劉景久

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司淮安運維站，江蘇淮安，223001）

1 CAN總線的特點

在1980年之后，汽車工業(yè)已經(jīng)不滿足與傳統(tǒng)總線，而此時，德國提出了新的數(shù)據(jù)——BOSCH，這一串行數(shù)據(jù)也被稱之為CAN總線。通信協(xié)議CNA總線總線屬于控制器區(qū)域總線。通信接口具備CNA協(xié)議物理層以及數(shù)據(jù)鏈路層功能，能保持通信數(shù)據(jù)成幀，其中包含了數(shù)據(jù)塊編碼、優(yōu)先級識別等，主要具備以下特點。

（1）迄今為止，CNA在當下是國際標準中為數(shù)不多的現(xiàn)場總線。并且總線協(xié)議也已經(jīng)通過了國際標準化的認真，技術(shù)上也在不斷完善，趨近于成熟，控制芯片上也具備了成本效益，在色彩測控系統(tǒng)當中十分適用。

（2）CAN總線并不是用傳統(tǒng)的編碼地址，同時也不指定地址節(jié)點，而是CNA總線中的通信數(shù)據(jù)當中進行編碼。如此網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目可以不受限制，代表標識也是由11～29位的二進制數(shù)字構(gòu)成，這種編碼方式讓消息標識符去指定消息的優(yōu)先級以及消息內(nèi)容，并且通過優(yōu)先級較高的節(jié)點去發(fā)送優(yōu)先級消息。不同的節(jié)點也能會收到相同數(shù)據(jù)，這對于分布式的控制系統(tǒng)也特別重要，短幀結(jié)構(gòu)的使用也能確保實時通信，保證在較短的時間內(nèi)將信息傳輸，減少收到潛在干擾或是較短的重傳時間。

（3）CAN總線使用多主機競爭總線結(jié)構(gòu)。通信介質(zhì)可以是雙絞線，同軸電纜或光纖，并且可以在多個主站和分布式仲裁下運行。 CAN總線上的任何節(jié)點都可以點對點，一對多和廣播密集型的方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并且可以隨時隨地向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點主動發(fā)送信息，而無需考慮優(yōu)先級。可以實現(xiàn)節(jié)點之間的自由通訊。 CAN的最大通信距離為10公里（設(shè)置速度為5Kbps），最大通信速度為1Mbit / s（設(shè)置通信距離為40米）。

（4）CAN使用無損總線仲裁技術(shù)，即載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）總線仲裁方法。如果多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)，則優(yōu)先級較低的節(jié)點將主動停止。在傳輸過程中，高優(yōu)先級節(jié)點可以繼續(xù)傳輸，從而節(jié)省了總線仲裁時間。避免由多個節(jié)點同時開始發(fā)送消息引起的總線爭用，從而允許優(yōu)先級更高的消息先發(fā)送。

（5）CAN總線協(xié)議采用了完整的錯誤檢測和錯誤處理機制，包括CRC校驗，自動錯誤消息重發(fā)，錯誤狀態(tài)確定，自動臨時錯誤恢復等，以確保數(shù)據(jù)通信的可靠性。如果發(fā)生嚴重錯誤，則該節(jié)點具有自動關(guān)閉總線并與總線斷開連接的能力，因此不會影響總線上的其他操作。

（6）CAN總線能實現(xiàn)錯誤檢測，利用2線串行通信模式，并在高噪聲環(huán)境下正常運行。同時具備較強的實時性以及傳輸性成本低等眾多優(yōu)點。根據(jù)具體網(wǎng)絡(luò)ID還能決定是否接收消息。如果發(fā)送的信息出現(xiàn)損壞還能自動重新發(fā)送。這種消息其中包含了源地址，僅標識符勇于只是功能以及優(yōu)先級信息。CAN總線的特性以及其保障性和設(shè)計適用于工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備通信。在業(yè)內(nèi)CAN的關(guān)注度越來越高，越來越多的專業(yè)人員對CAN總線抱有希望。

2 CAN總線的優(yōu)勢

CAN（控制器局域網(wǎng)）是一種現(xiàn)場總線。在傳統(tǒng)的工業(yè)控制領(lǐng)域，大多數(shù)通信使用RS232，RS485或RS-422總線。相反，RS232，RS485或RS-422總線的缺點是通信距離短，通信速度慢和抗干擾性能差。通信通常采用主從方式，通過主站查詢方式進行通信，實時性較低，可靠性較高。如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，并且多個節(jié)點同時將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線，則總線將短路，并且某些節(jié)點將被損壞。

