【E課堂】詳解三大總線之CAN總線

　　產(chǎn)生與發(fā)展

　　1. CAN總線的產(chǎn)生與發(fā)展

　　控制器局部網(wǎng)(CAN-CONTROLLER AREA NETWORK)是BOSCH公司為現(xiàn)代汽車應(yīng)用領(lǐng)先推出的一種多主機局部網(wǎng)，由于其高性能、高可靠性、實時性等優(yōu)點現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、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)將在我國迅速普及推廣。

　　隨著計算機硬件、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)已成為計算機技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中最具活力的一個分支，并取得了巨大進步。由于對系統(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，即負載分散、功能分散、危險分散和地域分散。

　　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)是以微型機為核心，將 5C技術(shù)--COMPUTER(計算機技術(shù))、CONTROL(自動控制技術(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、可擴展性、可維護性以及抗故障能力等方面，較之分散型儀表控制系統(tǒng)和集中型計算機控制系統(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)場設(shè)備、接口與計算設(shè)備以及通信設(shè)備組成。現(xiàn)場總線(FIELDBUS)能同時滿足過程控制和制造業(yè)自動化的需要，因而現(xiàn)場總線已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域中最為活躍的一個領(lǐng)域?，F(xiàn)場總線的研究與應(yīng)用已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域的熱點。盡管目前對現(xiàn)場總線的研究尚未能提出一個完善的標準，但現(xiàn)場總線的高性能價格比將吸引眾多工業(yè)控制系統(tǒng)采用。同時，正由于現(xiàn)場總線的標準尚未統(tǒng)一，也使得現(xiàn)場總線的應(yīng)用得以不拘一格地發(fā)揮，并將為現(xiàn)場總線的完善提供更加豐富的依據(jù)?？刂破骶植烤W(wǎng) CAN(CONTROLLER AERANETWORK)正是在這種背景下應(yīng)運而生的。

　　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)域通信報文的標準化。為此，1991年 9月 PHILIPS SEMICONDUCTORS制訂并發(fā)布了 CAN技術(shù)規(guī)范(VERSION 2.0)。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報文格式，能提供11位地址;而2.0B給出了標準的和擴展的兩種報文格式，提供29位地址。此后，1993年11月ISO正式頒布了道路交通運載工具--數(shù)字信息交換--高速通信控制器局部網(wǎng)(CAN)國際標準(ISO11898)，為控制器局部網(wǎng)標準化、規(guī)范化推廣鋪平了道路。特點　　2. CAN總線特點

　　CAN總線是德國BOSCH公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(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1MBPS。

　　2.1 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、優(yōu)先級判別等項工作。

　　2.2 CAN協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標識碼可由11位或29位二進制數(shù)組成，因此可以定義211或229個不同的數(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)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設(shè)計，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，并已公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一。

　　2.3 CAN總線采用了多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。CAN總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信。CAN總線協(xié)議已被國際標準化組織認證，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價比高，特別適用于分布式測控系統(tǒng)之間的數(shù)通訊。CAN總線插卡可以任意插在PC AT XT兼容機上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。

　　2.4 結(jié)構(gòu)簡單，只有2跟線與外部相連，并且內(nèi)部集成了錯誤探測和管理模塊。

　　2.5 CAN的特點如下：

　　CAN(Controller Area Network)總線，也稱控制器局部網(wǎng)，由于采用了許多新技術(shù)及獨特的設(shè)計，CAN總線與一般的通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其特點如下：

　　CAN是具有國際標準的現(xiàn)場總線。

　　lCAN為多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任何一個節(jié)點均可在任意時刻主動地向 網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從。

　　在報文標識符上，CAN上的節(jié)點分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求，優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)最多可在134us內(nèi)得到傳輸。

　　CAN采用非破壞總線仲裁技術(shù)。當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息出現(xiàn)沖突時，優(yōu)先級低的節(jié)點會主動地退出發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可以不受影響的繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突的仲裁時間。尤其是網(wǎng)絡(luò)負載很重的情況下，也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況(以太網(wǎng)則可能)。

　　CAN節(jié)點只需通過報文的標識符濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)。

　　CAN的直接通信距離最遠可達10km(速率5kbps以下);通信速率最高可達1Mbps(此時通信距離最長為40m)。

　　CAN上的節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路，目前可達110個。在標準幀的報文標識符有11位，而在擴展幀的報文標識符(29位)個數(shù)幾乎不受限制。

　　報文采用短幀格式，傳輸時間短，受干擾概率低，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低。

　　CAN的每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，具有極好的檢錯效果。

　　CAN的通訊介質(zhì)可以為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。

　　CAN節(jié)點在錯誤幀的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，而總線上其它節(jié)點的操作不受影響。

　　CAN總線具有較高的性能價格比。它結(jié)構(gòu)簡單，器件容易購置，每個節(jié)點的價格較低，而且開發(fā)技術(shù)容易掌握，能充分利用現(xiàn)有的單片機開發(fā)工具。

