CAN总线基础知识介绍.doc

什么是CAN ? CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初，CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN控制装置。一个由CAN 总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。例如，当使用Philips P82C250作为CAN收发器时，同一网络中允许挂接110个节点。CAN 可提供高达1Mbit/s的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。另外，硬件的错误检定特性也增强了CAN的抗电磁干扰能力。CAN 是怎样发展起来的？ CAN最初出现在80年代末的汽车工业中，由德国Bosch公司最先提出。当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。提出CAN总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。1993年，CAN 已成为国际标准ISO11898(高速应用)和ISO11519（低速应用）。 CAN是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10Km时，CAN 仍可提供高达50Kbit/s的数据传输速率。 由于CAN总线具有很高的实时性能，因此，CAN已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。 CAN 是怎样工作的？ CAN通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。CAN层的定义与开放系统互连模型（OSI）一致。每一层与另一设备上相同的那一层通讯。实际的通讯发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互连。CAN的规范定义了模型的最下面两层：数据链路层和物理层。下表中展示了OSI开放式互连模型的各层。应用层协议可以由CAN用户定义成适合特别工业领域的任何方案。已在工业控制和制造业领域得到广泛应用的标准是DeviceNet，这是为PLC和智能传感器设计的。在汽车工业，许多制造商都应用他们自己的标准。 表1 OSI开放系统互连模型 7 应用层 最高层。用户、软件、网络终端等之间用来进行信息交换。如：DeviceNet 6 表示层 将两个应用不同数据格式的系统信息转化为能共同理解的格式5 会话层 依靠低层的通信功能来进行数据的有效传递。4 传输层 两通讯节点之间数据传输控制。操作如：数据重发，数据错误修复3 网络层 规定了网络连接的建立、维持和拆除的协议。如：路由和寻址2 数据链路层 规定了在介质上传输的数据位的排列和组织。如：数据校验和帧结构1 物理层 规定通讯介质的物理特性。如：电气特性和信号交换的解释 CAN能够使用多种物理介质，例如双绞线、光纤等。最常用的就是双绞线。信号使用差分电压传送，两条信号线被称为“CAN_H”和“CAN_L”，静态时均是2.5V左右，此时状态表示为逻辑“1”，也可以叫做“隐性”。用CAN_H比CAN_L高表示逻辑“0”，称为“显形”，此时，通常电压值为：CAN_H = 3.5V 和CAN_L = 1.5V 。 CAN 有哪些特性？ CAN具有十分优越的特点，使人们乐于选择。这些特性包括： 低成本 极高的总线利用率 很远的数据传输距离(长达10Km) 高速的数据传输速率（高达1Mbit/s） 可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文 可靠的错误处理和检错机制 发送的信息遭到破坏后，可自动重发 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能 报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息 CAN总线智能节点设计CAN 总线系统智能节点采用89C51 作为节点的微处理器，在CAN 总线通信接口中采用PHILIPS 公司的SJA1000 和82C250 芯片。SJA1000 是独立CAN 通信控制器，82C250 为高性能CAN 总线收发器。电路主要由四部分所构成：微控制器89C51、 独立CAN 通信控制器SJA1000 、CAN 总线收发器82C250 和高速光电耦合器6N137 。微处理器89C51 负责SJA1000 的初始化，通过控制SJA1000 实现数据的接收和发送等通信任务。SJA1000 的AD0 AD7 连接到89C51 的P0 口，CS 连接到89C51 的P2.0， P2.0 为0 的CPU 片外存贮器地址可选中SJA1000， CPU 通过这些地址可对SJA1000 执行相应的读写操作。