关于CAN_BUS技术

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CAN总线原理与应用

摘要：围绕CAN总线的基本原理，论述了CAN总线的起源和发展、基本结构、纠错能力，并列举了CAN总线在汽车、工业以及家电楼宇、海事运输等领域的应用，说明CAN总线所具有的突出的可靠性、实时性和灵活性。作为一种有前景的现场总线具有领先的优势地位，CAN总线也正被越来越多的行业重视和使用。
关键词：工业控制；现场总线；CAN总线
引言：随着工业控制系统的发展，要实现控制系统的高度分散化，需要一种性能好、价格低的底层通信网络的连接现场仪表设备，即为“现场总线”。而CAN总线作为现场总线的一种，在组网和通信功能上的优点以及它的高性能价格比，决定了它在许多领域都有广阔的应用前景和发展潜力。
一、工业控制系统的发展和现场总线的诞生
CAN是Controller Area Net的缩写，即控制局域网，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，也是一种最有前途的现场总线。现场总线的形成和发展是工业控制系统发展的结果，它的出现使传统的自动控制系统产生了革命性的变革：
20世纪40年代，作为控制系统的前身，测控仪表和继电器进入工业生产领域，但是只能实现对单台设备的简单顺序控制，控制精度和可靠度都不高。20世纪70年代，随着集成电路技术的发展，研制出了微处理器和单片机，工业控制系统进入了集中式数字控制阶段。虽然集中式控制系统能够实现复杂的控制算法并能达到很高的控制精度，但是由于系统功能集中，核心处理装置负担过重，当系统规模扩大时实时性不能保证而且相当脆弱。随后，随着计算机技术、信号处理技术、测量技术、通信网络技术的发展，出现了所谓的DCS，又名分布式计算机控制系统，以达到“分散控制，集中管理”的目的。虽然集散控制系统取得了良好的效果，但是从结构上看，在系统的一个局部或者子系统基本还是集中式控制，系统分散的不够彻底，集中式控制系统存在的问题没有从根本上得到解决。
而要实现控制系统的高度分散化，需要一种性能好、价格低的底层通信网络的连接现场仪表设备，称为“现场总线”。现场总线控制技术（FCS）就是用开放的现场总线网络将自动化系统的最底层的现场设备互连的实时网络控制系统。与传统的集散控制系统DCS相比，FCS的信号传输实现了信号全数字化、系统结果全分散、现场设备互操作、通信网络开放互联以及技术标准全开放。由此，自动控制系统产生了革命性变革。
二、CAN总线的起源和发展
   CAN总线起源于汽车产业，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的考虑，汽车领域开发了各种电子控制系统，由于这些系统之间通信所用的数据类型以及对可靠性的要求不尽相同，所以多条总线并存的情况很多，线束的数量也随之增加，没有一种现成的网络方案能够完全满足汽车工程师的要求。
为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN进行大量数据的高速通信”的需要，在1980年，Bosch公司的工程师开始论证串行总线用于客车系统的可行性并在1986年提出了称为汽车串行控制局域网的新总线系统，即CAN总线系统。今天，欧洲几乎每一辆新客车都装配有CAN局域网，同样CAN也用于其他类型的交通工具，从火车到轮船或者用于工业领域，CAN已成为全球范围内最重要的总线之一。
然而CAN总线的标准目前仍未完整建立，规范正处在标准化当中。ISO—11898—1描述了CAN数据链路层；ISO—11898—2定义了非容错CAN物理层；ISO—11898—3规定了容错CAN物理层；国际标准ISO—11992（卡车和拖车接口）和ISO—11783（农业和森林机械）都在美国标准J1939的基础上定义了基于CAN应用的子协议，但是并不完整。
三、CAN总线的模型结构
1991年，BOSCH公司发布CAN2.0规范，在任何两个基于CAN—bus的仪器之间建立了兼容性。基于CAN总线构建的通信网络，也是依照开放系统互连规范按层次结构设计的。考虑到作为工业测控底层网络，其信息传输量相对较少，信息传输的实时性要求较高，网络连接方式相对较简单，因此，CAN总线网络在低层只采用了OSI 7层通信模型的最低两层，即物理层和数据链路层，而在高层只有应用层。
1、物理层
    物理层是定义信号怎样进行传输的，又分为物理信号子层PLS、物理介质连接PMA、介质相关接口MDI。其中物理信号子层实现位编码/解码、定时和同步功能；物理介质连接实现总线发送/接收的功能电路并提供总线故障检测方法；介质相关接口实现物理介质与媒体访问单元之间的机械和电气接口。
