總線的應用研究詳解

1、CAN總線的應用研究 摘要控制器局域網(wǎng)絡CAN（Control Area Network）總線是最流行的現(xiàn)場總線之一，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網(wǎng)絡，具有通信靈活、實時性高、可靠性高、較強的抗干擾性以及良好的錯誤檢測能力等優(yōu)點。對CAN總線技術的特性進行了闡述，研究了CAN總線技術的應用，并對其發(fā)展前景進行了分析探討。一、CAN總線背景介紹CAN 是控制器局部網(wǎng)（CAN-CONTROLLER AREA NETWORK） 的縮寫，是BOSCH公司為現(xiàn)代汽車應用領先推出的一種多主機局部網(wǎng)，由于其卓越性能現(xiàn)已廣泛應用于工業(yè)自動化、多種控制設備、交通工具、醫(yī)療儀 器以及建筑、環(huán)境控制

2、等眾多部門?？刂破骶植烤W(wǎng)將在我國迅速普及推廣。隨著計算機硬件、軟件技術及集成電路技術的迅速發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)已成為計算機技術 應用領域中最具活力的一個分支，并取得了巨大進步。由于對系統(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， 即負載分散、功能分散、危險分散和地域分散。分散式工業(yè)控制系統(tǒng)就是為適應這種需要而發(fā)展起來的。這類系統(tǒng)是以微型機為核心，將5C技術 -COMPUTER（計算機技術）、CONTROL （自動控制技術）、COMMUNICATION（通信技術）、CRT（顯示技術）和 CHANGE（轉換技術）緊密結合的產物。它在適應范圍、可擴展性、可維

3、護性以及抗故障能力等方面，較之分散型儀表控制系統(tǒng)和集中型計算機控制系統(tǒng)都具有 明顯的優(yōu)越性?，F(xiàn)場總線的研究與應用已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領域的熱點。盡管目前對現(xiàn)場總線的研究尚未能提出一個完善的標準，但現(xiàn)場總線的高性能價格比將吸引 眾多工業(yè)控制系統(tǒng)采用。同時，正由于現(xiàn)場總線的標準尚未統(tǒng)一，也使得現(xiàn)場總線的應用得以不拘一格地發(fā)揮，并將為現(xiàn)場總線的完善提供更加豐富的依據(jù)?？刂破?局部網(wǎng) CAN（CONTROLLER AERANETWORK）正是在這種背景下應運而生的。由于CAN為愈來愈多不同領域采用和推廣，導致要求各種應用領域通信報文的標準化。 現(xiàn)在，CAN 的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業(yè)

4、自動化、船舶、醫(yī)療設備、工業(yè)設備等方面。現(xiàn)場總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強有力的技術支持。二、國內外現(xiàn)狀CAN總線在組網(wǎng)和通信功能上的優(yōu)點以及它的高性能價格比決定了它在許多領域都有廣闊的應用前景和發(fā)展?jié)摿?。大型儀器設備系統(tǒng)復雜，對多種信息進行采集、處理、控制、輸出等操作。如醫(yī)療器械CT斷層掃描儀，為保證其可靠工作，在數(shù)據(jù)通信上要求功能塊間可隨意進行數(shù)據(jù)交換、通信能以廣播方式進行、簡單經(jīng)濟的硬件接口、通信線盡量少、抗干擾能力強、可靠性高并能自動進行故障識別和自動恢復。但是，這些要求長時間未

5、能得到很好的解決，直至CAN總線技術出現(xiàn)才提供了一個較好的解決方法。測控系統(tǒng)中離不開傳感器，由于各類傳感器的工作原理不同，其最終輸出的電量形式也各不相同，為了便于系統(tǒng)連接，通常要考慮將傳感器的輸出變換成標準電壓或電流信號。即便是這樣，在與計算機相連時，必須增加A/D環(huán)節(jié)。如果傳感器能以數(shù)字形式輸出，就可以方便地與計算機直接相連，從而簡化系統(tǒng)結構，提高精度。這種傳感器與計算機相連的總線可稱為傳感器總線。實際上傳感器總線仍屬于現(xiàn)場總線，關鍵的問題在于如何將總線接口與傳感器一體化。在廣泛的工業(yè)控制領域，CAN總線可作為現(xiàn)場設備級的現(xiàn)場總線，與其它總線相比，具有很高的可靠性和性價比。這必將是CAN技術

