控制器局域網(wǎng)

文 | 傳感器技術(shù)（WW_CGQJS）

CAN，全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。最初，CAN被設(shè)計作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。比如：發(fā)動機管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統(tǒng)中，均嵌入CAN控制裝置。

一個由CAN 總線構(gòu)成的單一網(wǎng)絡(luò)中，理論上可以掛接無數(shù)個節(jié)點。實際應(yīng)用中，節(jié)點數(shù)目受網(wǎng)絡(luò)硬件的電氣特性所限制。CAN 可提供高達(dá)1Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，這使實時控制變得非常容易。另外，硬件的錯誤檢定特性也增強了CAN的抗電磁干擾能力。

CAN總線技術(shù)原理

CAN總線使用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，可以1Mb/s的速率在40m的雙絞線上運行，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總線上的一個節(jié)點（站）發(fā)送數(shù)據(jù)時，它以報文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點。對每個節(jié)點來說，無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的，都對其進(jìn)行接收。

每組報文開頭的11位字符為標(biāo)識符，定義了報文的優(yōu)先級，這種報文格式稱為面向內(nèi)容的編址方案。在同一系統(tǒng)中標(biāo)識符是唯一的，不可能有兩個站發(fā)送具有相同標(biāo)識符的報文。當(dāng)幾個站同時競爭總線讀取時，這種配置十分重要。

當(dāng)一個站要向其它站發(fā)送數(shù)據(jù)時，該站的CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標(biāo)識符傳送給本站的CAN芯片，并處于準(zhǔn)備狀態(tài)；當(dāng)它收到總線分配時，轉(zhuǎn)為發(fā)送報文狀 態(tài)。

CAN芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報文格式發(fā)出，這時網(wǎng)上的其它站處于接收狀態(tài)。每個處于接收狀態(tài)的站對接收到的報文進(jìn)行檢測，判斷這些報文是否是發(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，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不要求獨立的部分有物理目的地址。它允許分布過程同步化，即總線上控制器需要測量數(shù)據(jù)時，可由網(wǎng)上獲得，而無須每個控制器都有自己獨立的傳感器。

CAN支持四類信息幀類型

1、數(shù)據(jù)幀

CAN協(xié)議有兩種數(shù)據(jù)幀類型標(biāo)準(zhǔn)2.0A和標(biāo)準(zhǔn)2.0B。兩者本質(zhì)的不同在于ID的長度不同。在2.0A類型中，ID的長度為l l位；在2.0B類型中ID為29位。一個信息震中包括7個主要的域： 幀起始域——標(biāo)志數(shù)據(jù)幀的開始，由一個顯性位組成。

仲裁域——內(nèi)容由標(biāo)示符和遠(yuǎn)程傳輸請求位（RTR）組成，RTR用以表明此信息幀是數(shù)據(jù)幀還是不包含任何數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)地請求幀。當(dāng)2.0A的數(shù)據(jù)幀和2.0B的數(shù)據(jù)幀必須在同一條總線上傳輸時，首先判斷其優(yōu)先權(quán)，如果ID相同，則非擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先權(quán)高于擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀。

控制域——r0、r1是保留位，作為擴(kuò)展位，DLC表示一幀中數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)目。 數(shù)據(jù)域——包含0～8字節(jié)的數(shù)據(jù)。

校驗域——檢驗位錯用的循環(huán)冗余校驗域，共15位。應(yīng)答域——包括應(yīng)答位和應(yīng)答分隔符。正確接收到有效報文的接收站在應(yīng)答期間將總線值為顯性電平。 幀結(jié)束——由七位隱性電平組成。

2、遠(yuǎn)程幀

遠(yuǎn)程幀接受數(shù)據(jù)的節(jié)點可通過發(fā)遠(yuǎn)程幀請求源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。它由6個域組成：幀起始、仲裁域、控制域、校驗域、應(yīng)答域、幀結(jié)束。

3、錯誤指示幀

錯誤指示幀由錯誤標(biāo)志和錯誤分界兩個域組成。接收節(jié)點發(fā)現(xiàn)總線上的報文有誤時，將自動發(fā)出“活動錯誤標(biāo)志”其他節(jié)點檢測到活動錯誤標(biāo)志后發(fā)送“錯誤認(rèn)可標(biāo)志”。

4、超載幀

超載幀由超載標(biāo)志和超載分隔符組成。超載幀只能在一個幀結(jié)束后開始。當(dāng)接收方接收下一幀之前，需要過多的時間處理當(dāng)前的數(shù)據(jù)，或在幀問空隙域檢測到顯性電平時，則導(dǎo)致發(fā)送超載幀。

