【正文】 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，通信速率≤ 1Mhps)和 ISO11519(通信速率≤ 125khps），為 CAN 總線的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化應(yīng)用鋪平了道路?；贑AN 總線的 DeviceNet 是現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEC61158 Type 2 ControlNet 的設(shè)備級(jí)總線。 RS232C 由于發(fā)送器和接收器之間具有公共信號(hào)地，不可能使用雙端信號(hào)，因此共模噪聲會(huì)耦合到信號(hào)系統(tǒng)中，這就是 RS232C 使用較高傳輸電壓的主要原因。它采用差分式傳輸方式，雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比。特別是系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)工作在多種通訊模式下時(shí)，通訊的失誤率與重發(fā)率將隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷量的增長(zhǎng)而成倍增長(zhǎng)，最終可能導(dǎo)致整個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。集成芯片中有 3 個(gè) 8位的 CPU，共同完成 LonTalk 的七層協(xié)議功能。傳輸速率為 ～ 12Mbps，最大傳輸距離在 12Mbps 時(shí)為 100m， 時(shí)為 400m，可用中繼器延長(zhǎng)至 10km。通信速率最高可達(dá)1Mbps(距離 40m)，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá) 10km(速率 5kbps)。網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)可以定義成不同的優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的仲裁。 [18] CAN 總線系統(tǒng)內(nèi)的兩個(gè)任意節(jié)點(diǎn)之間的最大傳輸距離與位速率有關(guān)。由此可以看出，顯性和隱性位同時(shí)發(fā)送時(shí)，最后總線數(shù)值將為顯性。 FSM 還控制錯(cuò)誤管理邏輯（ EML）以及發(fā)送 /接 收移位寄存器與緩沖器之間的并行數(shù)據(jù)流。每個(gè)接收器通過(guò)幀接收濾波確定此幀與其是否有關(guān)。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） CAN 總線技術(shù)研究 13 圖 4媒體訪問(wèn)控制功能 MAC 幀結(jié)構(gòu) CAN 系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)間發(fā)送和接收以四種不同類(lèi)型的幀出現(xiàn)和控制。只有當(dāng)總線為空閑狀態(tài)時(shí)，才允許節(jié)點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送，所有節(jié)點(diǎn)必須同步于首先開(kāi)始發(fā)送節(jié)點(diǎn)幀起始引起的上升沿。 CRC 序列后隨的 CRC 界定符由單個(gè)隱性位構(gòu)成。在這種情況下，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)需要向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)遠(yuǎn)程幀。 出錯(cuò)幀 出錯(cuò)幀由兩個(gè)不同場(chǎng)構(gòu) 成，第一個(gè)場(chǎng)由來(lái)自不同節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤標(biāo)志疊加給出，第二個(gè)場(chǎng)為錯(cuò)誤界定符。 由發(fā)送器啟動(dòng)的認(rèn)可出錯(cuò)標(biāo)志，當(dāng)它們?cè)谝晕惶畛浞椒ㄟM(jìn)行編碼的幀場(chǎng)中啟動(dòng)時(shí)，將在接收器中產(chǎn)生填充錯(cuò)誤。但超載幀和錯(cuò)誤幀前沒(méi)有幀間空間，并且多個(gè)超載幀之間也不用幀間空間分隔。 MAC 幀編碼和發(fā)送 /接收 幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)和 CRC 序列幀段均以位填充方法進(jìn)行編碼。 由于總線上有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)這些節(jié)點(diǎn)都要求發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，串行總線只能滿足其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)的要求，其它的節(jié)點(diǎn)只能等待。當(dāng)送出顯性電平，而監(jiān)測(cè)到隱性電平時(shí)，表明節(jié)點(diǎn)檢測(cè)出位錯(cuò)誤。 (2) 填充錯(cuò)誤：在使用位填充方法進(jìn)行編碼的幀場(chǎng)中，出現(xiàn)第六個(gè)連續(xù)相同電平位時(shí)，則檢測(cè)到填充錯(cuò)誤。 當(dāng)任何節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到位錯(cuò)誤、填充錯(cuò)誤、形式錯(cuò)誤或應(yīng)答錯(cuò)誤時(shí)，由各自節(jié)點(diǎn)在下一位啟動(dòng)發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志。 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)若僅有一個(gè)節(jié)點(diǎn)在線，該節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀就沒(méi)有其它節(jié)點(diǎn)應(yīng)答。