2、数据链路层
数据链路层分为逻辑电路控制子层LLC和介质访问控制子层MAC。其中逻辑电路控制子层的功能包括验收滤波、过载通知、恢复管理，为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由LLC子层接收的报文实际已被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。而介质访问控制子层的主要功能是传送规则，即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障鉴定，此外MAC还要确定是否马上开始接收、是否为新的发送开放总线等。
3、应用层
CAN2.0A/B规范仅定义了OSI模型的物理层和数据链路层，而没有规定OSI模型的上层。当用户需要组建一个具有实际工作意义的CAN-bus通讯网络时，必须自己制定应用层协议。而CAN应用层协议主要规定一下几个方面的内容：信息标识符分配、过程数据交换方法、点对点通信实现以及报文滤波机制的使用方法。为了将来将CAN协议的应用推向更高的层次，同时满足产品的兼容和互操作性，国际上已经形成了诸多机遇CAN的高层应用协议，如：CAL、CANopen、DeviceNet、SDS等，这些协议主要应用在工业控制、汽车、仪器仪表等行业中。
四、CAN总线的帧结构
   总线上的信息可以以不同的固定报文格式发送，CAN通信协议约定了4种不同的报文格式：数据帧、远程帧、错误帧和过载帧。
1、数据帧
数据帧（Data Frame）由帧起始、仲裁域、控制域、数据域、CRC域、应答域以及帧结尾组成。其中帧起始由一个显性位组成，只有在总线空闲时才允许站点开始发送信号。所有的站必须同步于开始发送报文的站的帧起始前沿，即检测到由隐性转到显性的边沿，为所有节点的采样选择一个共同的位置，即同步。CRC用来检测报文传输错误，而帧结尾则由7个隐性位组成。
2、远程帧
   一般情况下，数据传输是由数据源节点（如传感器发送数据帧）自主完成的，但是也可能发生终节点向源节点请求发送数据的情况，即远程数据请求。要做到这一点，终节点须发送一个标识符与所需数据帧的标识符相匹配的远程帧。随后相应的数据源节点就会发送一个数据帧以响应远程帧的要求。而当带有相同标识符的数据帧和远程帧同时发出时，数据帧将赢得仲裁，这样可以使发送远程帧的节点立即收到所需数据。
3、错误帧
   错误帧是由检测到总线错误的任一节点产生的，错误标志包括激活错误标志和认可错误标志两种，所处的错误状态决定了节点发送的出错标志类型。在错误帧发送完毕后，总线主动恢复正常状态，被中断的节点会尝试重新发送被终止的报文。
4、过载帧
   过载帧只能在帧间间隔产生，因此可通过这种方式区分过载帧和错误帧。节点最多可产生两条连续过载帧来延迟下一条报文的发送，有3种情况会产生过载帧：接收器由于内部原因需要延迟下一个数据帧或远程帧；节点在帧空间检测到非法显性位；节点在错误界定符或过载定界符的第8位采样到一个显性位。
    而CAN总线的仲裁机制具有显性优先、隐性包容的特点：只要有一个单元输出显性电平，总线上即为显性电平；而只有所有单元都输出隐性电平，总线上才为隐性电平，即显性电平比隐性电平更有权。此外，在CAN总线的仲裁机制中，标识符越小，优先级越高。
五、CAN总线的错误界定及处理
CAN协议提供了完备的错误检测机制，可以检测到以下5种错误：
1、    位错误
当发送节点发送了一个显性位但检测到一个隐性位，或发送一个隐性位但检测到一个显性位，同时该发送节点正在监控总线实际电平并将之与刚刚发送的位相比较时，产生一个位错误。但是在仲裁输出隐性电平但检测到显性电平时时为仲裁失利而不是位错误。
2、填充错误
   在帧起始和CRC定界符之间，如果节点检测到6个连续且极性相同的位，则说明违反了位填充规则。此时节点将产生错误帧，以表明发生了位填充错误，将报文重新发送。
3、CRC错误
   发送节点通过循环冗余校验计算特殊校验位来确定从帧起始到数据域结束时的位序列。CRC序列在CRC域发送。接收节点采用相同公式计算CRC序列，并将计算结果与收到的CRC序列相比较。如果两者不匹配，则接收节点产生错误帧，表明检测到CRC出错，出错报文将重新发送。
4、格式错误
   如果一个节点在帧结尾、帧间空间、确认定界符或CRC定界符这四个位域中的任一位域检测到显性位，则产生出错误帧表明检测到格式出错，报文将重新发送。
5、应答错误


