淺析數(shù)據(jù)通信中CAN總線技術(shù)

陳軍

（遼河油田通信公司信息檔案中心，遼寧 盤錦 124010）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，經(jīng)過(guò)了兩個(gè)世紀(jì)過(guò)程控制領(lǐng)域發(fā)生了巨大的變革。隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)的介人與發(fā)展，20世紀(jì)70年代產(chǎn)生了“集中控制”的中央控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。由于微處理器的發(fā)展十分迅速，這就讓其可以應(yīng)用于多個(gè)方面，因此數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)就能夠使用在工業(yè)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)，從而出現(xiàn)了以微處理器為核心，通過(guò)集成電路對(duì)信息進(jìn)行采集、傳輸、處理、顯示和優(yōu)化控制等功能的智能設(shè)備。這在一定程度上幫助設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)通信、控制，而且提高了設(shè)備的可靠性、精度、可操作性和可維護(hù)性等性能。

1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

將智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)連接的多站、雙向和全數(shù)字化的通信系統(tǒng)就是現(xiàn)場(chǎng)總線，其主要完成的是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信，以及受高級(jí)控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備之間的信息傳遞，或者是安裝在控制室內(nèi)的自動(dòng)控制系統(tǒng)和生產(chǎn)區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的一種串行數(shù)字式多點(diǎn)雙向通信的數(shù)據(jù)總線，或者是以單個(gè)分散的數(shù)字智能化的測(cè)量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并用總線相連接，從而達(dá)到相互交換信息共同完成自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的目的。

目前常用的現(xiàn)場(chǎng)總線主要包括：ControlNet和Ethernet/IP現(xiàn)場(chǎng)總線、TS61158現(xiàn)場(chǎng)總線、Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線、FF HSE現(xiàn)場(chǎng)總線、P-NET現(xiàn)場(chǎng)總線、world FIP現(xiàn)場(chǎng)總線、SwiftNet現(xiàn)場(chǎng)總線、FF H1現(xiàn)場(chǎng)總線、Interbus現(xiàn)場(chǎng)總線、PROFInet現(xiàn)場(chǎng)總線，以及藍(lán)牙和zlgBee無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)總線等。

2 CAN總線技術(shù)

CAN是ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化串行通信協(xié)議中的一種控制器局域網(wǎng)。CAN-bus是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的一種現(xiàn)場(chǎng)總線。在當(dāng)前的很多行業(yè)中，尤其是汽車產(chǎn)業(yè)中，人們對(duì)安全、舒適、方便、成本、公害等多方面的要求越來(lái)越高，因此多種多樣的電子控制系統(tǒng)也就逐漸的被開發(fā)出。但是各個(gè)系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型以及對(duì)系統(tǒng)的可靠性等要求各不相同，線束的數(shù)量隨著多條總線構(gòu)成情形繁多而增加，為了滿足需要，1986年德國(guó)電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN通信協(xié)議。因此最早被用作汽車環(huán)境中微控制器通信的CAN-bus則負(fù)責(zé)在車輛各電子控制裝置ECU之間實(shí)現(xiàn)信息交換，從而形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。

2.1CAN-bus作為一種多主方式的串行通信總線，其位速率較高、抗電磁干擾性較強(qiáng)、低成本的現(xiàn)場(chǎng)總線、極高的總線利用率、很遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸距離(長(zhǎng)達(dá)10km)、高速的數(shù)據(jù)傳輸速率(高達(dá)1Mbit／s)、可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文、可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制，當(dāng)檢測(cè)出產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤時(shí)，發(fā)送的信息就會(huì)遭到破壞，此時(shí)便可自動(dòng)重發(fā)等。當(dāng)信號(hào)傳輸?shù)木嚯x達(dá)到10km時(shí)，CAN-bus依然能夠提供的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)5kbit／s，因此在工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、汽車、船舶、制造業(yè)、航空工業(yè)等方面被廣泛應(yīng)用。并且由于CAN等通信協(xié)議的開發(fā)，使得多種LAN通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換能夠得到實(shí)現(xiàn)。

