基于CAN總線的網絡拓撲結構研究

陳煥霆 劉志浩

摘要：CAN 即“控制器局域網”，是一個 ISO 標準的串行通信協議。最初的CAN 總線由國外一家公司為應對汽車上日益龐大的電子控制設備而開發的系統，其最大的特點就是有很大的拓展性，可承受大批量數據的高頻高速通信數據。合理的設計和規劃的網絡拓撲結構是實現CAN協議的基礎，有利于降低成本，提升整個網絡的性能。常見的拓撲結構有直線型拓撲、環型拓撲、星型拓撲等【1】。

關鍵詞：CAN總線;網絡拓撲;拓撲結構

Discuss the network topology structure based on CAN bus

Chen Huan Ting

Suzhou Huazhan Aerospace Electric Appliance Co.， LTD

Abstract：CAN is "controller LAN"， is an ISO standard serial communication protocol. The original CAN bus is a system developed by a foreign company to cope with the increasingly huge electronic control equipment on the automobile. Its biggest characteristic is that it has great extensibility and CAN withstand the high frequency and high speed communication data of large quantities of data. Choosing an appropriate network topology is the basis of realizing CAN protocol， which is beneficial to reduce communication cost and improve the performance of the whole network. Common topologies include linear topology， ring topology， star topology， etc. [1].

Key words：CAN bus; Network topology; topology

1. 引言

CAN總線作為一種通信網絡互聯方式，目前已經被被廣泛的應用于汽車、工控、通信、軍工等行業，最高速率可達到1Mbps。CAN的容納出錯能力特別強，CAN控制器內建了強大的糾錯和整理機制。CAN 總線網絡是一種真正的多主機多大腦系統網絡，在總線處于閑置的情況下，任何一個獨立的單元都可以申請成為指揮官，向總線發送消息。

2. CAN總線系統概述

從拓撲圖1中可以看到一個CAN總線，主要由CPU，CAN總線控制器，CAN總線收發器組成。

2.1 CAN總線的終端匹配電阻

高頻高速信號在工作的情況下，信號的波長較短，信號在傳輸線終端就會形成反射波，干擾原來的信號，所以需要在線纜的末端增加一個終端匹配電阻，一般是匹配一個120歐姆的電阻，這樣可以使信號到達傳輸線信號末端后不反射，以滿足電路可以穩定工作的需要，見圖3。

低頻信號則不用必須連接終端電阻才可以正常工作，終端匹配電阻要與導線的阻抗相同，典型值為120Ω，其主要的作用的是匹配CAN總線阻抗，提高數據通信的電磁兼容性及可靠性能【3】。

終端電阻并不都是120Ω，以下是ISO11898協議的推薦值，見表1。

CAN總線采用差分信號傳輸，如果使用帶屏蔽雙絞線，屏蔽層應單點接地。

一般來說，導線的截面積越小，其分布電容、分布電感和直流電阻越大。當通訊距離很遠時，電容、電感和直流電阻就會引起信號衰減，波形失真和抖動。

導線廠家可以提供信號衰減圖表。圖5所示的曲線顯示了AWG24電纜衰減和頻率的關系：

3. CAN總線常見的拓撲結構

CAN總線是一種分布式的總線，總線上各個節點的連接方式我們稱之為拓撲結構，這種機構對通信鏈路功能穩定性和效率有很大影響。選擇一個合適的網絡拓撲結構是實現CAN總線功能的基礎，有利于降低通信傳輸費用，提升整個電氣鏈路的性能【4】。

3.1直線型拓撲結構

直線型拓撲結構是用一根電纜連接網絡中的所有節點，每個節點的分支連接到總線的主干，這個主干我們稱之為干線，當其中某一個節點發送信號到總線上時，這時候系統就像高鐵站的一個廣播信號一樣，聽到這個廣播信號的人很多，網絡上的所有支線節點均能收聽到這個廣播信號，但是只有目標節點才能接收這個廣播信號，就像高鐵站的廣播只有買了特定車票的人在收到廣播信號的情況下才會上車一樣，其余節點待目標節點接收完畢后，就像特定列車上的人都上車后，才能忽略這項廣播信號。總線型拓撲結構優點在于容易實現并且構建成本很低，但是其容錯能力和可拓展性較差。

3.2環型拓撲結構

環型拓撲結構各節點通過總線構成一個封閉的圓環狀的互聯系統，其實時性好，數據載量較大，可作為高速互聯系統使用，但其靈活性不好，不易發散。當環形拓撲結構中的一個樞紐在出現問題的情況下，將會造成整個鏈路的癱瘓，因為其特點就在于環環相扣，對于軍用導彈系統的來說，系統在測試過程中有可能會遭到攻擊而導致某節點被破壞，進而影響整個系統工作，因此環型拓撲結構不適用在軍用導彈的鏈路設計中。

3.3星型拓撲結構

星型拓撲結構是一個中心樞紐節點連接多個分支節點的網絡結構，所有節點間的通訊必須經過中心樞紐節點再發送至需要接受信號的節點，這個中心樞紐就像一個重要的交通站一樣，無論你去哪里，都必須經過這個交通站換乘通往其他地區的汽車。星型拓撲結構集中式的特性使得鏈路易于拓展，且網絡穩定性較好，當某一個分支節點因故障而中斷時不會對整個網絡產生太大的影響，就像通往特定地點的路斷了之后不會對道路沒有出現損壞的交通會造成影響一樣，但相比于其他網絡拓撲結構，星型拓撲結構需要消耗更多的電纜，需要修建更多的“交通道路”，增加了構建交通網絡的成本。

4. 結語

發展到今天，CAN 總線已經獲得行業內的高度認可，其應用也從汽車電子領域延伸至工業自動化、船舶、醫療設備、工業設備、航空航天等領域。本文詳細描述了CAN網絡的特點、以及各種典型網絡拓撲結構的優點以及缺點，明確了網絡拓撲結構選擇的具體思路和方法，具有很好的指導價值。

參考文獻

[1]瞿軍，邵建波，李昊. 基于 CAN總線的艦載導彈測發控 系統[J]. 火力與指揮控制，2005，30（8）：189-191.

[2]孫永鋒. 淺析基于 CAN 總線的網絡拓撲結構設計[J]. 汽車實用技術，2017，21（21）：58-59.

[3]張楊，徐宏偉，黎玉剛等. 基于1553B總線的導彈武器系 統通信協議設計與仿真[J]. 2014，34（6）：177-180.

[4]劉勇，韓辰，佟為明. 一種新的 CAN 總線位填充方案 [J]. 電器與能效管理技術，2008，5（10）：36-39.