[摘要] 本文介紹了CAN現(xiàn)場總線的起源及發(fā)展，詳細(xì)分析了CAN總線的網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)、CAN總線的特點及性能。CAN總線具有良好的發(fā)展前景。

[關(guān)鍵詞] 現(xiàn)場總線CAN網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)

一、引言

現(xiàn)場總線技術(shù)已成為當(dāng)今工業(yè)自動化技術(shù)發(fā)展的熱點。CAN（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。CAN是一種多主方式的串行數(shù)據(jù)通訊總線，基本設(shè)計規(guī)范要求，有高的位速率，高抗電磁干擾性而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤，當(dāng)信號傳輸距離達(dá)到10Km時，CAN仍可提供高達(dá)50Kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。作為一種技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、功能完善、成本合理的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊控制方式CAN已被廣泛應(yīng)用到各個自動化控制領(lǐng)域，例如在汽車工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)控制、自動控制、智能大廈、電力系統(tǒng)、安全防護(hù)等各領(lǐng)域。

二、起源

20世紀(jì)80年代初期，由于歐洲汽車工業(yè)發(fā)展發(fā)展的需要，最先由德國Bosch公司提出CAN總線方案以解決汽車控制裝置間的通信問題。當(dāng)時，由于消費(fèi)者對于汽車功能的要求越來越多，而這些功能的實現(xiàn)大多是基于電子操作的，這就使得電子裝置之間的通訊越來越復(fù)雜，同時意味著需要更多的連接信號線。提出CAN總線的最初動機(jī)就是為了解決現(xiàn)代汽車中龐大的電子控制裝置之間的通訊，減少不斷增加的信號線。于是，他們設(shè)計了一個單一的網(wǎng)絡(luò)總線，所有的外圍器件可以被掛接在該總線上。Bosch公司于1986年正式公布了這一總線，且命名為CAN總線。1987年Intel公司生產(chǎn)出了首枚CAN控制器（82526）。不久，Philips公司也推出了CAN控制器82C200。1993年CAN成為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898（高速應(yīng)用）和ISO11519（低速應(yīng)用）。

為促進(jìn)CAN以及CAN協(xié)議的發(fā)展，1992在歐洲成立了國際用戶和廠商協(xié)會（CAN in Automation，簡稱CiA），在德國Erlangen注冊，CiA總部位于Erlangen。CiA提供服務(wù)包括：發(fā)布CAN的各類技術(shù)規(guī)范，免費(fèi)下載CAN文獻(xiàn)資料，提供CANopen規(guī)范DeviceNet規(guī)范；發(fā)布CAN產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，CANopen產(chǎn)品指南；提供CANopen驗證工具執(zhí)行CANopen認(rèn)證測試；開發(fā)CAN規(guī)范并發(fā)布為CiA標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)CiA組織統(tǒng)計，截止到2002年底，約有500多家公司加入了這個協(xié)會，協(xié)作開發(fā)和支持各類CAN高層協(xié)議；生產(chǎn)CAN控制器（獨(dú)立或內(nèi)嵌）廠家，包括世界上主要半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家在內(nèi)，已有20多家，CAN控制器產(chǎn)品的品種已達(dá)110多種，CAN控制器的數(shù)量已達(dá)210，000，000枚。CAN接口已經(jīng)被公認(rèn)為微控制器（Microcontroller）的標(biāo)準(zhǔn)串行接口，應(yīng)用在各種分布式內(nèi)嵌系統(tǒng)。該協(xié)會已經(jīng)為全球應(yīng)用CAN技術(shù)的權(quán)威。

三、CAN的結(jié)構(gòu)與技術(shù)特點

1.CAN總線定義的網(wǎng)絡(luò)層次

CAN通訊協(xié)議，主要描述設(shè)備之間的信息傳遞方式。OSI開放系統(tǒng)互連參考模型將網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分為7層，由上至下分別為：應(yīng)用層、表示層、會話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層和物理層。根據(jù)ISO/OSI開放系統(tǒng)互連參考模型，為了滿足現(xiàn)場設(shè)備間通信的實時性要求，CAN規(guī)范只在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層上進(jìn)行了定義，如圖1 所示。

