【文章內(nèi)容簡介】 途的現(xiàn)場總線之一。CAN總線規(guī)范已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國際標(biāo)準(zhǔn)，CAN協(xié)議也是建立在國際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互連參考模型基礎(chǔ)上的，主要工作在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。用戶可在其基礎(chǔ)上開發(fā)適合系統(tǒng)實際需要的應(yīng)用層通信協(xié)議，但由于CAN總線極高的可靠性，從而使應(yīng)用層通信協(xié)議得以大大簡化。簡單的CAN總線系統(tǒng)主要由上位機和位控制器構(gòu)成，包括個人計算機CAN的接口（CAN適配卡、若干CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點），CAN適配卡是實現(xiàn)上位機系統(tǒng)和CAN總線的連接接口，作用和以太網(wǎng)網(wǎng)卡相同。帶CAN適配卡的上位機在CAN總線系統(tǒng)中相當(dāng)于一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。 CAN是多主發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從CAN的角度無所謂主從節(jié)點的概念，但是在有些具體的應(yīng)用中，為了系統(tǒng)的可靠性及整體設(shè)計的考慮，還是分主節(jié)點和從節(jié)點的。CAN總線系統(tǒng)的節(jié)點：（1）節(jié)點的概念：一般指掛在CAN總線上的傳感部件、執(zhí)行部件或控制器單元，CAN總線是通過允許節(jié)點間對等的傳播數(shù)據(jù)來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的（單向或雙向）。（2）節(jié)點的組成：由于受總線收發(fā)器物理信號驅(qū)動能力的限制，在一個CAN總線網(wǎng)絡(luò)上，最多可掛接110個節(jié)點設(shè)備。CAN總線系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：（1）基于CAN的拓?fù)涓拍睿壕W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計是構(gòu)建計算機網(wǎng)絡(luò)的第一步，也是實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)，它對網(wǎng)絡(luò)的性能、可靠性和通信費用等都有很大影響。CAN網(wǎng)絡(luò)中也存在著各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。（2）常用的CAN總線系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：一般有4種常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——總線結(jié)構(gòu)、環(huán)形結(jié)構(gòu)、星形結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為了滿足現(xiàn)代控制系統(tǒng)既要集中管理又要分散實時控制的要求，主要由上位機監(jiān)控站和若干個現(xiàn)場CAN智能測控節(jié)點構(gòu)成，通過相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)還可與其他類型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。 CAN總線的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) CAN總線的主要特點1．CAN是目前為止惟一有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線。2．CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從。3．在報文標(biāo)識符上，CAN上的節(jié)點分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求。4．