這些時(shí)間段如圖 7 所示。同步包括硬同步和重同步兩種形式，它們必須遵從下列規(guī)則： (1) 在一個(gè)時(shí)間內(nèi)僅允許一種同步。盡管 RS485 總線技術(shù)與 CAN 總線技術(shù)都是用于多機(jī)通信設(shè)計(jì)，但 RS485 總線技術(shù)組建的系統(tǒng)與應(yīng)用CAN 總線技術(shù)通信的系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中有許多的不同之處，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： (1) CAN 在傳輸 距離、傳輸速度、可靠性、系統(tǒng)的擴(kuò)展性都要優(yōu)于 RS485； (2) 現(xiàn)場(chǎng)總線用協(xié)議保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，解決了沖突仲裁，多點(diǎn)傳輸，錯(cuò)誤檢驗(yàn)與處理，與以太網(wǎng)的連接等一系列問(wèn)題。 [13] 每個(gè)子節(jié)點(diǎn)和 CANPC 接口卡都有 CAN 控制器和收發(fā)器。與此對(duì)應(yīng)的是，子節(jié)點(diǎn)的 8 個(gè)開(kāi)關(guān)輸出口由上位機(jī)通過(guò) CAN 總線控制。當(dāng)然也可以調(diào)整放大電路的電阻值調(diào)整放大倍數(shù)，從而調(diào)整輸入電壓的范圍。并且一段時(shí)間后，傳感器又要重新校正。這樣做的好處是系統(tǒng)非常靈活，可以搭配不同的傳感器和控制器構(gòu)成各種各樣的監(jiān)控系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的適用性。整個(gè)系統(tǒng)如圖 9所示。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都定時(shí)檢測(cè)，即使節(jié)點(diǎn)數(shù)較多， CAN 總線上的數(shù)據(jù)量也不大，上位機(jī)串口數(shù)據(jù)傳輸速度可以匹配 CAN 網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)量，因此接口卡與上位機(jī)通過(guò)串口連接。綜合對(duì)比 CAN 總線和 RS485 總線的特點(diǎn)，最后決定系統(tǒng)使用 CAN 總線作為骨干通信協(xié)議。 CAN 控制器 CAN 控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖 8所示， CAN 控制器必須通過(guò) CAN 驅(qū)動(dòng)芯片才能與其他。這些延遲時(shí)間包括總線上的信號(hào)傳播時(shí)間和 ECU 的內(nèi)部延遲時(shí)間。 (3) 實(shí)現(xiàn)機(jī)械和電氣接口。 (2) 錯(cuò)誤認(rèn)可：發(fā)送器啟動(dòng)認(rèn)可出錯(cuò)標(biāo)志后成為錯(cuò)誤認(rèn)可節(jié)點(diǎn)。 (4) 形式錯(cuò)誤：當(dāng)固定格式位場(chǎng)有一個(gè)或更多非法位時(shí)，則檢測(cè)到形式錯(cuò)誤。 除了當(dāng)總線釋放時(shí)，可以啟動(dòng)發(fā)送這一原則外，為避免沖突，系統(tǒng)還應(yīng)做到： (1) 在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)， 每條信息必須標(biāo)以唯一的標(biāo)識(shí)符； (2) 具有給定標(biāo)識(shí)符和非零數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 (DLC)的數(shù)據(jù)幀僅可由一個(gè)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)。這種解決總線訪問(wèn)沖突的 機(jī)理是基于競(jìng)爭(zhēng)的仲裁。發(fā)送器和接?xùn)|華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） CAN 總線技術(shù)研究 16 收器一幀的有效時(shí)點(diǎn)是不同的。 (2) 總線空閑場(chǎng)總線空閑時(shí)間可以是任意長(zhǎng)度。超載標(biāo)志由 6 個(gè)顯性位構(gòu)成。此錯(cuò)誤標(biāo)志形式違背了位填充規(guī)則或者破壞了要求 固定形式的位場(chǎng)。 幀起始 仲裁場(chǎng) 控制場(chǎng) CRC場(chǎng) ACK場(chǎng) 幀結(jié)束 圖 6 MAC遠(yuǎn)程幀 其中，仲裁場(chǎng)由來(lái)自 LLC 子層的標(biāo)識(shí)符場(chǎng)和 RTR 位構(gòu)成。 (7) 幀結(jié)束： MAC 的每個(gè)數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀均由 7個(gè)隱性位構(gòu)成的標(biāo)志序列界定。接收器接收 0和 1 位作為所有組合中的保留位。它們的區(qū)別在于標(biāo)識(shí)符長(zhǎng)度不一樣。 MAC 子層是 CAN 協(xié)議的核心，它描述由LLC 子層接收到的報(bào)文和對(duì) LLC 子層發(fā)送的認(rèn)可報(bào)文。 其中，數(shù)據(jù)鏈路層又分為： 邏輯鏈路控制 (LLCLogic Link Control)； 媒體訪問(wèn)控制 (MACMedium Access Control)。 圖 3 總線位數(shù)值表示 時(shí)間 V canh V canl 顯性位 平均電壓電壓 V diff V diff 隱性位 隱性位 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） CAN 總線技術(shù)研究 12 CAN 協(xié)議的核心是有限狀態(tài)器 FSM(Finite State Machine)。