第3章 CAN总线系统的结构(2014年简讲、自学)

1、第第3章章 CAN总线系统的结构原理总线系统的结构原理 该章主要是从逻辑上说明CAN总线系统的结构原理。 讨论内容概述：讨论内容概述： 3.1 CAN总线系统的结构及节点组成 3.2 CAN总线系统的拓扑结构 3.3 CAN总线系统的通信方式 3.4 小 结 参考文献：参考文献： 史久根等CAN现场总线系统设计技术现场总线系统设计技术. 北京：国防工业出版社 王黎明等CAN现场总线系统的设计与应用现场总线系统的设计与应用.北京：电子工业出版社，20083.1 CAN总线系统的结构及节点组总线系统的结构及节点组成成 CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的现场总线。 由CAN总线构成的现场

2、总线网络的结构一般由控制器节点、传感器节点、执行器节点以及其他的监控节点如人机界面组成。 CAN作为控制局域网还可以通过网关和其他网络如以太网互联构成大型复杂的控制网络结构。 图3.1较好地表示了用CAN总线系统组成的现场总线网络的结构。 由于总线收发器物理信号驱动能力的限制，一个CAN总线网络上最多可挂接110个节点设备。 一个简单的CAN总线系统如图3.2所示。图中的主机（上位机）可以是包括CAN适配卡的基于PC的工业计算机。带CAN适配卡的上位机在CAN总线系统中相当于一个网络节点。 图中的从机一般由微控制器系统组成。可将传感器数据上传到总线上，或将网络中传来的控制数据输出到执行器以控制

3、该执行器的动作。 两只120的电阻作为CAN线路的匹配电阻。 一般地，CAN节点的结构如图3.3所示，从本质上看，它是一个带CAN通信接口的计算机系统通用的PC系统或嵌入式处理器系统。2013年第19学时结束至此3.2 CAN总线系统的拓扑结构总线系统的拓扑结构3.2.1 计算机网络拓扑回顾计算机网络拓扑回顾 关于网络拓扑，我们在“网络与通信基础”一章曾经讨论过。 网络拓扑结构按照几何图形的形状可分为： 总线拓扑、环形拓扑、星形拓扑和网状拓扑等类型。 这些形状也可构成混合拓扑结构。 不同的网络拓扑结构适用于不同的网络规模。 例如，局域网常采用总线、星形或环形拓扑结构，而广域网常采用网状拓扑结构

4、。 在CAN网络中，也可采用上面所述的4种网络拓扑结构，简述如下。3.2.2 常用的常用的CAN总线系统的拓扑结构总线系统的拓扑结构总线拓扑 （1）回顾 （2）特点 优点：容易实现、成本低。 缺点：当网络中的节点数量增加时，网络的性能将下降。容错能力较差，总线上的某个中断或故障将会影响整个网络的数据传输。 （3）结论 当CAN总线网络中的节点数较多时，可考虑不应采用一个单纯的总线拓扑结构。 （1）回顾 （2）特点 与总线拓扑结构相同，当环中的节点不断增加时，响应时间也就变得越长。因此，单纯的环形拓扑结构不灵活且不易于扩展。 在一个简单环形拓扑结构中，单个节点或一处线缆发生故障将会造成整个网络的

5、瘫痪。 （3）结论 一些CAN总线网络采用双环结构以提供容 错。 3.2.3 常用的常用的CAN总线系统的拓扑结构总线系统的拓扑结构环形拓扑3.2.4 常用的常用的CAN总线系统的拓扑结构总线系统的拓扑结构星形拓扑 （1）回顾 （2）特点 一个典型的星形网络拓扑结构所需的线缆和配置，一般稍多于环形网络和总线网络。 在星形网络中，任何单根电线只连接两个设备，因此电缆问题最多影响两个节点。单个电缆或节点发生故障，不会导致整个网络通信中断。 但中央设备的失败会造成网络瘫痪。 由于使用中央设备作为连接点，星形拓扑易于移动、隔绝或与其他网络连接，这使得星形网络更易于扩展。 （3）结论 星形拓扑是目前CA

6、N总线局域网中最常用一种网络拓扑结构（ 该结构也是以太网现在最常用的）。3.2.5 常用的常用的CAN总线系统的拓扑结构总线系统的拓扑结构网状拓扑 （1）回顾 （2）特点 由于对两节点之间的数据传输提供多条链路，因此，网状拓扑最具容错性，但成本高。 （3）结论 采用网状拓扑时，网络中每个节点间的连接需大量的专用线缆。为缩减开支，CAN网络可选择半网状结构：在半网状结构中，关键的节点通过网状拓扑结构连接，次要的节点通过星形或环形拓扑结构连接。 这种结构在当前的实际应用中使用得比较广泛。3.2.6 常用的常用的CAN总线系统的拓扑结构总线系统的拓扑结构小结 上面对CAN网络采用常用的网络拓扑结构组

7、成系统时的一些利弊进行了讨论。总体而言，应该是一些一般性的看法。采用CAN组成系统时具体采用何种结构应根据具体情况具体分析。 重要的是，通过这部分内容的学习，要学会通过合理利用网络拓扑结构来设计相关的系统，要想到实施过程中遇到的有些问题，可以通过调整网络拓扑结构来解决。3.3 CAN总线系统的通信方式总线系统的通信方式 CAN总线两种典型的通信方式是： 多主方式和主从方式。 CAN总线在多主方式下工作时，网络上任一节点均可在任意时刻主动向网络发送信息，而不分主从。 多主方式通信灵活，无需站地址等节点信息。在该方式下，CAN网络支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。 为避免总线冲突

8、，采用非破坏性总线仲裁技术，根据需要将各个节点设定为不同的优先级，并以标志符(ID)标定（其值越小，优先级越高），在发生冲突时，优先级低的节点主动停止发送，从而解决了总线冲突问题。 CAN总线在主从方式下工作时，网络上节点的功能是有区分的，无法像多主式结构的网络那样自由进行各种平等的信息发送。 在主从式结构系统的通信方式中，整个系统的通信活动要依靠主站中的调度器来安排。如果系统调度策略设计不当，系统的实时性、可靠性就会变差，而且容易引起瓶颈现象，妨碍正常有效的通信。所以采取主从式结构的网络都需要采取必要的措施去解决瓶颈问题。 目前的CAN网络一般采用多主式和主从式结合的结构，这种结构比较灵活又具有较高的实时性和可靠性。3.4 小小 结结 本章介绍了CAN总线网络的基本构成及其结构原理，使大家对CAN总线网络