【文章內(nèi)容簡介】 義了一個報文靜態(tài)的優(yōu)先權(quán)。遠程數(shù)據(jù)請求——通過發(fā)送一個遠程幀，需要數(shù)據(jù)的節(jié)點可以請求另一個節(jié)點發(fā)送一個相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀，該數(shù)據(jù)幀與對應(yīng)的遠程幀以相同標識符ID命名。多主站——當(dāng)總線開放時，任何的單元均可開始發(fā)送報文，發(fā)送具有最高優(yōu)先權(quán)的報文單元，贏得總線的訪問權(quán)。仲裁——當(dāng)總線開放時，任何的單元均可開始發(fā)送報文，若同時有兩個或更多的單元開始發(fā)送，總線仲裁運用逐位仲裁規(guī)則，借助標識符ID解決。這種仲裁可以使信息和時間均無損。若具有相同標識符的一個數(shù)據(jù)幀和一個遠程幀同時發(fā)送，數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠程幀。仲裁期間，每一個發(fā)送器都對發(fā)送位電平與總線上檢測到的電平進行比較，若相同則該單元可繼續(xù)發(fā)送，若發(fā)送一個“隱性”電平，檢測到一個“顯性”電平，該單元退出仲裁，并不再傳送后續(xù)位。安全性——為獲得盡可能高的數(shù)據(jù)傳送安全性，在每個CAN節(jié)點中均設(shè)有錯誤檢測、標定和自檢的強有力的措施。檢測錯誤的措施包括：發(fā)送自檢、循環(huán)冗余校驗、位填充和報文格式檢查。出錯標注和恢復(fù)時間——已損報文由檢出錯誤的任何節(jié)點進行標注。這樣的報文將失效，并自動進行重發(fā)。如果不存在新的錯誤，自檢出的錯誤至下一個報文開始發(fā)送的恢復(fù)時間最多為29個位時間。故障界定——CAN節(jié)點有能力識別永久性故障和短暫擾動，可自動關(guān)閉故障節(jié)點。應(yīng)答——所有接收器均對接收報文的相容性進行檢查，回答一個相容報文，并標注一個不相容的報文。睡眠方式及喚醒——為降低系統(tǒng)功耗，CAN器件可被置于無任何內(nèi)部活動的睡眠方式，相當(dāng)于未連接總線的驅(qū)動器。睡眠狀態(tài)借助任何總線激活或者系統(tǒng)的內(nèi)部條件被喚醒而告終。在總線驅(qū)動器再次置于在線狀態(tài)之前，為喚醒內(nèi)部活動重新開始，傳輸層將等待系統(tǒng)振蕩器至穩(wěn)定狀態(tài)，并一直等待至其自身同步于總線活動(通過檢查11個連續(xù)的隱位)。為喚醒系統(tǒng)內(nèi)仍處于睡眠狀態(tài)的其他節(jié)點，可使用具有最低可能標識符的專用喚醒報文：rrr rrrd rrrr，其中，r為隱位，d為顯位?！AN總線的位數(shù)值表示與通信距離CAN中的總線數(shù)值為兩種互補邏輯值之一：顯性或隱性。顯性數(shù)值表示邏輯0，而隱性數(shù)值表示邏輯1。如圖31，顯性和隱性位同時發(fā)送時，最后總線數(shù)值將是顯性。在隱性狀態(tài)下，VCAN_L和VCAN_H被固定于平均電壓電平，Vdiff近似等于零；在總線空閑或隱性位期間，發(fā)送隱性狀態(tài)。在顯性位期間，顯性狀態(tài)改寫隱性狀態(tài)并發(fā)送。平均電壓電平UCAN系統(tǒng)內(nèi)兩個任意節(jié)點之間的最大傳輸距離與其位速率有關(guān)，見表31，這里的最大的通信距離是指在同一條總線上兩個節(jié)點之間的距離。圖31　CAN總線位數(shù)值表示表31　CAN系統(tǒng)任意兩個節(jié)點之間的最大傳輸距離位速率最大總線長度總線定時BTROBTR11Mbps40m00H14H500kbps130m00H1CH250kbps270m0lH1CH125kbps530m03H1CH100kbps620m43H2FH50kbps47H2FH20kbps53H2Fh10kbps67H2FH5kbps10km7FH7FH　CAN總線分層結(jié)構(gòu)CAN遵從OSI模型，CAN結(jié)構(gòu)劃分為兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，如圖32所示。物理層是將ECU連接至總線的電路實現(xiàn)，ECU的總數(shù)將受限于總線上的電氣負載。數(shù)據(jù)鏈路層劃分為邏輯鏈路控制（LLC）和媒體訪問控制（MAC）兩部分。邏輯鏈路控制子層提供的功能包括：幀接收濾波，超載通知和恢復(fù)管理。媒體訪問控制子層劃分為發(fā)送部分和接收部分，發(fā)送部分功能包括發(fā)送數(shù)據(jù)封裝和發(fā)送媒體訪問管理，接收部分功能包括接收媒體訪問管理和接收數(shù)據(jù)卸裝。