SJA1000 的/RD、/ WR、ALE 分别与89C51 的对应引脚相连，/INT 接89C51 的/INT0。 89C51 也可通过中断方式访问SJA1000。为了增强CAN 总线节点的抗干扰能力，SJA1000 的TX0 和RXO 并不是直接与82C250 的TXD 和RXD 相连，而是通过高速光耦6N137 后与82C250 相连，这样就很好的实现了总线上各CAN 节点间的电气隔离。不过应该特别说明的一点是光耦部分电路所采用的两个电源VCC 和VDD 必须完全隔离，否则采用光耦也就失去了意义。电源的完全隔离可采用小功率电源隔离模块或带多5V 隔离输出的开关电源模块实现。这些部分虽然增加了节点的复杂，但是却提高了节点的稳定性和安全性。82C250 与CAN 总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施。82C250 的CANH 和CANL 引脚各自通过一个5 的电阻与CAN 总线相连，电阻可起到一定的限流作用，保护82C250 免受过流的冲击。CANH 和CANL 与地之间并联了两个30P 的小电容，可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。另外在两根CAN 总线接入端与地之间分别反接了一个保护二极管，当CAN 总线有较高的负电压时，通过二极管的短路可起到一定的过压保护作用。82C250 的Rs 脚上接有一个斜率电阻，电阻大小可根据总线通讯速度适当调整一般在16K 140K 之间。1.CAN-bus 网络采用总线式拓朴结构，在一个网络上至少需要有2个CAN-bus 节点 存在。在总线的2 个终端，各需要安装1 个120 终端电阻；如果节点数目大于2， 中间节点就不要求安装120 终端电阻。CAN 总线的连接电缆一般使用双绞线，对抗干扰要求较高可以使用屏蔽双绞线或者光纤。2.can总线不需要HUB，理论上总线上的节点数最多可达110个。扩展can总线的设备有中继器、网桥等。由于CAN总线具有通讯速率高、可靠性高、连接方便和性能价格比高等诸多特点， CAN的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。在自动化电子领域的汽车发动机控制部件、传感器、抗滑系统、工业自动化、建筑物环境控制、机床或电梯控制、医疗设备等领域得到了较为广泛的应用。CAN 的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为 8个，因而传输时间短、受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点极其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力和检错能力。CAN控制器支持四种不同的CAN协议类型：数据帧、远程帧、出错帧和超载帧。CAN 支持多主方式工作，网络上任何节点均可在任意时刻主动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。现场总线技术语计算机控制11引言 在计算机控制系统出现以后，工程实践中广泛使用模拟仪表系统中的传感器、变送器和执行机构。其信号传送一般采用4-20mA的电流信号形式，一个变送器或执行机构需要一对传输线来单向传送一个模拟信号。这种传输方法使用的导线多，现场安装及调试的工作量大，投资高，传输精度和抗干扰能力较低，不便维护。主控室的工作人员无法了解现场仪表的实际情况，不能对其进行参数调整和故障诊断，所以处于最底层的模拟变送器和执行机构成了计算机控制系统中最薄弱的环节，即所谓DCS系统的发展瓶颈。现场总线正是在这种情况下应运而生。2现场总线技术及其特点 现场总线技术是在80年代后期发展起来的一种先进的现场工业控制技术，它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字一模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统。现场总线则是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，其基础是智能仪表。分散在各个工业现场的智能仪表通过数字现场总线连为一体，并与控制室中的控制器和监视器一起共同构成现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）。通过遵循一定的国际标准，可以将不同厂商的现场总线产品集成在同一套FCS中，具有互换性和互操作性。