CAN总线技术

摘要：随着工业测控技术和生产自动化技术的不断进步,传统的RS-232、RS-485和CCITTV.24通信技术已不能适应现代化的工业控制需要,而现场总线(Fieldbus)以其低廉的价格、可靠的性能而逐步成为新型的工业测控领域的通信技术。现场总线是应用在生产现场,在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统,是一种开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。汇集了计算机技术、网络通信技术和自动控制技术(3C)的现场总线技术,从20世纪80年代开始发展起来,并逐步在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中得到了广泛的重视和应用。现场总线主要有以下几种类型[1-3]:基金会现场总线(FF)、LonWorks、ProfiBus、CAN、HART,而其中CAN即控制器局域网因为具有高性能、高可靠性以及独特的设计而越来越受到关注,现已形成国际标准,被公认为几种最有前途的现场总线之一。Abstract:Asindustrialmeasurementandcontroltechnologyandproductionautomationtechnologyadvances,thetraditionalRS-232,RS-485andCCITTV.24communicationtechnologycannotmeettheneedsofmodernindustrialcontrol,andfieldbus(Fieldbus),withitslowprice,reliableperformance,andgraduallybecomeanewkindofcommunicationtechnologyinthefieldofindustrialmeasurementandcontrol.Fieldbusisusedinproductionfield,betweenmicrocomputer-basedmeasuringcontrolequipmenttorealizethebidirectionalserialmulti-nodedigitalcommunicationsystem,isakindofopen,digital,multipointcommunicationbottomcontrolnetwork.Bringstogethercomputertechnology,networkcommunicationtechnologyandautomaticcontroltechnology(3c)fieldbustechnology,developedinthe1980s,andgraduallyinthemanufacturingandprocessindustries,transportation,buildingautomationsystemhasbeenwidelyattentionandapplication.Fieldbusbasicallyhasthefollowingseveraltypes:[1-3]foundationfieldbus(FF),LonWorks,ProfiBus,CAN,HART,andwhichCANnamelycontrollerlocalareanetwork(LAN)becauseofthehighperformance,highreliabilityanduniquedesignismoreandmoreattention,alreadyformedtheinternationalstandard,isrecognizedasoneofthemostpromisingfieldbus.2目录CAN的简介...............................................................................3CAN的工作原理.......................................................................4CAN总线的主要特点...............................................................6CAN的应用领域.......................................................................7CAN的发展前景.......................................................................93CAN的简介CAN是ControllerAreaNetwork的缩写（以下称为CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。在汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN通信协议。此后，CAN通过ISO11898及ISO11519进行了标准化，在欧洲已是汽车网络的标准协议。在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。CAN总线技术最初只是为了解决汽车工业在发展的过程中应用的线束过长，影响汽车内空间的使用率和信息传递可靠性。随着CAN总线技术的发展和不断成熟，CAN总线技术广泛应用到了工业控制的各个角落。CAN的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。4CAN的工作原理CAN总线使用串行数据传输方式，可以1Mb/s的速率在40m的双绞线上运行，也可以使用光缆连接，而且在这种总线上总线协议支持多主控制器。