在數(shù)據(jù)鏈路層，CAN定義了邏輯鏈路控制子層(LLC)部分和完整的媒體訪問控制子層（MAC）。邏輯鏈路控制子層(LLC)的作用范圍包括：為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求以及數(shù)據(jù)傳輸提供服務(wù)，確定由實際要使用的LLC子層接收哪一個報文，為恢復(fù)管理和過載通知提供手段。在這里，定義對象處理還有很大的自由度。MAC子層的作用主要是傳送規(guī)則，也就是控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯誤檢測、出錯標(biāo)定、故障界定?？偩€上什么時候開始發(fā)送新報文及什么時候開始接收報文，均在MAC子層里確定。位定時的一些普通功能也可以看作是MAC子層的一部分。理所當(dāng)然，MAC子層的修改是受到限制的。

MAC子層是CAN協(xié)議的核心。它把接收到的報文提供給LLC子層，并接收來自LLC子層的報文。

物理層的作用是在不同節(jié)點之間根據(jù)所有的電氣屬性進(jìn)行位的實際傳輸。同一網(wǎng)絡(luò)的物理層，對于所有的節(jié)點當(dāng)然是相同的。盡管如此，在選擇物理層方面還是很自由的。CAN協(xié)議規(guī)范，在物理層只定義了信號是如何實際地傳輸?shù)?，包括對位時間、位編碼、同步的解釋。CAN規(guī)范沒有定義物理層的驅(qū)動器/接收器特性，以便允許根據(jù)它們的應(yīng)用，對發(fā)送媒體和信號電平進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 CAN 2.0B定義的網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)

2.CAN總線技術(shù)特點

目前，除了有大量可用的低成本的CAN接口器件之外，CAN之所以在世界范圍內(nèi)得到廣泛認(rèn)可是由于它具有如下的突出的特點。

多主方式及面向事件的信息傳輸：只要總線空閑總線系統(tǒng)中的任何一個節(jié)點都可發(fā)送信息，所以，任何一個節(jié)點均可以與其它的節(jié)點交換信息。這一特點非常重要，因為正是它才使面向事件的信息傳輸成為可能。

幀結(jié)構(gòu)：CAN總線的數(shù)據(jù)幀由7部分組成：幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、應(yīng)答場、幀尾。其中幀起始由一個單獨(dú)的“顯性”位（bit）組成，仲裁場由29bit組成（早期版本為11bit），控制場由6bit構(gòu)成，數(shù)據(jù)場由0至8byte的數(shù)據(jù)組成，不能多于8字節(jié)，CRC場由16bit組成，應(yīng)答場由2bit構(gòu)成，幀尾由7bit（“隱性”）組成。

每個幀都具有一定的優(yōu)先權(quán)，幀的優(yōu)先權(quán)是由幀的仲裁場（又稱為幀標(biāo)識，用ID表示）決定的。

非破壞性仲裁（CSMA/CD）方式：與普通的Ethernet不同，CAN總線訪問仲裁是基于非破壞性的總線爭用仲裁（Non Destructive bitwise Arbitration）方案。當(dāng)總線空閑時，線路表現(xiàn)為“閑置”電平（recessive level），此時任何站均可發(fā)送報文，任何節(jié)點都可以開始發(fā)送信息幀，這樣就可能導(dǎo)致兩個以上的節(jié)點同時開始訪問總線，如圖2所示。CAN的物理層具有如下特性：只有當(dāng)所有的節(jié)點都寫入從屬位（1，recessive level），網(wǎng)絡(luò)上才是1，只要有一個節(jié)點寫入決定位（0， dominant level），網(wǎng)絡(luò)上就是0，也就是說，決定位覆蓋從屬位；CAN總線上的任何一個節(jié)點寫總線的同時也在讀總線。為了防止破壞另一個節(jié)點的發(fā)送幀，一個節(jié)點在發(fā)送幀標(biāo)識和RTR位的過程中一直在監(jiān)控總線，一旦檢測到發(fā)送隱性位得到一個顯性位，則表明有比自己優(yōu)先權(quán)高的節(jié)點在使用總線，節(jié)點自動轉(zhuǎn)入監(jiān)聽狀態(tài)，檢驗是否是自己需要的數(shù)據(jù)。優(yōu)先權(quán)高的信息幀不會被破壞而是繼續(xù)傳輸。這種仲裁原則保證了最高優(yōu)先權(quán)的信息幀在任何時間都可優(yōu)先發(fā)送，同時充分的利用了總線的帶寬。