6、開發(fā)應用的一個主要方向。在以往的國內測控領域，由于沒有更好的選擇，大多采用BITBUS或RS-485作為通信總線。其不足主要有：一主多從，無冗余;數(shù)據(jù)通信為命令響應，傳輸率低;錯誤處理能力弱。采用CAN總線技術后即可解決上述問題。CAN網(wǎng)絡上任何一個節(jié)點均可作為主節(jié)點主動地與其它節(jié)點交換數(shù)據(jù);CAN網(wǎng)絡節(jié)點的信息幀可以分出優(yōu)先級，這對于有實時性要求的控制提供了方便;CAN的物理層及數(shù)據(jù)鏈路層有獨特的設計技術，使其在抗干擾以及錯誤檢測等方面的性能均大大提高。CAN的上述特點使其成為諸多工業(yè)測控領域中首選的現(xiàn)場總線之一。三、CAN總線特點1、完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理CAN總線通信接口中集成了CAN

7、協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(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、優(yōu)先級判別等項工作。2、使網(wǎng)絡內的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制CAN協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點可使網(wǎng)絡內的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標識碼可由11位或29位二進制數(shù)組成，因此可以定義2或2個以上不同的數(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)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，從而保證

8、了通信的實時性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設計，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一。3、可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信CAN總線采用了多主競爭式總線結構，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。CAN總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡上其它節(jié)點發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信。CAN總線協(xié)議已被國際標準化組織認證，技術比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價比高，特別適用于分布式測控系統(tǒng)之間的數(shù)通訊。CAN總線插卡可以任

9、意插在PC AT XT兼容機上，方便地構成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。4、結構簡單只有2根線與外部相連，并且內部集成了錯誤探測和管理模塊。5、傳輸距離和速率CAN總線特點：(1) 數(shù)據(jù)通信沒有主從之分，任意一個節(jié)點可以向任何其他（一個或多個）節(jié)點發(fā)起數(shù)據(jù)通信，靠各個節(jié)點信息優(yōu)先級先后順序來決定通信次序，高優(yōu)先級節(jié)點信息在134s通信; (2) 多個節(jié)點同時發(fā)起通信時，優(yōu)先級低的避讓優(yōu)先級高的，不會對通信線路造成擁塞; (3) 通信距離最遠可達10KM(速率低于5Kbps)速率可達到1Mbps(通信距離小于40M）；（4) CAN總線傳輸介質可以是雙絞線，同軸電纜。CAN總線適用于大數(shù)據(jù)量短距離通信或者長距

10、離小數(shù)據(jù)量，實時性要求比較高，多主多從或者各個節(jié)點平等的現(xiàn)場中使用。四、CAN總線技術介紹4.1 位仲裁要對數(shù)據(jù)進行實時處理，就必須將數(shù)據(jù)快速傳送，這就要求數(shù)據(jù)的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個站同時需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，要求快速地進行總線分配。實時處理通過網(wǎng)絡交換的緊急數(shù)據(jù)有較大的不同。一個快速變化的物理量，如汽車引擎負載，將比類似汽車引擎溫度這樣相對變化較慢的物理量更頻繁地傳送數(shù)據(jù)并要求更短的延時。CAN總線以報文為單位進行數(shù)據(jù)傳送，報文的優(yōu)先級結合在11位標識符中，具有最低二進制數(shù)的標識符有最高的優(yōu)先級。這種優(yōu)先級一旦在系統(tǒng)設計時被確立后就不能再被更改。總線讀取中的沖突可通過位仲裁解決。如圖2

11、所示，當幾個站同時發(fā)送報文時，站1的報文標識符為011111；站2的報文標識符為0100110；站3的報文標識符為0100111。所有標識符都有相同的兩位01，直到第3位進行比較時，站1的報文被丟掉，因為它的第3位為高，而其它兩個站的報文第3位為低。站2和站3報文的4、5、6位相同，直到第7位時，站3的報文才被丟失。注意，總線中的信號持續(xù)跟蹤最后獲得總線讀取權的站的報文。在此例中，站2的報文被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優(yōu)點在于，在網(wǎng)絡最終確定哪一個站的報文被傳送以前，報文的起始部分已經(jīng)在網(wǎng)絡上傳送了。所有未獲得總線讀取權的站都成為具有最高優(yōu)先權報文的接收站，并且不會在總線再次空閑前發(fā)送報文