                                             外部复位
错误状态   总线状态                                                       接收或发送
                      总线错                             错误激活          错误计数器
           0               误中断                                                0
错误警                                   错误警告限
                                   告中断                                   制（96）
            0                          错误消
                                       级中断                               127
                      总线错                             错误消极
                      误中断
                                       错误警
                                       告中断             总线关闭          255
                                             
       1
     


             1
                                    N         
                                               复位请求=1


                                                      Y
                                      

                        错误警告中断

在报文的确认域，发送器检查确认间隙（已发送为隐性位）是否包含一个显性位。如果没有，则表明没有任何其他节点正确接收到报文。这时将发生确认错误，并产生一个错误帧，报文将重新发送。
当检测到满足错误条件的单元则输出错误标志以通报错误。出于激活错误状态的单元输出的错误标志为激活错误标志；处于认可错误状态的单元输出的错误标志为认可错误标志。发送单元发送完错误帧之后，再次发送数据帧或远程帧。
AN具有错误分析功能，每个CAN通信单元都能够在错误激活、错误认可、总线关闭这三个错误状态之一工作。为简单明了表示CAN的错误界定规则，具体错误状态及转换规则如图所示。
六、CAN应用及前景展望
CAN协议已经有15年得历史，但它仍在改进之中。为促进CAN以及CAN协议的发展，1992年在欧洲成立了CiN（CAN in Automation）。在CiA的努力推广下，CAN技术在汽车电子控制系统、电梯控制系统、安全监控系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输等方面均得到了广泛的应用。现在已有400多家公司加入了CiA，CiA已成为全球应用CAN技术的权威。
生产CAN模块集成器件的15家半导体厂商主要面向汽车工业。1990年中期起Infineon公司和Motorola公司已经向欧洲的客车厂商提供了大量的CAN控制器。1990年后期远东的半导体厂商也开始提供CAN控制器。1994年，NEC推出了CAN芯片72005.从1992年起奔驰开始在他们的高级轿车中使用CAN技术：使用电子控制器通过CAN对发动机进行管理，使用控制器接收人们的操作信号。继BMW之后，Renault和Fiat也开始在他们的汽车上使用CAN总线。近几年，美国和远东的汽车厂商将在他们的汽车串行部件上使用CAN。
CAN总线在组网和通信功能上的优点以及它的高性能价格比，决定了它在许多领域都有广阔的应用前景和发展潜力。大型仪器设备系统复杂，对多种信息进行采集、处理、控制、输出等操作。如医疗器械CT断层扫描仪，为保证其可靠性，在数据通信上要求功能块间可随意进行数据交换，通信以广播方式进行，具有低成本的硬件接口，通信线尽量少，抗干扰能力强，可靠性高并能自动进行故障识别和自动恢复。但是这些问题长时间内都没有得到很好的解决直到CAN总线的出现。测控系统中离不开传感器，由于各种传感器的输出电量形式不同，为便于连接通常要考虑将传感器的输出变换成标准电压或电流信号。即使这样，在与计算机相接的时候，还需要加上A/D环节。如果传感器能以数字形式输出，就可以方便的与计算机相连接，从而简化系统结构，提高精度。这种传感器与计算机相连的总线可以称为传感器总线，关键的问题在于如何将总线接口与传感器一体化。
在广泛的工业控制领域，CAN总线可作为现场设备级得总线，与其他总线相比有很高的可靠性和性价比。这必将是CAN技术开发应用的一个主要方向。在以往的国内测控领域，由于没有更好的选择，大多采用BITBUS或RS485作为通讯总线，其不足主要有一主多从，无冗余；数据通信为命令响应，传输率低；错误处理能力弱。采用CAN总线技术后，即可解决上述问题。CAN网络上的任何一个节点都可以作为主节点主动地与其他节点交换数据；CAN网络节点的信息帧可以分出优先级，这对于有实时性要求的控制提供了方便；CAN的物理层以及数据链路层有独特的设计技术，使其在抗干扰以及错误检测等方面的性能均大大提高。CAN的上述特点使其成为诸多工业测控领域中首选的现场总线之一。
另外，大量潜在的新应用正在正式出现，CAN不仅可以应用于客车，也可以用于家庭消费，同时结合高层协议应用的特殊安保系统对CAN的需求也正在稳步增长。德国专业委员会BIA和德国安全标准权威TuV已经对一些基于CAN的保安系统进行了认证，CANopen-Safety是第一个获得BIA许可的CAN解决方案。全球分级协会的领导者之一（Germanischer Lloyd）正在准备提议将CANopen固件应用于海事运输领域。在其他事务中，规范定义了自动切换，可以将CANopen网络转换为冗余总线系统。此外，CAN技术已应用于家用电器和智能楼宇以及小区建设中，如安防系统、抄表系统、家电控制等。它投资少，每个节点可以随机访问，通信速度完全满足要求，且在这类应用中数据交换量都很少。适当的网关如CAN和TCP/IP协议的转换，可以使一个居室或一栋大楼的现场CAN信息转变为Internet的形式外传，或反过来通过这类网关把外部网传来的信息转换为CAN的形式，此即实现了所谓的远程控制。
总之，CAN有着广泛的应用前景，被誉为“最有发展前景”的现场总线。

参考文献：
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[2] 饶运涛. 现场CAN 总线原理和应用系统设计[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2003.1-45
[3] 陆丽萍, 阳宪惠. 开创自控技术新纪元的现场总线[ J] .计算机自动测量与控制, 1999.1- 4