5、幀間空隙

幀間空隙位于數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)地幀與前面的信息幀之間，由幀間空隙和總線空閑狀態(tài)組成。幀間空隙是必要的，在此期間， CAN不進(jìn)行新的幀發(fā)送，為的是CAN控制器在下次信息傳遞前有時間進(jìn)行內(nèi)部處理操作。當(dāng)總線空閑時CAN控制器方可發(fā)送數(shù)據(jù)。

CAN總線的發(fā)展歷程

在 1980 年的早些時候，Bosch 公司的工程師就開始論證當(dāng)時的串行總線用于客車系統(tǒng)的可行性。因為沒有一種現(xiàn)成的網(wǎng)絡(luò)方案能夠完全滿足汽車工程師們的要求，于是，在 1983 年初，Uwe Kiencke 開始研究一種新的串行總線。

新總線的主要方向是增加新功能、減少電氣連接線 ，使其能夠用于產(chǎn)品。來自 Mercedes-Benz 的工程師較早制定了總線的狀態(tài)說明，而 Intel 也準(zhǔn)備作為半導(dǎo)體生產(chǎn)的主要廠商。

1986 年 2 月，CAN 誕生了。在底特律的汽車工程協(xié)會大會上，由 Bosch 公司研究的新總線系統(tǒng)被稱為“汽車串行控制器局域網(wǎng)” 。Uwe Kiencke、 Siegfried Dais 和 Martin Litschel 分別介紹了這種多主網(wǎng)絡(luò)方案。

此方案基于非破壞性的仲裁機制，能夠確保高優(yōu)先級報文的無延遲傳輸。并且，不需要在總線上設(shè)置主控制器。此外，CAN 之父——上述幾位教授和 Bosch 公司的 Wolfgang Borst、Wolfgang Botzenhard、Otto Karl、Helmut Schelling、Jan Unruh 已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)種在 CAN 中的錯誤檢測機制。

該錯誤檢測也包括自動斷開故障節(jié)點功能，以確保能繼續(xù)進(jìn)行剩余節(jié)點之間的通訊。傳輸?shù)膱笪牟⒎歉鶕?jù)報文發(fā)送器/接收器的節(jié)點地址識別，而是根據(jù)報文的內(nèi)容識別。同時，用于識別報文的標(biāo)識符也規(guī)定了該報文在系統(tǒng)中的優(yōu)先級。

當(dāng)關(guān)于這種革新的通訊方案的大部分文字內(nèi)容制定之后，于 1987 年中期，Intel 提前計劃 2 個月交付了首枚 CAN 控制器：82526，這是 CAN 方案首次通過硬件實現(xiàn)。僅僅用了四年的時間，設(shè)想就變成了現(xiàn)實。

不久之后，Philips 半導(dǎo)體推出了 82C200。這兩枚最先的 CAN 控制器在驗收濾波和報文控制方面有許多不同。一方面，由Intel主推的FullCAN比由Philips主推的BasicCAN占用較少的CPU載荷；另一方面， FullCAN器件所能接收的報文數(shù)目相對受到限制，BasicCAN 控制器僅需較少的硅晶體。

今天的 CAN 控制器中，“孫子”輩們在同一模塊中的驗收濾波和報文控制方面仍有相當(dāng)?shù)牟煌?，制造?BasicCAN 和 FullCAN 兩大陣營。

標(biāo)準(zhǔn)化與一致性。

盡管當(dāng)初研究 CAN 的起點是應(yīng)用于客車系統(tǒng)，但 CAN 的第一個市場應(yīng)用卻來自于其他領(lǐng)域。特別是在北歐，CAN 早已得到非常普遍的應(yīng)用。在荷蘭，電梯廠商 Kone 使用 CAN 總線。

瑞士工程辦公室 Kvaser已建議將 CAN 應(yīng)用至一些紡織機械廠（Lindauer Dornier 和 Sulzer），并由他們提供機器的通訊協(xié)議。這一領(lǐng)域中，在 Lars-Berno Fredriksson 的領(lǐng)導(dǎo)下，公司建立了“CAN 紡織機械用戶集團(tuán)”。

到 1989 年，他們已研究出通訊原理，并于 1990 年早期幫助建立“CAN Kingdom”開發(fā)環(huán)境。盡管 CAN Kingdom 并不是一種基于 OSI 參考模型的應(yīng)用層，但它被認(rèn)為是基于 CAN 的高層協(xié)議的原型。

在荷蘭，Philips 醫(yī)療系統(tǒng)決定使用 CAN 構(gòu)成 X 光機的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，成為 CAN 的工業(yè)用戶。大多數(shù) CAN 的先行者使用單片電路的方法，通訊功能、網(wǎng)絡(luò)管理、應(yīng)用代碼組合在同一個軟件之中。即使一些用戶有較多的標(biāo)準(zhǔn)模塊可供利用，但面對所有的解決方案，他們也一定存在著缺陷。

