一、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(xiàn)代汽車(chē)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(mén)?？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(lái)的。這類(lèi)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?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的研究與應(yīng)用已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線(xiàn)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。盡管目前對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，也使得現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的應(yīng)用得以不拘一格地發(fā)揮，并將為現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(yùn)而生的。由于CAN為愈來(lái)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。

二、CAN總線(xiàn)特點(diǎn)

CAN總線(xiàn)是德國(guó)BOSCH公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車(chē)中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)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(dǎo)纖維。通信速率可達(dá)1MBPS。CAN總線(xiàn)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(mǎn)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(xiàn)時(shí)間過(guò)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(guò)程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來(lái)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(xiàn)之一。

三、CAN總線(xiàn)技術(shù)

（一）位仲裁

CAN總線(xiàn)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?？偩€(xiàn)讀取中的沖突可通過(guò)位仲裁解決。如圖2所示，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(xiàn)中的信號(hào)持續(xù)跟蹤最后獲得總線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)再次空閑前發(fā)送報(bào)文。

（二）報(bào)文格式

在總線(xiàn)中傳送的報(bào)文，每幀由7部分組成，見(jiàn)圖3。CAN協(xié)議支持兩種報(bào)文格式，其唯一的不同是標(biāo)識(shí)符（ID）長(zhǎng)度不同，標(biāo)準(zhǔn)格式為11位，擴(kuò)展格式為29位。在標(biāo)準(zhǔn)格式中，報(bào)文的起始位稱(chēng)為幀起始（SOF），然后是由11位標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位 （RTR）組成的仲裁場(chǎng)。RTR位標(biāo)明是數(shù)據(jù)幀還是請(qǐng)求幀，在請(qǐng)求幀中沒(méi)有數(shù)據(jù)字節(jié)?？刂茍?chǎng)包括標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展位（IDE），指出是標(biāo)準(zhǔn)格式還是擴(kuò)展格式。它還包括一個(gè)保留位 （ro），為將來(lái)擴(kuò)展使用。它的最后四個(gè)字節(jié)用來(lái)指明數(shù)據(jù)場(chǎng)中數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度（DLC）。數(shù)據(jù)場(chǎng)范圍為0～8個(gè)字節(jié)，其后有一個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的循環(huán)冗余檢查（CRC）。應(yīng)答場(chǎng)（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(shí)正確接收?qǐng)?bào)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(bào)文。

四、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(jié)點(diǎn)是否申請(qǐng)總線(xiàn)，都對(duì)每個(gè)節(jié)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(shù)據(jù)的基本要求分配給一個(gè)站 ，總線(xiàn)系統(tǒng)按站希望的傳送分配（如：Ethernet CSMA/CD）。因此，當(dāng)多個(gè)站同時(shí)請(qǐng)求總線(xiàn)存取時(shí)，總線(xiàn)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(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(xiàn)總線(xiàn)分配的方法，可保證當(dāng)不同的站申請(qǐng)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(dāng)兩個(gè)站同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)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(dāng)總線(xiàn)在重負(fù)載情況下，以消息內(nèi)容為優(yōu)先的總線(xiàn)存取也被證明是一種有效的系統(tǒng)。雖然總線(xiàn)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(lái)處理。在CSMA/CD這樣的網(wǎng)絡(luò)中，如Ethernet，系統(tǒng)往往由于過(guò)載而崩潰，而這種情況在CAN中不會(huì)發(fā)生。