CAN与I2C总线的许多细节很类似，但也有一些明显的区别。当CAN总线上的一个节点(站)发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点。对每个节点来说，无论数据是否是发给自己的，都对其进行接收。每组报文开头的11位字符为标识符，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的，不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。当几个站同时竞争总线读取时，这种配置十分重要。当一个站要向其它站发送数据时，该站的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN芯片，并处于准备状态；当它收到总线分配时，转为发送报文状态。CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时网上的其它站处于接收状态。每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。由于CAN总线是一种面向内容的编址方案，因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。我们可以很容易地在CAN总线中加进一些新站而无需在硬件或软件上进行修改。当所提供的新站是纯数据接收设备时，数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址。它允许分布过程同步化，即总线上控制器需要测量数据时，可由网上获得，而无须每个控制器都有自己独立的传感器。会议局域网参会人员节点参会人员身份ID会议议题报文发言顺序仲裁CAN总线最初是由德国BOSCH公司为解决汽车监控系统中的诸多复杂技术和难题而设计的数字信号通信协议,它属于总线式串行通信网络。跟其他总线一样，CAN总线的通信也是通过一种类似于“会议”的机制实现的，只不过会议的过程并不是由一方（节点）主导，而是，每一个会议参加人员都可以自由的提出会议议题（多主通信模式）。多个控制单元以并联方式经收发器与总线连接。每个控制单元都有权向总线发送信息（多主处理器结构）。5同一时刻只有一个控制单元向总线发送信息。其它的控制单元接收信息，其中一些控制单元对这些数据感兴趣并采用这些数据，而另一些控制单元则可能不理会这些数据。由于采用了许多新技术和独特的设计思想,与同类产品相比,CAN总线在数据通信方面具有可靠、实时和灵活的优点。为使设计透明和执行灵活,遵循ISO/OSI标准模型,CAN总线结构划分为两层:物理层和数据链路层(包括逻辑链路控制子层LLC和媒体访问控制子层MAC)。其中,LLC子层为数据传递和远程数据请求提供服务;MAC子层的功能主要是传送规则,即控制帧结构、执行仲裁、错误检验、出错标定和故障界定。要对数据进行实时处理，就必须将数据快速传送，这就要求数据的物理传输通路有较高的速度。在几个站同时需要发送数据时，要求快速地进行总线分配。如果2个或2个以上的单元同时开始传送报文，那么就会有总线访问冲突。通过使用识别符的位形式仲裁可以解决这个冲突。CAN总线以报文为单位进行数据传送，报文的优先级结合在11位标识符中，具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。6CAN总线的主要特点(1)可在各节点之间实现自由通信。CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数据通讯。CAN总线插卡可以任意插在PCATXT兼容机上，方便地构成分布式监控系统。(2)CAN网络节点可以安排优先级顺序,以满足和协调各自不同的实时性要求。数据通信没有主从之分，任意一个节点可以向任何其他（一个或多个）节点发起数据通信，靠各个节点信息优先级先后顺序来决定通信次序，高优先级节点信息在134μs通信。(3)采用非破坏性的总线仲裁技术,多点同时发送信息时,按优先级顺序通信,节省总线冲突仲裁时间。多个节点同时发起通信时，优先级低的避让优先级高的，不会对通信线路造成拥塞。(4)CAN只需对报文的标识符滤波即可以进行点对点、一点对多点和全域广播方式传递信息。(5)通信速率最高可达1Mbps(40m以内),最长传递距离达10km(速率为5kbps以下)。(6)CAN上的节点数主要决定于总线驱动电路，目前可达110个,报文标志符2032种(CAN2.0A),扩展标准(CAN2.0B)中报文标志符几乎不受限制。(7)CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。短帧数据结构,传输时间短,抗干扰能力强,检错效果好。(8)通信介质可以用双绞线、同轴电缆或光导纤维。(9)网络节点在错误严重的情况下可以自动关闭输出功能,脱离网络。(10)结构简单，只有2根线与外部相连，并且内部集成了错误探测和管理模块。7CAN的应用领域20世纪80年代,德国的BOSCH公司首先应用CAN总线于汽车内部的测控通信。CAN国际标准化的制定,更加推动了它的发展和应用,已有INTEL、MOTOROLA、PHILIPS、SIEMENS等百余家国际大公司支持CAN总线协议。现在,在欧美等国CAN总线已被广泛地应用于汽车、火车、轮船、机器人、智能楼宇、机械制造、数控机床、各种机械设备、交通管理、传感器、自动化仪表等领域。从“九·五”开始,我国政府就投资支持现场总线的开发,其中CAN等总线在国内已经得到较广泛的应用,被大量地应用于工农业监控、电厂测控、火灾报警、变电站控制、煤炭综合监控等。与一般的通信总线相比,CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计,CAN总线越来越受到人们的重