在 1990 年的早些時候，開始籌劃成立一個用戶組織，從而將不同的解決方案標(biāo)準(zhǔn)化。

J1939，這也是一個基于 CAN 的應(yīng)用子協(xié)議，由 SAE 的 Truck and Bus 協(xié)會制定。J1939是一個非模塊化的方案，簡單易學(xué)，但靈活性很差。當(dāng)然，生產(chǎn) CAN 模塊集成器件的 15 家半導(dǎo)體廠商主要聚焦于汽車工業(yè)。

從 1990 年中期起，Infineon公司和 Motorola 公司已向歐洲的客車廠商提供了大量的 CAN 控制器。從 1990 年后期起，遠(yuǎn)東的半導(dǎo)體廠商也開始提供 CAN 控制器。1994 年，NEC 推出了CAN 芯片 72005。

從 1992 年起，Mercedes-Benz開始在他們的高級客車中使用 CAN 技術(shù)。第一步使用電子控制器通過 CAN 對發(fā)動機進(jìn)行管理；第二步使用控制器接收人們的操作信號。這就使用了 2 個物理上獨立的CAN 總線系統(tǒng)，它們通過網(wǎng)關(guān)連接。其他的客車廠商也紛紛趕來斯圖加特學(xué)習(xí)，在他們的客車上也使用 2套 CAN 總線系統(tǒng)。

盡管 CAN 協(xié)議已經(jīng)有很長的歷史，但它仍處在改進(jìn)之中。一個由數(shù)家公司組成的 ISO任務(wù)組織定義了一種時間觸發(fā) CAN 報文傳輸?shù)膮f(xié)議?，F(xiàn)在，CAN 在全球市場上仍然處于起始點，汽車廠商將會在他們所生產(chǎn)汽車的串行部件上使用 CAN。

另外，大量潛在的新應(yīng)用（例如：娛樂）正在呈現(xiàn)——不僅可用于汽車，也可用于家庭消費。同時，結(jié)合高層協(xié)議應(yīng)用的特殊保安系統(tǒng)對 CAN 的需求也正在穩(wěn)健增長。德國專業(yè)委員會 BIA 和德國安全標(biāo)準(zhǔn)權(quán)威 TüV 已經(jīng)對一些基于 CAN 的保安系統(tǒng)進(jìn)行了認(rèn)證。

CAN總線的分層結(jié)構(gòu)

CAN遵從OSI模型，按照OSI基準(zhǔn)模型，CAN結(jié)構(gòu)劃分為兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，如下圖所示。

按照IEEE 802.2和802.3 標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)鏈路層又劃分為：

1、邏輯鏈路控制（LLC-Logic Link Control）。

2、媒體訪問控制（MAC-Medium Access Control）。

物理層又劃分為：

1、物理信令（PLS-Physical Signalling）。

2、物理媒體附屬裝置（PMA-Physical Medium Attachment）。

3、媒體相關(guān)接口（MDI-Medium Dependent Interface）。

MAC子層運行借助稱之為“故障界定實體（FCE）”的管理實體進(jìn)行監(jiān)控。故障界定是使判別短暫干擾和永久性故障成為可能的一種自檢機制。物理層可借助檢測和管理物理媒體故障實體進(jìn)行監(jiān)控（例如總線短路或中斷，總線故障管理）。

LLC和MAC兩個同等的協(xié)議實體通過交換幀或協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU-Protocol Data Unit）和（N）-用戶數(shù)據(jù)組成，為傳送一個NPDU,（N-1）層實體必須通過（N-1）服務(wù)訪問點（SAP-Service Access Point）[（N-1）-SAP].NPDU借助于（N-1）層服務(wù)數(shù)據(jù)單元（SDU-Service Data U nit）[（N-1）-SDU]傳至（N-1）層，其服務(wù)功能允許NPDU的傳送。

SDU是接口數(shù)據(jù)，對其識別預(yù)先在（N）層實體間進(jìn)行，亦即，它表示邏輯數(shù)據(jù)單元由服務(wù)進(jìn)行傳送。CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈層既不提供分配一個SDU至多個PDU,也不提供分配多個SDU至一個PDU的方法，亦即，NPDU直接由相應(yīng)的NSDU和層指定控制信息N-PCI構(gòu)成。

CAN總線的特點

CAN具有十分優(yōu)越的特點，使人們樂于選擇。這些優(yōu)越的特點包括：

1、多主控制

當(dāng)總線空閑時，連接到總線上的所有單元都可以啟動發(fā)送信息，這就是所謂的多主控制的概念。

先占有總線的設(shè)備獲得在總線上進(jìn)行發(fā)送信息的資格。這就是所謂的CSMA/CR（Carrier Sense MultipleAccess/Collosion Avoidance）方法