　　CAN協(xié)議也是建立在國際標準組織的開放系統(tǒng)互聯(lián)模型基礎(chǔ)上的。不過，由于CAN的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，又是范圍較小的局域網(wǎng)，其模型結(jié)構(gòu)只取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層3層，不需要其他中間層，應(yīng)用層數(shù)據(jù)直接取自數(shù)據(jù)鏈路層或直接向數(shù)據(jù)鏈路層寫數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)層次少，利于系統(tǒng)中實時控制信號的傳送。技術(shù)介紹　　3. CAN總線技術(shù)介紹

　　3.1 位仲裁

　　要對數(shù)據(jù)進行實時處理,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。在幾個站同時需要發(fā)送數(shù)據(jù)時,要求快速地進行總線分配。實時處理通過網(wǎng)絡(luò)交換的緊急數(shù)據(jù)有較大的不同。一個快速變化的物理量,如汽車引擎負載,將比類似汽車引擎溫度這樣相對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。

　　CAN總線以報文為單位進行數(shù)據(jù)傳送,報文的優(yōu)先級結(jié)合在11位標識符中,具有最低二進制數(shù)的標識符有最高的優(yōu)先級。這種優(yōu)先級一旦在系統(tǒng)設(shè)計時被確立后就不能再被更改?？偩€讀取中的沖突可通過位仲裁解決。如圖2所示,當幾個站同時發(fā)送報文時,站1的報文標識符為011111;站2的報文標識符為0100110;站3的報文標識符為0100111。所有標識符都有相同的兩位01,直到第3位進行比較時,站1的報文被丟掉,因為它的第3位為高,而其它兩個站的報文第3位為低。站2和站3報文的4、5、6位相同,直到第7位時,站3的報文才被丟失。注意,總線中的信號持續(xù)跟蹤最后獲得總線讀取權(quán)的站的報文。在此例中,站2的報文被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優(yōu)點在于,在網(wǎng)絡(luò)最終確定哪一個站的報文被傳送以前,報文的起始部分已經(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)報文的接收站,并且不會在總線再次空閑前發(fā)送報文。

　　CAN具有較高的效率是因為總線僅僅被那些請求總線懸而未決的站利用,這些請求是根據(jù)報文在整個系統(tǒng)中的重要性按順序處理的。這種方法在網(wǎng)絡(luò)負載較重時有很多優(yōu)點,因為總線讀取的優(yōu)先級已被按順序放在每個報文中了,這可以保證在實時系統(tǒng)中較低的個體隱伏時間。

　　對于主站的可靠性,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。這是實現(xiàn)有較高可靠性的通信系統(tǒng)的唯一方法。

　　3.2 CAN與其它通信方案的比較

　　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,而不論其是立即進行總線存取或在一特定時間進行總線存取。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(如:Ethernet CSMA/CD)。因此,當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,可保證當不同的站申請總線存取時,明確地進行總線分配。這種位仲裁的方法可以解決當兩個站同時發(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。甚至當總線在重負載情況下,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。

　　3.3 CAN的報文格式

　　在總線中傳送的報文,每幀由7部分組成。CAN協(xié)議支持兩種報文格式,其唯一的不同是標識符(ID)長度不同,標準格式為11位,擴展格式為29位。

　　在標準格式中,報文的起始位稱為幀起始(SOF),然后是由11位標識符和遠程發(fā)送請求位 (RTR)組成的仲裁場。RTR位標明是數(shù)據(jù)幀還是請求幀,在請求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)。

　　控制場包括標識符擴展位(IDE),指出是標準格式還是擴展格式。它還包括一個保留位 (ro),為將來擴展使用。它的最后四個字節(jié)用來指明數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)的長度(DLC)。數(shù)據(jù)場范圍為0～8個字節(jié),其后有一個檢測數(shù)據(jù)錯誤的循環(huán)冗余檢查(CRC)。

　　應(yīng)答場(ACK)包括應(yīng)答位和應(yīng)答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平(邏輯1),這時正確接收報文的接收站發(fā)送主控電平(邏輯0)覆蓋它。用這種方法,發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡(luò)中至少有一個站能正確接收到報文。

　　報文的尾部由幀結(jié)束標出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位,如果這時沒有站進行總線存取,總線將處于空閑狀態(tài)。

　　3.4 數(shù)據(jù)錯誤檢測

　　不同于其它總線,CAN協(xié)議不能使用應(yīng)答信息。事實上,它可以將發(fā)生的任何錯誤用信號發(fā)出。CAN協(xié)議可使用五種檢查錯誤的方法,其中前三種為基于報文內(nèi)容檢查。

　　3.4.1 循環(huán)冗余檢查(CRC)

　　在一幀報文中加入冗余檢查位可保證報文正確。接收站通過CRC可判斷報文是否有錯。

　　3.4.2 幀檢查

　　這種方法通過位場檢查幀的格式和大小來確定報文的正確性,用于檢查格式上的錯誤。

　　3.4.3.應(yīng)答錯誤

　　如前所述,被接收到的幀由接收站通過明確的應(yīng)答來確認。如果發(fā)送站未收到應(yīng)答,那么表明接收站發(fā)現(xiàn)幀中有錯誤,也就是說,ACK場已損壞或網(wǎng)絡(luò)中的報文無站接收。CAN協(xié)議也可通過位檢查的方法探測錯誤。