基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)具有許多明顯的優(yōu)勢。

（1）CAN電路結(jié)構(gòu)簡單，所需的電線數(shù)量少，與外部設(shè)備互連僅需兩根電線，因此每個控制單元可以通過CAN總線共享所有信息和資源，從而簡化了接線并減少了傳感器并避免重復控制功能的影響。CAN具有完整的通信協(xié)議，可以通過CAN控制器芯片及其接口芯片來實現(xiàn)。這大大降低了系統(tǒng)開發(fā)的難度，縮短了開發(fā)周期。

（2）CAN的存在也支持分布和實時兩種控制模式，并且能多主機模式下進行運行。每個節(jié)點均能碎石放松信息，也可點對點的進行數(shù)據(jù)接收，多點以及全局廣播模式網(wǎng)絡(luò)當中各個節(jié)點均可通過總線訪問優(yōu)先級使用無損技術(shù)，通過通信速度及其可靠性節(jié)約大量的總線仲裁時間。CAN由于使用通信數(shù)據(jù)進行編碼，這也讓CAN總線數(shù)據(jù)通信能輕松實現(xiàn)安全數(shù)據(jù)運輸。

（3）CAN總線通過CAN控制器接口芯片的CANH和CANL輸出端子連接到物理總線。CANH端子的狀態(tài)為高或僅浮動，而CANL端子的狀態(tài)為低或僅浮動。CAN總線信號狀態(tài)有兩種類型：隱藏位置和顯式位置。如果發(fā)送隱性位和顯性位之間存在沖突，則最終結(jié)果將是顯性位。信號的二進制和“單穩(wěn)態(tài)”特性允許所有節(jié)點輕松獲得一致的數(shù)據(jù)，并確保在處理競爭時節(jié)點狀態(tài)是同步的。此二進制值的性質(zhì)有很大的保證。為了保證CAN總線的可靠性。另外，在發(fā)生嚴重錯誤的情況下，CAN節(jié)點將自動關(guān)閉輸出，以免影響總線上其他節(jié)點的行為，從而導致總線由于該問題而“死鎖”。

（4）CAN總線具有位填充，回讀，錯誤抑制和自動錯誤重發(fā)的優(yōu)點，同時具有通訊速度快，通訊距離長，易于實現(xiàn)，性價比高的優(yōu)點。

3 CAN總線單元設(shè)計

3.1 CAN接口單元的總體設(shè)計

CAN總線接口單元實現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。接口單元包括電路微處理器，總線收發(fā)器，輸入和輸出設(shè)備，CAN通信控制器等。微處理器完成數(shù)據(jù)處理，而CAN通信控制器完成數(shù)據(jù)處理。通過CAN通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，CAN總線收發(fā)器可以延長通信距離，減少射頻干擾（RFI），提高系統(tǒng)的即時抗干擾能力，并提供熱保護。CAN總線接口單元的設(shè)計是根據(jù)CAN總線物理層協(xié)議選擇總線介質(zhì)，設(shè)計布線方法，然后連接到CAN網(wǎng)絡(luò)。主要是在CAN總線收發(fā)器與物理總線之間以及在CAN通信控制器與微處理器之間的接口電路設(shè)計。

3.2 單片機系統(tǒng)

ATMEL公司的89C52 MCU價格便宜，技術(shù)成熟并且被廣泛使用。該設(shè)計選擇微處理器89C52作為節(jié)點控制器來初始化CAN控制器和CAN收發(fā)器控制任務(wù)（MCU復位信號和時鐘）。改進的設(shè)計旨在減少由簡單的復位電路（過去由電阻器和電容器形成）引起的長時間延遲和不準確性，并避免時鐘信號爭用。

3.3 SJA1000控制電路設(shè)計

考慮到SJA1000支持CAN2.0A/B協(xié)議，已選擇了PHILIPS SJA1000 CAN控制器。SJA1000總線控制器是CAN總線接口控制板的核心設(shè)備，負責發(fā)送，接收，過濾和其他任務(wù)。提供主機與現(xiàn)場微處理器之間的數(shù)據(jù)通信?？紤]到國內(nèi)市場上有許多PHILIPS產(chǎn)品型號，購買可以支持110個CAN節(jié)點和82C250的82C250更為方便。

該接口電路的控制單元使用SJA1000。89C52的P0端口連接到SJA1000的AD0至AD7，而89C52的P2.7端口連接到CS引腳。如果CS引腳為低，則將89C52連接到SJA1000；將SJA1000的RD，WR和ALE分別連接到89C52的相應(yīng)引腳上;將89C52的INT0連接到SJA1000的INT引腳，然后通過中斷請求SJA1000連接微控制器。