如果多個設(shè)備同時開始發(fā)送信息，那么發(fā)送最高優(yōu)先級ID消息的設(shè)備獲得發(fā)送資格。

2、信息的發(fā)送

在CAN協(xié)議中，所有發(fā)送的信息要滿足預(yù)先定義的格式。當(dāng)總線沒有被占用的時候，連接在總線上的任何設(shè)備都能起動新信息的傳輸，如果兩個或更多個設(shè)備在同時刻啟動信息的傳輸，通過ID來決定優(yōu)先級。ID并不是指明信息發(fā)送的目的地，而是指示信息的優(yōu)先級。

如果2個或者更多的設(shè)備在同一時刻啟動信息的傳輸，在總線上按照信息所包含的ID的每一位來競爭，贏得競爭的設(shè)備（也就是具有最高優(yōu)先級的信息）能夠繼續(xù)發(fā)送，而失敗者則立刻停止發(fā)送并進(jìn)入接收操作。因為總線上同一時刻只可能有一個發(fā)送者，而其它均處于接收狀態(tài)，所以，并不需要在底層協(xié)議中定義地址的概念。

3、系統(tǒng)的靈活性

連接到總線上的單元并沒有類似地址這樣的標(biāo)識，所以，添加或去除一個設(shè)備，無需改變軟件和硬件，或其它設(shè)備的應(yīng)用層軟件。

4、通信速度

可以設(shè)置任何通訊速度，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。

對一個網(wǎng)絡(luò)，所有單元必須有相同的通訊速度，如果不同，就會產(chǎn)生錯誤，并妨礙網(wǎng)絡(luò)通訊，然而，不同網(wǎng)絡(luò)間可以有不同的通訊速度。

5、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求

可以通過發(fā)送“遙控幀”，請求其他單元發(fā)送數(shù)據(jù)。

6、錯誤檢測、錯誤通知、錯誤恢復(fù)功能

所有單元均可以檢測出錯誤（錯誤檢測功能）。檢測到錯誤的單元立刻同時通知其它所有的單元（錯誤通知功能）。如果一個單元發(fā)送信息時檢測到一個錯誤，它會強制終止信息傳輸，并通知其它所有設(shè)備發(fā)生了錯誤，然后它會重傳直到信息正常傳輸出去（錯誤恢復(fù)功能）。

7、錯誤隔離

在CAN總線上有兩種類型的錯誤：暫時性的錯誤（總線上的數(shù)據(jù)由于受到噪聲的影響而暫時出錯）；持續(xù)性的錯誤（由于設(shè)備內(nèi)部出錯（如驅(qū)動器壞了、連接有問題等）而導(dǎo)致的）。CAN能夠區(qū)別這兩種類型，一方面降低常出錯單元的通訊優(yōu)先級以阻止對其它正常設(shè)備的影響，另一方面，如果是一種持續(xù)性的錯誤，將這個設(shè)備從總線上隔離開。

8、連接

CAN總線允許多個設(shè)備同時連接到總線上且在邏輯上沒有數(shù)目上的限制。然而由于延遲和負(fù)載能力的限制，實際可連接得設(shè)備還是有限制的，可以通過降低通訊速度來增加連接的設(shè)備個數(shù)。相反，如果連接的設(shè)備少，通訊的速度可以增加。

CAN與其它通信方案的比較

CAN總線與其它通信網(wǎng)的不同之處在于：

一是報文傳送中不包含目標(biāo)地址，它是以全網(wǎng)廣播為基礎(chǔ)。各接收站根據(jù)報文中反映數(shù)據(jù)性質(zhì)的標(biāo)識符過濾報文，該收的收下，不該收的丟棄。其好處是可在線上網(wǎng)下網(wǎng)、即插即用和多站接收；

二是特別強化了對數(shù)據(jù)安全性的關(guān)注，滿足控制系統(tǒng)及其它較高數(shù)據(jù)要求的系統(tǒng)需求。

在實踐中，有兩種重要的總線分配方法：按時間表分配和按需要分配。在第一種方法中，不管每個節(jié)點是否申請總線，都對每個節(jié)點按最大期間分配。由此，總線可被分配給每個站并且是唯一的站，而不論其是立即進(jìn)行總線存取或在一特定時間進(jìn)行總線存取。

這將保證在總線存取時有明確的總線分配。在第二種方法中，總線按傳送數(shù)據(jù)的基本要求分配給一個站，總線系統(tǒng)按站希望的傳送分配。因此，當(dāng)多個站同時請求總線存取時，總線將終止所有站的請求，這時將不會有任何一個站獲得總線分配。為了分配總線，多于一個總線存取是必要的。

CAN實現(xiàn)總線分配的方法，可保證當(dāng)不同的站申請總線存取時，明確地進(jìn)行總線分配。這種位仲裁的方法可以解決當(dāng)兩個站同時發(fā)送數(shù)據(jù)時產(chǎn)生的碰撞問題。不同于Ethernet網(wǎng)絡(luò)的消息仲裁，CAN的非破壞性解決總線存取沖突的方法，確保在不傳送有用消息時總線不被占用。