CAN采用非破壞總線仲裁技術(shù)。5．CAN節(jié)點只需要通過對報文的標(biāo)識符濾波即可以實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等方式傳送接收數(shù)據(jù)。6．CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10Km（速率5kbps以下）；通信速率最高可達(dá)1Mbps（此時通信距離最長為40m）。7．CAN上的節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路，目前可達(dá)110個。8．報文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低。9．CAN的每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，具有極好的檢錯效果。10．CAN的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。11．CAN節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下，具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。12．CAN總線具有較高的性價比。 CAN總線的位數(shù)值表示 CAN中的總線數(shù)值為兩種互補邏輯數(shù)值：“顯性”或“隱性”?！帮@性”( Dominant)數(shù)值表示邏輯“0”，而“隱性”( Recessive)表示邏輯“1”?！帮@性”和“隱性”位同時發(fā)送時，最后總線數(shù)值將為“顯性”。 CAN總線的通信距離CAN總線上任意兩個節(jié)點之間的最大傳輸距離與其位速率有關(guān)。 CAN位數(shù)率與傳輸距離 CAN總線的分層結(jié)構(gòu)CAN通訊協(xié)議主要描述設(shè)備之間的信息傳遞方式。CAN層的定義與開放系統(tǒng)互連模型OSI一致。CAN的規(guī)范定義了模型的最下面兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，其中數(shù)據(jù)鏈路層又劃分為邏輯鏈路控制子層（LLC）和媒體訪問控制子層（MAC），應(yīng)用層協(xié)議可以由CAN用戶定義成適合特別工業(yè)領(lǐng)域的任何方案，如已在工業(yè)控制和制造業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)DeviceNet，以及在汽車工業(yè)中被大量使用的CANOpen協(xié)議等。 CAN總線的分層結(jié)構(gòu) CAN報文的幀結(jié)構(gòu) CAN報文的幀類型數(shù)據(jù)幀用于傳輸數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程幀用于請求數(shù)據(jù)，超載幀用于擴展幀序列的延遲時間，而當(dāng)局部檢測出錯條件后產(chǎn)生一個全局信號出錯幀。1．?dāng)?shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成，即幀起始標(biāo)志位、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC檢查場、ACK應(yīng)答場和幀結(jié)束標(biāo)志位。數(shù)據(jù)長度可為零。 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu) ，其主要區(qū)別在于標(biāo)識符的長度，具有11位標(biāo)識符的幀稱為標(biāo)準(zhǔn)幀。 標(biāo)準(zhǔn)格式和擴展格式（1）幀起始標(biāo)志位（SOF）標(biāo)識著數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的起始，它以一個比特的顯位出現(xiàn)，只有在總線處于空閑狀態(tài)時，才允許站開始發(fā)送，這個狀態(tài)將結(jié)束總線空閑狀態(tài)（被動狀態(tài)），表明有某個節(jié)點設(shè)備開始發(fā)送消息，并且所有站都必須同步于首先開始發(fā)送的那個站的幀起始前沿。（2）仲裁場（Arbitration Field）由標(biāo)志符（Identifier）和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位（RTR）標(biāo)志組成。