　　3.4.4 總線檢測

　　有時,CAN中的一個節(jié)點可監(jiān)測自己發(fā)出的信號。因此,發(fā)送報文的站可以觀測總線電平并探測發(fā)送位和接收位的差異。

　　3.4.5 位填充

　　一幀報文中的每一位都由不歸零碼表示,可保證位編碼的最大效率。然而,如果在一幀報文中有太多相同電平的位,就有可能失去同步。為保證同步,同步沿用位填充產(chǎn)生。在五個連續(xù)相等位后,發(fā)送站自動插入一個與之互補的補碼位;接收時,這個填充位被自動丟掉。例如,五個連續(xù)的低電平位后,CAN自動插入一個高電平位。CAN通過這種編碼規(guī)則檢查錯誤,如果在一幀報文中有6個相同位,CAN就知道發(fā)生了錯誤。

　　如果至少有一個站通過以上方法探測到 一個或多個錯誤,它將發(fā)送出錯標志終止當前的發(fā)送。這可以阻止其它站接收錯誤的報文,并保證網(wǎng)絡(luò)上報文的一致性。當大量發(fā)送數(shù)據(jù)被終止后,發(fā)送站會自動地重新發(fā)送數(shù)據(jù)。作為規(guī)則,在探測到錯誤后23個位周期內(nèi)重新開始發(fā)送。在特殊場合,系統(tǒng)的恢復(fù)時間為31個位周期。

　　但這種方法存在一個問題,即一個發(fā)生錯誤的站將導(dǎo)致所有數(shù)據(jù)被終止,其中也包括正確的數(shù)據(jù)。因此,如果不采取自監(jiān)測措施,總線系統(tǒng)應(yīng)采用模塊化設(shè)計。為此,CAN協(xié)議提供一種將偶然錯誤從永久錯誤和局部站失敗中區(qū)別出來的辦法。這種方法可以通過對出錯站統(tǒng)計評估來確定一個站本身的錯誤并進入一種不會對其它站產(chǎn)生不良影響的運行方法來實現(xiàn),即站可以通過關(guān)閉自己來阻止正常數(shù)據(jù)因被錯誤地當成不正確的數(shù)據(jù)而被終止。

　　3.4.6 CAN可靠性

　　為防止汽車在使用壽命期內(nèi)由于數(shù)據(jù)交換錯誤而對司機造成危險,汽車的安全系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)傳輸具有較高的安全性。如果數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃宰銐蚋?或者殘留下來的數(shù)據(jù)錯誤足夠低的話,這一目標不難實現(xiàn)。從總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)的角度看,可靠性可以理解為,對傳輸過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯誤的識別能力。

　　殘余數(shù)據(jù)錯誤的概率可以通過對數(shù)據(jù)傳輸可靠性的統(tǒng)計測量獲得。它描述了傳送數(shù)據(jù)被破壞和這種破壞不能被探測出來的概率。殘余數(shù)據(jù)錯誤概率必須非常小,使其在系統(tǒng)整個壽命周期內(nèi),按平均統(tǒng)計時幾乎檢測不到。計算殘余錯誤概率要求能夠?qū)?shù)據(jù)錯誤進行分類 ,并且數(shù)據(jù)傳輸路徑可由一模型描述。如果要確定CAN的殘余錯誤概率,我們可將殘留錯誤的概率作為具有80～90位的報文傳送時位錯誤概率的函數(shù),并假定這個系統(tǒng)中有5～10個站,并且錯誤率為1/1000,那么最大位錯誤概率為10—13數(shù)量級。例如,CAN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸率最大為1Mbps,如果數(shù)據(jù)傳輸能力僅使用50%,那么對于一個工作壽命4000小時、平均報文長度為 80位的系統(tǒng),所傳送的數(shù)據(jù)總量為9×1010。在系統(tǒng)運行壽命期內(nèi),不可檢測的傳輸錯誤的統(tǒng)計平均小于10—2量級。換句話說,一個系統(tǒng)按每年365天,每天工作8小時,每秒錯誤率為0. 7計算,那么按統(tǒng)計平均,每1000年才會發(fā)生一個不可檢測的錯誤。應(yīng)用舉例

　　4.應(yīng)用舉例

　　某醫(yī)院現(xiàn)有5臺16T/H德國菲斯曼燃氣鍋爐，向洗衣房、制劑室、供應(yīng)室、生活用水、暖氣等設(shè)施提供5kg/cm2的蒸汽，全年耗用天然氣1200萬m3,耗用20萬噸自來水。醫(yī)院采用接力式方式供熱，對熱網(wǎng)進行地域性管理，分四大供熱區(qū)。其中冬季暖氣的用氣量很大，據(jù)此設(shè)計了基于CAN現(xiàn)場總線的分布式鍋爐蒸汽熱網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)場應(yīng)用表明：該樓宇自動化系統(tǒng)具有抗干擾能力強，現(xiàn)場組態(tài)容易，網(wǎng)絡(luò)化程度高，人機界面友好等特點。