甚至當(dāng)總線在重負(fù)載情況下，以消息內(nèi)容為優(yōu)先的總線存取也被證明是一種有效的系統(tǒng)。雖然總線的傳輸能力不足，所有未解決的傳輸請求都按重要性順序來處理。在CSMA/CD這樣的網(wǎng)絡(luò)中，如Ethernet,系統(tǒng)往往由于過載而崩潰，而這種情況在CAN中不會發(fā)生。

CAN總線的應(yīng)用

CAN總線在組網(wǎng)和通信功能上的優(yōu)點以及其高性價比據(jù)定了它在許多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Α＿@些應(yīng)用有些共同之處：CAN實際就是在現(xiàn)場起一個總線拓?fù)涞挠嬎銠C局域網(wǎng)的作用。

不管在什么場合，它負(fù)擔(dān)的是任一節(jié)點之間的實時通信，但是它具備結(jié)構(gòu)簡單、高速、抗干擾、可靠、價位低等優(yōu)勢。CAN總線最初是為汽車的電子控制系統(tǒng)而設(shè)計的，目前在歐洲生產(chǎn)的汽車中CAN的應(yīng)用已非常普遍，不僅如此，這項技術(shù)已推廣到火車、輪船等交通工具中。

汽車制造中的應(yīng)用

應(yīng)用CAN總線，可以減少車身布線，進(jìn)一步節(jié)省了成本，由于采用總線技術(shù)，模塊之間的信號傳遞僅需要兩條信號線。布線局部化，車上除掉總線外其他所有橫貫車身的線都不再需要了，節(jié)省了布線成本。

CAN總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，CAN總線具有線間干擾小、抗干擾能力強的特點。CAN總線專為汽車量身定做，充分考慮到了汽車上惡劣工作環(huán)境，比如點火線圈點火時產(chǎn)生的強大的反充電壓，電渦流緩沖器切斷時產(chǎn)生的浪涌電流及汽車發(fā)動機倉100℃左右的高溫。

隨著安全性能日益受到重視,安全氣囊也將逐漸增多,以前是在駕駛員前面安裝一個,今后側(cè)面與后座都會安裝安全氣囊,這些氣囊通過傳感器感受碰撞信號,通過CAN總線將傳感器信號傳送到一個中央處理器內(nèi),控制各安全氣囊的啟動彈出動作。

同時,先進(jìn)的防盜設(shè)計也正基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。首先,確認(rèn)鑰匙合法性的校驗信息通過CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞,改進(jìn)了加密算法,其校驗的信息比以往的防盜系統(tǒng)更豐富;其次,車鑰匙、防盜控制器和發(fā)動機控制器相互儲存對方信息,而且在校驗碼中攙雜隨機碼,無法進(jìn)行破譯,從而提高防盜系統(tǒng)的安全性。而這些功能的實現(xiàn)無一不借助CAN總線來完成,CAN總線成為汽車智能化控制的“定海神針”。

在現(xiàn)代轎車的設(shè)計中,CAN已經(jīng)成為必須采用的裝置。奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃、雷諾等汽車都采用了CAN作為控制器聯(lián)網(wǎng)的手段。據(jù)報道,中國首輛CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)混合動力轎車已在奇瑞公司試裝成功,并進(jìn)行了初步試運行。

在上海大眾的帕薩特和POLO汽車上也開始引入了CAN總線技術(shù)。但總的來說,目前CAN總線技術(shù)在我國汽車工業(yè)中的應(yīng)用尚處于試驗和起步階段,絕大部分的汽車還沒有采用汽車總線設(shè)計。國內(nèi)在技術(shù)、設(shè)計和應(yīng)用上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)總線的“深造”勢在必行。

大型儀器設(shè)備中的應(yīng)用

大型儀器設(shè)備是一種參照一定步驟對多種信息采集、處理、控制、輸出等操作的復(fù)雜系統(tǒng)。過去這類儀器設(shè)備的電子系統(tǒng)往往是在結(jié)構(gòu)和成本方面占據(jù)相當(dāng)大的部分，而且可靠性不高。采用CAN總線技術(shù)后，在這方面有了明顯改觀。

以醫(yī)療設(shè)備為例，病理分布式監(jiān)控系統(tǒng)分別由中央控制式的中央監(jiān)控單元和現(xiàn)場采集單元。 現(xiàn)場采集單元對醫(yī)院各室診斷測量儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)、圖像的實時采集，同時完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計、存貯； 中央監(jiān)控單元可以定期或不定期地從現(xiàn)場采集單元獲取數(shù)據(jù)并完成圖像監(jiān)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、報表、打印及數(shù)據(jù)庫管理。