顯性 (Dominant)數(shù)值表示邏輯 0，而隱性 (Recessive)表示邏輯 1。 圖 2 CAN協(xié)議引擎流程 (6)CAN 節(jié)點(diǎn)有識(shí)別永久故障和短暫擾動(dòng)的功能，對(duì)于短暫擾動(dòng)， CAN 給予錯(cuò)誤標(biāo)定并重發(fā)，對(duì)錯(cuò)誤嚴(yán)重的故障， CAN 具有自動(dòng)關(guān)閉總線的功能，退出網(wǎng)絡(luò)通信，保證總線上的其他操作不受影響。 [8] 考慮到 CAN 總線卓越的特性、極高的性價(jià)比，該設(shè)計(jì)采用 CAN 總線來(lái)進(jìn)行分布式測(cè)量研究。后來(lái)逐步發(fā)展到用于其它工業(yè)領(lǐng)域的控制。 DP 型用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用。至于在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制領(lǐng)域，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)負(fù)荷量相對(duì)較重的情況下，RS485 總線系統(tǒng)有可能無(wú)法達(dá)到較好的通訊效果。目前， RS485 接口標(biāo)準(zhǔn)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器儀表、多媒體網(wǎng)絡(luò)等諸多領(lǐng)域。 (2) RS485 串行接口 RS485是從 RS422的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。并對(duì)下列幾種總線進(jìn)行對(duì)比： [10] (1) RS232C 串行接口 RS232C 是異步串行通信中應(yīng)用廣泛的標(biāo)準(zhǔn)總線接口，適用于數(shù)據(jù)終端設(shè)備 (DTE)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備 (DCE)之間的接口。 Microchip 公司的 MCP2510， MCP2515。 第一章介紹了分布式系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展概況。目前 DCS 的發(fā)展將導(dǎo)致進(jìn)一步的系統(tǒng)開(kāi)放，如使用統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)、中小及微型化操作站的功能強(qiáng)化以及 DCS 與可編程序控制器(PLC)之間的滲透。 分布式系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展 分布式控制系統(tǒng) DCS（ Distribution Controlling system）將數(shù)字技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)、屏幕顯示技術(shù)與過(guò)程控制技術(shù)緊密地結(jié)合在一起，使過(guò)程控制由原來(lái)的第三代過(guò)程控制體系 —— 集中式控制 CCS(Concentric Control System)跨越到第四代控制體系的分布式控制，將流程工業(yè)自動(dòng)化提高到一個(gè)新的水平。因?yàn)閼?yīng)用的普遍性，出現(xiàn)了各制造者為自身定制的高層協(xié)議，如 CANopen， DeviceNet， SDS。奔馳汽車(chē)是第一個(gè)將CAN 總線應(yīng)用在汽車(chē)引擎管理中的， CAN 總線在系統(tǒng)中的位速率為 500kbit/s。 [4] CAN 模塊 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論 4 控制器局域網(wǎng)（ CAN）模塊是用于與其他外圍設(shè)備或單片機(jī)進(jìn)行通訊的模塊，這種接口協(xié)議能在較大的燥聲環(huán)境中進(jìn)行通信，具有良好的抗干擾性能。同時(shí)，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)部功能加強(qiáng)，減少了信號(hào)的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。 [2] 節(jié)省投資：由于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中分散在現(xiàn)場(chǎng)的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感控制報(bào)警和計(jì)算功能，不再需要 DCS 系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)制、轉(zhuǎn)換、隔離等功能單元及其復(fù)雜接線，還可以用工控 PC 機(jī)作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，并可減少控制室的占地面積。用戶可按自己的需要和考慮，把來(lái)自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。這是一項(xiàng)以智能傳感器、控制、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)。它是計(jì)算機(jī) 技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)高度綜合與集成的產(chǎn)物，是一種開(kāi)放式和分布式的新模式。 CAN。研究?jī)?nèi)容包括節(jié)點(diǎn)硬件、接口卡硬件研制；節(jié)點(diǎn)軟件、接口卡軟件研制；上位機(jī)監(jiān)測(cè)和控制軟件的研制。 CAN(控制器局域網(wǎng) )屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，主要用于與其他外圍設(shè)備或單片機(jī)進(jìn)行通訊的模塊，這種接口協(xié)議能在較大的燥聲環(huán)境中進(jìn)行通信，具有良好的抗干擾性能。 