CAN总线技术及系统应用

1、CAN总线技术及系统应用摘要:现场总线是近20年发展起来的新技术,CAN总线是一种应用广泛的现场总线,在工业测控和工业自动化等领域有很大的应用前景。文章在分析和总结相关文献的基础上,讨论了CAN总线的主要特点，CAN节点的分层结构、电气参数,较为详细的介绍了有关CAN系统应用分析。最后根据有关文献和目前的应用状况,展望了CAN总线的发展趋势和应用领域。关键词:现场总线;CAN总线;现场总线控制系统CAN fieldbus technology and system applicationsAbstract: Fieldbus is a new technology developed in r

2、ecent 20 years。The CAN is a kind of fieldbus that is widely used。It has a good application future in the field of industrial controlling and automatization。Based on related materials，the main features of CAN fieldbus、the hierarchical structure and the electrical parameter of CAN nodes are discussed。

3、A more detailed introduction to the related CAN system application analysis。In the end，the developing direction and applications of CAN are forecasted according to relative references and its recent conditions of applications。Key words: fieldbus；CAN；fieldbus control system1. CAN总线简介CAN总线又称作汽车总线,其全称为

4、为“控制器局域网(Controller Area Network)”,是20世纪80年代初德国BOSCH公司为解决现代汽车中众多的电控单元(ECU)之间的数据交换而开发的一种串行通信协议。随后，CAN总线以其独特的设计，低成本、高可靠性、抗干扰能力强等特点得到广泛应用。其应用范围已不再局限于汽车行业，而向工程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗机械及传感器等领域发展。数据在串联总线上可以一个接一个的传送,所有参加CAN总线的分系统都可以通过其控制单元上的CAN总线接口进行数据的发送和接收,CAN总线是一个多路传输系统,当某一单元出现故障时不会影响其他单元的工作,CAN总线

5、对不同数据的传输速率不一样,对发动机电控系统和ABS等实时控制用数据实施高速传输,速率为125K波特1M波特,对车身调节系统(如空调)的数据实施低速传输,传输速率在10125K波特,其他如多媒体系统和诊断系统则为中速传输,速率在两者之间,这样的区分提高了总线的传输效率。2 CAN总线特点CAN属于总线式通讯系统，作为一种被广泛应用的现场总线，由于其采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，拥有很多其他总线所没有的特点，概括如下：(1)CAN为多主工作方式,网络上的任意节点在任意时刻都可以主动地向其他节点发送信息,不分主从,方式灵活

6、。(2)CAN网络节点可以安排优先级顺序,以满足和协调各自不同的实时性要求。(3)采用非破坏性的总线仲裁技术,多点同时发送信息时,按优先级顺序通信,节省总线冲突仲裁时间,避免网络瘫痪。（4）可以进行点对点、一点对多点和全域广播方式传递信息。(5)通信速率最高可达1Mbps(40m以内),最长传递距离达10km(速率为5kbps以下)。(6)网络节点目前可达110个,报文标志符2032种(CAN2.0A),扩展标准(CAN2.0B)中报文标志符几乎不受限制。(7)短帧数据结构,传输时间短,抗干扰能力强,检错效果好。(8)通信介质可以用双绞线、同轴电缆或光纤。(9)网络节点在错误严重的情况下可以自

7、动关闭输出功能,脱离网络。(10)实现了标准化、规范化(国际标准ISO11898)。从CAN网络的物理结构上看，它属于总线式通讯网络，这一点与BITBUS,RS-485相似，却有着本质的区别，它与一般的网络区别体现在：（1）它是专门用于工业自动化领域的网络，不同于以太网等管理及信息处理网络。（2）其物理特性及网络协议特性更强调工业自动化底层检测及控制。（3）包含目的地址，它是以全网广播为基础，各接收站根据报文中反映数据性质的标识符过滤报文，该收下的收下，不该收的不用，其好处是可在先上网下网，即插即用和多站接收。（4）特别强化了对数据安全性的关注，满足控制系统及其它方面的系统要求。CAN的以上特

8、点，非常适应船舶液位遥测遥控系统的现场通信。基于CAN总线的船舶液位遥测遥控系统，简化了系统结构，增强了系统的可靠性，提高了船舶液位遥测遥控系统的数字化和网络化水平，具有很好的实用价值。3. CAN节点3.1 CAN节点的分层结构CAN遵从OSI模型，在OSI模型中，CAN总线标准，CANopen协议之间的关系如图1所示。CANOpen协议集CAN协议集图1 CAN和CANopen标准在OSI网络模型中的示意图按照OSI标准模型，CAN结构划分为两层：数据链路层和物理层。而数据链路层又包括逻辑链路控制子层LLC和媒体访问控制子层MAC，而在CAN技术规范2.0A的版本中，数据链路层的LLC和M