中央監(jiān)控單元和現(xiàn)場采集單元之間通過CAN總線連接在一起，在這個網(wǎng)絡(luò)中，中央監(jiān)控單元處于主控位置，而現(xiàn)場采集單元可以隨時響應(yīng)中央監(jiān)控單元的命令。其現(xiàn)場采集單元由單片機8C552及采集、存儲、顯示、遙控和通信模塊組成,每個現(xiàn)場采集單元可與10個測量儀器相接。

Can總線是針對測控領(lǐng)域設(shè)計的，所以一次傳輸?shù)膱笪牧亢苄?，一次報文量最大能夠承載的數(shù)據(jù)上限為8字節(jié)，這種小數(shù)據(jù)量的傳輸一方面能夠使得低優(yōu)先級事務(wù)的傳輸，另一方面也非常符合測控需求。針對can總線技術(shù)的諸多優(yōu)點，非常適合應(yīng)用于大型儀器系統(tǒng)模塊化之間的互相通信，采用模塊化組網(wǎng)的方式構(gòu)建大型儀器系統(tǒng)。

工業(yè)控制中的應(yīng)用

隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的工業(yè)控制領(lǐng)域正經(jīng)歷著一場前所未有的變革,而工業(yè)控制的網(wǎng)絡(luò)化,更拓展了工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展空間,帶來新的發(fā)展機遇。在廣泛的工業(yè)領(lǐng)域，CAN總線可作為現(xiàn)場設(shè)備級的通信總線，而且與其他的總線相比，具有很高的可靠性和性能價格比。這將是CAN技術(shù)開發(fā)應(yīng)用的一個主要的方向。

例如，瑞士一家公司開發(fā)的軸控制系統(tǒng)ACS-E就帶有CAN接口。該系統(tǒng)可作為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中的一個從站，用于控制機床、機器人等。一方面通過CAN總線上上位機通信，另一方面可通過CAN總線對數(shù)字式伺服電機進(jìn)行控制。通過CAN總線最多可連接6臺數(shù)字式伺服電機。

目前CAN總線技術(shù)在工程機械上的應(yīng)用越來越普遍。國際上一些著名的工程機械大公司如CAT、VOLVO、利勃、海爾等都在自己的產(chǎn)品上廣泛采用CAN總線技術(shù)，大大提高了整機的可靠性、可檢測和可維修性，同時提高了智能化水平。而在國內(nèi)，CAN總線控制系統(tǒng)也開始在工程汽車的控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，在工程機械行業(yè)中也正在逐步推廣應(yīng)用。

智能家庭和生活小區(qū)管理中的應(yīng)用

小區(qū)智能化是一個綜合性系統(tǒng)工程，要從其功能、性能、成本、擴(kuò)充能力及現(xiàn)代相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用等多方面來考慮?；谶@樣的需求，采用CAN技術(shù)所設(shè)計的家庭智能管理系統(tǒng)比較適合用于多表遠(yuǎn)傳、防盜、防火、防可燃?xì)怏w泄漏、緊急救援、家電控制等方面。

CAN總線是小區(qū)管理系統(tǒng)的一部分，負(fù)責(zé)將家庭中的一些數(shù)據(jù)和信號收集起來，并送到小區(qū)管理中心處理，CAN總線上的節(jié)點是每戶的家庭控制器、小區(qū)的三表抄收系統(tǒng)和報警監(jiān)測系統(tǒng)，每戶的家庭控制系統(tǒng)可通過總線發(fā)送報警信號，定期向自動抄表系統(tǒng)發(fā)送三表數(shù)據(jù)，并接收小區(qū)管理系統(tǒng)的通告信息，如欠費通知、火警警報等。

該系統(tǒng)充分利用CAN技術(shù)的特點和優(yōu)勢，構(gòu)成住宅小區(qū)智能化檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)集多表集抄、防盜報警、水電控制、緊急求助、煤氣泄漏報警、火災(zāi)報警和供電監(jiān)控子系統(tǒng)等功能，并提供遠(yuǎn)程通訊服務(wù)。

機器人網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)中的應(yīng)用

制造車間底層設(shè)備自動化，近幾年仍是我國開展新技術(shù)研究和新技術(shù)應(yīng)用工程及產(chǎn)品開發(fā)的主要領(lǐng)域，其市場需求不斷增大且越發(fā)活躍，競爭也日益激烈。伴隨著工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)化，目前機器人系統(tǒng)的應(yīng)用大多要求采用機器人生產(chǎn)方式，這就要求多臺機器人能通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)。

隨之而來的是，在實際生產(chǎn)過程中，這種連網(wǎng)的多機器人系統(tǒng)的調(diào)度、維護(hù)工作也變得尤為重要。制造車間底層電氣裝置聯(lián)網(wǎng)是近幾年內(nèi)技術(shù)發(fā)展的重點。

