can

随着工业测控技术和生产自动化技术的不断进步 ,传统的 RS-232、 RS-485和 CCITTV. 24通信技术已不能适应现代化的工业控制需要 ,而现场总线 ( Fieldbus)以其低廉的价格、可靠的性能而逐步成为新型的工业测控领域的通信技术。现场总线是应用在生产现场 ,在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统 ,是一种开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。 汇集了计算机技术、网络通信技术和自动控制技术( 3C)的现场总线技术 ,从 20世纪 80年代开始发展起来 ,并逐步在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中得到了广泛的重视和应用。现场总线主要有以下几种类型 : 基金会现场总线 ( FF)、 LonWorks、 ProfiBus、 CAN、HART,而其中 CAN ( Controller Area Network)即控制器局域网因为具有高性能、高可靠性以及独特的设计而越来越受到关注,现已形成国际标准 ,被公认为几种最有前途的现场总线之一。

1986 年德国最大的工业企业之一 Rober Bosch公司首次提出了应用于汽车内各种传感器和执行器之间相互通信的 CAN 总线（Controller AreaNetwork）技术以来，以其可靠性、实时性和灵活性强的特点，得到了诸多汽车开发商的青睐。

CAN是控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)的简称，是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发了的，并最终成为国际标准（ISO11898）。是国际上应用最广泛的现场总线之一。 在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。近年来，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。

CAN属于总线式串行通信网络。 由于采用了许多新技术和独特的设计思想 ,与同类产品相比 , CAN 总线在数据通信方面具有可靠、实时和灵活的优点。为使设计透明和执行灵活 ,遵循 ISO /OSI标准模型 , CAN 总线结构划分为两层:物理层和数据链路层(包括逻辑链路控制子层 LLC和媒体访问控制子层 M AC)。 CAN的分层结构和功能如图1所示。 其中 , LLC子层为数据传递和远程数据请求提供服务; M AC子层的功能主要是传送规则 ,即控制帧结构、执行仲裁、错误检验、出错标定和故障界定 。

CAN总线协议是建立在国际标准组织的开放系统 OSI 7 层互连参考模型基础之上的。其模型结构只有3 层，即只取OSI 底层的物理层、数据链层和传输层，保证了节点间无差错的数据传输。 CAN 总线上用“显性”（Dominant）和“隐性” (Recessive)两个互补的逻辑值表示“0”和“1”。如图1 所示，VCAN-H和VCAN-L为CAN总线收发器 与总线之间的两接口引脚，信号是以两线之间的“差 分”电压形式出现。在隐性状态，VCNA-H和VCANL被固定在平均电压电平附近，Vdiff近似于0。显性位以大于最小阀值的差分电压表示。CAN 总线的通信距离最远可达10Km(位速率为5 kbps) ，通信速率最快可达 1Mbps（此时最长通信距离为40m）。

图1 CAN总线的位数值传输方式

CAN技术的报文传输为多主方式工作，网络上任意节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点 发送信息，而不分主从。CAN节点只需通过对报文的标示符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式发送、接收数据。CAN总线的数据传输（报文传输）采用帧格式。按帧格式的不同，分为含有11位标识符的标准帧和含有29位标识符的扩展帧。CAN总线的帧类型分为 数据帧、远程帧、错误帧和过载帧。

只要总线空闲，任何单元都可以开始发送报文。如果两个或两个以上节点同时开始传送报文，那么就会有总线访问冲突。通过使用标识符的逐位仲裁可以解决这个冲突。仲裁的机制确保了报文和时间均不损失。当具有相同标识符的数据帧和远程帧同时发送时，数据帧优先于远程帧。在仲裁期间， 每一个发送器都对总线进行监测，如果发送和接收电平相同，则该节点可以继续发送报文。比如发送的是一“隐性”电平，而监视到的是一“显性”电平， 那么这个节点就失去了仲裁，必须退出发送状态。

综上所述，CAN 总线的主要特点有:

( 1) CAN 为多主工作方式 ,网络上的任意节点在任意时刻都可以主动地向其他节点发送信息 ,不分主从 ,方式灵活。

( 2) CAN 网络节点可以安排优先级顺序 ,以满足和协调各自不同的实时性要求。

( 3) 采用非破坏性的总线仲裁技术 ,多点同时发送信息时 ,按优先级顺序通信 ,节省总线冲突仲裁时间 ,避免网络瘫痪。

( 4) 可以进行点对点、一点对多点和全域广播方式传递信息。

( 5) 通信速率最高可达 1M bps( 40m以内 ) ,最长传递距离达 10km(速率为 5kbps以下 )。

( 6) 网络节点目前可达 110个 ,报文标志符 2 032种 ( CAN2. 0A) ,扩展标准 ( CAN2. 0B)中报文标志符几乎不受限制。

( 7) 短帧数据结构 ,传输时间短 ,抗干扰能力强 ,检错效果好。

( 8) 通信介质可以用双绞线、同轴电缆或光纤。

( 9) 网络节点在错误严重的情况下可以自动关闭输出功能 ,脱离网络。

( 10) 实现了标准化、规范化 (国际标准 ISO11898)。

图3

PCA82C250 是 CAN 控制器与物理总线之间的接口。该器件对总线提供了差动发送能力，同时对CAN控制器提供了差动接收能力。它可以用高达1Mbps的位速率在两条有差动电压的总线上传输数据，总线可连接 110 个节点。总线驱动器PCA82C250 的功能参如图 3 所示。

20世纪 80年代 ,德国的 BOSCH公司首先应用 CAN总线于汽车内部的测控通信。 CAN国际标准化的制定 ,更加推动了它的发展和应用 ,已有 IN TEL、 MO TOROLA、 PHILIPS、 SIEM EN S等 百余家国际大公司支持 CAN总线协议。 现在 ,在欧美等国 CAN总线已被广泛地应用于汽车、火车、轮船、机器人、智能楼宇、机械制造、数控机床、各种机械设备、交通管理、传感器、自动化仪表等领域。从“九· 五”开始 ,我国政府就投资支持现场总线的开发 ,其中 CAN等总线在国内已经得到较广泛的应用 ,被大量地应用于工农业监控、电厂测控、火灾报警、变电站控制、煤炭综合监控等。故，综合 CAN 总线的上述技术、特点及其在各个领域的应用情况 ,可以预测 CAN总线在将来将会以迅猛的速度快速发展。