CAN總線技術(shù)剖析

1、摘要：隨著工業(yè)測(cè)控技術(shù)和生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳統(tǒng)的RS-232 RS-485和CCITTV.24通信技術(shù)已不能適應(yīng)現(xiàn)代化的工業(yè)控制需要，而現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）以其低廉的價(jià)格、可靠的性能而逐步成為新型的工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域的通信技術(shù)。現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng) ，是一種開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底 層控制網(wǎng)絡(luò)。匯集了計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)（3C）的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，從20世紀(jì) 80年代開始發(fā)展起來(lái) ，并逐步在制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇等方面的自動(dòng)化系統(tǒng)中 得到了廣泛的重視和應(yīng)用。現(xiàn)場(chǎng)總線主要有以下幾種類型1-3: 基金會(huì)

2、現(xiàn)場(chǎng)總線 （FF）、Lon Works、ProfiBus、CAN HART而其中CAN即控制器局域網(wǎng)因?yàn)榫哂懈咝阅?、高可靠性?及獨(dú)特的設(shè)計(jì)而越來(lái)越受到關(guān)注，現(xiàn)已形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ，被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。Abstract:As industrial measurement and control technology and production automation technology advances， the traditional RS - 232， RS - 485 and CCITTV. 24 communication technology can not meet

3、the needs of modern industrial control， and field bus (Fieldbus)， with its low price， reliable performance， and gradually become a new kind of communication technology in the field of industrial measurement and control. Field bus is used in production field， between microcomputer-based measuring con

4、trol equipment to realize the bidirectional serial multi-node digital communication system， is a kind of open， digital， multipoint communication bottom control network. Brings together computer technology， network communication technology and automatic control technology (3 c) field bus technology，

5、developed in the 1980 s， and gradually in the manufacturing and process industries， transportation， building automation system has been widely attention and application. Fieldbus basically has the following several types: 1-3 foundation fieldbus (FF)， LonWorks， ProfiBus， CAN， HART， and which CAN nam

6、ely controller local area network (LAN) because of the high performance， high reliability and unique design is more and more attention， already formed the international standard， is recognized as one of the most promising fieldbus.CAN的簡(jiǎn)介3CAN的工作原理4CAN總線的主要特點(diǎn) 6CAN的應(yīng)用領(lǐng)域7CAN的發(fā)展前景9CAN的簡(jiǎn)介CAN是Controller Ar

7、ea Network 的縮寫（以下稱為 CAN）,是ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié) 議。在汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對(duì)安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的 電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來(lái)。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對(duì)可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng) 減少線束的數(shù)量”、通過(guò)多個(gè)LAN，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信 ”的需要，1986年德國(guó)電氣商博世公司開發(fā)出面向汽 車的CAN通信協(xié)議。此后，CAN通過(guò)ISO11898及ISO11519進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，在歐洲已是 汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入 式工業(yè)

8、控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機(jī)械車輛設(shè)計(jì)的J1939協(xié)議。CAN總線技術(shù)最初只是為了解決汽車工業(yè)在發(fā)展的過(guò)程中應(yīng)用的線束過(guò) 長(zhǎng)，影響汽車內(nèi)空間的使用率和信息傳遞可靠性。隨著CAN總線技術(shù)的發(fā)展和不斷成熟，CAN總線技術(shù)廣泛應(yīng)用到了工業(yè)控制的各個(gè)角落。CAN的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面?，F(xiàn)場(chǎng)總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。CAN的工作原理CAN總線使用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，可以1Mb/s

9、的速率在40m的雙絞線上運(yùn)行，也可以使用光纜連接，而且在這種總線上總線協(xié)議支持多主控制器。CAN與I2C總線的許多細(xì)節(jié)很類似，但也有一些明顯的區(qū)別。當(dāng)CAN總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)（站）發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它以報(bào)文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)。對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，無(wú)論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的，都對(duì)其進(jìn)行接收。每組報(bào)文開頭的11位字符為標(biāo)識(shí)符，定義了報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，這種報(bào)文格式稱為面向內(nèi)容的編 址方案。在同一系統(tǒng)中標(biāo)識(shí)符是唯一的，不可能有兩個(gè)站發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的報(bào)文。當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)總線讀取時(shí)，這種配置十分重要。當(dāng)一個(gè)站要向其它站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該站的CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標(biāo)識(shí)符傳送給本站的CAN芯片，并處于準(zhǔn)備狀態(tài)；當(dāng)