FCS把传统DCS的控制功能进一步下放到现场智能仪表，由现场智能仪表完成数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等功能。现场仪表的数据（包括采集的数据和诊断数据）通过现场总线传到控制室的控制设备上，控制室的控制设备用来监视各个现场仪表的运行状态，保存各智能仪表上传的数据，同时完成少量现场仪表无法完成的高级控制功能。另外，FCS还可通过网关和企业的上级管理网络相连，以便企业管理者掌握第一手资料，为决策提供依据。所以现场总线具有以下突出特点： 2.1 开放性 现场总线控制系统（FCS）采用公开化的通信协议，遵守同一通信标准的不同厂商的设备之间可以互连及实现信息交换。用户可以灵活选用不同厂商的现场总线产品来组成实际的控制系统，达到最佳的系统集成。 2.2互操作性 互操作性是指不同厂商的控制设备不仅可以互相通信，而且可以统一组态，实现同一的控制策略和“即插即用”，不同厂商的性能相同的设备可以互换。 2.3灵活的网络拓扑结构 现场总线控制系统可以根据复杂的现场情况组成不同的网络拓扑结构，如树型、星型、总线型和层次化网络结构等。 2.4系统结构的高度分散性 现场设备本身属于智能化设备，具有独立自动控制的基本功能，从而从根本上改变了DCS的集中与分散相结合的体系结构，形成了一种全新的分布式控制系统，实现了控制功能的彻底分散，提高了控制系统的可靠性，简化了控制系统的结构。现场总线与上一级网络断开后仍可维持底层设备的独立正常运行，其智能程度大大加强。 2.5现场设备的高度智能化 传统的DCS使用相对集中的控制站，其控制站由CPU单元和输入/输出单元等组成。现场总线控制系统则将DCS的控制站功能彻底分散到现场控制设备，仅靠现场总线设备就可以实现自动控制的基本功能，如数据采集与补偿、PID运算和控制、设备自校验和自诊断等功能。系统的操作员可以在控制室实现远程监控，设定或调整现场设备的运行参数，还能借助现场设备的自诊断功能对故障进行定位和诊断。 2.6对环境的高度适应性 现场总线是专为工业现场设计的，它可以使用双绞线、同轴电缆、光缆、电力线和无线的方式来传送数据，具有很强的抗干扰能力。常用的数据传输线是廉价的双绞线，并允许现场设各利用数据通信线进行供电，还能满足本质安全防爆要求。 由于现场总线的诸多优点，所以近十年来出现了多种有影响的现场总线，如基金会现场总线FF、Profibus、CAN、LONworks、HART等，并得到了广泛的应用。下面仅对前两种现场总线予以简要介绍。 3主要现场总线简介 3.1基金会现场总线FF（Foundation Fieldbus） 基金会现场总线是国际上几家现场总线经过激烈竞争后形成的的一种现场总线，由现场总线基金会推出。与私有的网络总线协议不同，FF总线不附属于任何一个企业或国家。其总线体系结构是参照、ISO的OSI模型中物理层、数据链路层和应用层，并增加了用户层而建立起来的通信模型。FF得到了世界上几乎所有的著名仪表制造商的支持，同时遵守IEC的协议规划，与IEC的现场总线国际标准和草案基本-致，加上它在技术上的优势，所以极有希望成为将来的主要国际标准。 FF总线提供了Hl和H2两种物理层标准。Hl是用于过程控制的低速总线，传输速率为31.25Kbps，传输距离为200m、450m、1200m、1900m四种（加中继器可以延长），可用总线供电，支持本质安全设备和非本质安全总线设备。H2为高速总线，其传输速率为1Mbps（此时传输距离为750m）或2.5bps（此时传输距离为为500m）。H1和H2每段节点数可达32个，使用中继器后可达240个，Hl和H2可通过网桥互连。FF的突出特点在于设备的互操作性、改善的过程数据、更早的预测维护及可靠的安全性。 3.2过程现场总线Profibus Profibus由Siemens公司提出并极力倡导，己先后成为德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170，是一种开放而独立的总线标准，在机械制造、工业过程控制、智能建筑中充当通信网络。Profibus由Profibus-PA、Profibus-DP和Profibus-FMS三个系列组成。Profibus-PA （Process Automation）用于过程自动化的低速数据传输，其基本特性同FF的H1总线，可以提供总线供电和本质安全，并得到了专用集成电路（ASIC）和软件的支持。Profibus-DP与Profibus-PA兼容，基本特性同FF的H2总线，可实现高速传输，适用于分散的外部设备和自控设备之间的高速数据传输，用于连接Profibus-PA和加工自动化。Profibus-FMS适用于一般自动化的中速数据传输，主要用于传感器、执行器、电气传动、PLC、纺织和楼宇自动化等。后两个系列采用RS485通信标准，传输速率从9.6kbps到12Mbps，传输距离从1200M到l00m（与传输速率有关）。介质存取控制的基本方式为主站之间的令牌方式和主站与从站之间的主从方式，以及综合这两种方式的混合方式。