4 CAN總線在配電自動化通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

配電自動化系統(tǒng)是一個綜合的自動化系統(tǒng)，包括110/10kV變電站的10kV部分和10kV饋線，該系統(tǒng)擴展到每個用戶的所有配電設(shè)備。配電自動化系統(tǒng)的主要功能是使用安全的傳輸通信網(wǎng)絡(luò)。一種是安全地從控制中心向每個執(zhí)行部門發(fā)送命令，另一種是安全地上載每個監(jiān)視部分獲得的信息。

光纖在通信中的應(yīng)用極為安全，因為光纖和光電設(shè)備幾乎沒有問題，也不受電磁干擾。另外，光纖通信的帶寬非常寬，數(shù)據(jù)傳輸速度也很高。由于誤差低，配電自動化通信系統(tǒng)的主網(wǎng)絡(luò)使用光纖作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)。中心站點及其下方子站點之間使用單模光纖，而下方子站點與饋線的遠程終端之間的連接則使用多模光纖。通常，使用雙回路網(wǎng)絡(luò)，因此整個網(wǎng)絡(luò)通信不會因通信網(wǎng)絡(luò)故障而癱瘓或受到影響。配電變壓器終端的傳輸和電度表讀取的數(shù)據(jù)由FTU完成，并且全部使用CAN總線通信。由于CAN總線是串行總線，因此可以在智能設(shè)備系統(tǒng)上特別顯示其強大的功能。分配系統(tǒng)使用CAN總線來簡化自動通信系統(tǒng)。

根據(jù)對網(wǎng)絡(luò)的詳細分析，CAN總線可以有效地處理物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的任務(wù)。如果希望CAN總線節(jié)點完全實時處理通信任務(wù)，則專注于其軟件設(shè)計。即使在當前的設(shè)計中，這也是一個大問題。主要內(nèi)容是節(jié)點初始化程序，消息發(fā)送程序，消息接收程序，錯誤處理程序等。應(yīng)用寄存器時，必須在每個節(jié)點的比特率相同且接收方和發(fā)送方相同的條件下使用必須同步。有兩種接收信息的方式：中斷接收和查詢接收。建議使用接收中斷來確保實時通信，這也可以確保數(shù)據(jù)安全。

5 CAN總線的發(fā)展前景

CAN最初用于監(jiān)視和控制汽車行業(yè)。是一種低成本的通信總線，用于解決汽車中復雜的硬件信號布線?，F(xiàn)在，已成為汽車中的常見用法，并被認為是網(wǎng)絡(luò)總線。CAN總線共享信息及資源，并且總線數(shù)據(jù)通信也讓系統(tǒng)的可靠性大大提高，其實用性能也大大改善，使其整個匹配系統(tǒng)更為協(xié)調(diào)。在當代隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，CAN的抗干擾能力，處理錯誤能力以及高度的靈活性引起了越來越多關(guān)注。諸多世界知名企業(yè)制造商也在采用CAN總線實現(xiàn)汽車內(nèi)部系統(tǒng)控制以及執(zhí)行引擎之間的數(shù)據(jù)。在近些年來，CAN總線已經(jīng)逐漸成為了主流總線，也成為了國際現(xiàn)場標準總線。ISO正式頒布了ISO11898CAN高速應(yīng)用標準和ISO11519CAN低速應(yīng)用標準。這為CAN總線的標準化鋪平了道路。

由于其高性能，可靠性和獨特的設(shè)計，CAN總線在最新的色散測量和控制技術(shù)中正變得越來越普及。同時，由于CAN總線本身的特性，其范圍不再局限于汽車行業(yè)，而是在鐵路運輸，自動控制，航空航天，導航，機械工業(yè)，機器人技術(shù)和醫(yī)療領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用設(shè)備。CAN總線的發(fā)展非常大，不僅在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用中具有一定的優(yōu)勢，而且還定位于其他工業(yè)領(lǐng)域。這是由于通信技術(shù)的不斷進步，通信要求的不斷提高以及對成本性能的日益關(guān)注。在這種情況下，CAN總線的優(yōu)勢在于其出色的抗干擾能力。盡管CAN總線有一定的局限性和漏洞，但CAN總線的改進仍在繼續(xù)。我們相信，不斷的更新和改進將大大改善CAN總線的未來發(fā)展。