系统中的典型应用结构如图1。
三、CAN总线在阵列系统中设计要求
CAN节点匹配设计要求：
CAN网络中，都应在干线的两端安装终端电阻？（抑制总线信号反射），这类终端电阻被称为干线终端电阻。如果某控制器模块通过一段比较长的支线接入网络，为了防止信号反射，在收发器的驱动能力足够的前提下，可以在该控制器模块内部安装分裂式终端电阻，这类终端电阻称为支线终端电阻。同一网段中，采用支线终端电阻的节点不允许超过4 个。干线终端电阻标称值应为120欧姆。
终端电阻的安装方式有两种：可以直接安装在CAN 总线干线上，也可以安装在某个控制器模块内部。
1.直接安装在CAN 总线上：终端电阻必须采用独立的电阻（不允许采用分裂式终端电阻），且建议将此类终端电阻安装在干燥的位置。
2.安装在控制器模块内部。如果采用这种安装方式，则终端电阻应采用分裂式电阻。
传输介质设计要求：
1.CAN总线电缆可以采用屏蔽或非屏蔽双绞线，推荐使用非屏蔽双绞线，但如果EMC性能未达到要求，可以使用屏蔽双绞线；
2.为了便于与接插件的连接，在连接部分允许有短于50mm的电缆不用双绞线；
3.芯线截面积：0.35～0.5mm2；
4.绞线率：33～50twist/m；
5.CAN_H对CAN_L的线间电容：≦75pF/m；
6.任何两个控制模块之间的通信传输介质总电阻不超过4欧姆？（包括接插件和电缆）；
7.如果采用屏蔽双绞线，在干线上应该找一点将屏蔽层用导线直接接地？，该点应该是所受干扰最小的点，同时该点应该位于网络中心附近。；
8.为了减小驻波，各个控制器模块距离干线的长度不能相等，同时应该避免控制器模块在总线上等间隔布置，即任何两个控制器模块之间d值最好不要相等。
四、CAN总线在阵列系统中问题及解决办法
1.分机内CAN总线阻抗失配
按照CAN总线规范，只需要在源端和末端各接入一个120Ω匹配电阻，电阻过多就会造成阻抗失配。系统最初设计时，分机内CAN总线上挂多个组件，每个组件都装配了一个120Ω匹配电阻，如图2所示。加上控制组件和母板上的匹配电阻，CAN总线上总共挂了（n+3）个匹配电阻，n为受控组件数，从而导致CAN总线工作状态不稳定甚至错误。更改方法将组件内部匹配电阻（红色圈注）去除。
2.分机间CAN总线匹配电阻
按照CAN总线规范，在干线的源端和末端需要接入120Ω匹配电阻，以便抑制总线信号反射。匹配电阻可以直接安装在CAN总线上，也可以安装在控制组件内部。初始系统设计时分机间CAN总线连接方式如图3所示，源端匹配电阻安装在超视距处理分机的控制组件内，末端电阻安装在末级分机的控制组件内。在末级分机之后又引出了一根电缆接到CAN监控器，该电缆的长度约有3m，导致匹配电阻未接到总线末端，不符合CAN总线规范。更改方法见图4所示。
3. CAN总线电缆连接方式
按照CAN总线设计要求，任何两个节点组件之间的通信傳输介质（包括接插件和电缆）总电阻不超过4欧姆。经测量，控制输入接头和控制输出接头之间的连接线电阻达到了2.3欧，从而导致距离较远的分机间电阻超过4欧，10台分机时可超过20欧，与CAN总线规范严重不符。初始分机内部CAN总线连接方式如图5，经过测量和分析，发现是由于母板设计时使用了较细的铜线，并且布置在电路板的内电层，导致连接线电阻值偏大。分机内部CAN总线连接方式如图6更改后任意两台分机间电阻实测值约为3.5欧，满足CAN总线规范。
五、总结
通过上述对阵列系统中的CAN总线更改，总线传输错误率从最高超过50%下降到0，经过在系统中使用验证，证明CAN总线在传输速度要求不高的条件下，是非常可靠的一种总线协议，比较适合阵列式系统可重构，可方便、任意增减分机、组件规模的需求。
参考文献
[1] 唐济扬.基于现场总线技术的先进控制系统[J].2000，22（7）31-35.
[2] 王晓东、王君琳、李平.基于单片机和CAN总线的相控阵HIFU控制系统.微计算机应用[J].2008，29（8）42-45.
[3] 史久根、张培仁、陈真勇编著.CAN现场总线系统设计技术[M]. 北京： 国防工业出版社. 2004，20～ 23.