2.2 CAN協(xié)議特點(diǎn)

2.2.1 多主控制。當(dāng)總線空閑時(shí)所有的單元都能夠開始發(fā)送消息，這就是多主控制。此時(shí)則是由最先訪問(wèn)總線的單元而決定發(fā)送權(quán)的(CSMA／CA 方式)。

2.2.2 消息的發(fā)送。當(dāng)總線空閑時(shí)與總線相連的所有單元都能夠開始發(fā)送新消息。當(dāng)存在多個(gè)單元同時(shí)開始發(fā)送消息時(shí)，其優(yōu)先級(jí)則根據(jù)標(biāo)識(shí)符決定，此時(shí)訪問(wèn)總線消息的優(yōu)先級(jí)則是通過(guò)ID表示的。當(dāng)多個(gè)單元同時(shí)開始發(fā)送消息時(shí)，則是通過(guò)將各消息ID的每個(gè)位進(jìn)行逐個(gè)比較而得。

2.2.3 通信速率。設(shè)定適合的通信速率主要是根據(jù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模而定。在同一網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)，所有單元都必須設(shè)定成統(tǒng)一的通信速率，當(dāng)有單元的通信速率與其他不同時(shí)，此單元?jiǎng)t會(huì)輸出錯(cuò)誤信號(hào)，此時(shí)則會(huì)妨礙整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信。當(dāng)然在不同網(wǎng)絡(luò)間，可采用不同的通信速率。

2.2.4 系統(tǒng)的柔軟性。在總線上增加單元時(shí)，由于與總線相連的單元并沒(méi)有類似于“地址”的信息，因此與總線相連的其他單元的軟件、硬件和應(yīng)用層等都不需要改變。

2.2.5 錯(cuò)誤檢測(cè)、通知、恢復(fù)功能。在所有的單元中都能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)錯(cuò)誤功能。當(dāng)檢測(cè)出錯(cuò)誤時(shí)，錯(cuò)誤單元?jiǎng)t馬上通知其他與總線相連的所有單元，而當(dāng)正在發(fā)送消息的單元檢測(cè)出錯(cuò)誤后，則會(huì)強(qiáng)制結(jié)束當(dāng)前的發(fā)送，而強(qiáng)制結(jié)束發(fā)送的單元?jiǎng)t會(huì)不斷地重新發(fā)送該消息，直到成功發(fā)送為止，這就是錯(cuò)誤恢復(fù)功能。

2.2.6 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求?？赏ㄟ^(guò)發(fā)送“遙控幀”，請(qǐng)求其他單元發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.3 CAN總線錯(cuò)誤分析

作為穩(wěn)定可靠的一種現(xiàn)場(chǎng)總線，CAN總線對(duì)于錯(cuò)誤的處理有專用的硬件邏輯機(jī)制。CAN總線錯(cuò)誤狀態(tài)主要有3種狀態(tài)，任何時(shí)候CAN總線始終處于以下三種狀態(tài)中的一種：

(1)主動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)。主動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)是指能夠正常參加總線通信的狀態(tài)，當(dāng)檢查出處于主動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，輸出主動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志。

(2)被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)。被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)是較為容易引起錯(cuò)誤的狀態(tài)。處于被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)是指，該單元能夠參加總線通信，接收時(shí)為了不妨礙其他單元通信而沒(méi)有積極地發(fā)送錯(cuò)誤通知。當(dāng)主動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元如果沒(méi)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，即使處于被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元檢測(cè)出錯(cuò)誤，沒(méi)能發(fā)送錯(cuò)誤報(bào)告而導(dǎo)致整個(gè)總線被認(rèn)為是沒(méi)有錯(cuò)誤的。并且在發(fā)送結(jié)束后，處于被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)的單元不能立刻再次開始發(fā)送，而在開始下次發(fā)送前，必須在間隔幀期間內(nèi)插人“延遲傳送”，既8個(gè)位的隱性位。