12、。CAN具有較高的效率是因為總線僅僅被那些請求總線懸而未決的站利用，這些請求是根據(jù)報文在整個系統(tǒng)中的重要性按順序處理的。這種方法在網(wǎng)絡負載較重時有很多優(yōu)點，因為總線讀取的優(yōu)先級已被按順序放在每個報文中了，這可以保證在實時系統(tǒng)中較低的個體隱伏時間。對于主站的可靠性，由于CAN協(xié)議執(zhí)行非集中化總線控制,所有主要通信，包括總線讀取 （許可）控制，在系統(tǒng)中分幾次完成。這是實現(xiàn)有較高可靠性的通信系統(tǒng)的唯一方法。4.2 CAN與其它通信方案的比較在實踐中，有兩種重要的總線分配方法：按時間表分配和按需要分配。在第一種方法中，不管每個節(jié)點是否申請總線，都對每個節(jié)點按最大期間分配。由此，總線可被分配給每個站并且

13、是唯一的站，而不論其是立即進行總線存取或在一特定時間進行總線存取。這將保證在總線存取時有明確的總線分配。在第二種方法中，總線按傳送數(shù)據(jù)的基本要求分配給一個站，總線系統(tǒng)按站希望的傳送分配（如：Ethernet CSMA/CD）。因此，當多個站同時請求總線存取時，總線將終止所有站的請求，這時將不會有任何一個站獲得總線分配。為了分配總線，多于一個總線存取是必要的。CAN實現(xiàn)總線分配的方法，可保證當不同的站申請總線存取時，明確地進行總線分配。這種位仲裁的方法可以解決當兩個站同時發(fā)送數(shù)據(jù)時產生的碰撞問題。不同于Ethernet網(wǎng)絡的消息仲裁，CAN的非破壞性解決總線存取沖突的方法，確保在不傳送有用消息時

14、總線不被占用。甚至當總線在重負載情況下，以消息內容為優(yōu)先的總線存取也被證明是一種有效的系統(tǒng)。雖然總線的傳輸能力不足，所有未解決的傳輸請求都按重要性順序來處理。在CSMA/CD這樣的網(wǎng)絡中，如Ethernet，系統(tǒng)往往由于過載而崩潰，而這種情況在CAN中不會發(fā)生。4.3 CAN的報文格式在總線中傳送的報文，每幀由7部分組成。CAN協(xié)議支持兩種報文格式，其唯一的不同是標識符（ID）長度不同，標準格式為11位，擴展格式為29位。在標準格式中，報文的起始位稱為幀起始（SOF），然后是由11位標識符和遠程發(fā)送請求位 (RTR）組成的仲裁場。RTR位標明是數(shù)據(jù)幀還是請求幀，在請求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)。控制場包

15、括標識符擴展位（IDE），指出是標準格式還是擴展格式。它還包括一個保留位 (ro），為將來擴展使用。它的最后四個字節(jié)用來指明數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)的長度（DLC）。數(shù)據(jù)場范圍為08個字節(jié),其后有一個檢測數(shù)據(jù)錯誤的循環(huán)冗余檢查(CRC）。應答場（ACK）包括應答位和應答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平（邏輯1），這時正確接收報文的接收站發(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)絡中至少有一個站能正確接收到報文。報文的尾部由幀結束標出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位，如果這時沒有站進行總線存取，總線將處于空閑狀態(tài)。4.4 CAN數(shù)據(jù)幀的組成（1）遠程幀遠程幀由6個場組成：幀起始、仲

16、裁場、控制場、CRC場、應答場和幀結束。遠程幀不存在數(shù)據(jù)場。遠程幀的RTR位必須是隱位。DLC的數(shù)據(jù)值是獨立的，它可以是08中的任何數(shù)值，為對應數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)長度。（2）出錯幀出錯幀由兩個不同場組成，第一個場由來自各站的錯誤標志疊加得到，第二個場是出錯界定符錯誤標志具有兩種形式：活動錯誤標志（Active error flag），由6個連續(xù)的顯位組成；認可錯誤標志（Passive error flag），由6個連續(xù)的隱位組成。出錯界定符包括8個隱位。（3）超載幀超載幀包括兩個位場：超載標志和超載界定符。發(fā)送超載幀的超載條件：要求延遲下一個數(shù)據(jù)幀或遠程幀，在間歇場檢測到顯位。超載標志由6個顯位組成

