【E課堂】詳解三大總線(xiàn)之CAN總線(xiàn)

　　產(chǎn)生與發(fā)展

　　1. CAN總線(xiàn)的產(chǎn)生與發(fā)展

　　控制器局部網(wǎng)(CAN-CONTROLLER AREA NETWORK)是BOSCH公司為現代汽車(chē)應用領(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(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)現已廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化、多種控制設備、交通工具、醫療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門(mén)?？刂破骶植烤W(wǎng)將在我國迅速普及推廣。

　　隨著(zhù)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)控制系統已成為計算機技術(shù)應用領(lǐng)域中最具活力的一個(gè)分支，并取得了巨大進(jìn)步。由于對系統可靠性和靈活性的高要求，工業(yè)控制系統的發(fā)展主要表現為：控制面向多元化，系統面向分散化，即負載分散、功能分散、危險分散和地域分散。

　　分散式工業(yè)控制系統就是為適應這種需要而發(fā)展起來(lái)的。這類(lèi)系統是以微型機為核心，將 5C技術(shù)--COMPUTER(計算機技術(shù))、CONTROL(自動(dòng)控制技術(shù))、COMMUNICATION(通信技術(shù))、CRT(顯示技術(shù))和 CHANGE(轉換技術(shù))緊密結合的產(chǎn)物。它在適應范圍、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和集中型計算機控制系統都具有明顯的優(yōu)越性。

　　典型的分散式控制系統由現場(chǎng)設備、接口與計算設備以及通信設備組成?，F場(chǎng)總線(xiàn)(FIELDBUS)能同時(shí)滿(mǎn)足過(guò)程控制和制造業(yè)自動(dòng)化的需要，因而現場(chǎng)總線(xiàn)已成為工業(yè)數據總線(xiàn)領(lǐng)域中最為活躍的一個(gè)領(lǐng)域?，F場(chǎng)總線(xiàn)的研究與應用已成為工業(yè)數據總線(xiàn)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。盡管目前對現場(chǎng)總線(xiàn)的研究尚未能提出一個(gè)完善的標準，但現場(chǎng)總線(xiàn)的高性能價(jià)格比將吸引眾多工業(yè)控制系統采用。同時(shí)，正由于現場(chǎng)總線(xiàn)的標準尚未統一，也使得現場(chǎng)總線(xiàn)的應用得以不拘一格地發(fā)揮，并將為現場(chǎng)總線(xiàn)的完善提供更加豐富的依據?？刂破骶植烤W(wǎng) CAN(CONTROLLER AERANETWORK)正是在這種背景下應運而生的。

　　由于CAN為愈來(lái)愈多不同領(lǐng)域采用和推廣，導致要求各種應用領(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)規范(VERSION 2.0)。該技術(shù)規范包括A和B兩部分。2.0A給出了曾在CAN技術(shù)規范版本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、規范化推廣鋪平了道路。特點(diǎn)　　2. CAN總線(xiàn)特點(diǎn)

　　CAN總線(xiàn)是德國B(niǎo)OSCH公司從80年代初為解決現代汽車(chē)中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數據通信協(xié)議，它是一種多主總線(xiàn)，通信介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光導纖維。通信速率可達1MBPS。

　　2.1 CAN總線(xiàn)通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、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(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò )內的節點(diǎn)個(gè)數在理論上不受限制，數據塊的標識碼可由11位或29位二進(jìn)制數組成，因此可以定義211或229個(gè)不同的數據塊，這種按數據塊編碼的方式，還可使不同的節點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數據，這一點(diǎn)在分布式控制系統中非常有用。數據段長(cháng)度最多為8個(gè)字節，可滿(mǎn)足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數據的一般要求。同時(shí)，8個(gè)字節不會(huì )占用總線(xiàn)時(shí)間過(guò)長(cháng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設計，特別適合工業(yè)過(guò)程監控設備的互連，因此，越來(lái)越受到工業(yè)界的重視，并已公認為最有前途的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。

　　2.3 CAN總線(xiàn)采用了多主競爭式總線(xiàn)結構，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線(xiàn)以及廣播通信的特點(diǎn)。CAN總線(xiàn)上任意節點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò )上其它節點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節點(diǎn)之間實(shí)現自由通信。CAN總線(xiàn)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?xún)r(jià)比高，特別適用于分布式測控系統之間的數通訊。CAN總線(xiàn)插卡可以任意插在PC AT XT兼容機上，方便地構成分布式監控系統。