Profibus是一种比较成熟的总线，在工程上的应用十分广泛。 4、FCS对计算机控制系统的影响 传统的计算机控制系统一般采用DCS结构。在DCS中，对现场信号需要进行点对点的连接，并且I/O端子与PLC或自动化仪表一起被放在控制柜中，而不是放在现场。这就需要铺设大量的信号传输电缆，布线复杂，既费料又费时，信号容易衰减并容易被干扰，而且又不便维护。DCS一般由操作员站、控制站等组成，结构复杂，成本高。而且DCS不是开放系统，互操作性差，难以实现数据共享。而基于PC的FCS则完全克服了这些缺点。 （1）在FCS中，借助于现场总线技术，所有的I/O模块均放在工业现场，而且所有的信号通过分布式智能I/O模块在现场被转换成标准数字信号，只需一根电缆就可把所有的现场子站连接起来，进而把现场信号非常简捷地传送到控制室监控设备上，降低了成本，又便于安装和维护，同时数字化的数据传输使系统具有很高的传输速度和很强的抗干扰能力。 （2）FCS具有开放性。在FCS中，软件和硬件都遵从同样的标准，互换性好，更新换代容易。程序设计采用IEC1131-3五种国际标准编程语言，编程和开发工具是完全开放的，同时还可以利用PC丰富的软硬件资源。 （3）系统的效率大为提高。在FCS中，一台PC可同时完成原来要用两台设备才能完成的PLC和NC/CNC任务。在多任务的Windows NT操作系统下，PC中的软PLC可以同时执行多达十几个PLC任务，既提高了效率，又降低了成本。且PC上的PLC具有在线调试和仿真功能，极大地改善了编程环境。 在FCS中，系统的基本结构为：工控机或商用PC、现场总线主站接口卡、现场总线输入/输出模块、PLC或NC/CNC实时多任务控制软件包、组态软件和应用软件。上位机的主要功能包括系统组态、数据库组态、历史库组态、图形组态、控制算法组态、数据报表组态、实时数据显示、历史数据显示、图形显示、参数列表、数据打印输出、数据输入及参数修改、控制运算调节、报警处理、故障处理、通信控制和人机接口等各个方面，并真正实现控制集中、危险分散、数据共享、完全开放的控制要求。 5结束语 由前面的讨论可以看出，FCS的技术关键是智能仪表技术和现场总线技术。智能仪表不仅具有精度高、可自诊断等优点，而且具有控制功能，必将取代传统的4-20mA模拟仪表。连接现场智能仪表的现场总线是一种开放式、数字化、多接点的双向传输串行数据通路，它是计算机技术、自动控制技术和通信技术相结合的产物。结合PC丰富的软硬件资源，既克服了传统控制系统的缺点，又极大地提高了控制系统的灵活性和效率，形成了一种全新的控制系统，开创了自动控制的新纪元，成为自动控制发展的必然趋势。现场总线技术语计算机控制2 现场总线是从控制室连接到现场设备的双向全数字通信总线，简单理解就是通信总线一直延伸到现场设备。它是一个开放互联模型，可与以太网结合，通过Internet实现远程监视、控制、调试、诊断等。 现场总线是计算机、通信、控制技术的融合，优点来源于三大特点：一是数字化，意味着数据传输更为便利，信息传输量增加，提供数据的可共享性；二是标准统一开放，利于共享，为不同网络互联扫清道路，提供互操作性；三是控制分散，简化网络体系结构，使互联更加便利。 信号传输数字化是所有现场总线的基本特点，它使系统精度提高；现场设备的信息增加几十倍，可用于自诊断、系统调试和管理，提高系统的有效性；同一电缆挂接多台现场设备，可节省电缆7090及施工量。但节省电缆只不过是现场总线技术表层的优点，因为DCSPLC远程IO也可达到类似效果，而从现场设备获得丰富的信息才是现场总线技术独有的本质优越性。 标准统一开放是所有现场总线必需的特点，也是它与许多原来“专有”的通信总线的关键区别之一。它给用户带来的本质优点是打破了个别厂商的垄断，给技术以强大的支持群体，促进公平竞争，促进技术进步。DCS只做到操作站以上开放，控制层不可能开放，而FCS则做到系统从上到下全开放。不同总线开放的程度和难度都有所区别，简单的I O总线开放的难度较低，而控制用的系统总线的开放互操作就很难。 控制彻底分散是现场总线具有的突出特点。它给用户带来的实质优点是由高度智能的现场设备来分散完成DCS控制器的功能，弱化甚至省去了集中控制器的层次，可降低设备费用，使控制风险彻底分散，提高系统控制的自治性和可靠性。 当然，现场总线也有难以发挥其优势的场合。在很长时期内，包括 DCSPLC在内的许多控制系统和现行标准都会与现场总线共存，这和DCS 出现后乃至今天许多原有控制设备依然存在的局面相似。CAN总线国内外发展与应用状况 为促进CAN以及CAN协议的发展，1992在欧洲成立了CiA(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。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