10、它收到總線分配時(shí)，轉(zhuǎn)為發(fā)送報(bào)文狀態(tài)。CAN芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報(bào)文格式發(fā)出，這時(shí)網(wǎng)上的其它站處于接收狀態(tài)。每個(gè)處于接收狀態(tài)的站對(duì)接收到的報(bào)文進(jìn)行檢測(cè)，判斷這些報(bào)文是否是發(fā)給自己的，以確定是否接收它。由于CAN總線是一種面向內(nèi)容的編址方案，因此很容易建立高水準(zhǔn)的控制系統(tǒng)并靈活地進(jìn) 行配置。我們可以很容易地在CAN總線中加進(jìn)一些新站而無(wú)需在硬件或軟件上進(jìn)行修改。當(dāng)所提供的新站是純數(shù)據(jù)接收設(shè)備時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不要求獨(dú)立的部分有物理目的地址。它允許分布過(guò)程同步化，即總線上控制器需要測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，可由網(wǎng)上獲得，而無(wú)須每個(gè)控制器都有自己獨(dú)立的傳感器。會(huì)議局域網(wǎng)參會(huì)人員節(jié)點(diǎn)參會(huì)人員身份ID會(huì)議議題n

11、報(bào)文發(fā)言順序仲裁CAN總線最初是由德國(guó) BOSCH公司為解決汽車監(jiān)控系統(tǒng)中的諸多復(fù)雜技術(shù)和難題而設(shè)計(jì)的數(shù)字信號(hào)通信協(xié)議，它屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)。跟其他總線一樣，CAN總線的通信也是通過(guò)一種類似于“會(huì)議”的機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，只不過(guò)會(huì)議的過(guò)程并不是由一方（節(jié)點(diǎn)）主導(dǎo)， 而是，每一個(gè)會(huì)議參加人員都可以自由的提出會(huì)議議題（多主通信模式）。多個(gè)控制單元以并聯(lián)方式經(jīng)收發(fā)器與總線連接。每個(gè)控制單元都有權(quán)向總線發(fā)送信息（多主處理器結(jié)構(gòu)）。同一時(shí)刻只有一個(gè)控制單元向總線發(fā)送信息。其它的控制單元接收信息，其中一些控制單元對(duì)這些數(shù)據(jù)感興趣并采用這些數(shù)據(jù)，而另一些控制單元?jiǎng)t可能不理會(huì)這些數(shù)據(jù)。由于采用了許多新技術(shù)和獨(dú)特的

12、設(shè)計(jì)思想 ，與同類產(chǎn)品相比，CAN總線在數(shù)據(jù)通信方面具有可靠、實(shí)時(shí)和 靈活的優(yōu)點(diǎn)。為使設(shè)計(jì)透明和執(zhí)行靈活遵循ISO/OSI標(biāo)準(zhǔn)模型，CAN總線結(jié)構(gòu)劃分為兩層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層（包括邏輯鏈路控制子層 LLC和媒體訪問(wèn)控制子層 MAC）。其中丄LC子層為 數(shù)據(jù)傳遞和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求提供服務(wù)；MAC子層的功能主要是傳送規(guī)則，即控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯(cuò)誤檢驗(yàn)、出錯(cuò)標(biāo)定和故障界定。要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，就必須將數(shù)據(jù)快速傳送，這 就要求數(shù)據(jù)的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個(gè)站同時(shí)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，要求快速地進(jìn)行總線分配。如果2個(gè)或2個(gè)以上的單元同時(shí)開始傳送報(bào)文，那么就會(huì)有總線訪問(wèn)沖突。 通過(guò)使用識(shí)別符的位形式

13、仲裁可以解決這個(gè)沖突。CAN總線以報(bào)文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，報(bào)文的優(yōu)先級(jí)結(jié)合在11位標(biāo)識(shí)符中，具有最低二進(jìn)制數(shù)的標(biāo)識(shí)符有最高的優(yōu)先級(jí)。這種優(yōu)先級(jí)一 旦在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)被確立后就不能再被更改?？偩€讀取中的沖突可通過(guò)位仲裁解決。Sicuc-rcir bl' ASlcunrgicrtiri' BSlo-uertpcrdl'匚電fl號(hào)性iSCAN總線的主要特點(diǎn)(1) 可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信。CAN總線采用了多主競(jìng)爭(zhēng)式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運(yùn)行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點(diǎn)。CAN總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通

