工業(yè)以太網(wǎng)與CAN總線的比較

1、工業(yè)以太網(wǎng)與CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的比較方健摘要：工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線是工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)中的兩大主要網(wǎng)絡(luò)通信形式。本文分別簡(jiǎn)要介紹了工業(yè)以太網(wǎng)和CAN總線的內(nèi)容，并對(duì)兩者在優(yōu)缺點(diǎn)、通信協(xié)議、在工業(yè)信息化網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和通信方案進(jìn)行了分析和比較。關(guān)鍵詞：CAN現(xiàn)場(chǎng)總線；工業(yè)以太網(wǎng)；通信協(xié)議；工業(yè)控制；通信方案AcomparisonbetweenindustrialEthernetandCANbusFangJian(HubeiNormalUniversityschoolofmechanicalelectricalandcontrolengineeringHubei,Huangshi,453002)Abstract

2、:Bothindustrialethernetandfieldbusarethetwoprimaryformsofnetworkcommunicationinthefieldofindustrialcontrol.Inthispaper,thecontentofindustrialethernetandfieldbusarebothbrieflyintroduced.AndItpresentstheanalysisandcomparisonbetweentheindustrialEthernetandthefieldbusonrelativemerits,communicationprotoc

3、ol,Industrialinformationnetworkandcommunicationscheme.Keywords:CANbus;industrialethernet;communicationprotocol;industrialcontrol1、引言現(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)。由于其表現(xiàn)出的強(qiáng)大的功能，現(xiàn)場(chǎng)總線已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的核心部分。發(fā)展比較成熟的現(xiàn)場(chǎng)總線有FF-FoundationFieldbus,Lonworks,PROFIBUSHARTCAN等等。CAN(ControllerAreaNet)即控制器局部網(wǎng)

4、依靠各自的優(yōu)良特性和可靠性，被公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，應(yīng)用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線路網(wǎng)絡(luò)。由于各個(gè)總線的采用的通信協(xié)議完全不同，實(shí)現(xiàn)這些總線的兼容和互操作是十分困難的，應(yīng)用受到了限制，主要應(yīng)用于低速產(chǎn)品。而具有廣泛性和技術(shù)先進(jìn)性的以太網(wǎng)，可以作為現(xiàn)場(chǎng)總線的中高層通信網(wǎng)絡(luò)，并開始逐步應(yīng)用到工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)。國(guó)內(nèi)外的許多研究機(jī)構(gòu)都致力于工業(yè)以太網(wǎng)的研究，使得工業(yè)以太網(wǎng)得到了快速的發(fā)展和很好的應(yīng)用。2、CAN總線和工業(yè)以太網(wǎng)CAN總線的簡(jiǎn)介CAN(ControllerAreaNetwork)控制器局域網(wǎng)。它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線最早是由德國(guó)Bosch公

5、司在80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜、光導(dǎo)纖維，通信速率可達(dá)1Mbp。CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層，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)冗余校驗(yàn)，優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng)工作。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。工業(yè)以太網(wǎng)的簡(jiǎn)介工業(yè)以太網(wǎng)是基于IEEE802.3(Ethernet)的強(qiáng)大的區(qū)域和單元網(wǎng)絡(luò)。通常認(rèn)為工業(yè)以太網(wǎng)主要是通過(guò)采用交換式以太網(wǎng)、全雙工通信、流量控制機(jī)虛擬局域網(wǎng)等技術(shù)，減輕

6、以太網(wǎng)負(fù)荷，提高網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間，與商用以太網(wǎng)兼容的控制網(wǎng)絡(luò)6。利用工業(yè)以太網(wǎng)，SIMATICNET提供了一個(gè)無(wú)縫集成到新的多媒體世界的途徑。企業(yè)內(nèi)部互聯(lián)網(wǎng)(Intranet),外部互聯(lián)網(wǎng)(Extranet),以及國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)(Internet)提供的廣泛應(yīng)用不但已經(jīng)進(jìn)入今天的辦公室領(lǐng)域，而且還可以應(yīng)用于生產(chǎn)和過(guò)程自動(dòng)化。10M波特率的以太網(wǎng)早已經(jīng)成功運(yùn)行,比它更快的100M以太網(wǎng)，具有交換功能、全雙工和自適應(yīng)性，也獲得了成功。采用何種性能的以太網(wǎng)取決于用戶的需要。通用的兼容性允許用戶無(wú)縫升級(jí)到新技術(shù)。3工業(yè)以太網(wǎng)和CANW場(chǎng)總線比較3.1、工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)與不足(1)優(yōu)勢(shì)以太網(wǎng)是統(tǒng)一的總線網(wǎng)

