現(xiàn)場(chǎng)總線CAN綜述報(bào)告

現(xiàn)在，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。

一．CAN總線的產(chǎn)生與發(fā)展

控制器局部網(wǎng)（CAN－CONTROLLERAREANETWORK）是BOSCH公司為現(xiàn)代汽車應(yīng)用領(lǐng)先推出的一種多主機(jī)局部網(wǎng)，由于其卓越性能現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門?？刂破骶植烤W(wǎng)將在我國(guó)迅速普及推廣。

隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)及集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)已成為計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中最具活力的一個(gè)分支，并取得了巨大進(jìn)步。由于對(duì)系統(tǒng)可靠性和靈活性的高要求，工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展主要表現(xiàn)為：控制面向多元化，系統(tǒng)面向分散化，即負(fù)載分散、功能分散、危險(xiǎn)分散和地域分散。

分散式工業(yè)控制系統(tǒng)就是為適應(yīng)這種需要而發(fā)展起來的。這類系統(tǒng)是以微型機(jī)為核心，將5C技術(shù)--COMPUTER（計(jì)算機(jī)技術(shù)）、CONTROL（自動(dòng)控制技術(shù)）、COMMUNICATION（通信技術(shù)）、CRT（顯示技術(shù)）和CHANGE（轉(zhuǎn)換技術(shù)）緊密結(jié)合的產(chǎn)物。它在適應(yīng)范圍、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性以及抗故障能力等方面，較之分散型儀表控制系統(tǒng)和集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)都具有明顯的優(yōu)越性。

典型的分散式控制系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、接口與計(jì)算設(shè)備以及通信設(shè)備組成?，F(xiàn)場(chǎng)總線（FIELDBUS）能同時(shí)滿足過程控制和制造業(yè)自動(dòng)化的需要，因而現(xiàn)場(chǎng)總線已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域中最為活躍的一個(gè)領(lǐng)域?，F(xiàn)場(chǎng)總線的研究與應(yīng)用已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

盡管目前對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的研究尚未能提出一個(gè)完善的標(biāo)準(zhǔn)，但現(xiàn)場(chǎng)總線的高性能價(jià)格比將吸引眾多工業(yè)控制系統(tǒng)采用。同時(shí)，正由于現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，也使得現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用得以不拘一格地發(fā)揮，并將為現(xiàn)場(chǎng)總線的完善提供更加豐富的依據(jù)?？刂破骶植烤W(wǎng)CAN正是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生的。

由于CAN為愈來愈多不同領(lǐng)域采用和推廣，導(dǎo)致要求各種應(yīng)用領(lǐng)域通信報(bào)文的標(biāo)準(zhǔn)化。為此，1991年9月PHILIPSSEMICONDUCTORS制訂并發(fā)布了CAN技術(shù)規(guī)范（VERSION2.0）。該技術(shù)規(guī)范包括A和B兩部分。2.0A給出了曾在CAN技術(shù)規(guī)范版本1.2中定義的CAN報(bào)文格式，而2.0B給出了標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的兩種報(bào)文格式。此后，1993年11月ISO正式頒布了道路交通運(yùn)載工具--數(shù)字信息交換--高速通信控制器局部網(wǎng)（CAN）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898），為控制器局部網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化推廣鋪平了道路。

二.CAN總線特點(diǎn)

CAN總線是德國(guó)BOSCH公司從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、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率可達(dá)1MBPS。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。

CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由11位或29位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義211或229個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)，8個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線時(shí)間過長(zhǎng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的

重視，并已公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。

另外，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)通訊。CAN總線插卡可以任意插在PCATXT兼容機(jī)上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。

三.CAN總線技術(shù)介紹

3.1位仲裁

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。實(shí)時(shí)處理通過網(wǎng)絡(luò)交換的緊急數(shù)據(jù)有較大的不同。一個(gè)快速變化的物理量,如汽車引擎負(fù)載,將比類似汽車引擎溫度這樣相對(duì)變化較慢的物理量更頻繁地傳送數(shù)據(jù)并要求更短的延時(shí)。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。

總線讀取中的沖突可通過位仲裁解決。當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)發(fā)送報(bào)文時(shí),站1的報(bào)文標(biāo)識(shí)符為011111;站2的報(bào)文標(biāo)識(shí)符為0100110;站3的報(bào)文標(biāo)識(shí)符為0100111。所有標(biāo)識(shí)符都有相同的兩位01,直到第3位進(jìn)行比較時(shí),站1的報(bào)文被丟掉,因?yàn)樗牡?位為高,而其它兩個(gè)站的報(bào)文第3位為低。站2和站3報(bào)文的4、5、6位相同,直到第7位時(shí),站3的報(bào)文才被丟失。注意,總線中的信號(hào)持續(xù)跟蹤最后獲得總線讀取權(quán)的站的報(bào)文。在此例中,站2的報(bào)文被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優(yōu)點(diǎn)在于,在網(wǎng)絡(luò)最終確定哪一個(gè)站的報(bào)文被傳送以前,報(bào)文的起始部分已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)上傳送了。所有未獲得總線讀取權(quán)的站都成為具有最高優(yōu)先權(quán)報(bào)文

的接收站,并且不會(huì)在總線再次空閑前發(fā)送報(bào)文。

CAN具有較高的效率是因?yàn)榭偩€僅僅被那些請(qǐng)求總線懸而未決的站利用,這些請(qǐng)求是根據(jù)報(bào)文在整個(gè)系統(tǒng)中的重要性按順序處理的。這種方法在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)有很多優(yōu)點(diǎn),因?yàn)榭偩€讀取的優(yōu)先級(jí)已被按順序放在每個(gè)報(bào)文中了,這可以保證在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中較低的個(gè)體隱伏時(shí)間。

對(duì)于主站的可靠性,由于CAN協(xié)議執(zhí)行非集中化總線控制,所有主要通信,包括總線讀取(許可)控制,在系統(tǒng)中分幾次完成。這是實(shí)現(xiàn)有較高可靠性的通信系統(tǒng)的唯一方法

3.2CAN與其它通信方案的比較

在實(shí)踐中,有兩種重要的總線分配方法:按時(shí)間表分配和按需要分配。在第一種方法中,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。這將保證在總線存取時(shí)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(gè)站,總線系統(tǒng)按站希望的傳送分配(如:EthernetCSMA/CD)。因此,當(dāng)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請(qǐng)求,這時(shí)將不會(huì)有任何一個(gè)站獲得總線分配。為了分配總線,多于一個(gè)總線存取是必要的。CAN實(shí)現(xiàn)總線分配的方法,可保證當(dāng)不同的站申請(qǐng)總線存取時(shí),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(shí)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(qǐng)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(huì)發(fā)生。