控制器區域網路(CAN)最早是由羅伯特博世(Robert Bosch)率先提出，目標是因應汽車功能與網路日趨複雜所衍生的問題。在嵌入式系統發展的初期，內含一個微控制器(MCU)的模組，就能執行單一或多項簡單功能，包括像是透過ADC讀取感測器的數據及控制直流(DC)馬達等(圖1)。
隨著這些功能日趨複雜，研發人員開始採用分散式模組架構，將各項功能建置在同一塊電路板上的兩個或多個微控制器，再運用I2C或串流周邊介面(Serial Peripheral Interface, SPI)通訊協定作為這些功能的聯繫管道。運用上述的模式，一個複雜的模組可利用主MCU來執行所有系統功能、診斷及故障安全防護等作業，另一個MCU則負責直流無刷(Brushless DC, BLDC)馬達的控制功能。廠商可利用市面上廣泛流通的低價通用型MCU，即可開發出上述的產品。
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| 圖1 控制器區域網路介紹 |
現今的汽車，內部搭載的各項功能均分散在車體各處，而不是集中在單一模組，因此須要具備高容錯能力的內部模組通訊協定，促使汽車市場推出CAN。
DeviceNet與CANOpen通訊協定應運而生
在90年代中期，CAN被汽車以外的其他產業廣泛採用，在工業控制方面還出現包括DeviceNet與CANOpen等通訊協定。
在市場的推波助瀾下，許多微控制器供應商著手整合CAN控制器，設計成一個整合式周邊元件來搶攻這些市場。雖然以較高的層次看來，CAN的功能類似I2C或SPI，在兩個節點之間搭建通訊管道，但從控制器的層面來看，CAN的通訊方式大不相同，CAN支援下列的服務：CAN通訊是以訊息為主，而不是以位址為主；CAN節點可傳送訊息，或是要求接收匯流排上的訊息；複雜細膩的錯誤處理機制；透過CRC-15保護機制，最多能偵測出連續5個毀損的位元(Bit)資料。
CAN匯排流上的節點，依據訊息或位址模式，來決定本身同步傳輸多個訊息的能力，例如煞車模組訊息可能內含車速資訊、感測器資訊，譬如車輪速度感測器，還有汽車診斷訊息，後者擁有最高的傳輸優先權。
因應各種情況 CAN控制器開枝散葉
初步觀察訊息的優先權以及節點中解碼後的訊息驗證(ID)，乍看下會誤以為CAN會對中央處理器產生極高的處理負荷，以致系統無法再加入更多複雜的功能。目前有不同的CAN可以克服這類問題，如圖2所示。
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| 圖2 基本型與全功能型CAN控制器 |
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建置在CAN控制器硬體中的基本濾波功能，能減輕訊息處理負荷，這導致CPU作業負載偏高。在一個基本CAN控制器中，CPU會從CAN控制器接收到多個岔斷訊號，藉以接收、回應及分析訊息。在應用方面，則根據接收訊息的ID決定是否要傳出回應訊息。基本型CAN控制器僅用在低傳輸速度與低訊息量的通訊，讓CPU還有餘力來處理其他非通訊的作業。 |
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在硬體中提供完備的訊息過濾和分析功能，讓CPU有餘力處理其他作業，不必對每個接收到的訊息做回應。全功能CAN控制器可加以設定， 只有當控制器的過濾器接受訊息的辨識子(Identifier)時，CAN控制器才會向CPU發出岔斷訊號。全功能CAN控制器亦可利用多個訊息物件來設定，這些稱為信箱(Mailbox)的物件可儲存特定的訊息資訊，如ID以及接收到的資料位元，供CPU來檢索。
這種情況下，CPU可在任何時間檢索訊息，但必須在接收訊息有任何更新之前，以及信箱當前內容尚未被覆寫之前就完成檢索。這種情況衍生的問題，已被最後一種CAN控制器所克服。
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提供多一層硬體建置功能，為已接收的訊息提供先進先出(FIFO)硬體設置。這種設計讓系統在CPU收到岔斷訊號之前，能儲存超過一個訊息複本(Instance)，讓變動頻率高的訊息，避免出現資訊流失的狀況，甚至能讓CPU有更長的時間專心處理主模組功能。
另一項值得注意的重點，DeviceNet在ID欄位外，將過濾標準進一步延伸到資料的前兩個位元組，讓全功能或延伸型全功能CAN控制器，成為建置這類通訊協定的必要元件。
依照訊息結構，上述兩種組態可並存於單一模組，藉此建置高層級的訊息優先權，並為CPU改進接收訊息的處理效率。
例如，當一個模組接收到一個訊息內的故障安全防護(Failsafe)資訊(例如ID=0x250)，並在另一個訊息內接收到溫度感測器的資訊(例如ID=0x3FF)，則可將第一個CAN控制器設定成全功能，並搭配四個緩衝區FIFO將第二個CAN控制器設定成延伸型全功能：當接收到每個故障安全防護訊息時，CPU會收到岔斷訊號，且每接收到四個溫度感測器訊息時就會中斷一次。
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圖3顯示這種CAN控制器，透過一個視覺化CAN控制器客製化工具，藉以快速建置複雜的訊息處理機制，讓所有三種CAN控制器能並存運作：
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| 圖3 PSoC Creator - CAN控制器的設定 |
．Message 5→基本型CAN Mailbox.