7、絡(luò)技術(shù)、在著幾十種現(xiàn)場(chǎng)總線的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，以太網(wǎng)如能向下延伸并進(jìn)入控制層,特別是在高速數(shù)據(jù)傳輸方面更具優(yōu)勢(shì)。在多種協(xié)議并存且互不相讓的情況下,那么它將成為統(tǒng)一現(xiàn)場(chǎng)總線的希望。而現(xiàn)在在工業(yè)界存已經(jīng)被廣泛采用的以太網(wǎng)是當(dāng)今世界上最流行也是最成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有價(jià)格低、速度高、易于組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，并且易于與Internet連接。絕大多數(shù)操作系統(tǒng)都支持以太網(wǎng)的通信協(xié)議。用戶運(yùn)行費(fèi)用大大降低。用戶不需要單獨(dú)學(xué)習(xí)一種新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也不必為更換設(shè)備耗費(fèi)大量資金和精力4。(2)不足以太網(wǎng)的信道分配方式采用帶有沖突監(jiān)測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)協(xié)議CSMA/CD,適合于突發(fā)性數(shù)據(jù)的傳輸，不具有實(shí)時(shí)性。是一種非確定性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；在

8、工業(yè)環(huán)境下，以太網(wǎng)的可靠性會(huì)有一定程度上的降低，以太網(wǎng)采用超時(shí)發(fā)送機(jī)制，單點(diǎn)故障容易擴(kuò)散到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而使其癱瘓；以太網(wǎng)的接口電路還比較復(fù)雜和昂貴，因而它并不適合所有的自動(dòng)化設(shè)備，并不能在與簡(jiǎn)單的傳感器和執(zhí)行器相連時(shí)，體現(xiàn)出更大的優(yōu)越性；總線供電技術(shù)發(fā)展還不夠完善，這對(duì)于環(huán)境惡劣危險(xiǎn)的場(chǎng)合影響較大。CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)勢(shì)與不足(1)優(yōu)勢(shì)廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以數(shù)據(jù)編碼，通過(guò)報(bào)文過(guò)濾，可以實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)傳送方式；它具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個(gè)控制模塊通過(guò)CAN控制器掛到CAN-bus上，形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)；報(bào)文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，擁有極低的出錯(cuò)率；節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下

9、，具有自動(dòng)退出總線的功能。(2)不足它不能與Internet互聯(lián)，不可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的信息共享；它不易與上位機(jī)控制機(jī)直接接口，CAN接口卡與以太網(wǎng)網(wǎng)卡相比大都價(jià)格昂貴；CAN總線的通信距離和信息傳輸速率沒(méi)法和工業(yè)以太網(wǎng)相比3。4工業(yè)以太網(wǎng)和CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)范比較4、1相同點(diǎn)工業(yè)以太網(wǎng)和CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)范都遵循ISO/OSI參考模型的基本層次結(jié)構(gòu)。它們采用IEEE802參考模型，相當(dāng)于OSI模型的最低兩層，即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。4、2不同點(diǎn)在各層的物理實(shí)現(xiàn)及通信機(jī)理上有很大的不同。工業(yè)以太網(wǎng)：在物理層上，插件為RJ45、AUI、BNC,編碼為同步NRZ,傳輸速率為10M、100M

10、等；在介質(zhì)訪問(wèn)控制子層上，介質(zhì)訪問(wèn)方式采用CSMA/CD,工業(yè)以太網(wǎng)很難滿足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性和確定性的要求，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下可能出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況；在邏輯鏈路控制子層上，完成組幀，處理傳輸差錯(cuò)，調(diào)整幀流速的工作。CAN總線：在物理層上，插件為各種防護(hù)等級(jí)的工業(yè)級(jí)插件，編碼為異步NRZ,傳輸速率為5kbps1Mkbps5;在介質(zhì)訪問(wèn)控制子層上，負(fù)責(zé)報(bào)文分幀，仲裁，應(yīng)答，錯(cuò)誤檢測(cè)和標(biāo)定。并采用非破壞仲裁技術(shù)及短幀傳送數(shù)據(jù)，能滿足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)性和確定性的要求，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況；在邏輯鏈路控制子層上，滿足報(bào)文濾波，過(guò)載通知及恢復(fù)管理的功能。5、CAN總線和工業(yè)以