物理層劃分為物理信令（PLS）、物理媒體附屬裝置（PMA）和媒體相關(guān)接口（MDI）三個部分。物理信令實現(xiàn)與位表示、定時和同步相關(guān)的功能；物理媒體附屬裝置子層實現(xiàn)總線發(fā)送/接收的功能電路并提供總線故障監(jiān)測方法；媒體相關(guān)接口實現(xiàn)物理媒體和媒體訪問單元（MAU）之間的機械和電氣接口。圖32　CAN總線分層結(jié)構(gòu)和功能　CAN總線應(yīng)用系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖33為一個CAN總線應(yīng)用系統(tǒng)，主要有主機和各節(jié)點組成，主機和節(jié)點之間通過CAN收發(fā)器及CAN控制器相連，單個節(jié)點包括一個單片機控制器、一個CAN收發(fā)器和一個CAN控制器。其中一個典型的應(yīng)用是：主機接收各節(jié)點發(fā)送的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，如現(xiàn)場溫度、電流或壓力等參數(shù)，主機經(jīng)過綜合計算、判斷作出相應(yīng)的控制命令，這些命令將通過CAN總線傳送至各節(jié)點。各節(jié)點由單片機作為控制器，它用于采集現(xiàn)場的各項參數(shù)，并執(zhí)行主機發(fā)送的各項命令，這些命令將最終傳送至各執(zhí)行機構(gòu)，如閥門、電機或泵等。圖33　CAN總線應(yīng)用系統(tǒng)　CAN總線技術(shù) 位仲裁要對數(shù)據(jù)進行實時處理，就必須將數(shù)據(jù)快速傳送，這就要求數(shù)據(jù)的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個站同時需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，要求快速地進行總線分配。實時處理通過網(wǎng)絡(luò)交換的緊急數(shù)據(jù)有較大的不同。一個快速變化的物理量，如汽車引擎負載，將比類似汽車引擎溫度這樣相對變化較慢的物理量更頻繁地傳送數(shù)據(jù)并要求更短的延時。CAN總線以報文為單位進行數(shù)據(jù)傳送，報文的優(yōu)先級結(jié)合在11位標識符中，具有最低二進制數(shù)的標識符有最高的優(yōu)先級。這種優(yōu)先級一旦在系統(tǒng)設(shè)計時被確立后就不能再被更改?？偩€讀取中的沖突可通過位仲裁解決。當(dāng)幾個站同時發(fā)送報文時，站1的報文標識符為0111111；站2的報文標識符為0100110；站3的報文標識符為0100111。所有標識符都有相同的兩位01，直到第3位進行比較時，站1的報文被丟掉，因為它的第3位為高，而其它兩個站的報文第3位為低。站2和站3報文的6 位相同，直到第7位時站3的報文才被丟失。注意，總線中的信號持續(xù)跟蹤最后獲得總線讀取權(quán)的站的報文。在此例中，站2的報文被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優(yōu)點在于，在網(wǎng)絡(luò)最終確定哪一個站的報文被傳送以前，報文的起始部分已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)上傳送了。所有未獲得總線讀取權(quán)的站都成為具有最高優(yōu)先權(quán)報文的接收站，并且不會在總線再次空閑前發(fā)送報文。CAN具有較高的效率是因為總線僅僅被那些請求總線懸而未決的站利用，這些請求是根據(jù)報文在整個系統(tǒng)中的重要性按順序處理的。這種方法在網(wǎng)絡(luò)負載較重時有很多優(yōu)點，因為總線讀取的優(yōu)先級已被按順序放在每個報文中了，這可以保證在實時系統(tǒng)中較低的個體隱伏時間。對于主站的可靠性，由于CAN協(xié)議執(zhí)行非集中化總線控制，所有主要通信，包括總線讀取(許可)控制，在系統(tǒng)中分幾次完成。這是實現(xiàn)有較高可靠性的通信系統(tǒng)的唯一方法　CAN與其它通信方案的比較在實踐中，有兩種重要的總線分配方法：按時間表分配和按需要分配。在第一種方法中，不管每個節(jié)點是否申請總線，都對每個節(jié)點按最大期間分配。由此，總線可被分配給每個站并且是唯一的站，而不論其是立即進行總線存取或在一特定時間進行總線存取。這將保證在總線存取時有明確的總線分配。在第二種方法中，總線按傳送數(shù)據(jù)的基本要求分配給一個站，總線系統(tǒng)按站希望的傳送分配。因此，當(dāng)多個站同時請求總線存取時，總線將終止所有站的請求，這時將不會有任何一個站獲得總線分配。