CAN总线关键技术专业资料.doc

摘要：随着工业测控技术和生产自动化技术不断进步,老式RS-232、RS-485和CCITTV.24通信技术已不能适应当代化工业控制需要,而现场总线(Fieldbus)以其低便宜格、可靠性能而逐渐成为新型工业测控领域通信技术。现场总线是应用在生产现场,在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信系统,是一种开放式、数字化、多点通信底层控制网络。汇集了计算机技术、网络通信技术和自动控制技术(3C)现场总线技术,从20世纪80年代开始发展起来,并逐渐在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面自动化系统中得到了广泛注重和应用。现场总线重要有如下几种类型1-3:基金会现场总线(FF)、LonWorks、ProfiBus、CAN、HART,而其中CAN即控制器局域网由于具备高性能、高可靠性以及独特设计而越来越受到关注,现已形成国际原则,被公以为几种最有前程现场总线之一。Abstract:As industrial measurement and control technology and production automation technology advances，the traditional RS - 232，RS - 485 and CCITTV. 24 communication technology can not meet the needs of modern industrial control，and field bus (Fieldbus)，with its low price，reliable performance，and gradually become a new kind of communication technology in the field of industrial measurement and control. Field bus is used in production field，between microcomputer-based measuring control equipment to realize the bidirectional serial multi-node digital communication system，is a kind of open，digital，multipoint communication bottom control network. Brings together computer technology，network communication technology and automatic control technology (3 c) field bus technology，developed in the 1980 s，and gradually in the manufacturing and process industries，transportation，building automation system has been widely attention and application. Fieldbus basically has the following several types：1-3 foundation fieldbus (FF)，LonWorks，ProfiBus，CAN，HART，and which CAN namely controller local area network (LAN) because of the high performance，high reliability and unique design is more and more attention，already formed the international standard，is recognized as one of the most promising fieldbus.目 录CAN简介3CAN工作原理4CAN总线重要特点6CAN应用领域7CAN发展前景9CAN简介CAN 是Controller Area Network 缩写（如下称为CAN），是ISO国际原则化串行通信合同。在汽车产业中，出于对安全性、舒服性、以便性、低公害、低成本规定，各种各样电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用数据类型及对可靠性规定不尽相似，由多条总线构成状况诸多，线束数量也随之增长。为适应“减少线束数量”、“通过各种LAN，进行大量数据高速通信”需要，1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车CAN 通信合同。此后，CAN 通过ISO11898 及ISO11519 进行了原则化，在欧洲已是汽车网络原则合同。在北美和西欧，CAN总线合同已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网原则总线，并且拥有以CAN为底层合同专为大型货车和重工机械车辆设计J1939合同。CAN总线技术最初只是为理解决汽车工业在发展过程中应用线束过长，影响汽车内空间使用率和信息传递可靠性。随着CAN总线技术发展和不断成熟，CAN总线技术广泛应用到了工业控制各个角落。CAN 高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展热点之一，被誉为自动化领域计算机局域网。它浮现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠数据通信提供了强有力技术支持。