14、信。CAN總線協(xié)議已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)證，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價(jià)比高，特別適用于 分布式測(cè)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊。CAN總線插卡可以任意插在 PC AT XT兼容機(jī)上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。(2) CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以安排優(yōu)先級(jí)順序，以滿足和協(xié)調(diào)各自不同的實(shí)時(shí)性要求。數(shù)據(jù)通信沒有主從之分，任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以向任何其他(一個(gè)或多個(gè))節(jié)點(diǎn)發(fā)起數(shù)據(jù)通信，靠各個(gè)節(jié) 點(diǎn)信息優(yōu)先級(jí)先后順序來(lái)決定通信次序，高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)信息在134 ys通信。(3) 采用非破壞性的總線仲裁技術(shù)，多點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息時(shí)，按優(yōu)先級(jí)順序通信，節(jié)省總線沖 突仲裁時(shí)間。多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)起通信時(shí)， 優(yōu)先級(jí)低的避讓優(yōu)先級(jí)高的，

15、不會(huì)對(duì)通信線路造成 擁塞。CAN只需對(duì)報(bào)文的標(biāo)識(shí)符濾波即可以進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和全域廣播方式傳遞 信息。(5) 通信速率最高可達(dá) 1Mbps(40m以內(nèi))，最長(zhǎng)傳遞距離達(dá)10km(速率為5kbps以下)。(6) CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要決定于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)，報(bào)文標(biāo)志符 2032種(CAN2.0A)擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)(CAN2.0B)中報(bào)文標(biāo)志符幾乎不受限制。(7) CAN總線通信接口中集成了 CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù) 據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng)工作。短幀數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，抗干擾能力強(qiáng)，檢錯(cuò)效果好。(8) 通信介質(zhì)可以

16、用雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。(9)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下可以自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，脫離網(wǎng)絡(luò)。(10)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有2根線與外部相連，并且內(nèi)部集成了錯(cuò)誤探測(cè)和管理模塊。CAN的應(yīng)用領(lǐng)域20世紀(jì)80年代,德國(guó)的BOSCH公司首先應(yīng)用 CAN總線于汽車內(nèi)部的測(cè)控通信。CAN國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的制定，更加推動(dòng)了它的發(fā)展和應(yīng)用 ，已有INTEL MOTOROLA PHILIPS SIEMENS等 百余家國(guó)際大公司支持 CAN總線協(xié)議?，F(xiàn)在，在歐美等國(guó)CAN總線已被廣泛地應(yīng)用于汽車、 火車、輪船、機(jī)器人、智能樓宇、機(jī)械制造、數(shù)控機(jī)床、各種機(jī)械設(shè)備、交通管理、傳感器、自動(dòng)化儀表等領(lǐng)域。從 九五”開始，我國(guó)政府就投

17、資支持現(xiàn)場(chǎng)總線的開發(fā)，其中CAN等總線在國(guó)內(nèi)已經(jīng)得到較廣泛的應(yīng)用，被大量地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)監(jiān)控、電廠測(cè)控、火災(zāi)報(bào)警、變電站控制、煤炭綜合監(jiān)控等。與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。由于其良好的性能及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN總線越來(lái)越受到人們的重視。它在汽車領(lǐng)域上的應(yīng)用是是最廣泛的，世界上一些著名的汽車制造廠商，BENZ奔馳)、BMW(寶馬)、PORSCHE保時(shí)捷)、ROLLS-ROYCE?斯萊斯)和JAGUAR美洲豹)等都采用了 CAN總線來(lái)實(shí)現(xiàn) 汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。同時(shí)，由于CAN總線本身的特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍已不再局限于汽車行業(yè)，而向自

18、動(dòng)控制、航空航天、航海、過(guò)程控制工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、 紡織機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。很多大專院校及 科研單位也投入大量的人力和資金加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)總線，尤其是CAN總線技術(shù)的研究和開發(fā)。CAN總線具有通信速率高、可靠性好、連接方便和性能價(jià)格比高等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以它的開發(fā)和應(yīng)用發(fā)展迅速，國(guó)際上各大廠商不斷研制和推出新的CAN總線產(chǎn)品,并逐步形成系列。常見的有關(guān)CAN的芯片：(1)CAN控制器：由PHILIPS公司生產(chǎn)的82C200是適用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境控制的高集 成度獨(dú)立控制器。它具有完成高性能通信協(xié)議所要求的全部必要特性，可通過(guò)并行總線和各種CPU接口。INTEL公司