為了分配總線，多于一個總線存取是必要的。CAN實現(xiàn)總線分配的方法，可保證當(dāng)不同的站申請總線存取時，明確地進行總線分配。這種位仲裁的方法可以解決當(dāng)兩個站同時發(fā)送數(shù)據(jù)時產(chǎn)生的碰撞問題。不同于Ethernet網(wǎng)絡(luò)的消息仲裁，CAN的非破壞性解決總線存取沖突的方法，確保在不傳送有用消息時總線不被占用。甚至當(dāng)總線在重負載情況下，以消息內(nèi)容為優(yōu)先的總線存取也被證明是一種有效的系統(tǒng)。雖然總線的傳輸能力不足，所有未解決的傳輸請求都按重要性順序來處理。在CSMA/CD這樣的網(wǎng)絡(luò)中，如Ethernet，系統(tǒng)往往由于過載而崩潰，而這種情況在CAN中不會發(fā)生?！AN的報文格式及其幀結(jié)構(gòu)CAN協(xié)議支持兩種報文格式，標準格式和擴展格式。其唯一的不同是標識符(ID)長度不同，標準格式為11位，擴展格式為29位。在標準格式中，報文的起始位稱為幀起始(SOF)，然后是由11位標識符和遠程發(fā)送請求位(RTR)組成的仲裁場。RTR位標明是數(shù)據(jù)幀還是遠程幀，在遠程幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)?？刂茍霭俗R符擴展位(IDE)，指出是標準格式還是擴展格式。它還包括一個保留位(ro)，為將來擴展使用。它的最后四個字節(jié)用來指明數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)的長度(DLC)。數(shù)據(jù)場范圍為0～8個字節(jié)，其后有一個檢測數(shù)據(jù)錯誤的循環(huán)冗余檢查(CRC)。應(yīng)答場(ACK)包括應(yīng)答位和應(yīng)答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平(邏輯1)，這時正確接收報文的接收站發(fā)送主控電平(邏輯0)覆蓋它。用這種方法，發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡(luò)中至少有一個站能正確接收到報文。報文的尾部由幀結(jié)束標出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位，如果這時沒有站進行總線存取，總線將處于空閑狀態(tài)。報文傳送由四種不同類型的幀表示和控制：數(shù)據(jù)幀攜帶數(shù)據(jù)由發(fā)送器到接收器：遠程幀通過總線單元發(fā)送，以請求發(fā)送具有相同標識符的數(shù)據(jù)幀；出錯幀由檢測出總線錯誤的任何單元發(fā)送；超載幀用于提供當(dāng)前和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀的附加延遲。數(shù)據(jù)幀和遠程幀借助幀空間與當(dāng)前幀分開。下面分別予以介紹。（1） 數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、應(yīng)答場和幀結(jié)束。數(shù)據(jù)場的長度可為0。圖34　數(shù)據(jù)幀組成，其主要區(qū)別在于標識符的長度，具有11位標識符的幀稱為標準幀，如圖35所示；而包含29位標識符的幀稱為擴展幀，如圖36所示。圖35　標準格式數(shù)據(jù)幀圖36　擴展格式數(shù)據(jù)幀，報文濾波以整個標識符為基準。屏蔽寄存器可用于選擇一組標識符，以便映像于接收緩沖器中，屏蔽寄存器的每一位都是可編程的。它的長度可以是整個標識符也可是標識符的一部分。（2） 遠程幀作為數(shù)據(jù)接收器的站可以通過發(fā)送一個遠程幀初始化各自的源節(jié)點數(shù)據(jù)的發(fā)送。遠程幀的RTR位是隱位，且不存在數(shù)據(jù)場。DLC的數(shù)據(jù)是獨立的，它可以是08中的任何數(shù)值，這一數(shù)值為對應(yīng)的數(shù)據(jù)幀的DLC。（3） 出錯幀出錯幀由兩個不同場組成，第一個場由來自各站的錯誤標志疊加得到，后隨的第二個場是出錯界定符。出錯幀的組成如圖37所示。圖37　出錯幀組成錯誤標志具有兩種形式，一種是活動錯誤標志；一種是認可錯誤標志?；顒渝e誤標志由6個連續(xù)的顯位組成，而認可錯誤標志由6個連續(xù)的隱位組成，除非被來自其他節(jié)點的顯位沖掉重寫。出錯界定符包括8個隱位，出錯標志發(fā)送后，每個站都發(fā)送一個隱位，并監(jiān)視總線，直到檢測到隱位，此后開始發(fā)送剩余的7個隱位。（4） 超載幀超載幀包括兩個位場：超載標志和超載界定符，如圖38所示。