　　2.4 結構簡(jiǎn)單，只有2跟線(xiàn)與外部相連，并且內部集成了錯誤探測和管理模塊。

　　2.5 CAN的特點(diǎn)如下：

　　CAN(Controller Area Network)總線(xiàn)，也稱(chēng)控制器局部網(wǎng)，由于采用了許多新技術(shù)及獨特的設計，CAN總線(xiàn)與一般的通信總線(xiàn)相比，它的數據通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。其特點(diǎn)如下：

　　CAN是具有國際標準的現場(chǎng)總線(xiàn)。

　　lCAN為多主工作方式，網(wǎng)絡(luò )上任何一個(gè)節點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向 網(wǎng)絡(luò )上其它節點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從。

　　在報文標識符上，CAN上的節點(diǎn)分成不同的優(yōu)先級，可滿(mǎn)足不同的實(shí)時(shí)要求，優(yōu)先級高的數據最多可在134us內得到傳輸。

　　CAN采用非破壞總線(xiàn)仲裁技術(shù)。當多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)向總線(xiàn)發(fā)送信息出現沖突時(shí)，優(yōu)先級低的節點(diǎn)會(huì )主動(dòng)地退出發(fā)送，而優(yōu)先級高的節點(diǎn)可以不受影響的繼續傳輸數據，從而大大節省了總線(xiàn)沖突的仲裁時(shí)間。尤其是網(wǎng)絡(luò )負載很重的情況下，也不會(huì )出現網(wǎng)絡(luò )癱瘓情況(以太網(wǎng)則可能)。

　　CAN節點(diǎn)只需通過(guò)報文的標識符濾波即可實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數據。

　　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(shí)通信距離最長(cháng)為40m)。

　　CAN上的節點(diǎn)數主要取決于總線(xiàn)驅動(dòng)電路，目前可達110個(gè)。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(gè)數幾乎不受限制。

　　報文采用短幀格式，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，保證了數據出錯率極低。

　　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(xiàn)、同軸電纜或光纖，選擇靈活。

　　CAN節點(diǎn)在錯誤幀的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，而總線(xiàn)上其它節點(diǎn)的操作不受影響。

　　CAN總線(xiàn)具有較高的性能價(jià)格比。它結構簡(jiǎn)單，器件容易購置，每個(gè)節點(diǎn)的價(jià)格較低，而且開(kāi)發(fā)技術(shù)容易掌握，能充分利用現有的單片機開(kāi)發(fā)工具。

　　CAN協(xié)議也是建立在國際標準組織的開(kāi)放系統互聯(lián)模型基礎上的。不過(guò)，由于CAN的數據結構簡(jiǎn)單，又是范圍較小的局域網(wǎng)，其模型結構只取OSI底層的物理層、數據鏈路層和應用層3層，不需要其他中間層，應用層數據直接取自數據鏈路層或直接向數據鏈路層寫(xiě)數據。結構層次少，利于系統中實(shí)時(shí)控制信號的傳送。技術(shù)介紹　　3. CAN總線(xiàn)技術(shù)介紹

　　3.1 位仲裁

　　要對數據進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,就必須將數據快速傳送,這就要求數據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)送數據時(shí),要求快速地進(jìn)行總線(xiàn)分配。實(shí)時(shí)處理通過(guò)網(wǎng)絡(luò )交換的緊急數據有較大的不同。一個(gè)快速變化的物理量,如汽車(chē)引擎負載,將比類(lèi)似汽車(chē)引擎溫度這樣相對變化較慢的物理量更頻繁地傳送數據并要求更短的延時(shí)。

