【正文】 對較重的情況下，RS485 總線系統(tǒng)有可能無法達(dá)到較好的通訊效果。 (3) LONWORKS 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） CAN 總線技術(shù)研究 9 局部操作網(wǎng)絡(luò) (Local Operating Network)是由美國 Echelon 公司推出并由它與摩托羅拉、東芝公司共同倡導(dǎo)，于 1990 年正式公布而形成的。它采用了 ISO/OSI 模型的全部七層協(xié)議，應(yīng)用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡化為參數(shù)設(shè)置，其通信速率從 300bps至 ，直接通信距離可達(dá) 62700m(78kbps，雙絞線 )；支持雙 絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等多種介質(zhì)，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。 LonWorks技術(shù)所采用的 LonTalk協(xié)議被封裝在稱之為 Neuron的神經(jīng)元芯片中而得以實(shí)現(xiàn)。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。 Echelon 公司同時(shí)提供了一套開發(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)器開發(fā)出適合各自領(lǐng)域的系統(tǒng)和產(chǎn)品。 (4) PROFI BUS PROFIBUS 是納入德國國家標(biāo)準(zhǔn) DIN19245 和歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN50170 的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。由 DP， FMS， PA 組成了 PROFIBUS 系列。 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。 FMS 意為現(xiàn)場信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。而隊(duì)型則是用于過程自動(dòng)化的總線類型，它遵從 IEC11582標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)技術(shù)是由西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的，采用了OSI 模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。傳輸速率為 ～ 12Mbps，最大傳輸距離在 12Mbps 時(shí)為 100m， 時(shí)為 400m，可用中繼器延長至 10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線、光纜。最多可掛接 127 個(gè)站點(diǎn)。 (5) CAN CAN 是控制器局域網(wǎng)絡(luò) (Controller Area Network)的簡稱，最早由德國的 BOSCH 公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件間的數(shù)據(jù)通信。后來逐步發(fā)展到用于其它工業(yè)領(lǐng)域的控制。其總線規(guī)范己被納入國際標(biāo)準(zhǔn) ISO11898。 CAN 協(xié)議建立在 ISO/OSI 七層網(wǎng)絡(luò)模型基礎(chǔ)之上，不過其模型結(jié)構(gòu)只取了 OSI 底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂層的應(yīng)用層三層。 CAN 總線的信號傳輸介質(zhì)可為雙絞線、同 軸電纜或光纖。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)?？蓲旖釉O(shè)備數(shù)最多可達(dá) 110 個(gè)。 CAN 的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為 8 個(gè)，因而傳輸時(shí)間短，受干擾概率低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉功能，以切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使總線上的其他節(jié)點(diǎn)及其通信不受影響，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 [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 總線來進(jìn)行分布式測量研究。 CAN 總線的主要特點(diǎn) 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） CAN 總線技術(shù)研究 10 (1)CAN 總線具有點(diǎn)對點(diǎn)，一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣 播傳送數(shù)據(jù)的功能，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜和光纖，通信距離最遠(yuǎn)可達(dá) l0km(速率為 5kbps 時(shí) )，最高速率可達(dá) 1Mbps(通信距離可達(dá) 40m)； (2)CAN 總線廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊 (報(bào)文 )進(jìn)行編碼，采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由 11 位 (標(biāo)準(zhǔn)幀 )或 29 位 (擴(kuò)展幀 )二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義 211 或 229 個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊。這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可以使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。 (3)網(wǎng)絡(luò)上任意 一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以主動(dòng)地向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，是一種多主總線。