19、生產(chǎn)的82526是一種執(zhí)行CAN規(guī)程的獨(dú)立CAN通信控制器，符合 CAN2.0A標(biāo)準(zhǔn)。82527是一種獨(dú)立的 CAN控制器，可通過(guò)并行總線與各種微控制器(INTELMOTOROLA類型)接口也可以通過(guò)串行接口 (SPI與無(wú)并行總線的微控制器 (如MC68HC05)接 口。CAN控制器接口 :82C250是PHILIPS公司生產(chǎn)的CAN總線收發(fā)器，用于CAN控制器與物 理總線的連接，可以提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接收能力。類似功能的器件還有SILIONI公司的SI9200。(3) CAN I/O器件:P82C150是帶有位速率檢測(cè)和校正的CAN協(xié)議控制器的單片 16位I/O器

20、件,提供可組態(tài)的事件捕獲功能，支持由端口輸入管腳上變化引起的自動(dòng)發(fā)送。(4) 帶有在片CAN的微控制器：這是一類在原有基礎(chǔ)上增加了CAN在片控制器等硬件功能的單片機(jī)。有 PHILIPS公司的 P8XC592和 P8XCE598系列,INTEL公司的 87C196CA/CB等。基于CAN總線的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System是新一代控制系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)的集散式控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)中通信由專用網(wǎng)絡(luò)的封閉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所帶來(lái)的缺陷。使用基于標(biāo)準(zhǔn)化、公開化、數(shù)字化的解決方案，可以將不同廠商的自動(dòng)化設(shè)備組建成

21、系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化的各種功能，使控制功能徹底下放到現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)新型的全分布式結(jié)構(gòu)。基于CAN總線的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS硬件設(shè)計(jì)一般可以按如下步驟進(jìn)行：(1)定義各節(jié)點(diǎn)的功能，確定各節(jié)點(diǎn)測(cè)控量的數(shù)目、類型、信號(hào)特征等。選擇節(jié)點(diǎn)控制器和適配元件。(3)根據(jù)CAN總線物理層協(xié)議選擇傳輸介質(zhì)，設(shè)計(jì)布線方案，組成總線網(wǎng)絡(luò)?？紤]系統(tǒng)的可 靠性,進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜哂嘣O(shè)計(jì)，傳輸介質(zhì)可設(shè)兩套，同時(shí)傳輸信息。若通信距離較長(zhǎng)，在適當(dāng)?shù)牡胤?加接中繼站，以擴(kuò)展總線的通信距離。目前大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)還處于單獨(dú)應(yīng)用的階段，以MCU為核心，與一些檢測(cè)、伺服、指示設(shè)配合實(shí)現(xiàn)一定的功能。In ternet現(xiàn)已成為社會(huì)重要的基礎(chǔ)信息設(shè)

22、施之一，是信息流通的重要渠道，嵌入式系統(tǒng)連接到In ternet上面，則可以方便、低廉地將信息傳送到幾乎世界上的任何一個(gè)地方。In ternet和嵌入式設(shè)備的結(jié)合是嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的真正未來(lái)。CAN的發(fā)展前景(1)CAN將在競(jìng)爭(zhēng)中占有一定的優(yōu)勢(shì)。目前市場(chǎng)上的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品除了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158中包含的8種類型外，還有很多，如:LonWorks、DeviceNet等。在今后一段時(shí)間內(nèi)，這些總線產(chǎn) 品將與CAN總線共同發(fā)展,互相競(jìng)爭(zhēng)。由于 CAN總線所具有的高可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性等 突出優(yōu)點(diǎn)，加上廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)，預(yù)計(jì)CAN總線將越來(lái)越受歡迎，并最終成為市場(chǎng)占有率很高 的主要總線產(chǎn)品之一。與企業(yè)以太網(wǎng)(Ethernet)的互聯(lián)。隨著企業(yè)管理水平和信息化水平的提高、集成電路 技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，必然要求處于底層的現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控網(wǎng)段與企業(yè)高層的管理網(wǎng)絡(luò)互 聯(lián),以便及時(shí)了解生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)狀況并實(shí)現(xiàn)管理和控制現(xiàn)場(chǎng)的操作。因此，CAN總線網(wǎng)