第三章介紹基于 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式控制系統(tǒng)接口卡和節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)和芯片選用。 Distributed Measu。使用現(xiàn)場(chǎng)總線降低了成本，提高了可靠性，實(shí)現(xiàn)了控制管理一體化的結(jié)構(gòu)體系。 [1] 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn) (1) 系統(tǒng)的開(kāi)放性 一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)，是指它可以 與世界上任何地方遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)連接。從根本上改變了現(xiàn)有DCS 集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)：用戶可以自由 選擇不同廠商所提供的設(shè)備來(lái)集成系統(tǒng)。本文采用 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種分布式測(cè)量系統(tǒng)。 [5] CAN 模塊支持的幀類(lèi)型 CAN 模塊支持的幀類(lèi)型有：標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀，擴(kuò)張數(shù)據(jù)幀，遠(yuǎn)程幀，出錯(cuò)幀，過(guò)載幀和空閑幀。如應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和林業(yè)中的移動(dòng)設(shè)施、輪椅、起重機(jī)等。 (6) 一些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域 CAN 總線還應(yīng)用在一些特殊的領(lǐng)域。 DCS 集計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)、硬件技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)、冗余技術(shù)、故障診斷技術(shù)和圖形顯示技術(shù)為一體，靈活、易變更、易擴(kuò)展。 研究?jī)?nèi)容包括節(jié)點(diǎn)硬件、 CANPC 接口卡硬件研制；節(jié)點(diǎn)軟件、接口卡軟件研制。汽車(chē)工程師學(xué)會(huì) SAE (Society ofAutomotive Engineers)為加強(qiáng) CAN 在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用，制定了用于汽車(chē)制造業(yè)的 SAEJ1939 標(biāo)準(zhǔn)。 DeviceNet 和另一個(gè)基于 CAN 總線的 SDS 都已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEC62026(低壓配電與控制裝置－控制器與設(shè)備接口 )所推薦的四種總線之一。即便東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） CAN 總線技術(shù)研究 8 如此，該標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)傳輸速率也只能達(dá)到 20kb/s，而且最大距離僅 15m，要想實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，必須使用 Modem。 RS485 總線網(wǎng)絡(luò)需要使用終接電阻進(jìn)行匹配，其阻值相當(dāng)于傳輸電纜的特性阻抗，一般為 120Ω 。 RS485通訊器件較小的收發(fā)緩沖區(qū)也不利于由它構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期處于連續(xù)或長(zhǎng)字串的收發(fā)狀態(tài)，這在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)量不平衡的情況下尤其明顯。 Echelon 公司同時(shí)提供了一套開(kāi)發(fā)工具平臺(tái) LON Builder 與 Node Builder，以方便用戶利用神經(jīng)元芯片、 LonTalk 協(xié)議、 LonWorks 收發(fā)器開(kāi)發(fā)出適合各自領(lǐng)域的系統(tǒng)和產(chǎn)品。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線、光纜?？蓲旖釉O(shè)備數(shù)最多可達(dá) 110 個(gè)。當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)則不受影響地繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，大大節(jié)省了總線沖突裁決時(shí)間；通過(guò)報(bào)文的不同優(yōu)先級(jí)，可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求。兩節(jié)點(diǎn)間的最大距離如表 1所示。正是由于此特性， CAN 技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)不同 于局域網(wǎng) CSMA/CD（帶沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)技術(shù)）的無(wú)破壞沖突檢測(cè)。 FSM 確定在接收數(shù)據(jù)、仲裁、傳輸以及發(fā)錯(cuò)誤信號(hào)的所有過(guò)程都嚴(yán)格符合 CAN 協(xié)議。 超載通告：若接收器內(nèi)部條件要求延遲一個(gè) LLC 數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀，則通過(guò) LLC子層開(kāi)始發(fā)送超載幀，最多可產(chǎn)生兩個(gè)超載幀，以延遲下一個(gè)數(shù)據(jù)