(3)總線關(guān)閉態(tài)。總線關(guān)閉態(tài)表示不能參加總線上通信的狀態(tài)，此時(shí)信息的接收和發(fā)送均被禁止。

2.4 CAN總線協(xié)議中幀結(jié)構(gòu)

在CAN協(xié)議中，所有的消息都以固定的格式發(fā)送的，包括錯(cuò)誤幀、數(shù)據(jù)幀、過(guò)載幀、遙控幀和幀間隔這五種幀。數(shù)據(jù)幀和遙控幀有標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式兩種格式，而標(biāo)準(zhǔn)格式有11個(gè)位的標(biāo)識(shí)符（ID），擴(kuò)展格式有29個(gè)位的ID。

數(shù)據(jù)幀由7個(gè)段構(gòu)成，數(shù)據(jù)幀的構(gòu)成如圖所示。

圖 數(shù)據(jù)幀的格式

從圖中可知，這7個(gè)段依次是幀起始、仲裁段、控制段、數(shù)據(jù)段、CRC段、ACK段和幀結(jié)束。

幀起始，表示數(shù)據(jù)幀開始的段，一個(gè)位的顯性位；仲裁段，表示該幀優(yōu)先級(jí)的段；控制段，表示數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)和保留位的段，由6個(gè)位構(gòu)成，表示數(shù)據(jù)段的字節(jié)數(shù)；數(shù)據(jù)段，數(shù)據(jù)的內(nèi)容，可以發(fā)送從0-8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，從MSB（最高位）開始輸出；CRC段，檢查幀的傳輸錯(cuò)誤的段，由15個(gè)位的CRC順序和1個(gè)位的CRC界定符構(gòu)成；ACK段，表示確認(rèn)正常接收的段，由ACK槽和ACK界定符2個(gè)位構(gòu)成；幀結(jié)束，表示數(shù)據(jù)幀結(jié)束的段，由7個(gè)位的隱性位構(gòu)成。

2.5 CAN總線的基本組織規(guī)則

對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線中的CAN總線而言，通常需要基于的基本規(guī)則主要包括四個(gè)方面：

(1)總線訪問(wèn)

使用CAN總線時(shí)，通常在總線空閑狀態(tài)期間CAN控制器才能開始發(fā)送信息，并且所有CAN控制器同步于幀起始的前沿。

(2)仲裁

總線主節(jié)點(diǎn)是指在CAN總線的發(fā)送期間，發(fā)送遠(yuǎn)程幀或數(shù)據(jù)幀的每一節(jié)點(diǎn)。遇多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)開始發(fā)送時(shí)，只有將具有最高優(yōu)先權(quán)的節(jié)點(diǎn)變成總線主節(jié)點(diǎn)而發(fā)送。此種機(jī)理是基于用標(biāo)識(shí)符和緊隨其后的RTR位完成競(jìng)爭(zhēng)的仲裁。

(3)編碼/譯碼

主要是用于對(duì)于幀起始、控制域、數(shù)據(jù)域等的填充技術(shù)進(jìn)行編碼。

(4)出錯(cuò)標(biāo)注

在發(fā)現(xiàn)發(fā)送位、填充、應(yīng)答等錯(cuò)誤時(shí)，檢測(cè)出錯(cuò)誤的CAN控制器就會(huì)發(fā)送出1個(gè)出錯(cuò)標(biāo)志，并在下一位開始發(fā)送。

結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)總線中的CAN總線技術(shù)因具備其特有的協(xié)議特點(diǎn)等，使得CAN總線具有了錯(cuò)誤分析等便于實(shí)際應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，這就使得應(yīng)用CAN總線的系統(tǒng)能較好的實(shí)現(xiàn)功能，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信更好的服務(wù)。

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