CAN總線技術(shù)應(yīng)用研究

現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，是目前計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)結(jié)合的最先進(jìn)成果，它繼承了DCS和其它自動(dòng)化控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)造了更加完備、更加開放、更加集約的控制系統(tǒng)，是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，CAN總線為分布式控制系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)有力的支持?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)勢(shì)必會(huì)逐步引領(lǐng)現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)控制的發(fā)展方向，最終會(huì)得到各個(gè)行業(yè)的廣泛應(yīng)用。

控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN（Control Area Network）總線是能夠有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通信靈活、實(shí)時(shí)性高、可靠性高、較強(qiáng)的抗干擾性以及良好的錯(cuò)誤檢測(cè)能力，近年來備受關(guān)注，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境以及工業(yè)自動(dòng)化、交通工具、醫(yī)療領(lǐng)域等各行各業(yè)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。CAN總線以其優(yōu)越的性能，必定會(huì)得到更多的重視，成為最流行的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，在更多領(lǐng)域得到更大的應(yīng)用，為工業(yè)生產(chǎn)以及人們的生活提供更多的便利。

1 CAN總線

為滿足用戶對(duì)安全性、舒適性、方便性等的要求，越來越多的電子控制系統(tǒng)在當(dāng)前的汽車產(chǎn)業(yè)中被開發(fā)出來，并得到了廣泛的應(yīng)用。各系統(tǒng)所使用數(shù)據(jù)類型的不同以及對(duì)可靠性的要求不同，給系統(tǒng)間的通信帶來了很大的困難。1986年德國(guó)電氣商Bosch（博世）公司為解決汽車眾多控制設(shè)備與儀器儀表之間的數(shù)據(jù)交換提出了一種串行通信協(xié)議即CAN（Control Area Network）總線。CAN總線采用雙絞線、同軸電纜或光纖作為傳輸介質(zhì)，通訊速率為1 Mb/s，當(dāng)信號(hào)傳輸距離達(dá)到10km時(shí)，CAN仍可提供高達(dá)50kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。CAN總線具有低成本、高速度、高抗電磁干擾性、優(yōu)越的檢錯(cuò)、糾錯(cuò)能力等優(yōu)點(diǎn)。由于CAN總線卓越的性能，在20世紀(jì)90年代的歐洲得到了廣泛的重視，并成為研究的熱點(diǎn)。

CAN協(xié)議的最初版本為1.0版，1990年升級(jí)到1.2版，1991年又推出2.0版。CAN 2.0規(guī)范分為CAN 2.0A和CAN 2.0B。CAN 2.0A支持標(biāo)準(zhǔn)的11位標(biāo)識(shí)符。CAN 2.0B同時(shí)支持標(biāo)準(zhǔn)的11位標(biāo)識(shí)符和擴(kuò)展的29位標(biāo)識(shí)符，CAN 2.0規(guī)范的目的是為了在任何兩個(gè)基于CAN-bus的儀器之間建立兼容性。CAN協(xié)議規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，與OSI模型中七層結(jié)構(gòu)的三層相對(duì)應(yīng)。1993年，CAN已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IS011898（高速應(yīng)用，通信速率小于等干1Mbps）和IS011519（低速應(yīng)用，通信速率小于等于125 Kbps），現(xiàn)在在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

2 CAN總線的特性

2.1低網(wǎng)絡(luò)成本，高網(wǎng)絡(luò)傳輸率

CAN總線在傳輸介質(zhì)上無特殊要求，可以使用雙絞線、同軸電纜或光纖。CAN總線的最高通信速率可達(dá)1Mb/s，直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（速率小于5Kb/s）。當(dāng)信號(hào)傳輸距離達(dá)到10km時(shí)，CAN仍可提供高達(dá)50kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

2.2網(wǎng)絡(luò)通信方式靈活

CAN總線采用雙線串行通信方式，網(wǎng)絡(luò)中只有兩根導(dǎo)線，新節(jié)點(diǎn)可直接掛在總線上，系統(tǒng)擴(kuò)展靈活，易實(shí)現(xiàn)。CAN總線工作方式可分為主從、無主或多主站方式。節(jié)點(diǎn)間通信靈活，報(bào)文信息不包含源地址或目標(biāo)地址等節(jié)點(diǎn)信息，只用標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級(jí)信息等。各節(jié)點(diǎn)間可直接通信，信息以廣播方式進(jìn)行發(fā)布，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)可以向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，所發(fā)送報(bào)文信息可同時(shí)供所有節(jié)點(diǎn)接收。

