盡管集成控制器局域網 （CAN） 的系統成為頭條新聞，但如今 CAN 很少被提及。無論您是在 CES、Embedded World 還是在自動駕駛汽車技術博覽會上，您都會看到自動駕駛汽車和概念車深深嵌入了 CAN，以至于要確定它是否確實存在是一個挑戰——它甚至可能被屏蔽來自 OEM。

盡管如此，CAN 仍然存在，它的工作做得很深入，因為在某處，必須極其可靠地傳輸相對較短的數據包。CAN 的安裝基礎已達數十億臺，是一種經過驗證的網絡技術，在未來與今天一樣重要。

CAN 簡介

由博世在 1980 年代為汽車行業的安全關鍵系統設計，CAN 提供了一些獨特的功能，使其廣泛適用于任何安全可靠的控制系統。其中包括：

可靠性：CAN 被廣泛認為是傳輸實時數據的最可靠方法之一。CAN 協議確定發送的每條消息的優先級，即使同時發送多條消息，也能實現輕松、不間斷的通信流程。

數據一致性：這在 CAN 系統中得到保證，因為每個節點都接收到相同的消息，并且所有節點在接受消息之前都會檢查消息是否正確。“鑄鐵”數據一致性是任何安全安全系統的強制性要求，CAN 提供了一種特別優雅的方式來滿足這一要求。

保證延遲：在 CAN 中，可以一次傳輸高優先級消息，并且按位仲裁將以可預測的方式解決任何消息沖突。具有 25 個節點的 CAN 系統保證高優先級消息的延遲小于 0.25 毫秒。相比之下，標準以太網無法保證延遲。變通方法涉及安裝專用以太網網絡以進行閉環控制，但最終，這些可能會很昂貴。

一種有效的尋址方法：CAN 沒有地址，只有消息內容的標識符，允許非常短的消息，即只有一個內容標識符和一個值。因此，所有連接的 CAN 模塊都會接收每條消息，并由接收器選擇正確的消息進行處理。發送節點不需要知道誰應該接收消息，接收節點也不需要知道消息來源。同時，CAN 確保所有接收器獲得相同的數據，以便在所有單元中同步決策。這是在控制系統中建立連接的一種極其有效的方式，可以輕松創建點對點、多播和廣播消息方案。CAN 獨特的尋址方法提供了高水平的系統和配置靈活性：

全網錯誤檢測：在CAN中，所有節點都參與錯誤檢測過程。如果任何節點檢測到錯誤，所有節點都會在消息可用于應用程序之前將其刪除，從而確保沒有單元處理不同的數據。然后，發送器重新傳輸該消息，從而在 CAN 的較高比特率下導致重新傳輸的最大延遲在幾分之一毫秒內。

向 CAN FD 的過渡

CAN 并非沒有局限性。為了提供實時性能，CAN 比特率受總線長度的限制。此外，隨著時間的推移，包長度受到限制，以確保低優先級 CAN 幀不會延遲高優先級信息。

因此，博世與多家汽車制造商和 CAN 行業參與者合作開發了更強大的 CAN 協議。2011年發布的CAN FD（Flexible Data-Rate）提高了數據部分的比特率，可以在不增加CAN幀時間長度的情況下增加數據部分的字節數。這種性能和帶寬的改進促進了加密、身份驗證和閃存等應用，這是每個 CAN 幀中對更多數據的需求背后的三個關鍵驅動因素。

在比較 CAN 和 CAN FD 時，主要收獲如下：

CAN FD 具有更短的 CAN 幀，同時提高了比特率。這降低了延遲，提高了實時性能并增加了帶寬。

CAN FD 可以在 CAN 幀中保存更多數據：每幀占用 8 到 64 個字節。通過較少的相對開銷，您可以獲得更好的數據吞吐量。發送大型數據對象時，您可以依賴更簡單、更高效的軟件。

CAN FD 具有更高性能的 CRC 算法，降低了未檢測到錯誤的風險。

雖然尚未廣泛實施，但 CAN FD 正與多家大型汽車制造商積極開發，并獲得 Microchip、NXP、意法半導體和德州儀器等公司的大量芯片支持。CAN FD 提高的性能和通信帶寬使其成為介于經典 CAN 和現代車輛中實施的更復雜協議（如 FlexRay 和以太網）之間的理想中間地帶。

汽車行業向 CAN FD 過渡的最緊迫原因之一是系統內所有級別的安全性的必要性。CAN通常在封閉系統內運行，無法從外部訪問的論點是監管機構將要改變的。CAN FD 在一幀中最多包含 64 個數據字節，為安全簽名提供了充足的空間。隨著 CAN FD 開始出現在中高端微控制器中，對高級加密標準 （AES） 等安全算法的內置硬件支持很有可能。軟件解決方案可用于保護 CAN 和 CAN FD，例如 ESAcademy 的 CANcrypt，一種為 CAN FD 提供身份驗證和加密的安全中間件。

CAN FD與以太網共存

那么，當帶寬成為問題時，為什么不簡單地使用以太網而不是 CAN FD？畢竟，現在可以通過四對雙絞線以 5Gbps 的速度運行以太網。答案就在成語“課程的馬”中。當需要傳輸大量信息時，以太網有它的位置，但時間并不重要。它還適用于專用的點對點通信，在這種通信中，不需要競爭通信帶寬，例如在攝像頭和處理圖像的 ECU 之間。然而，CAN 是專門為分布式嵌入式控制系統設計的，其中需要以可預測的方式實現數據一致性和消息沖突解決。

如果 CAN 被指定使用相同的物理層技術，CAN 可以以與以太網相同的比特率運行（比特率越低，系統越健壯，因此 CAN 被指定為低比特率）。展望未來，CAN 和以太網完全有可能在同一物理層共存，例如，將 CAN 控制器置于靜默模式一段時間，允許網絡與以太網或其他協議一起運行以進行交換的非控制信息。高速協議的使用要求使用更好的電纜和更好的布線布局，這反過來又可以使 CAN 控制系統比現在更加可靠。

展望未來，很明顯，CAN 與以太網一樣，并沒有停止發展。正在計劃進一步增加有效負載，將 CAN-FD 的最大字節數從 64 個字節增加到 4，096 個字節。已經提出了幾種方法，但一個關鍵的考慮因素將是服務組織，其工作是修復日益復雜的汽車通信網絡。CAN 久經考驗的穩健性和使用具有成本效益的可維修電纜仍然是非常有價值的特性。

審核編輯：郭婷