面向工业应用的汽车通信网络分析

　　从家庭住屋到大型住宅楼和办公楼及至工厂，建筑物自动化都是发展越来越多的一个极重要方面。受需要增强安全性和提高能源效率这两项21世纪最重要优先任务的推动，建筑物和工业厂房中运行的系统变得越来越复杂，互连程度也不断提高。

　　特别是建筑物内能源管理的需求产生了在日益精细的基础上智能控制宽范围系统的需要。精密调节控制的下一步是仅开启任何某个时间正在使用的小隔间的照明。工业和过程控制环境的相似之处在于控制单台机器、甚至是某台给定机器的特定参数，使能源效率提升至最高。

　　这类应用产生了采用高级系统智能来实现控制功能的需求。而且，一样重要的是，它们需要强固、低成本的线缆数据通信系统来对数百米距离内的众多网络节点进行互连。

　　系统设计人员越来越多地将目光瞄向已在汽车工业中扎根、作为应对这些要求的解决方案的网络。举例来说，本地互连网络(LIN)和控制器区域网络(CAN)这两种网络所具有的强固性和记录，令其对于不同传感器和控制电路之间可靠、低成本通信至关重要的工业和建筑物内应用而言极具吸引力。

　　乍一看来，车载网络和建筑物内网络之间似乎没什么共同点。毕竟一个是移动、电池供电、重量和空间敏感型环境，另一个是“范围”应用的根本所在。但事实是，当今的建筑自动化市场与上世纪80年代中期的汽车工业环境有着众多相同之处，那时候CAN这样的标准被构想出来。

　　在那时，一个很重要的需求是减少每辆车内的线缆数量。由于那时平均每部车内的线缆超过5km，减少线缆数量是需要的，不仅是减少占用空间，还可降低重量，从而提升燃油经济性。与此同时，汽车制造商也被他们选择的通信子系统的专有属性所困扰。这意味着他们很少能够控制他们所应用的通信拓扑结构，并且经常不能选择适合他们需求的恰当通信拓扑结构。更糟糕的是，由于在集成多供应商系统方面的困难，他们可能还不能选择适合其应用的最佳子系统供应商。

　　这样，类似CAN的开发目标就是使用能够在众多汽车系统中共用的标准通信基础设施，减少线缆数量，并因此使汽车制造商能够从任何生产兼容标准的模块的供应商选择元件。辅助的要求是低开发成本和单位成本——在竞争激烈的汽车市场这是常态，以及在极其恶劣和最不受控制的环境下发挥作用的能力。

　　一种简单、标准的总线可用于大范围的系统类型——从HVAC和照明到安防和安全以及能源管理。它还让多供应商应用构建，从而为节省成本、增强适配性和灵活性开拓机遇。

　　类似CAN这样的标准还有其它一些并未在当年立即呈现给其汽车业推动者的优势。由于它已经部署多年，这种标准已经在应用中获得证明。因此，它不仅具有设计强固性(见附文)，它还有只有经过多年现场测试才能获得的“开源”质量属性。这些特征在汽车制造和建筑等领域更具吸引力；这些领域对于新技术比消费电子、计算机或电信产业等领域呈现更加保守的态度。

　　此外，由于初始设计和工程工作已经完成，无需花费时间和资金来定义新的标准——这个优势对回溯至1986年时的汽车工业肯定会拥有吸引力。这些节省延伸至元件级，而在元件级规模经济已经构建到收发器、控制器、互连器件的设计和制造之中，也融入到众多案例系统和软件之中。

　　但是，所有类型的汽车级系统证实最具吸引力的常常是它们旨在用于恶劣环境的事实。类似CAN这样的总线系统从最基础开始设计使其实现电气强固性，并采用协定令电磁兼容(EMC)问题减至最小。现有CAN产品设计用于承受温度、冲击和震动以及水浸等方面的严苛标准。

　　这些特征意味着它们能够用于大多数建筑物内应用，而设计人员不会被它们在何处进行物理定位或它们接近其它设备所困扰。而它们的高可靠性意味着它们能够安全无虞地部署在安全、安防和关键任务应用之中。

　　这样，问题就在于CAN等汽车网络不适合建筑物内和工业自动化使用的唯一领域就是其传输距离。CAN规定的最大线缆长度为40米，而建筑物设计人员一般需要500米的距离。对于较大的大学校园应用而言，可能还需要在几千米距离内对信号进行路由。

　　这就导致三个问题。首先，在较大距离下可能不能实现最高的比特率。CiA(CAN in AutomaTIon)组织建议在最长500m线路距离下，传输速率限制在125kbps；对于距离大于2km，传输速率限制在  20kbps，或者10 kbps可能更接近限制标准。

　　第二，可能会有信号衰减问题；信号的强度可能不够支撑其传输至目的地。最后，象其它协定一样，CAN依赖于时序。极长的线路会导致信号延迟，这可能会“诱骗”一个节点至工作状态，尽管网络却并不处在使用状态，而这时事实上另一个节点正在进行信号传输，或导致超时暂停(TIme-out)功能不恰当地被调用。

　　虽然这些看上去可能象是相当基础性的障碍，事实上，CAN的固有属性意味着在这个标准的存在期间极少有这类问题没有被触及。事实上，选择合适的CAN收发器IC作为其工业和建筑物内CAN系统的基础，设计人员就会发现他们面对的大多数问题已经得到解决。

　　此外，使用具有能够消除外部元件需要的集成特器件，在开发成本和时间方面能有可观的节省。诸如安森美半导体AMIS-42xxx器件系列的专用标准产品(ASSP)具有静电放电(ESD)、过压保护、低电磁辐射等特性，消除了使用共模扼流圈的需要，而宽广的共模信号范围提升了电磁耐受性能。

　　收发器通常分为两个基本类型。中继器型器件能够用于需要信号衰减问题解决方案的环境。它们包括CAN接收器和发射器，以及必要的信号整形电路。

　　长线(long wire)型器件通常具备在完整数据率范围下工作的能力。虽然这在理论上看上去足够简单去实现，但实践中，它需要非常仔细的设计。特别是在极低传输速率时，相似极性的数据比特串可能对总线呈现“锁定”状态，触发超时暂停错误。这就在总线能够以多慢速率工作方面有效地设定了一个限制，这反过来限制了传输距离在多大程度上能够延伸。需要在超过500米距离(或就数据率而言低于60 kbaud)上发挥作用的收发器因此必须具有取消或适应这种CAN超时暂停性的能力。
为了确保通信和即插即用操作的完整性，诸如安森美半导体AMIS-42671这样的器件也集成了数据率自动检测功能。这是将收发器配置成在总线上监听来实现，但会将本地CAN控制器的错误信息环回至控制器本身。这就迫使控制器通过其本身所具有的速度来循环，直至数据被成功接收而且没有错误产生。这样一个系统为建筑物通用CAN连接提供极低负担的技术，将网络速度自动适配为它们所配置的应有速度。

　　诸如CAN等汽车网络的内在质量对于建筑物自动化和过程控制应用而言也被证实越来越具吸引力。获得证明的技术和实现长距离操作所需设计修改所用的收发器元件的完备供应为设计人员提供了可能。最终结果是更加智能化的建筑物和更佳的过程控制，直接产生改善的能源管理、优化的过程和更佳的安全性。