CAN總線技術應用研究

現場總線是應用在生產現場、在微機化測量控制設備之間實現雙向串行多節點數字通信的系統，是目前計算機技術和信息技術結合的最先進成果，它繼承了DCS和其它自動化控制系統的優點和先進經驗，創造了更加完備、更加開放、更加集約的控制系統，是當今自動化領域技術發展的熱點之一，CAN總線為分布式控制系統中各節點之間實時、可靠的數據通信的實現提供了強有力的支持。現場總線控制系統勢必會逐步引領現代工業系統控制的發展方向，最終會得到各個行業的廣泛應用。

控制器局域網絡CAN（Control Area Network）總線是能夠有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，具有結構簡單、通信靈活、實時性高、可靠性高、較強的抗干擾性以及良好的錯誤檢測能力，近年來備受關注，被廣泛應用于環境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業環境以及工業自動化、交通工具、醫療領域等各行各業的工業現場。CAN總線以其優越的性能，必定會得到更多的重視，成為最流行的現場總線之一，在更多領域得到更大的應用，為工業生產以及人們的生活提供更多的便利。

1 CAN總線

為滿足用戶對安全性、舒適性、方便性等的要求，越來越多的電子控制系統在當前的汽車產業中被開發出來，并得到了廣泛的應用。各系統所使用數據類型的不同以及對可靠性的要求不同，給系統間的通信帶來了很大的困難。1986年德國電氣商Bosch（博世）公司為解決汽車眾多控制設備與儀器儀表之間的數據交換提出了一種串行通信協議即CAN（Control Area Network）總線。CAN總線采用雙絞線、同軸電纜或光纖作為傳輸介質，通訊速率為1 Mb/s，當信號傳輸距離達到10km時，CAN仍可提供高達50kbit/s的數據傳輸速率。CAN總線具有低成本、高速度、高抗電磁干擾性、優越的檢錯、糾錯能力等優點。由于CAN總線卓越的性能，在20世紀90年代的歐洲得到了廣泛的重視，并成為研究的熱點。

CAN協議的最初版本為1.0版，1990年升級到1.2版，1991年又推出2.0版。CAN 2.0規范分為CAN 2.0A和CAN 2.0B。CAN 2.0A支持標準的11位標識符。CAN 2.0B同時支持標準的11位標識符和擴展的29位標識符，CAN 2.0規范的目的是為了在任何兩個基于CAN-bus的儀器之間建立兼容性。CAN協議規定的網絡系統結構包括：物理層、數據鏈路層和應用層，與OSI模型中七層結構的三層相對應。1993年，CAN已成為國際標準IS011898（高速應用，通信速率小于等干1Mbps）和IS011519（低速應用，通信速率小于等于125 Kbps），現在在歐洲已是汽車網絡的標準協議。

2 CAN總線的特性

2.1低網絡成本，高網絡傳輸率

CAN總線在傳輸介質上無特殊要求，可以使用雙絞線、同軸電纜或光纖。CAN總線的最高通信速率可達1Mb/s，直接通信距離最遠可達10km（速率小于5Kb/s）。當信號傳輸距離達到10km時，CAN仍可提供高達50kb/s的數據傳輸速率。

2.2網絡通信方式靈活

CAN總線采用雙線串行通信方式，網絡中只有兩根導線，新節點可直接掛在總線上，系統擴展靈活，易實現。CAN總線工作方式可分為主從、無主或多主站方式。節點間通信靈活，報文信息不包含源地址或目標地址等節點信息，只用標志符來指示功能信息、優先級信息等。各節點間可直接通信，信息以廣播方式進行發布，網絡上任一節點可以向網絡上其它節點發送信息，所發送報文信息可同時供所有節點接收。

2.3網絡通信可靠性、實時高

CAN總線使用非破壞性的總線仲裁技術解決總線競爭，通過預置消息優先級和自動退讓的方式解決總線沖突，當多個節點同時向總線發送信息時，優先級低的節點會主動退出發送，而最高優先級的節點享有占有總線的優先權，可以在134μs內得到傳輸，從而保證了通信的實時性。

CAN總線具有完善的錯誤檢測機制并具有自動重發功能，從而保證了網絡通信的高可靠性。CAN總線的錯誤檢測機制包括以下幾種方式：對報文進行循環冗余檢查（CRC校驗），接收站可以通過CRC判斷報文是否出錯，從而保證報文的正確性。為保證報文格式的正確，CAN總線采取幀檢查，通過位場對幀的格式和大小進行檢查。應答錯誤同樣被用于CAN總線的錯誤檢測。由接收站通過明確的應答來確認被接收到的幀，如沒有應答則表明幀有錯誤。在檢測到發送的信息遭到破壞后，可自動重發。同時信息以報文方式傳遞，淡化了節點地址的概念，節點的增加或摘除不會對系統運行產生影響。

3 CAN總線的應用及發展前景

由于CAN總線具有低網絡成本、高網絡安全性、通信實時性和可靠性等特點己廣泛應用于工業控制、汽車工業、安全防護等領域。

3.1工業控制

在工業控制系統中，為實現系統的實時通信，要求信息能夠在不同的控制設備間得到及時的發送和接收。現場總線作為全數字化、開放、互連、面向現場控制設備低層的工業網絡控制系統能夠很好的滿足工業控制的要求。CAN總線是目前最流行的現場總線之一，CAN總線具有低成本、高總線利用率、高安全性、可靠性、遠距離高速傳輸等優點，能夠很好的滿足環境復雜、惡劣的工業環境的通信要求，隨著CAN總線技術的不斷完善和發展，必然在工業控制中得到更加廣泛的應用。

3.2汽車工業

隨著現代電子技術、信息技術的發展，汽車上各種電子部件、大量傳感器、電氣控制設備等的數量越來越多，這些電子設備在汽車上的廣泛應用，在提高了汽車的動力性、舒適性的同時也帶來了諸多問題：多系統的應用使得布線變得復雜而龐大，各系統間需要實現對數據的共享，對通信的實時性也提出了更高的要求。CAN總線的出現很好的解決了這些問題，CAN總線是一種串行多主站控制器局域網總線。它具有高通信可靠性、安全性、實時性，低網絡成本、組網靈活、簡單易用等優點，可以為汽車控制系統提供強大的技術支持。CAN總線在汽車上的廣泛應用將使汽車的動力性、安全性等各項性能都上升到了新的高度，給汽車技術的發展注入新的活力。

3.3監控及安防系統

在當前的各種監控系統中，普遍存在可靠性、實時性不高，分站缺乏統一規范等缺點，不能夠很好的滿足實時監控的要求。CAN總線由于具有高數據傳輸率、完善的規范和協議、高實時性、安全性、可靠性等，可以很好的克服當前監控系統中存在的各種問題。因此CAN總線不僅被用于煤礦的安全監控系統中，也將在更多的監控及安防系統得到更加廣泛的應用。

4 結論

CAN總線是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通訊網絡，雖然CAN總線是為了解決汽車電子控制模塊、傳感器和執行器的通信問題而提出的，但由于CAN總線具有成本低、通信安全性、可靠性、實時性高，抗電磁干擾能力強，可在高噪聲干擾環境中工作等優勢，已被廣泛應用于工業生產的各個領域，隨著CAN總線技術的不斷完善，必將得到更大的發展和更加廣泛的應用。