2.3網(wǎng)絡(luò)通信可靠性、實(shí)時(shí)高

CAN總線使用非破壞性的總線仲裁技術(shù)解決總線競(jìng)爭(zhēng)，通過預(yù)置消息優(yōu)先級(jí)和自動(dòng)退讓的方式解決總線沖突，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)享有占有總線的優(yōu)先權(quán)，可以在134μs內(nèi)得到傳輸，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。

CAN總線具有完善的錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制并具有自動(dòng)重發(fā)功能，從而保證了網(wǎng)絡(luò)通信的高可靠性。CAN總線的錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制包括以下幾種方式：對(duì)報(bào)文進(jìn)行循環(huán)冗余檢查（CRC校驗(yàn)），接收站可以通過CRC判斷報(bào)文是否出錯(cuò)，從而保證報(bào)文的正確性。為保證報(bào)文格式的正確，CAN總線采取幀檢查，通過位場(chǎng)對(duì)幀的格式和大小進(jìn)行檢查。應(yīng)答錯(cuò)誤同樣被用于CAN總線的錯(cuò)誤檢測(cè)。由接收站通過明確的應(yīng)答來確認(rèn)被接收到的幀，如沒有應(yīng)答則表明幀有錯(cuò)誤。在檢測(cè)到發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā)。同時(shí)信息以報(bào)文方式傳遞，淡化了節(jié)點(diǎn)地址的概念，節(jié)點(diǎn)的增加或摘除不會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生影響。

3 CAN總線的應(yīng)用及發(fā)展前景

由于CAN總線具有低網(wǎng)絡(luò)成本、高網(wǎng)絡(luò)安全性、通信實(shí)時(shí)性和可靠性等特點(diǎn)己廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、汽車工業(yè)、安全防護(hù)等領(lǐng)域。

3.1工業(yè)控制

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信，要求信息能夠在不同的控制設(shè)備間得到及時(shí)的發(fā)送和接收。現(xiàn)場(chǎng)總線作為全數(shù)字化、開放、互連、面向現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備低層的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)能夠很好的滿足工業(yè)控制的要求。CAN總線是目前最流行的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，CAN總線具有低成本、高總線利用率、高安全性、可靠性、遠(yuǎn)距離高速傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，能夠很好的滿足環(huán)境復(fù)雜、惡劣的工業(yè)環(huán)境的通信要求，隨著CAN總線技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，必然在工業(yè)控制中得到更加廣泛的應(yīng)用。

3.2汽車工業(yè)

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展，汽車上各種電子部件、大量傳感器、電氣控制設(shè)備等的數(shù)量越來越多，這些電子設(shè)備在汽車上的廣泛應(yīng)用，在提高了汽車的動(dòng)力性、舒適性的同時(shí)也帶來了諸多問題：多系統(tǒng)的應(yīng)用使得布線變得復(fù)雜而龐大，各系統(tǒng)間需要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的共享，對(duì)通信的實(shí)時(shí)性也提出了更高的要求。CAN總線的出現(xiàn)很好的解決了這些問題，CAN總線是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線。它具有高通信可靠性、安全性、實(shí)時(shí)性，低網(wǎng)絡(luò)成本、組網(wǎng)靈活、簡(jiǎn)單易用等優(yōu)點(diǎn)，可以為汽車控制系統(tǒng)提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。CAN總線在汽車上的廣泛應(yīng)用將使汽車的動(dòng)力性、安全性等各項(xiàng)性能都上升到了新的高度，給汽車技術(shù)的發(fā)展注入新的活力。

3.3監(jiān)控及安防系統(tǒng)

在當(dāng)前的各種監(jiān)控系統(tǒng)中，普遍存在可靠性、實(shí)時(shí)性不高，分站缺乏統(tǒng)一規(guī)范等缺點(diǎn)，不能夠很好的滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求。CAN總線由于具有高數(shù)據(jù)傳輸率、完善的規(guī)范和協(xié)議、高實(shí)時(shí)性、安全性、可靠性等，可以很好的克服當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)中存在的各種問題。因此CAN總線不僅被用于煤礦的安全監(jiān)控系統(tǒng)中，也將在更多的監(jiān)控及安防系統(tǒng)得到更加廣泛的應(yīng)用。

4 結(jié)論

CAN總線是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，雖然CAN總線是為了解決汽車電子控制模塊、傳感器和執(zhí)行器的通信問題而提出的，但由于CAN總線具有成本低、通信安全性、可靠性、實(shí)時(shí)性高，抗電磁干擾能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作等優(yōu)勢(shì)，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，隨著CAN總線技術(shù)的不斷完善，必將得到更大的發(fā)展和更加廣泛的應(yīng)用。