[关键词]CAN总线、阵列系统
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）24-0372-02
一、CAN总线简介
CAN的全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是目前国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN最初出现在80年代末的汽车工业中，由德国Bosch公司最先提出。当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。提出CAN总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。
1993年，CAN 已成为国际标准ISO11898（高速应用）和ISO11519（低速应用）。由于CAN总线具有很高的实时性能，CAN总线已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。
CAN总线主要有以下特点：
1.它是一种多主总线，即每个节点机均可成为主机，且节点机之间也可进行通信。
2.通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，最大传输速率可达1Mbit/s，对应的最大传输距离为40m；传输速率为5Kbit/s时对应的最大传输距离为10km。
3.各节点可以定义成不同的优先级。当两个节点同时向网络发送数据时，优先级低的节点会主动停止数据发送，而优先级高的节点则不受影响地继续传送数据。
4.CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，还可使不同的节点同时接收到相同的数据。
5.数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。
6.网络上的节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，可退出网络通信，保证总线上的其它操作不受影响。
7.CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。
二、CAN总线在阵列系统中的应用
电子对抗阵列系统由于通道数量大，往往设备数量也较庞大，并且很多分机及组件在功能上相同或者相似。由于CAN总线技术有上述的优点，可以大大减少系统中分机间以及分机内部组件间的互联线缆。因此在目前发展迅速的阵列系统中有较大优势，并且当阵列系统规模根据需求有所变化时，相同种类的分机可以方便地加入系统或者从系统中移除，这也可以大大提高分机、组件复用率，减少重复设计。CAN总线技术在阵列系统中的典型应用结构如图1。
三、CAN总线在阵列系统中设计要求
CAN节点匹配设计要求：
CAN网络中，都应在干线的两端安装终端电阻？（抑制总线信号反射），这类终端电阻被称为干线终端电阻。如果某控制器模块通过一段比较长的支线接入网络，为了防止信号反射，在收发器的驱动能力足够的前提下，可以在该控制器模块内部安装分裂式终端电阻，这类终端电阻称为支线终端电阻。同一网段中，采用支线终端电阻的节点不允许超过4 个。干线终端电阻标称值应为120欧姆。
终端电阻的安装方式有两种：可以直接安装在CAN 总线干线上，也可以安装在某个控制器模块内部。
1.直接安装在CAN 总线上：终端电阻必须采用独立的电阻（不允许采用分裂式终端电阻），且建议将此类终端电阻安装在干燥的位置。
2.安装在控制器模块内部。如果采用这种安装方式，则终端电阻应采用分裂式电阻。
传输介质设计要求：
1.CAN总线电缆可以采用屏蔽或非屏蔽双绞线，推荐使用非屏蔽双绞线，但如果EMC性能未达到要求，可以使用屏蔽双绞线；
2.为了便于与接插件的连接，在连接部分允许有短于50mm的电缆不用双绞线；
3.芯线截面积：0.35～0.5mm2；
4.绞线率：33～50twist/m；
5.CAN_H对CAN_L的线间电容：≦75pF/m；
6.任何两个控制模块之间的通信传输介质总电阻不超过4欧姆？（包括接插件和电缆）；
7.如果采用屏蔽双绞线，在干线上应该找一点将屏蔽层用导线直接接地？，该点应该是所受干扰最小的点，同时该点应该位于网络中心附近。；
8.为了减小驻波，各个控制器模块距离干线的长度不能相等，同时应该避免控制器模块在总线上等间隔布置，即任何两个控制器模块之间d值最好不要相等。
四、CAN总线在阵列系统中问题及解决办法
1.分机内CAN总线阻抗失配
按照CAN总线规范，只需要在源端和末端各接入一个120Ω匹配电阻，电阻过多就会造成阻抗失配。系统最初设计时，分机内CAN总线上挂多个组件，每个组件都装配了一个120Ω匹配电阻，如图2所示。加上控制组件和母板上的匹配电阻，CAN总线上总共挂了（n+3）个匹配电阻，n为受控组件数，从而导致CAN总线工作状态不稳定甚至错误。更改方法将组件内部匹配电阻（红色圈注）去除。
2.分机间CAN总线匹配电阻
按照CAN总线规范，在干线的源端和末端需要接入120Ω匹配电阻，以便抑制总线信号反射。匹配电阻可以直接安装在CAN总线上，也可以安装在控制组件内部。初始系统设计时分机间CAN总线连接方式如图3所示，源端匹配电阻安装在超视距处理分机的控制组件内，末端电阻安装在末级分机的控制组件内。在末级分机之后又引出了一根电缆接到CAN监控器，该电缆的长度约有3m，导致匹配电阻未接到总线末端，不符合CAN总线规范。更改方法见图4所示。
3. CAN总线电缆连接方式
按照CAN总线设计要求，任何两个节点组件之间的通信傳输介质（包括接插件和电缆）总电阻不超过4欧姆。经测量，控制输入接头和控制输出接头之间的连接线电阻达到了2.3欧，从而导致距离较远的分机间电阻超过4欧，10台分机时可超过20欧，与CAN总线规范严重不符。初始分机内部CAN总线连接方式如图5，经过测量和分析，发现是由于母板设计时使用了较细的铜线，并且布置在电路板的内电层，导致连接线电阻值偏大。分机内部CAN总线连接方式如图6更改后任意两台分机间电阻实测值约为3.5欧，满足CAN总线规范。
五、总结
通过上述对阵列系统中的CAN总线更改，总线传输错误率从最高超过50%下降到0，经过在系统中使用验证，证明CAN总线在传输速度要求不高的条件下，是非常可靠的一种总线协议，比较适合阵列式系统可重构，可方便、任意增减分机、组件规模的需求。
参考文献
[1] 唐济扬.基于现场总线技术的先进控制系统[J].2000，22（7）31-35.
[2] 王晓东、王君琳、李平.基于单片机和CAN总线的相控阵HIFU控制系统.微计算机应用[J].2008，29（8）42-45.
[3] 史久根、张培仁、陈真勇编著.CAN现场总线系统设计技术[M]. 北京： 国防工业出版社. 2004，20～ 23.