圖38　超載幀組成存在兩種導(dǎo)致發(fā)送超載標志的超載條件：一是要求延遲下一個數(shù)據(jù)幀或遠程幀的接收器的內(nèi)部條件；另一個是在間歇場內(nèi)檢測到顯位。由前一個超載條件引起的超載幀起點，僅允許在期望間歇場的第一位時間開始，而由后一個條件引起的超載幀在檢測到顯位的后一位開始。在大多數(shù)情況下，為延遲下一個數(shù)據(jù)幀或遠程幀，兩種超載條件均可產(chǎn)生。超載標志由6個顯位組成。全部形式對應(yīng)于活動錯誤標志形式。超載標志形式破壞了間隙場的固定格式，因而，所有其他站都將檢測到一個超載條件，并且由它們開始發(fā)送超載標志(在間歇場第三位期間檢測到顯位的情況下，節(jié)點將不能正確理解超載標志，而將6個顯位的第一位理解為幀起始)，第6個顯位違背了引起出錯條件的位填充規(guī)則。超載界定符由8個隱位組成，與錯誤界定符具有相同的形式。發(fā)送超載標志后，站監(jiān)視總線直到檢測到由顯位到隱位的發(fā)送。在此站點上，總線上的每一個站均完成送出其超載標志，并且所有站一致地開始發(fā)送剩余的7個隱位。（5） 幀間空間數(shù)據(jù)幀和遠程幀同前述的任何幀(數(shù)據(jù)幀、遠程幀、出錯幀、超載幀)以稱之為幀間空間的位場隔開。與此相反，超載幀和錯誤幀前面不存在幀間空間，且多個超載幀也不用幀間空間分隔。幀間空間包括間歇場和總線空閑場，對于前面己發(fā)送報文的“錯誤認可”站還有暫停發(fā)送場。如圖39所示。圖391　非“錯誤認可”幀間空間圖392　“錯誤認可”幀間空間間歇場由3個隱位組成。間歇期間不允許發(fā)送數(shù)據(jù)幀或遠程幀，它僅起標注超載幀條件的作用。總線空閑周期可以是任意長度。此時總線是開放的，任意發(fā)送節(jié)點可以訪問總線。在其他報文發(fā)送期間被掛起的待發(fā)送的報文緊隨間歇場從第一位開始發(fā)送，此時，總線上的顯位被理解為幀起始。暫停發(fā)送場是指：錯誤認可站發(fā)送完一個報文后，開始在下一次報文發(fā)送或認可總線空閑之前，它緊隨間歇場后發(fā)送出8個隱位。如果其間開始一次發(fā)送(由其它站引起)，本站將變?yōu)閳笪慕邮掌鳌?　系統(tǒng)的硬件設(shè)計　智能節(jié)點整體設(shè)計CAN是一種串行通信協(xié)議，因其具有高度的可靠性和數(shù)據(jù)完整性。無論是高速網(wǎng)絡(luò)還是低成本多節(jié)點系統(tǒng)，CAN都有用武之地。特別適合于分布式實時控制系統(tǒng)，其波特率可高達1 Mb/s。為達到設(shè)計透明性和實現(xiàn)靈活性，CAN分為3層：目標層、傳輸層和物理層。其中目標層和傳輸層的功能包含了所有ISO/ OSI模型中數(shù)據(jù)鏈路層的功能；物理層的功能實際上是依據(jù)電氣特性在所有不同節(jié)點間傳輸數(shù)據(jù)。通常此3層是用CAN控制器和CAN收發(fā)器實現(xiàn)的，這樣網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層就可以用主控制器(如微處理器)來實現(xiàn)。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲采用總線式結(jié)構(gòu)，可以分為兩層：現(xiàn)場控制層和過程監(jiān)控層?，F(xiàn)場控制層為系統(tǒng)的底層，由帶有CAN接口的DDS362G1（Ob型）單相電子式電能表，應(yīng)用CAN收發(fā)器采集電能數(shù)據(jù)，把采集到的電能數(shù)據(jù)送到總線上，供其他節(jié)點接收。過程監(jiān)控層是現(xiàn)場控制層的上一層，接收由控制層傳輸上來的所需的生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)，以及向該層發(fā)送操作命令，以便運行人員對整個生產(chǎn)過程進行監(jiān)控。過程監(jiān)控層主要由兩部分構(gòu)成：CAN適配器和上位機。其中CAN適配器一端和總線相連，完成和CAN總線的通信；另一段和上位機連接，完成和上位機的通信。它的主要功能是將上位機的操作信號和控制參數(shù)傳送給指定的CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，同時，將節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸給上位機做進一步處理。它和上位機之間的通信是通過RS232串行口和上位機進行數(shù)據(jù)交換。這種方法雖然傳輸速度低，但結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、價格低廉，因此