，標(biāo)識符的長度為11位，這些位以從高位到低位的順序發(fā)送，其中最高7位不能全為隱位。在數(shù)據(jù)幀中，RTR位總是設(shè)為0，而在遠(yuǎn)程幀中必須為1。，標(biāo)準(zhǔn)格式和擴展格式的仲裁場的格式不同。在標(biāo)準(zhǔn)格式中，仲裁場由11位標(biāo)識符和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位TRT組成，~，而在擴展格式中，仲裁場由29位標(biāo)識符、替代遠(yuǎn)程請求SRR位、標(biāo)志位和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位組成。~。IDE位對于擴展格式屬于仲裁場，對于標(biāo)準(zhǔn)格式屬于控制場。IDE在標(biāo)準(zhǔn)格式中以顯性電平發(fā)送，而在擴展格式中以隱性電平發(fā)送。 仲裁場組成替代遠(yuǎn)程請求位SRR是一隱性位，它在擴展幀中標(biāo)準(zhǔn)幀的RTR位的位置被發(fā)送，因而替代標(biāo)準(zhǔn)幀的RTR位。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)幀與擴展幀發(fā)送沖突時，而擴展幀的基本ID同標(biāo)準(zhǔn)幀的標(biāo)識符一樣時，標(biāo)準(zhǔn)幀優(yōu)先于擴展幀。（3）控制場包括數(shù)據(jù)長度碼和兩個保留位，這兩個保留位必須發(fā)送顯性位。數(shù)據(jù)長度碼為四位，它指出了數(shù)據(jù)場的字節(jié)數(shù)目。 控制場的組成標(biāo)準(zhǔn)格式中控制場包括數(shù)據(jù)長度代碼、IDE位（顯性）及保留位r0； 擴展格式中控制場包括數(shù)據(jù)長度代碼、兩個保留R1和R0。（4）數(shù)據(jù)場由數(shù)據(jù)幀中被發(fā)送的數(shù)據(jù)組成，它可包括08字節(jié)，每字節(jié)包含8個位。（5）CRC場包括CRC序列，后隨CRC界定符。（6）應(yīng)答場（ACK）位，包括應(yīng)答間隙和應(yīng)答界定符。在應(yīng)答場中，發(fā)送器送出兩個隱位。一個正確的接收倒有效報文的接收器，在應(yīng)答間隙，將此信息通過發(fā)送一個顯位報告給發(fā)發(fā)送器。所有接收到匹配CRC序列的站，通過在應(yīng)答間隙內(nèi)把顯位寫入發(fā)送器的隱位來報告。應(yīng)答界定符是應(yīng)答場的第二位，并且必須是隱位，因此，應(yīng)答間隙被兩個隱位包圍。（7）幀結(jié)束：每個數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀均由7個隱位組成的標(biāo)志序列界定。2．遠(yuǎn)程幀遠(yuǎn)程幀被用來請求總線上某個遠(yuǎn)程節(jié)點發(fā)送自己想要接收的某種數(shù)據(jù)，具有發(fā)出這種遠(yuǎn)地消息能力的節(jié)點收到這個遠(yuǎn)程幀后，就應(yīng)盡力響應(yīng)這個遠(yuǎn)地傳送要求。所以對遠(yuǎn)程幀本身來說，是沒有數(shù)據(jù)域的。沒有數(shù)據(jù)場，所以數(shù)據(jù)長度代碼的數(shù)值沒有意義。在遠(yuǎn)程幀中，除了遠(yuǎn)程幀的RTR位是隱性的，設(shè)置成1表示被動狀態(tài)外，其余部分與數(shù)據(jù)幀完全相同。 遠(yuǎn)程幀組成3．錯誤幀錯誤幀由兩個場組成，第一場由來自各站的錯誤標(biāo)志疊加，第二場為出錯界定符。報文傳輸過程中任何一個節(jié)點出錯，即于下一位開始發(fā)送出錯幀，通知發(fā)送端停止發(fā)送。 出錯幀組成4．超載幀超載幀和錯誤幀一樣由兩個場組成：超載標(biāo)志和超載界定符。當(dāng)某接收因內(nèi)部原因要求緩發(fā)下一個數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀時，它向總線發(fā)出超載幀。超載幀還可以引發(fā)另一次超載幀，但以兩次為限。 超載幀組成 CAN報文的幀格式有兩種不同的幀格式，不同之處為標(biāo)識符域的長度不同：含有11位標(biāo)識符的幀為標(biāo)準(zhǔn)幀，含有29位標(biāo)識符的幀為擴展幀。（1）CAN標(biāo)準(zhǔn)幀信息為11個字節(jié)，包括兩部分：信息和數(shù)據(jù)部分。 注：1．字節(jié)1為幀信息。