新型態CAN總線應用

控制區域網路(Controller Area Network , CAN)，是由博世(Bosch)公司開發的通訊協定，並在1993年標準化 (ISO-11898)。CAN匯流排有以下幾種特色，其中之一為擁有高度的彈性調整能力，無須在軟、硬體上修正或調整，即可在既有網路中新增工作站。另一個特色為，可調整訊號傳遞的優先順序，重要性較高的訊號在傳遞過程中，擁有優先傳遞的權力。

CAN匯流排在傳送訊息時，傳輸速度與距離有相關的規定，訊息傳輸的過程中，皆不可有訊號遺失。如圖1所示，傳輸速度為1Mbps時，傳輸距離為40公尺。傳輸速度為5kbps時，傳輸距離最遠可達10公里。傳輸距離並非單一匯流排的線長，而是匯流排的總長度，也就是主匯流排與各個分支長度的總和。

 

 

如以車用電子網路系統為例，不同的零組件互相傳送訊息時，皆有適合的傳送速度。傳輸速度在1Mbps以下的情況，是使用雙絞線的CAN匯流排。如果是在1Mbps以上，就是使用光纖通訊了。

以圖2所示，零組件大致上可以分為低速與高速兩個類別，傳輸速度為10kbps以下的零件大多為車身系統，如電動座椅、燈光類、車門鎖、電動窗等等。如果是狀態資訊系統的零組件，傳輸速度在10kbps到125kbps之間。如空調系統、電子儀表、駕駛訊息顯示裝置、故障診斷系統等。

高傳輸速度的即時控制系統，傳輸速度會在125kbps到1Mbps之間。如變速箱、引擎控制系統、煞車系統、懸吊控制系統，或者是安全氣囊。傳輸速度高於1Mbps的多媒體系統，指的是車載影音系統。

 

 

在使用同一個地準位的系統內，各個零組件互相傳送訊號時，可以選用非隔離或隔離的CAN收發器。但是，如果是兩個不共地的系統，就只能使用隔離的CAN收發器，如圖3所示。由於非隔離收發器的抗干擾能力較差，因此在選用時，盡量是在共地的系統，以及單一傳送路徑的裝置才使用。如果是在多傳送路徑，與傳輸路徑較長，寄生電感、電容較高，訊號傳送過程中容易受到雜訊干擾，或者跨系統或跨平台傳輸。建議使用隔離型的收發器，避免訊號傳送過程中，受到干擾或者是訊號遺失。

 

 

 

非隔離型的收發器如圖4所示，基本上就是非隔離型的CAN收發器，再加上系統版上或者是非隔離型的電源。這個方法的優點是價格便宜，常用在傳輸路徑較簡易的案例。缺點是訊號在傳送的過程中較容易受到干擾，因此在抗雜訊干擾方面要多注意。

 

                                                              

 

基於防止傳輸訊號過程中受到干擾，以及安全規範中的需求，隔離型的CAN收發器在通訊系統應用上使用越來越普遍。常見的接線方式有以下三種。第一種是使用光耦合器做為電氣隔離，再使用非隔離的CAN收發器傳輸訊號，另外還需再額外加上隔離電源，如圖5(a)所示。這個方法的優點是光耦合價格較低廉，且選擇性較高，但是訊號傳輸速度受光耦合限制，傳輸速度較低，且整體功率損耗較高，且零件佈線空間需求較大。

第二種是使用隔離型的CAN收發器，再加上隔離型的電源轉換器，如圖5(b)。這個方法的優點是訊號傳輸不受光耦合限制，傳輸速度較快，且能量損耗較低。使用此類型的隔離型收發器作為傳輸介面，為現行通訊系統的主流應用方式。但是此種方式的缺點是須外加隔離電源，佔據系統佈線面積。

第三種是目前最新的應用方式，為內建隔離電源的CAN收發器，如圖5(c)所示。優點除了傳輸速度快、功率損耗較低之外，由於無須外加隔離電源，所需的空間較小，有利於產品小型化。

 

                                                           

 

應用概況

圖6為使用光耦合與非隔離收發器組合成的應用線路，由圖中可以看出，控制器透過光耦合傳輸與接收訊號，再透過收發器傳送訊號至通訊網路。這一個方式由於零件數偏多，占整體空間，而且訊號傳送速度受到光耦合器的限制。現在較新的隔離收發器應用線路如圖7所示，無須複雜的零件與接線，透過單一模組即可達成傳送訊號至通訊網路。

 

                                                             

 

                                                              

 

CAN最初是應用於汽車產業內的車用電子網路，隨著通訊網路發達，許多產業也開始使用，如工業應用、鐵道應用、綠色能源…等等，圖8的應用方塊圖所示，微控制器傳輸控制訊號，透過CAN收發器轉成傳輸用的差動訊號後，即可遠程傳輸到指定的應用目的。

 

                                                                

 

高傳輸速度與高可靠度的CAN總線，取代了舊有複雜的傳統車用電子網路。圖9即為CAN使用在車用電子系統的示意圖。如圖中所示，控制單元可以透過簡單的網路相互溝通，如控制引擎、變速箱或是門鎖，又或者是在儀表板上顯示電池資訊。

 

                                                               

 

工業應用也有許多使用CAN收發器的場合，如智慧工廠中儀器設備的通訊網路，也常能看到使用CAN收發器做為接收與傳送訊息的媒介。如圖10所示，人機介面透過CAN收發器傳送控制訊號，控制後端產品或儀器設備，如機械手臂、閘門或馬達應用。同時也能接收儀器設備所收集的資訊，如監視器、溫度感測器。

 

                                                               

 

除了汽車之外，在鐵道應用與新能源應用領域也常使用CAN收發器傳、收資訊。圖11則為鐵道應用的示意圖，由圖中可以看出列車的推進系統、車門開關系統，皆是透過CAN傳送訊息，另外還有人機介面系統可以接收監視系統與溫溼度偵測系統的資訊，也能得知電池模組的電壓狀態。

 

                                                                              

 

圖12為新能源應用示意圖，控制器透過CAN網路，傳送指令到轉軸，控制太陽能板的方向，達到追日的效果。另外，也能從CAN網路得知電池模組的充電狀態。

 

                                                                              

 

 

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