網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)可以定義成不同的優(yōu)先級，實(shí)現(xiàn)了無破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的仲裁。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；通過報(bào)文的不同優(yōu)先級，可以滿足不同的實(shí)時(shí)要求。 (4)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)字段長度最多為 8 個(gè)字節(jié)，這樣不僅可以滿足工控領(lǐng)域中傳送控制命令、工作狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)的一般要求，同時(shí)， 8個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線時(shí)間過長，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性，并且受干擾概率低。 (5)在每 一幀中都有 CRC 校驗(yàn)、總線監(jiān)測、位填充及其報(bào)文格式檢查等檢錯(cuò)措施，數(shù)據(jù)差錯(cuò)率低。 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，對于短暫擾動(dòng)， CAN 給予錯(cuò)誤標(biāo)定并重發(fā)，對錯(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。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） CAN 總線技術(shù)研究 11 CAN 是根據(jù)復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的，具有強(qiáng)有力的檢錯(cuò)能力，且可以在臨界高噪聲干擾環(huán)境下使用，使得 CAN 總線的應(yīng)用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多種網(wǎng)絡(luò)。在國外，尤其是在美國及歐洲， CAN 總線已被廣泛應(yīng)用于高檔汽車、火 車、船舶、醫(yī)療器械、建筑管理、樓宇自動(dòng)化、機(jī)械制造、數(shù)控機(jī)床、紡織機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、液壓傳動(dòng)、消防管理、傳感器、自動(dòng)化儀表、環(huán)境控制、機(jī)器人技術(shù)等領(lǐng)域。國內(nèi)外應(yīng)用CAN 技術(shù)新的研究正在蓬勃發(fā)展，并不斷有新的應(yīng)用產(chǎn)生。 [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)。兩節(jié)點(diǎn)間的最大距離如表 1所示。 表 1 CAN 總線系統(tǒng)的最大傳輸距離與位速度的關(guān)系 位速率（ bps） 1M 500k 250k 125k 100k 50k 20k 10k 5k 最大總路線長度（ m） 40 130 270 530 620 10k CAN 總線物理上由兩根線 VCANH和 VCANL構(gòu)成。 CAN 上的總線數(shù)值為兩種互補(bǔ)邏輯數(shù)值之一：顯性或隱性。顯性 (Dominant)數(shù)值表示邏輯 0，而隱性 (Recessive)表示邏輯 1。在隱性狀態(tài)下， VCANH 和 VCANL 被固定于平均電壓電平， Vdiff 近似為 0。在總線空閑或隱性位期間，發(fā)送隱性狀態(tài)。顯性狀態(tài)以大于最小閾值的差分電壓表示。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。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（帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問技術(shù)）的無破壞沖突檢測。顯性位和隱性位的電壓如圖 3所示。在顯性位期間，顯性狀態(tài)改寫隱性狀態(tài)并發(fā)送。 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)。 FSM 把消息按位排列。在不同類型的幀發(fā)送或者接收時(shí)， FSM 不斷改變自己的狀態(tài)。有限狀態(tài)器串行控制發(fā)送 /接收移位寄存器， CRC 寄存器以及總線上的串行數(shù)據(jù)。 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。 FSM 確定在接收數(shù)據(jù)、仲裁、傳輸以及發(fā)錯(cuò)誤信號的所有過程都嚴(yán)格符合 CAN 協(xié)議?？偩€上信息的自動(dòng)重發(fā)也是由 FSM 處理。 CAN 總線的分層結(jié)構(gòu) CAN 遵從 OSI 模型，按照 OSI 基準(zhǔn)模型， CAN 結(jié)構(gòu)劃分為兩層 [23][31]：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。 其中，數(shù)據(jù)鏈路層又分為： 邏輯鏈路控制 (LLCLogic Link Control)； 媒體訪問控制 (MACMedium Access Control)。 邏輯鏈路控制 (LLC)子層 LLC 子層提供的功能包 括：幀接收過濾，超載通告和恢復(fù)管理。 幀接收過濾：幀內(nèi)容由標(biāo)識(shí)符標(biāo)出。標(biāo)識(shí)符并不能指明幀的目的地，但描述數(shù)據(jù)的含義。每個(gè)接收器通過幀接收濾波確定此幀與其是否有關(guān)。 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 LLC子層開始發(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)幀或遠(yuǎn)程幀。 恢復(fù)管理：發(fā)送期間，對于丟失仲裁或被錯(cuò)誤干擾的幀， LLC 子層具有自動(dòng)重發(fā)送功能。 媒體訪問控制 (MAC)子層 MAC 子層功能由如圖 4 所示的功能模型描述，在此模型中將 MAC 子層劃分為完全獨(dú)立工作 的兩部分，即發(fā)送部分和接收部分。 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 LLC 子層發(fā)送的認(rèn)可報(bào)文。 