CAN工作原理CAN总线使用串行数据传播方式，可以1Mb/s速率在40m双绞线上运营，也可以使用光缆连接，并且在这种总线上总线合同支持多主控制器。CAN与I2C总线许多细节很类似，但也有某些明显区别。当CAN总线上一种节点(站)发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点。对每个节点来说，无论数据与否是发给自己，都对其进行接受。每组报文开头11位字符为标记符，定义了报文优先级，这种报文格式称为面向内容编址方案。在同一系统中标记符是唯一，不也许有两个站发送具备相似标记符报文。当几种站同步竞争总线读取时，这种配备十分重要。当一种站要向其他站发送数据时，该站CPU将要发送数据和自己标记符传送给本站CAN芯片，并处在准备状态；当它收到总线分派时，转为发送报文状态。CAN芯片将数据依照合同组织成一定报文格式发出，这时网上其他站处在接受状态。每个处在接受状态站对接受到报文进行检测，判断这些报文与否是发给自己，以拟定与否接受它。由于CAN总线是一种面向内容编址方案，因而很容易建立高水准控制系统并灵活地进行配备。咱们可以很容易地在CAN总线中加进某些新站而无需在硬件或软件上进行修改。当所提供新站是纯数据接受设备时，数据传播合同不规定独立某些有物理目地址。它容许分布过程同步化，即总线上控制器需要测量数据时，可由网上获得，而不必每个控制器均有自己独立传感器。会议局域网参会人员节点参会人员身份ID会议议题报文发言顺序仲裁CAN总线最初是由德国BOSCH公司为解决汽车监控系统中诸多复杂技术和难题而设计数字信号通信合同,它属于总线式串行通信网络。跟其她总线同样，CAN总线通信也是通过一种类似于“会议”机制实现，只但是会议过程并不是由一方（节点）主导，而是，每一种会议参加人员都可以自由提出会议议题（多主通信模式）。各种控制单元以并联方式经收发器与总线连接。每个控制单元均有权向总线发送信息（多主解决器构造）。同一时刻只有一种控制单元向总线发送信息。其他控制单元接受信息，其中某些控制单元对这些数据感兴趣并采用这些数据，而另某些控制单元则也许不理睬这些数据。由于采用了许多新技术和独特设计思想,与同类产品相比,CAN总线在数据通信方面具备可靠、实时和灵活长处。为使设计透明和执行灵活,遵循ISO/OSI原则模型,CAN总线构造划分为两层:物理层和数据链路层(涉及逻辑链路控制子层LLC和媒体访问控制子层MAC)。其中,LLC子层为数据传递和远程数据祈求提供服务;MAC子层功能重要是传送规则,即控制帧构造、执行仲裁、错误检查、出错标定和故障界定。要对数据进行实时解决，就必要将数据迅速传送，这就规定数据物理传播通路有较高速度。在几种站同步需要发送数据时，规定迅速地进行总线分派。如果2个或2个以上单元同步开始传送报文，那么就会有总线访问冲突。通过使用辨认符位形式仲裁可以解决这个冲突。CAN总线以报文为单位进行数据传送，报文优先级结合在11位标记符中，具备最低二进制数标记符有最高优先级。这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。总线读取中冲突可通过位仲裁解决。CAN总线重要特点(1)可在各节点之间实现自由通信。CAN总线采用了多主竞争式总线构造，具备多主站运营和分散仲裁串行总线以及广播通信特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻积极地向网络上其他节点发送信息而不分主次，因而可在各节点之间实现自由通信。CAN总线合同已被国际原则化组织认证，技术比较成熟，控制芯片已经商品化，性价比高，特别合用于分布式测控系统之间数据通讯。CAN总线插卡可以任意插在PC AT XT兼容机上，以便地构成分布式监控系统。(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实时性规定。数据通信没有主从之分，任意一种节点可以向任何其她（一种或各种）节点发起数据通信，靠各个节点信息优先级先后顺序来决定通信顺序，高优先级节点信息在134s通信。(3)采用非破坏性总线仲裁技术,多点同步发送信息时,按优先级顺序通信,节约总线冲突仲裁时间。各种节点同步发起通信时，优先级低避让优先级高，不会对通信线路导致拥塞。(4) CAN只需对报文标记符滤波即可以进行点对点、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如下)。(6) CAN上节点数重要决定于总线驱动电路，当前可达110个,报文标志符2032种(CAN2.0A),扩展原则(CAN2.0B)中报文标志符几乎不受限制。(7) CAN总线通信接口中集成了CAN合同物理层和数据链路层功能，可完毕对通信数据成帧解决，涉及位填充、数据块编码、循环冗余检查、优先级鉴别等项工作。短帧数据构造,传播时间短,抗干扰能力强,检错效果好。(8)通信介质可以用双绞线、同轴电缆或光导纤维。(9)网络节点在错误严重状况下可以自动关闭输出功能,脱离网络。(10) 构造简朴，只有2根线与外部相连，并且内部集成了错误探测和管理模块。CAN应用领域20世纪80年代,德国BOSCH公司一方面应用CAN总线于汽车内部测控通信。CAN国际原则化制定,更加推动了它发展和应用,已有INTEL、MOTOROLA、PHILIPS、SIEMENS等百余家国际大公司支持CAN总线合同。当前,在欧美等国CAN总线已被广泛地应用于汽车、火车、轮船、机器人、智能楼宇、机械制造、数控机床、各种机械设备、交通管理、传感器、自动化仪表等领域。从“九五”开始,国内政府就投资支持现场总线开发,其中CAN等总线在国内已经得到较广泛应用,被大量地应用于工农业监控、电厂测控、火灾报警、变电站控制、煤炭综合监控等。与普通通信总线相比,CAN总线数据通信具备突出可靠性、实时性和灵活性。