11、太網(wǎng)通信方案的比較5.1、CAN總線的通信方案CAN總線使用的是按時(shí)間表分配的方案。不管每個(gè)節(jié)點(diǎn)是否申請(qǐng)總線，都對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)按最大期間分配。由此，總線可被分配給每個(gè)站并且是唯一的站，而不論其是立即進(jìn)行總線存取或在一特定時(shí)間進(jìn)行總線存取。這保證了當(dāng)不同的站申請(qǐng)總線存取時(shí)，CAN總線可以明確地進(jìn)行總線分配，這種位仲裁的方法可以解決當(dāng)兩個(gè)站同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生的碰撞問(wèn)題。5.2、工業(yè)以太網(wǎng)的通信方案工業(yè)以太網(wǎng)使用的是按需要分配的方案?？偩€按傳送數(shù)據(jù)的基本要求分配給一個(gè)站，總線系統(tǒng)按站希望的傳送分配。這就決定了在多個(gè)站同時(shí)請(qǐng)求總線存取時(shí)，總線將終止所有站的t#求，這時(shí)將不會(huì)有任何一個(gè)站獲得總線分配。工業(yè)以

12、太網(wǎng)的仲裁方式不夠完善，當(dāng)CSMA/CD網(wǎng)絡(luò)發(fā)生過(guò)載時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)生崩潰，這在CAN總線中不會(huì)發(fā)生。6、工業(yè)以太網(wǎng)和CAN總線在工業(yè)信息化網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用上的比較6.1、工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)信息化網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用由于工業(yè)以太網(wǎng)很難滿足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性和確定性的要求，目前它主要應(yīng)用在對(duì)信息量需求大但實(shí)時(shí)性要求不高的最上層的企業(yè)信息管理網(wǎng)絡(luò)和中間的過(guò)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。企業(yè)信息管理網(wǎng)絡(luò)和過(guò)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)終端設(shè)備之間的信息交換的數(shù)據(jù)報(bào)文通常較長(zhǎng)，數(shù)據(jù)的輸入輸出比較頻繁，吞吐量比較大，而數(shù)據(jù)通信的發(fā)起是隨機(jī)的，無(wú)規(guī)則的，這就決定了網(wǎng)絡(luò)必須既具有較大的帶寬，又對(duì)實(shí)時(shí)性要求相對(duì)不嚴(yán)格1。這部分由傳輸速率比較高的工業(yè)以太網(wǎng)組成比

13、由CAN總線組成更具優(yōu)勢(shì)。6.2、CAN總線在工業(yè)信息化網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線擁有較好的實(shí)時(shí)性和確定性，決定了它可以用在對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐掏铝恳蟛桓?，但?duì)通信響應(yīng)的實(shí)時(shí)性和確定性要求嚴(yán)格的底層的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)2。用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線組成的通信網(wǎng)絡(luò)連接簡(jiǎn)單，開發(fā)也相對(duì)容易。由于CAN總線協(xié)議是基于信息的而不是基于地址的，通信網(wǎng)絡(luò)中可以很容易的增刪節(jié)點(diǎn)模塊而不必對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做很大改動(dòng)；可以使得多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)收到一組報(bào)文的信息；支持遠(yuǎn)程幀，節(jié)點(diǎn)可以直接向別的節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求數(shù)據(jù)；總線上某一節(jié)點(diǎn)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)可以進(jìn)行故障界定，錯(cuò)誤嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)可以自動(dòng)退出總線，不影響總線上其他節(jié)點(diǎn)的正常工作。CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的傳輸效率很高3。

14、7、結(jié)束語(yǔ)從以上分析可以看出，CAN總線和工業(yè)以太網(wǎng)各自有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足以及不同的應(yīng)用范圍。就目前來(lái)看，CAN現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展比較成熟，在各個(gè)工業(yè)控制領(lǐng)域運(yùn)用的比較完善。雖然，最近幾年來(lái)，工業(yè)以太網(wǎng)在控制領(lǐng)域中取得了一定的應(yīng)用，并逐步呈現(xiàn)統(tǒng)一多種總線的趨勢(shì)。但是，工業(yè)以太網(wǎng)還不能完全取代它，因?yàn)閮烧叨加邢鄬?duì)優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用領(lǐng)域，CAN總線滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性要求，兩者將在一段時(shí)期內(nèi)共存。然而，CAN總線發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)瓶頸，各個(gè)總線之間互連受到了限制，以太網(wǎng)應(yīng)用多年，人們對(duì)以太網(wǎng)的設(shè)計(jì)、應(yīng)用等方面經(jīng)驗(yàn)豐富，開發(fā)和應(yīng)用成本也相對(duì)較低，把以太網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)整合到現(xiàn)場(chǎng)總線中區(qū)，解除現(xiàn)場(chǎng)總線的限制，是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，工業(yè)以太網(wǎng)有可能取代多種現(xiàn)場(chǎng)總線，成為工業(yè)信息話領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主流。參考文獻(xiàn)1馮冬芹，金建祥，褚健。工業(yè)