　　CAN總線(xiàn)以報文為單位進(jìn)行數據傳送,報文的優(yōu)先級結合在11位標識符中,具有最低二進(jìn)制數的標識符有最高的優(yōu)先級。這種優(yōu)先級一旦在系統設計時(shí)被確立后就不能再被更改?？偩€(xiàn)讀取中的沖突可通過(guò)位仲裁解決。如圖2所示,當幾個(gè)站同時(shí)發(fā)送報文時(shí),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(jìn)行比較時(shí),站1的報文被丟掉,因為它的第3位為高,而其它兩個(gè)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(shí),站3的報文才被丟失。注意,總線(xiàn)中的信號持續跟蹤最后獲得總線(xiàn)讀取權的站的報文。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(diǎn)在于,在網(wǎng)絡(luò )最終確定哪一個(gè)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(xiàn)讀取權的站都成為具有最高優(yōu)先權報文的接收站,并且不會(huì )在總線(xiàn)再次空閑前發(fā)送報文。

　　CAN具有較高的效率是因為總線(xiàn)僅僅被那些請求總線(xiàn)懸而未決的站利用,這些請求是根據報文在整個(gè)系統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(shí)有很多優(yōu)點(diǎn),因為總線(xiàn)讀取的優(yōu)先級已被按順序放在每個(gè)報文中了,這可以保證在實(shí)時(shí)系統中較低的個(gè)體隱伏時(shí)間。

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

　　3.2 CAN與其它通信方案的比較

　　在實(shí)踐中,有兩種重要的總線(xiàn)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)節點(diǎn)是否申請總線(xiàn),都對每個(gè)節點(diǎn)按最大期間分配。由此,總線(xiàn)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(xiàn)存取或在一特定時(shí)間進(jìn)行總線(xiàn)存取。這將保證在總線(xiàn)存取時(shí)有明確的總線(xiàn)分配。在第二種方法中,總線(xiàn)按傳送數據的基本要求分配給一個(gè)站 ,總線(xiàn)系統按站希望的傳送分配(如:Ethernet CSMA/CD)。因此,當多個(gè)站同時(shí)請求總線(xiàn)存取時(shí),總線(xiàn)將終止所有站的請求,這時(shí)將不會(huì )有任何一個(gè)站獲得總線(xiàn)分配。為了分配總線(xiàn),多于一個(gè)總線(xiàn)存取是必要的。

　　CAN實(shí)現總線(xiàn)分配的方法,可保證當不同的站申請總線(xiàn)存取時(shí),明確地進(jìn)行總線(xiàn)分配。這種位仲裁的方法可以解決當兩個(gè)站同時(shí)發(fā)送數據時(shí)產(chǎn)生的碰撞問(wèn)題。不同于Ethernet網(wǎng)絡(luò )的消息仲裁,CAN的非破壞性解決總線(xiàn)存取沖突的方法,確保在不傳送有用消息時(shí)總線(xiàn)不被占用。甚至當總線(xiàn)在重負載情況下,以消息內容為優(yōu)先的總線(xiàn)存取也被證明是一種有效的系統。雖然總線(xiàn)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(lái)處理。在CSMA/CD這樣的網(wǎng)絡(luò )中,如Ethernet,系統往往由于過(guò)載而崩潰,而這種情況在CAN中不會(huì )發(fā)生。

　　3.3 CAN的報文格式

　　在總線(xiàn)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(cháng)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(chēng)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(chǎng)。RTR位標明是數據幀還是請求幀,在請求幀中沒(méi)有數據字節。

　　控制場(chǎng)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(gè)保留位 (ro),為將來(lái)擴展使用。它的最后四個(gè)字節用來(lái)指明數據場(chǎng)中數據的長(cháng)度(DLC)。數據場(chǎng)范圍為0～8個(gè)字節,其后有一個(gè)檢測數據錯誤的循環(huán)冗余檢查(CRC)。

　　應答場(chǎng)(ACK)包括應答位和應答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平(邏輯1),這時(shí)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(gè)站能正確接收到報文。

　　報文的尾部由幀結束標出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位,如果這時(shí)沒(méi)有站進(jìn)行總線(xiàn)存取,總線(xiàn)將處于空閑狀態(tài)。

　　3.4 數據錯誤檢測

　　不同于其它總線(xiàn),CAN協(xié)議不能使用應答信息。事實(shí)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(guò)CRC可判斷報文是否有錯。