由于其良好性能及独特设计,CAN总线越来越受到人们注重。它在汽车领域上应用是是最广泛,世界上某些知名汽车制造厂商,BENZ(奔驰)、BMW(宝马)、PORSCHE(保时捷)、ROLLS-ROYCE(劳斯莱斯)和JAGUAR(美洲豹) 等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间数据通信。同步,由于CAN总线自身特点,其应用范畴已不再局限于汽车行业，而向自动控制、航空航天、航海、过程控制工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。诸多大专院校及科研单位也投入大量人力和资金加强现场总线,特别是CAN总线技术研究和开发。CAN总线具备通信速率高、可靠性好、连接以便和性能价格比高等诸多长处,因此它开发和应用发展迅速,国际上各大厂商不断研制和推出新CAN总线产品,并逐渐形成系列。 常用关于CAN芯片：(1)CAN控制器:由PHILIPS公司生产82C200是合用于汽车和普通工业环境控制高集成度独立控制器。它具备完毕高性能通信合同所规定所有必要特性,可通过并行总线和各种CPU接口。INTEL公司生产82526是一种执行CAN规程独立CAN通信控制器,符合CAN2.0A原则。82527是一种独立CAN控制器,可通过并行总线与各种微控制器(INTEL、MOTOROLA类型)接口,也可以通过串行接口(SPI)与无并行总线微控制器(如MC68HC05)接口。(2)CAN控制器接口:82C250是PHILIPS公司生产CAN总线收发器,用于CAN控制器与物理总线连接,可以提供对总线差动发送能力和对CAN控制器差动接受能力。类似功能器件尚有SILIONI公司SI9200。(3)CAN I/O器件:P82C150是带有位速率检测和校正CAN合同控制器单片16位I/O器件,提供可组态事件捕获功能,支持由端口输入管脚上变化引起自动发送。(4)带有在片CAN微控制器:这是一类在原有基本上增长了CAN在片控制器等硬件功能单片机。有PHILIPS公司P8XC592和P8XCE598系列,INTEL公司87C196CA/CB等。 基于CAN总线系统硬件设计：现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)是新一代控制系统,突破了老式集散式控制系统DCS(Distributed Control System)中通信由专用网络封闭系统实现所带来缺陷。使用基于原则化、公开化、数字化解决方案,可以将不同厂商自动化设备组建成系统,实现综合自动化各种功能,使控制功能彻底下放到现场,实现新型全分布式构造。基于CAN总线现场总线控制系统FCS硬件设计普通可以按如下环节进行:(1)定义各节点功能,拟定各节点测控量数目、类型、信号特性等。(2)选取节点控制器和适配元件。(3)依照CAN总线物理层合同选取传播介质,设计布线方案,构成总线网络。考虑系统可靠性,进行恰当冗余设计,传播介质可设两套,同步传播信息。若通信距离较长,在恰本地方加接中继站,以扩展总线通信距离。当前大多数嵌入式系统还处在单独应用阶段，以MCU为核心，与某些检测、伺服、批示设配合实现一定功能。Internet现已成为社会重要基本信息设施之一，是信息流通重要渠道，嵌入式系统连接到Internet上面，则可以以便、低廉地将信息传送到几乎世界上任何一种地方。Internet和嵌入式设备结合是嵌入式系统和网络技术真正将来。CAN发展前景(1)CAN将在竞争中占有一定优势。当前市场上现场总线产品除了国际原则IEC61158中包括8种类型外,尚有诸多,如:LonWorks、DeviceNet等。在此后一段时间内,这些总线产品将与CAN总线共同发展,互相竞争。由于CAN总线所具备高可靠性、实时性和灵活性等突出长处,加上广泛应用基本,预测CAN总线将越来越受欢迎,并最后成为市场占有率很高重要总线产品之一。(2)与公司以太网(Ethernet)互联。随着公司管理水平和信息化水平提高、集成电路技术和计算机技术发展,必然规定处在底层现场总线测控网段与公司高层管理网络互联,以便及时理解生产现场状况并实现管理和控制现场操作。因而,CAN总线网络将进一步发展,通过网关或网桥向上与公司管理系统以太网联接构成管控一体化网络。(3)与模糊控制技术和智能技术结合。近年来,由于公司规模不断扩大,生产过程控制系统也越来越复杂,系统非线性增强、时滞增大,并且很难给系统每个环节建立精准数学模型,这就规定模糊逻辑控制应用。现场总线强大网络功能实现集中化管理,而对必要现场环节实行分散模糊控制。对这一问题进行了探讨并给出了仿真成果。对于人工智能技术和现场总线结合进行了讨论,并设计出基于IA(IntelligentAgent)思想现场总线控制系统。可以较好地提高系统可靠性和智能化水平。把智能控制技术和现场总线结合起来将会成为后来工程控制中重要研究和应用方向。 CAN总线作为一种可靠计算机网络总线已在许多先进技术上得到应用，将CAN总线应用于智能传感器中，使传感器获得信号能通过总线实时地、可靠地、高速而精确地进行传播，使得各汽车计算机控制单元可以通过CAN总线共享所有信息和资源，达到简化布线、减少传感器数量、避免控制功能重复、提高系统可靠性、减少成本、更好地匹配和协调各个控制系统目。同步，由于整个智能传感器网络采用全数字化通信，因而，总线也具备较好抗干扰能力，是将来智能化传感器和智能化控制网络发展趋势。 CAN总线技术是工业控制和计算机网络两者结合技术。Can总线控制网络从网络构造、合同、实时性、灵活性、可靠性方面都与计算机网络有相似某些。工业控制网络底层均有它特殊性，特别是汽车产业中，要传播信息帧都很短小，规定实时性很强、可靠性要高。这一点CAN总线合同作为一种简朴而可靠通信合同，除了在车用电控单元和仪表上有较好应用前景外，在工业过程控制中亦有巨大发展潜力。