17、。超載界定符由8個隱位組成。4.5 數(shù)據(jù)錯誤檢測不同于其它總線，CAN協(xié)議不能使用應答信息。事實上，它可以將發(fā)生的任何錯誤用信號發(fā)出。CAN協(xié)議可使用五種檢查錯誤的方法，其中前三種為基于報文內容檢查。（1）循環(huán)冗余檢查（CRC)在一幀報文中加入冗余檢查位可保證報文正確。接收站通過CRC可判斷報文是否有錯。（2）幀檢查這種方法通過位場檢查幀的格式和大小來確定報文的正確性，用于檢查格式上的錯誤。（3）應答錯誤如前所述，被接收到的幀由接收站通過明確的應答來確認。如果發(fā)送站未收到應答，那么表明接收站發(fā)現(xiàn)幀中有錯誤，也就是說，ACK場已損壞或網(wǎng)絡中的報文無站接收。CAN協(xié)議也可通過位檢查的方法探測錯誤。

18、（4）總線檢測有時，CAN中的一個節(jié)點可監(jiān)測自己發(fā)出的信號。因此，發(fā)送報文的站可以觀測總線電平并探測發(fā)送位和接收位的差異。（5）位填充一幀報文中的每一位都由不歸零碼表示，可保證位編碼的最大效率。然而，如果在一幀報文中有太多相同電平的位，就有可能失去同步。為保證同步，同步沿用位填充產生。在五個連續(xù)相等位后，發(fā)送站自動插入一個與之互補的補碼位；接收時，這個填充位被自動丟掉。例如，五個連續(xù)的低電平位后，CAN自動插入一個高電平位。CAN通過這種編碼規(guī)則檢查錯誤，如果在一幀報文中有6個相同位，CAN就知道發(fā)生了錯誤。如果至少有一個站通過以上方法探測到 一個或多個錯誤，它將發(fā)送出錯標志終止當前的發(fā)送。這

19、可以阻止其它站接收錯誤的報文，并保證網(wǎng)絡上報文的一致性。當大量發(fā)送數(shù)據(jù)被終止后，發(fā)送站會自動地重新發(fā)送數(shù)據(jù)。作為規(guī)則，在探測到錯誤后23個位周期內重新開始發(fā)送。在特殊場合，系統(tǒng)的恢復時間為31個位周期。但這種方法存在一個問題，即一個發(fā)生錯誤的站將導致所有數(shù)據(jù)被終止，其中也包括正確的數(shù)據(jù)。因此,如果不采取自監(jiān)測措施，總線系統(tǒng)應采用模塊化設計。為此，CAN協(xié)議提供一種將偶然錯誤從永久錯誤和局部站失敗中區(qū)別出來的辦法。這種方法可以通過對出錯站統(tǒng)計評估來確定一個站本身的錯誤并進入一種不會對其它站產生不良影響的運行方法來實現(xiàn)，即站可以通過關閉自己來阻止正常數(shù)據(jù)因被錯誤地當成不正確的數(shù)據(jù)而被終止。4.6

20、硬同步和重同步硬同步只有在總線空閑狀態(tài)條件下隱形位到顯性位的跳變沿發(fā)生時才進行，表明報文傳輸開始。在硬同步之后，位時間計數(shù)器隨同步段重新開始計數(shù)。硬同步強行將已發(fā)生的跳變沿置于重新開始的位時間同步段內。根據(jù)同步規(guī)則，如果某一位時間內已有一個硬同步出現(xiàn)，該位時間內將不會發(fā)生再同步。再同步可能導致相位緩沖段1被延長或相位緩沖段2被短。這兩個相位緩沖段的延長時間或縮短時間上限由再同步跳轉寬度（SJW）給定。編輯本段4.7 可靠性為防止汽車在使用壽命期內由于數(shù)據(jù)交換錯誤而對司機造成危險，汽車的安全系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)傳輸具有較高的安全性。如果數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃宰銐蚋撸蛘邭埩粝聛淼臄?shù)據(jù)錯誤足夠低的話，這一目標不

21、難實現(xiàn)。從總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)的角度看，可靠性可以理解為，對傳輸過程產生的數(shù)據(jù)錯誤的識別能力。殘余數(shù)據(jù)錯誤的概率可以通過對數(shù)據(jù)傳輸可靠性的統(tǒng)計測量獲得。它描述了傳送數(shù)據(jù)被破壞和這種破壞不能被探測出來的概率。殘余數(shù)據(jù)錯誤概率必須非常小，使其在系統(tǒng)整個壽命周期內，按平均統(tǒng)計時幾乎檢測不到。計算殘余錯誤概率要求能夠對數(shù)據(jù)錯誤進行分類，并且數(shù)據(jù)傳輸路徑可由一模型描述。如果要確定CAN的殘余錯誤概率，我們可將殘留錯誤的概率作為具有8090位的報文傳送時位錯誤概率的函數(shù)，并假定這個系統(tǒng)中有510個站，并且錯誤率為1/1000，那么最大位錯誤概率為1013數(shù)量級。例如，CAN網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸率最大為1Mbps，如果數(shù)