第7位（FF）表示幀格式，在標(biāo)準(zhǔn)幀中，F(xiàn)F=0；第6位（RTR）表示幀的類型，RTR=0表示為數(shù)據(jù)幀，RTR=1表示為遠(yuǎn)程幀；DLC表示在數(shù)據(jù)幀時實際的數(shù)據(jù)長度。2．字節(jié)字節(jié)3為報文識別碼，11位有效。3．字節(jié)4~字節(jié)11為數(shù)據(jù)幀的實際上數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程幀時無效。（2）CAN擴展幀信息為13B，包括兩部分：信息和數(shù)據(jù)部分。前5個字節(jié)為信息部分。 注：1．字節(jié)1為幀信息。第7位（FF）表示幀格式，在標(biāo)準(zhǔn)幀中，F(xiàn)F=1；第6位（RTR）表示幀的類型，RTR=0表示為數(shù)據(jù)幀，RTR=1表示為遠(yuǎn)程幀；DLC表示在數(shù)據(jù)幀時實際的數(shù)據(jù)長度。2．字節(jié)2~字節(jié)5為報文識別碼，29位有效。3．字節(jié)6~字節(jié)13為數(shù)據(jù)幀的實際數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程幀無效。 CAN總線的擴展應(yīng)用及其協(xié)議介紹 概述CAN 協(xié)議是一個非常簡單的協(xié)議。它只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層, 本身并不完整, 有些復(fù)雜的應(yīng)用問題需要一個更高層次的協(xié)議—應(yīng)用層協(xié)議來實現(xiàn)，比如, CAN 數(shù)據(jù)幀一次最多只能傳送8 字節(jié)。CAN 只提供了非確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)等。CAN的技術(shù)特點允許各廠商在CAN 協(xié)議的基礎(chǔ)上自行開發(fā)自己的高層應(yīng)用協(xié)議, 給用戶提供了一個面向應(yīng)用的清晰接口。目前, 許多廠商都根據(jù)自己的意圖并結(jié)合其優(yōu)勢紛紛推出基于CAN 的總線產(chǎn)品, 如DeviceNet (設(shè)備網(wǎng)) , CANopen , CAN Kingdom , SDS 等。它們都得到CiA (CAN in Automation) 的支持, 符合ISO11898 標(biāo)準(zhǔn), 同時又各具特色。 DeviceNet1．概述DeviceNet 最初由Rock well 旗下Allen Bradly 公司研制開發(fā), 為PLC 和智能傳感器設(shè)計。憑借該公司在可編程控制器和變頻器等方面的優(yōu)勢, DeviceNet在PLC 與現(xiàn)場設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用。DeviceNet 可以說是最好的CAN 協(xié)議工業(yè)標(biāo)準(zhǔn), 得到CiA 的支持, 并由ODVA (開放設(shè)備網(wǎng)供貨商協(xié)會)負(fù)責(zé)它的進(jìn)一步發(fā)展。據(jù)世界著名的市場調(diào)查公司VDC的“工業(yè)分布式遠(yuǎn)程I/ O 的全球市場和用戶需求”研究報告稱, 1999 年的市場份額位居世界第二,到2003 年仍將占第三位。DeviceNet 在CAN 協(xié)議的基礎(chǔ)上加入了自己的應(yīng)用層協(xié)議, 結(jié)合了CAN 總線的優(yōu)點, 同時也滿足了更為復(fù)雜的要求。涉及的標(biāo)準(zhǔn)有CAN 技術(shù)規(guī)范210A/B、ISO 11898 標(biāo)準(zhǔn)和DeviceNet 。DeviceNet 采用了CAN 物理層協(xié)議中的幾種網(wǎng)絡(luò)運行速率125kbps ( 500m) 、250kbps ( 250m) 、500kbps(100m) , 最多支持64 個節(jié)點。DeviceNet 的數(shù)據(jù)鏈路層完全遵循CAN 規(guī)范的定義, 并通過CAN 控制器芯片實現(xiàn)。DeviceNet 使用數(shù)據(jù)幀傳送數(shù)據(jù), 遠(yuǎn)程幀沒有被使用, 超載幀和出錯幀則用于例外情況的處理。2．DeviceNet 應(yīng)用層協(xié)議功能 DeviceNet 定義了兩種不同類型的報文, 稱作I/ O報文和顯式報文。I/ O 報文適用于實時性要求較高的I/ O 端子的信號輸出。