MAC 子層可響應(yīng)報(bào)文幀、仲裁、應(yīng)答、錯(cuò)誤檢測和標(biāo)定。 MAC 子層由被稱為故障界定的一個(gè)管理實(shí)體監(jiān)控，它具有永久識(shí)別故障或短暫擾動(dòng)的自檢機(jī)制。 MAC 子層特性不存在修改的靈活性。 東華理工大學(xué)長江學(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型的幀出現(xiàn)和控制。 [24]其中：數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)由發(fā)送器傳至接收器；遠(yuǎn) 程幀由節(jié)點(diǎn)發(fā)送，以請求發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀：出錯(cuò)幀可由任何節(jié)點(diǎn)發(fā)送，以檢測總線錯(cuò)誤，而超載幀用于提供先前和后續(xù)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀之間的附加延時(shí)。另外，數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀以幀間空間與先前幀隔開。 MAC 數(shù)據(jù)幀 有兩種類型的數(shù)據(jù)幀：標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀。它們的區(qū)別在于標(biāo)識(shí)符長度不一樣。標(biāo)準(zhǔn)幀是 11 位標(biāo)識(shí)符，擴(kuò)展幀是 29 位標(biāo)識(shí)符。一個(gè) MAC 數(shù)據(jù)幀由七個(gè)不同位場構(gòu)成，如圖 5 所示，它們是：幀起始 (SOFStart Of Frame)、仲裁場、控制場 (兩位保留位+DLC 場 )、數(shù)據(jù)場、 CRC 場、 ACK 場和幀結(jié)束 (EOFEnd Of Frame)。 幀起始 仲裁場 控制場 數(shù)據(jù)場 CRC場 ACK場 幀結(jié)束 圖 5 MAC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀 (1) 幀起始 (SOF)：標(biāo)志數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的起始，它由單個(gè)顯性位構(gòu)成。只有當(dāng)總線為空閑狀態(tài)時(shí)，才允許節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送，所有節(jié)點(diǎn)必須同步于首先開始發(fā)送節(jié)點(diǎn)幀起始引起的上升沿。 (2) 仲裁場：仲裁場由來自 LLC 子層的標(biāo)識(shí)符和 RTR(Remote TransmissionRequest，遠(yuǎn)程傳送請求 )位構(gòu)成。在 MAC 數(shù)據(jù)， RTR 中， RTR 位數(shù)值為 0。 對物理接口訪問 對 LLC 子層訪問 接收數(shù)據(jù)封裝 發(fā)送數(shù)據(jù)封裝 發(fā)送媒體訪問管理 接收媒體訪問管理 接收數(shù)據(jù)解碼 發(fā)送數(shù)據(jù)解碼 LLC 子層 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） CAN 總線技術(shù)研究 14 (3) 控制場：控制場由六位構(gòu) 成，包括兩位用于擴(kuò)展的保留位。接收器接收 0和 1 位作為所有組合中的保留位。在定義保留位功能前，發(fā)送器只送 0 位。 (4) 數(shù)據(jù)場： MAC 數(shù)據(jù)場與 LLC 數(shù)據(jù)場格式相同。 (5) CRC 場： CRC 場包括 CRC 序列，后隨 CRC 界定符。 CRC 序列后隨的 CRC 界定符由單個(gè)隱性位構(gòu)成。 (6) ACK 場： ACK 場為兩位： ACK 隙和 ACK 界定符。發(fā)送節(jié)點(diǎn)的 ACK 場中，送出兩個(gè)隱性位；所有接收到匹配 CRC 序列的節(jié)點(diǎn)，以顯性位改寫發(fā)送器的隱性位送出一個(gè)應(yīng)答。 ACK 界定符為 ACK 場的第二位，必須是隱性位，因此， ACK 隙被兩個(gè) 隱性位(ACK 界定符和 CRC 界定符 )所包圍。 (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。 MAC 遠(yuǎn)程幀 一般來說，數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)發(fā)送方主動(dòng)發(fā)起。比如一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出自己的數(shù)據(jù)幀。但是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)也可以主動(dòng)向源節(jié)點(diǎn)請求數(shù)據(jù)。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。源節(jié)點(diǎn)收到遠(yuǎn)程幀后，將向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀作為響應(yīng)。遠(yuǎn)程幀與數(shù)據(jù)幀有兩個(gè)地方不一樣：首先， RTR 位是隱性，其次，遠(yuǎn)程幀沒有數(shù)據(jù)場。一個(gè)遠(yuǎn)程幀由 6 個(gè)不同位場構(gòu)成：幀起始 (SOF)、仲裁場、控制場 (兩位保留位 +DLC 場 )、CRC 場、 ACK 場、幀結(jié)束 (EOF)，如圖 6 所示。 幀起始 仲裁場 控制場 CRC場 ACK場 幀結(jié)束 圖 6 MAC遠(yuǎn)程幀 其中，仲裁場由來自 LLC 子層的標(biāo)識(shí)符場和 RTR 位構(gòu)成。在 MAC 數(shù)據(jù)幀中， RTR位數(shù)值為 1。幀起始 (SOF)、控制場、 CRC 場、 ACK 場和幀結(jié)束 (EOF)等位場均與 MAC數(shù)據(jù)幀的相應(yīng)位場相同。 若數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀同時(shí)在總線上發(fā)送時(shí)，由于數(shù)據(jù)幀在標(biāo)識(shí)碼后一位是顯性位，而遠(yuǎn)程幀是隱性位，數(shù)據(jù)幀將贏得仲裁而優(yōu)先發(fā)送。 出錯(cuò)幀 出錯(cuò)幀由兩個(gè)不同場構(gòu)