22、據(jù)傳輸能力僅使用50%，那么對于一個工作壽命4000小時、平均報文長度為 80位的系統(tǒng)，所傳送的數(shù)據(jù)總量為9×1010。在系統(tǒng)運行壽命期內，不可檢測的傳輸錯誤的統(tǒng)計平均小于102量級。換句話說，一個系統(tǒng)按每年365天，每天工作8小時，每秒錯誤率為0. 7計算，那么按統(tǒng)計平均，每1000年才會發(fā)生一個不可檢測的錯誤。五、CAN總線的應用狀況及發(fā)展前景由于CAN總線具有低網(wǎng)絡成本、高網(wǎng)絡安全性、通信實時性和可靠性等特點已廣泛應用于工業(yè)控制、汽車工業(yè)、安全防護等領域。5.1 工業(yè)控制在工業(yè)控制系統(tǒng)中，為實現(xiàn)系統(tǒng)的實時通信，要求信息能夠在不同的控制設備間得到及時的發(fā)送和接收?，F(xiàn)場總線作為全數(shù)

23、字化、開放、互聯(lián)、面向現(xiàn)場控制設備低層的工業(yè)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)能夠很好地滿足工業(yè)控制的要求。CAN總線是目前最流行的現(xiàn)場總線之一，CAN總線具有低成本、高總線利用率、高安全性、可靠性、遠距離高速傳輸?shù)葍?yōu)點，能夠很好地滿足環(huán)境復雜、惡劣的工業(yè)環(huán)境的通信要求，隨著CAN總線技術的不斷完善和發(fā)展，必然在工業(yè)控制中得到更加廣泛的應用。5.2 汽車工業(yè)隨著現(xiàn)代電子技術、信息技術的發(fā)展，汽車上各種電子部件、大量傳感器、電氣控制設備等的數(shù)量越來越多，這些電子設備在汽車上的廣泛應用，在提高了汽車的動力性、舒適性的同時也帶來了諸多問題：多系統(tǒng)的應用使得布線變得復雜而龐大，各系統(tǒng)間需要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的共享，對通信的實時性也

24、提出了更高的要求。CAN總線的出現(xiàn)很好地解決了這些問題，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、實時性、低網(wǎng)絡成本、組網(wǎng)靈活、簡單易用等優(yōu)點，可以為汽車控制系統(tǒng)提供強大的技術支持。CAN總線在汽車上的廣泛應用將使汽車的動力性、安全性等各項性能都上升到了新的高度，給汽車技術的發(fā)展注入新的活力。5.3 監(jiān)控及安防系統(tǒng)在當前的各種監(jiān)控系統(tǒng)中，普遍存在可靠性、實時性不高，分站缺乏統(tǒng)一規(guī)范等缺點，不能夠很好地滿足實時監(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、高實時性、安全性、可靠性等，可以很好地克服當前監(jiān)控系統(tǒng)中存在的各種問題。因此CAN總線不僅被用于

25、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)得到更加廣泛的應用。六、CAN總線應用實例圖1所示的是氣固兩相流濃度及其分布的測量裝置中的陣列式電容傳感器以及檢測電路，是一個采用CAN總線通訊的智能傳感器節(jié)點。它能與帶CAN總線接口卡的成像微機進行高速通訊。傳感器信號中的通訊電路主要由80C592單片機和CAN總線驅動器80C250組成。根據(jù)80C250的驅動特性，一條總線上最多可掛接110個節(jié)點。該電路的特點是由于采用了帶CAN控制器的80C592單片機，因為簡化了通訊電路，并且具有CAN總線通訊的高速、高可靠性等優(yōu)點。圖1 傳感器中的CAN總線通訊接口圖中采用了CAN總線驅動器80C250，CAN數(shù)據(jù)輸出時只用到CTX0（CAN通訊接收端引腳0）而沒有用到CTX1（CAN通訊接收端引腳1）。此時80C592的CAN