I/ O 報文通常使用優(yōu)先級高的連接標(biāo)識符, 通過點對點或廣播方式進(jìn)行信息交換。連接標(biāo)識符提供了I/ O 報文的相關(guān)信息, 在I/ O 報文利用連接標(biāo)識符發(fā)送之前, 報文的發(fā)送和接受設(shè)備都必須先進(jìn)行設(shè)定。顯式報文則適用于兩個設(shè)備間多用途的點對點報文傳遞, 是典型的請求 響應(yīng)通訊方式, 常用于節(jié)點的配置、問題診斷等。顯示報文通常使用優(yōu)先級低的連接標(biāo)識符, 并且該報文的相關(guān)信息包含在顯示報文數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)場中, 包括要執(zhí)行的服務(wù)和相關(guān)對象的屬性及地址。DeviceNet 為長度大于8字節(jié)的報文提供了分段服務(wù)。以I/ O 報文為例, I/ O 報文經(jīng)過分割形成I/ O 報文片段時, 數(shù)據(jù)場中有一位由報文分割協(xié)議使用。而長度小于8 字節(jié)的I/ O 報文可以直接加在數(shù)據(jù)場中一次傳送。對于顯示報文, 也可以進(jìn)行分段。分段服務(wù)為設(shè)備網(wǎng)提供了更多的可擴展性和兼容性, 保證了將來更加復(fù)雜、更智能化的設(shè)備可以加入到設(shè)備網(wǎng)中。DeviceNet 采用了面向?qū)ο蟮募夹g(shù), 對象模型為管理和實現(xiàn)DeviceNet 產(chǎn)品組件的屬性(數(shù)據(jù)) , 服務(wù)(方法或步驟) 和行為提供了一個模板。對象提供了由4 個數(shù)字組成的尋址方案。它們分別是節(jié)點地址(MAC ID) , 對象類標(biāo)識符, 實例編號和屬性編號。這四級地址與顯式報文連接相結(jié)合, 將數(shù)據(jù)從DeviceNet 網(wǎng)絡(luò)上的一點傳送到另一點。設(shè)備網(wǎng)面向?qū)ο蟮脑O(shè)計和編址方式使設(shè)備網(wǎng)可以在不改變基本的協(xié)議和連接模型的基礎(chǔ)上無限制的擴展其能力。DeviceNet 在應(yīng)用層信息中還增加了對設(shè)備應(yīng)用數(shù)據(jù)的描述, 它通過定義標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備模型促進(jìn)不同廠商設(shè)備之間的互操作性。設(shè)備描述主要包括設(shè)備的各種特定數(shù)據(jù), 如設(shè)備類型、廠家、節(jié)點地址和通信速率等。屬于同一設(shè)備模型的所有設(shè)備都必須支持共同的標(biāo)識和通訊狀態(tài)數(shù)據(jù)。DeviceNet 采用了兩種通信機制: 非連接消息管理模式和預(yù)定義主/ 從連接模式。前者充分體現(xiàn)了DeviceNet 的開放性, 允許動態(tài)配置設(shè)備間的連接,但對微處理器的計算能力提出了很高的要求。對于不需要使用這一功能的設(shè)備, 則采用后者。預(yù)定義主/從連接的連接標(biāo)識符, 簡化了主/ 從結(jié)構(gòu)中I/ O 和配置型數(shù)據(jù)的傳送。 CANOpenCANOpen 是基于CAN 總線系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)。它是由CiA 特別興趣組使用CAL 提供的通訊服務(wù)的一個子集進(jìn)行開發(fā)的, CAL 已被CiA 標(biāo)準(zhǔn)化。CANOpen 甚至可以在具有低計算性能和存儲能力的設(shè)備中使用。CANOpen 應(yīng)用層和通信行規(guī)(CiA DS 301 和CiADSP302) 既支持對設(shè)備參數(shù)的直接存取, 也支持對時間苛求的過程數(shù)據(jù)通信。在CANOpen 網(wǎng)絡(luò)中附加預(yù)定義對等通訊能力, 所有的站點是對等的, 數(shù)據(jù)交換可以直接由站(設(shè)備) 之間組織。CANOpen 支持的傳輸速率為20 kbps、125 kbps、500 kbps 和1 Mbps 。CANOpen 設(shè)備結(jié)構(gòu)的大部分與其它總線系統(tǒng)相對應(yīng),所以對應(yīng)用程序開發(fā)者來講很容易使用。對于面向網(wǎng)絡(luò)的通信對象, 標(biāo)識符的地址分配是系統(tǒng)設(shè)計中的一個主要方面。為了減少組態(tài)