其電器裝置包括有：運動控制器、基于微處理器的傳感器、專用設(shè)備控制器等底層設(shè)備；在這些裝置所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)上另有車間級管理機、監(jiān)控機或生產(chǎn)單元控制器等非底層裝置。結(jié)合實際情況和要求，將機器人控制器視為運動控制器。

把CAN總線技術(shù)充分應(yīng)用于現(xiàn)有的控制器當(dāng)中，將可開發(fā)出高性能的多機器人生產(chǎn)線系統(tǒng)。利用現(xiàn)有的控制技術(shù)，結(jié)合CAN技術(shù)和通信技術(shù)，通過對現(xiàn)有的機器人控制器進(jìn)行硬件改進(jìn)和軟件開發(fā)，并相應(yīng)地開發(fā)出上位機監(jiān)控軟件，從而實現(xiàn)多臺機器人的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

最終實現(xiàn)基于CAN網(wǎng)絡(luò)的機器人生產(chǎn)線集成系統(tǒng)。這樣做的好處很多，例如實現(xiàn)單根電纜串接全部設(shè)備，節(jié)省安裝維護(hù)開銷；提高實時性，信息可共享；提高多控制器系統(tǒng)的檢測、診斷和控制性能；通過離線的任務(wù)調(diào)度、作業(yè)的下載以及錯誤監(jiān)控等技術(shù)，把一部分人從機器人工作的現(xiàn)場徹底脫離出來。

CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。由于其良好的性能及獨特的設(shè)計,CAN總線越來越受到人們的重視，它在汽車領(lǐng)域上的應(yīng)用是最廣泛的。世界上一些著名的汽車制造廠商大都采用了CAN總線來實現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。

同時,由于CAN總線本身的特點,其應(yīng)用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè),而向自動控制、航空航天、航海、過程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織機械、農(nóng)用機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。CAN已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn),并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。

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CAN總線和RS485總線的定義

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network， CAN）的簡稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)了的，并最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898）。是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。 在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)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械車輛設(shè)計的J1939協(xié)議。近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境。

rs-485采用半雙工工作方式，支持多點數(shù)據(jù)通信。rs-485總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟话悴捎媒K端匹配的總線型結(jié)構(gòu)。即采用一條總線將各個節(jié)點串接起來，不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò)。 rs-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200mv的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復(fù)。 有些rs-485收發(fā)器修改輸入阻抗以便允許將多達(dá)8倍以上的節(jié)點數(shù)連接到相同總線。rs-485最常見的應(yīng)用是在工業(yè)環(huán)境下可編程邏輯控制器內(nèi)部之間的通信。

CAN總線和RS485總線應(yīng)用概述

以往，PC與智能設(shè)備通訊多借助RS232、RS485、以太網(wǎng)等方式，主要取決于設(shè)備的接口規(guī)范。但RS232、RS485只能代表通訊的物理介質(zhì)層和鏈路層，如果要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向訪問，就必須自己編寫通訊應(yīng)用程序，但這種程序多數(shù)都不能符合ISO/OSI的規(guī)范，只能實現(xiàn)較單一的功能，適用于單一設(shè)備類型，程序不具備通用性。

在RS232或RS485設(shè)備聯(lián)成的設(shè)備網(wǎng)中，如果設(shè)備數(shù)量超過2臺，就必須使用RS485做通訊介質(zhì)，RS485網(wǎng)的設(shè)備間要想互通信息只有通過“主（Master）”設(shè)備中轉(zhuǎn)才能實現(xiàn)，這個主設(shè)備通常是PC，而這種設(shè)備網(wǎng)中只允許存在一個主設(shè)備，其余全部是從（Slave）設(shè)備。而現(xiàn)場總線技術(shù)是以ISO/OSI模型為基礎(chǔ)的，具有完整的軟件支持系統(tǒng)，能夠解決總線控制、沖突檢測、鏈路維護(hù)等問題?，F(xiàn)場總線設(shè)備自動成網(wǎng)，無主/從設(shè)備之分或允許多主存在。在同一個層次上不同廠家的產(chǎn)品可以互換，設(shè)備之間具有互操作性。

現(xiàn)在的總線格式很多，CAN相對于其他的總線有什么特點？首先，就比較一下大家耳熟能詳?shù)?85總線， 485總線只是一種電平標(biāo)準(zhǔn)，并不是什么新的協(xié)議，與232差不多，當(dāng)然這么說不是很恰當(dāng)，但是有助于大家理解。

CAN總線PK RS485總線

CAN（Controller Area Network）屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。較之目前RS-485基于R線構(gòu)建的分布式控制系統(tǒng)而言，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性：

1）CAN控制器工作于多主方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)（取決于報文標(biāo)識符）采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這些特點使得CAN總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。而利用RS-485只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進(jìn)行，系統(tǒng)的實時性、可靠性較差。