　　3.4.2 幀檢查

　　這種方法通過(guò)位場(chǎng)檢查幀的格式和大小來(lái)確定報文的正確性,用于檢查格式上的錯誤。

　　3.4.3.應答錯誤

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

　　3.4.4 總線(xiàn)檢測

　　有時(shí),CAN中的一個(gè)節點(diǎn)可監測自己發(fā)出的信號。因此,發(fā)送報文的站可以觀(guān)測總線(xiàn)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(gè)連續相等位后,發(fā)送站自動(dòng)插入一個(gè)與之互補的補碼位;接收時(shí),這個(gè)填充位被自動(dòng)丟掉。例如,五個(gè)連續的低電平位后,CAN自動(dòng)插入一個(gè)高電平位。CAN通過(guò)這種編碼規則檢查錯誤,如果在一幀報文中有6個(gè)相同位,CAN就知道發(fā)生了錯誤。

　　如果至少有一個(gè)站通過(guò)以上方法探測到 一個(gè)或多個(gè)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)送數據被終止后,發(fā)送站會(huì )自動(dòng)地重新發(fā)送數據。作為規則,在探測到錯誤后23個(gè)位周期內重新開(kāi)始發(fā)送。在特殊場(chǎng)合,系統的恢復時(shí)間為31個(gè)位周期。

　　但這種方法存在一個(gè)問(wèn)題,即一個(gè)發(fā)生錯誤的站將導致所有數據被終止,其中也包括正確的數據。因此,如果不采取自監測措施,總線(xiàn)系統應采用模塊化設計。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別出來(lái)的辦法。這種方法可以通過(guò)對出錯站統計評估來(lái)確定一個(gè)站本身的錯誤并進(jìn)入一種不會(huì )對其它站產(chǎn)生不良影響的運行方法來(lái)實(shí)現,即站可以通過(guò)關(guān)閉自己來(lái)阻止正常數據因被錯誤地當成不正確的數據而被終止。

　　3.4.6 CAN可靠性

　　為防止汽車(chē)在使用壽命期內由于數據交換錯誤而對司機造成危險,汽車(chē)的安全系統要求數據傳輸具有較高的安全性。如果數據傳輸的可靠性足夠高,或者殘留下來(lái)的數據錯誤足夠低的話(huà),這一目標不難實(shí)現。從總線(xiàn)系統數據的角度看,可靠性可以理解為,對傳輸過(guò)程產(chǎn)生的數據錯誤的識別能力。

　　殘余數據錯誤的概率可以通過(guò)對數據傳輸可靠性的統計測量獲得。它描述了傳送數據被破壞和這種破壞不能被探測出來(lái)的概率。殘余數據錯誤概率必須非常小,使其在系統整個(gè)壽命周期內,按平均統計時(shí)幾乎檢測不到。計算殘余錯誤概率要求能夠對數據錯誤進(jìn)行分類(lèi) ,并且數據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(shí)位錯誤概率的函數,并假定這個(gè)系統中有5～10個(gè)站,并且錯誤率為1/1000,那么最大位錯誤概率為10—13數量級。例如,CAN網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸率最大為1Mbps,如果數據傳輸能力僅使用50%,那么對于一個(gè)工作壽命4000小時(shí)、平均報文長(cháng)度為 80位的系統,所傳送的數據總量為9×1010。在系統運行壽命期內,不可檢測的傳輸錯誤的統計平均小于10—2量級。換句話(huà)說(shuō),一個(gè)系統按每年365天,每天工作8小時(shí),每秒錯誤率為0. 7計算,那么按統計平均,每1000年才會(huì )發(fā)生一個(gè)不可檢測的錯誤。應用舉例

　　4.應用舉例

　　某醫院現有5臺16T/H德國菲斯曼燃氣鍋爐，向洗衣房、制劑室、供應室、生活用水、暖氣等設施提供5kg/cm2的蒸汽，全年耗用天然氣1200萬(wàn)m3,耗用20萬(wàn)噸自來(lái)水。醫院采用接力式方式供熱，對熱網(wǎng)進(jìn)行地域性管理，分四大供熱區。其中冬季暖氣的用氣量很大，據此設計了基于CAN現場(chǎng)總線(xiàn)的分布式鍋爐蒸汽熱網(wǎng)智能監控系統?，F場(chǎng)應用表明：該樓宇自動(dòng)化系統具有抗干擾能力強，現場(chǎng)組態(tài)容易，網(wǎng)絡(luò )化程度高，人機界面友好等特點(diǎn)。