9、AC子层的服务和功能被描述为“目标层”和“传递层”。CAN的分层结构和功能如图2所示。图2 CAN的分层结构和功能各层的主要功能为：A、物理层物理层规定了CAN总线的电平为两种状态：隐性（逻辑1）和显性（逻辑0）。信号使用差分电压传送，两条信号线被称为“CANH”和“CANL”，静态时均是2.5V左右，此时状态表示为逻辑“1”，也可以叫做“隐性”。用CANH比CANL高表示逻辑“0”，称为“显性”，此时，通常电压值为：CANH=3.5V和CANL=1.5V。B数据链路层数据链路层的主要功能是将要发送的数据进行包装，即加上差错校验位、数据链路协议的控制信息、头尾标记等附加信息组成数据帧，从物理信

10、道上发送出去；在接受到数据帧后，再把附加信息去掉，得到通信数据。MAC子层MAC子层是CAN协议的核心，它一方面将来自LLC子层的报文送出去，另一方面把从总线上收到的消息提供给LLC子层。MAC子层主要负责报文组帧、仲裁、应答、错误检测和标定。MAC子层由被称为故障界定的一个管理实体所监控，这属于一种能够辨识永久故障和短暂干扰的自检机制。LLC子层LLC子层主要功能是为传送和远程数据请求提供服务，确认由LLC子层接收的报文实际已被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。MAC子层和LLC子层的关系如图3所示。图3 媒体访问控制 3.2 CAN节点的电气参数4. CAN系统应用分析从操作应用层面看

11、，技术操作人员主要是通过已经形成的生产线，依靠CAN系统完成既定的生产工作，也就是通过采集的信号的内容展示和分析结果，关注的是通过设备完成的生产操作。也就是，操作人员关注通过正确的操作方法，顺利完成生产任务。这个层面的用户是人机界面系统的最终使用者。工业人机界面系统的设计必须考虑这个层面应用的需求。系统设置层面操作应用层面CAN主站控制器CAN从站控制器2CAN从站控制器1CAN从站控制器n带CAN总线的人机界面系统现场总线CAN总线编码调试系统人机界面上位组态系统图4 CAN系统中应用分类实例图如图4所示，现场总线系统中，人机界面部分往往是体现操作应用层面。从系统设置层面看，技术人员要对现场

12、设备进行装配、设置，甚至编程。技术人员可以根据设备的说明文档，依据现场工程的需求，进行装配和设置。一般来说，每种设备都有测试或者配置软件，尤其逻辑控制设备，都配置编程软件，比如PLC，CAN设备也是如此！首先，这些软件都已经非常成熟，然后，编程通讯往往有很多不开放的技术，所以，我们必须借助于设备厂商提供的软件。这个层面的技术人员工作，往往是针对确定的I/O部分，依照明确的工艺需求，进行设备组态、系统集成等工作，关注系统集成部分，也就是根据操作应用层面的具体需求进行系统集成。如图4所示，现场总线系统中，编码调试设备和软件往往体现系统设置层面。对于人机界面的组态，我们主要是考虑操作应用层面的需求，

13、也就是关注I/O状态、控制有关的参数设置、运行结果的记录等。这些为基于HMI的现场总线控制平台的协议通讯模式的实现提供了依据。5.结束语CAN总线技术在众多领域里得到了越来越广泛的应用，被公认为是几种最有前途的现场总线之一。通过本文对CAN总线的介绍，相信基于CAN现场总线技术的智能控制系统将在更多行业中有很好的发展前景。6. 参考文献1 袁爱进,唐新明,乔毅等.CAN现场总线系列仪表一种通用化软件设计技术J.计算机工程,2001,27(4)2 尤佳,徐炜.现场总线自控系统的一项新技术J.浙江工业大学学报,2001,29(4)3 王毅,李令奇.模糊控制在现场总线控制系统中的应用J.基础自动化,2001,8(2)4 贾宝柱,任光,王冬捷等.船舶机舱综合监控系统可靠性分析及设计J.大连海事大学学报,2003,29(1)5 阳宪惠.现场总线技术及其应用M.北京:清华大学出版社,19996 徐平,高莉,蒋健.嵌入式环境下CAN卡驱动程序设计J.计算机应用,2003(4)7 邬宽明：CAN总线原理和应用系统设计，北京航空航天大学出版社，19968 熊竟如.现代信息