．Message 0x250→全功能型CAN Mailbox.
．Message 0x3FF→延伸全功能型CAN Mailbox.
優異容錯能力備受肯定
CAN之所以被廣泛採納，除了其運作功能外，還要歸功於優異的容錯能力。1Mbit/s的傳輸速度，加上1,000公尺(傳輸速度達50kbit/s時)匯流排長度，CAN必須建置位元計時(Timing)機制，才能在充斥電子雜訊的環境中運作，並維持高水準的錯誤偵測與校正能力。
為確保高水準的容錯能力，CAN加入次位元(Sub-bit)計時設定，藉以更嚴密控制，並判斷每個CAN匯流排的正確匯流排狀態。一個CAN位元分成四個部分：
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補償任何實體的延遲(實體匯流排與內部CAN節點的傳輸延遲)。 |
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用來補償相位邊緣誤差(Phase Edge Error )。在進行重新同步化時，此部分的長度會縮短。 |
另外，也可常看到只分成三個部分的CAN控制器，其中的Prop_Seg時間被加到Phase_Seg1時間內。圖4為位元計時的示意圖，以及所有必要的參數。
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| 圖4 位元計時示意圖 |
值得一提的是，所有CAN位元計時的計算，都是依據時間配額(Time Quanta, TQ)，時間配額的定義是共振器所推導出的固定時間單位，其數值介於8至25之間。
就時間而言，1Mbit/s的匯流排速度加上1微秒(μs)的位元長度，一個TQ等於二十五分之一的位元，或40奈秒(ns)。
CAN位元計時的簡化規則，以下列出可推算出4位元時間區段的數值：
．Sync_Seg=1TQ
．1TQ≦Prop_Seg≦8TQ
．1TQ≦Phase_Seg1≦8TQ
．2TQ≦Phase_Seg2≦8TQ
．1TQ≦SJW≦MIN(Phase_Seg1, 4)
．SJW--Synchronization Jump的長度，其定義為Phase_Seg1能夠延長以及Phase_Seg2能夠縮短的時間
對於每個相關參數而言，上述的等式涵蓋極大的數值範圍，想要成功建置一個穩定的CAN通訊環境，關鍵在於選擇正確的參數組合。研發人員不僅須注意共振器的精準度，以及節點內的傳輸延遲，還得注意其他系統節點，這些節點之間必須建立通訊管道。
根據系統時脈、所需的傳輸率以 及位元取樣點(CANOpen的取樣點為87.5%)，為CAN設定位元時序，成為許多設計人員不願面對的難題。如此高的複雜度，促使許多新嵌入式系統仍舊採用舊型MCU，甚至回過頭使用舊軟體，而不願使用更有效滿足整體系統需求的新產品。不幸的是，這種情況讓業者把CAN列為「曲高合寡」的嵌入式周邊元件。
圖5為CAN的取樣位元時序組態，對於一個已經運作的CAN匯流排而言，要建立新的時序分析或修改現有節點組態的傳輸率，已不再充滿風險。藉由提供所有特定與通過驗證的參數組合，設計出一個穩健的CAN時序組態，設計人員可專心處理模組主要功能中更複雜的項目。
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| 圖5 PSoC Creator - CAN位元時序組態 |
嵌入系統領域仍待耕耘
雖然CAN誕生至今已有數十年，但在嵌入式設計領域仍被視為一種複雜的周邊元件，尤其是在研發領域。當CAN被作為整體系統的一個元件時，研發過程就會涉及系統組態的倍數重複。
CAN驅動器與CAN堆疊的研發，可外包給專業公司，只要付費就能獲得這些服務，有些公司甚至提供範圍有限的售後修改與設定服務。最近許多半導體廠商推出許多工具，不僅解決需求上的落差，還讓業者能快速自行研發，並加快複雜嵌入式系統的上市時程。
(本文作者為賽普拉斯半導體事業發展資深經理)