2）CAN總線通過CAN控制器接口芯片82C250的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會出現(xiàn)像在RS-485網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)系統(tǒng)有錯誤，出現(xiàn)多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響，從而保證不會出現(xiàn)象在網(wǎng)絡(luò)中，因個別節(jié)點出現(xiàn)問題，使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。

3）CAN具有完善的通信協(xié)議，可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實現(xiàn)，從而大大降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，這些是只僅僅有電氣協(xié)議的RS-485所無法比擬的。

RS-485與CAN-bus的特性對比

控制器局域網(wǎng)總線(CAN，Controller Area Network)是一種用于實時應(yīng)用的串行通訊協(xié)議總線，它可以使用雙絞線來傳輸信號，是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN協(xié)議用于汽車中各種不同元件之間的通信，以此取代昂貴而笨重的配電線束。該協(xié)議的健壯性使其用途延伸到其他自動化和工業(yè)應(yīng)用。CAN協(xié)議的特性包括完整性的串行數(shù)據(jù)通訊、提供實時支持、傳輸速率高達(dá)1Mb/s、同時具有11位的尋址以及檢錯能力。

CAN系統(tǒng)組成

CAN總線用戶接口簡單，編程方便。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線式結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，并且采用無源抽頭連接，系統(tǒng)可靠性高。通過CAN總線連接各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，形成多主機控制器局域網(wǎng)(CAN)。信息的傳輸采用CAN通信協(xié)議，通過CAN控制器來完成。各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般為帶有微控制器的智能節(jié)點完成現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和基于CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點可以使用帶有在片CAN控制器的微控制器，或選用一般的微控制器加上獨立的CAN控制器來完成節(jié)點功能。傳輸介質(zhì)可采用雙絞線、同軸電纜或光纖。如果需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，還可以在控制器和傳輸介質(zhì)之間加接光電隔離，電源采用DC-DC變換器等措施。這樣可方便構(gòu)成實時分布式測控系統(tǒng)。微控制器，或選用一般的微控制器加上獨立的CAN控制器來完成節(jié)點功能。傳輸介質(zhì)可采用雙絞線、同軸電纜或光纖。如果需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，還可以在控制器和傳輸介質(zhì)之間加接光電隔離，電源采用DC-DC變換器等措施。這樣可方便構(gòu)成實時分布式測控系統(tǒng)。

CAN總線的物理接口

采用CAN收發(fā)器PCA82C250作為CAN控制器和物理總線之間的接口，提供向總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力。

一般在驅(qū)動芯片和CAN控制器之間加入光電耦合器，增加抗干擾能力。CAN總線的速度將由光電耦合器的速度決定。比如：用4N27光耦，因為它的響應(yīng)速度比較慢，CAN網(wǎng)絡(luò)的位速度只能達(dá)到幾十Kbit/s。如果采用6N137高速光電耦合器，CAN網(wǎng)絡(luò)速度可以達(dá)到和電阻網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動時的速度一樣。另外，物理層的設(shè)計要注意電纜的終端阻抗匹配，這直接影響了CAN總線能否正常工作和網(wǎng)絡(luò)性能，一般在CAN總線兩端并聯(lián)120Ω的電阻。

CAN總線的工作原理

CAN總線使用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，可以1Mb/s的速率在40m的雙絞線上運行，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總線上的一個節(jié)點(站)發(fā)送數(shù)據(jù)時，它以報文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點。對每個節(jié)點來說，無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的，都對其進(jìn)行接收。每組報文開頭的11位字符為標(biāo)識符，定義了報文的優(yōu)先級，這種報文格式稱為面向內(nèi)容的編址方案。在同一系統(tǒng)中標(biāo)識符是唯一的，不可能有兩個站發(fā)送具有相同標(biāo)識符的報文。當(dāng)幾個站同時競爭總線讀取時，這種配置十分重要。

當(dāng)一個站要向其它站發(fā)送數(shù)據(jù)時，該站的CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標(biāo)識符傳送給本站的CAN芯片，并處于準(zhǔn)備狀態(tài);當(dāng)它收到總線分配時，轉(zhuǎn)為發(fā)送報文狀態(tài)。CAN芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報文格式發(fā)出，這時網(wǎng)上的其它站處于接收狀態(tài)。每個處于接收狀態(tài)的站對接收到的報文進(jìn)行檢測，判斷這些報文是否是發(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，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不要求獨立的部分有物理目的地址。它允許分布過程同步化，即總線上控制器需要測量數(shù)據(jù)時，可由網(wǎng)上獲得，而無須每個控制器都有自己獨立的傳感器。

CAN總線的特點

(1)具有實時性強、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強、成本低等優(yōu)點;

(2)采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作;

(3)具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個控制模塊通過CAN 控制器掛到CAN-bus 上，形成多主機局部網(wǎng)絡(luò);

(4)可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文;

(5)可靠的錯誤處理和檢錯機制;

(6)發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)

;

(7)節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出總線的功能;

(8)報文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。