對于優(yōu)先權(quán)最高的可能最長的信息幀，其時間延遲為130位的時間。對于其它高優(yōu)先權(quán)的信息幀，其最大的確定延時時間由較高層次的總線協(xié)議決定。由于CAN 總線采用了這種總線仲裁機(jī)制其總線利用率很高。

圖2 非破壞性總線爭用仲裁原則

短信息幀：每一幀中只包括0～8字節(jié)的有效數(shù)據(jù)。這一長度幾乎滿足任何實時應(yīng)用。如果必須傳送多于8個字節(jié)的信息塊，那么就需要使用更高層次的信息分段協(xié)議。從另一個方面來說，較短的CAN信息幀保證了高優(yōu)先權(quán)信息幀的短延時。這也有利于在電磁干擾較強(qiáng)環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸，因為，信息幀越短不被干擾的幾率越高。

強(qiáng)檢錯、糾錯和故障處理功能：可靠的錯誤檢測和錯誤處理機(jī)制，節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下自動關(guān)閉脫離總線，以確保能繼續(xù)進(jìn)行剩余節(jié)點之間的通信。發(fā)送的信息遭到破壞之后可自動重發(fā)。

信息傳輸方式：CAN使用信息生產(chǎn)者--使用者方式傳輸信息。這與Ethernet的Client/Server模式不同，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（幾乎其它的總線都是如此），CAN的報文僅用信息標(biāo)識ID來指示功能信息、優(yōu)先級信息，總線上的所有節(jié)點可根據(jù)報文的ID決定接收或屏蔽該報文。可時間同步的多點接收，提高了總線的利用率。

高速數(shù)據(jù)傳輸速率：CAN總線數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1Mbits/s。

遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸:當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率為50Kbps時傳輸距離可達(dá)10Km。

四、基于CAN的較高層協(xié)議

CAN規(guī)范只定義了用于通信的核心部分，沒有定義應(yīng)用層，物理層的定義也不完全。這為其應(yīng)用提供了較大的靈活性（不過，這也可能成為它的一大缺點）。CAN規(guī)范沒有定義物理層的驅(qū)動器/接收器特性。這便于用戶根據(jù)具體的應(yīng)用需求對發(fā)送媒體和信號電平進(jìn)行優(yōu)化?？筛鶕?jù)

具體應(yīng)用環(huán)境，用戶自行定義CAN的應(yīng)用層。這便于用戶設(shè)計適合于特殊領(lǐng)域應(yīng)用方案。

由于CAN的諸多優(yōu)點，基于CAN的應(yīng)用有很多。為了滿足不同的應(yīng)用領(lǐng)域和不同用戶的需求，已開發(fā)出了很多基于CAN的協(xié)議，目前已發(fā)展成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高層協(xié)議有：CAL/CANOpen、DeviecNet、SDS等。CAL/CANOpen最早是由Philip醫(yī)療系統(tǒng)開發(fā)的，由CiA認(rèn)可、支持和維護(hù)的。它是一種不依賴于應(yīng)用的應(yīng)用層協(xié)議，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、鐵路、車輛、船舶、制藥和食品加工等領(lǐng)域。CANOpen是CAL（CAN Application Layer）的一個子集，所以，CANopen的設(shè)備都可以用在指定應(yīng)用的CAL系統(tǒng)。DeviceNet是由美國Wockwell的A-B公司開發(fā)的開放式網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，屬于設(shè)備級（包括傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)）網(wǎng)絡(luò)總線，現(xiàn)已成為IEC標(biāo)準(zhǔn)（IEC62026），并由ODVA（Open DeviceNet Vendor’s Association）支持、維護(hù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制和制造業(yè)領(lǐng)域等。SDS（Smart Distribution Systems）是由Honeywell Micro Switch開發(fā)的，現(xiàn)由Smart Society支持、維護(hù)，多應(yīng)用于智能化樓宇。

CAN總線技術(shù)正在日新月異的發(fā)展，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域使用越來越廣泛，具有很好的發(fā)展前景。