CAN现场总线的基础知识

一、CAN总线的概述
　　CAN,全称为“Controller Area Network”,即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初，CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN控制装置。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。一个由CAN 总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN,进行大量数据的高速通信”的需要，1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN 通信协议。此后，CAN 通过ISO11898 及ISO11519 进行了标准化，在欧洲已是汽车网络的标准协议。
　　二、CAN总线的分层结构
　　CAN遵从OSI模型，按照OSI基准模型，CAN结构划分为两层：数据链路层和物理层，如下图所示。
　　
　　1.按照IEEE 802.2和802.3 标准，数据链路层又划分为：
　　1）逻辑链路控制（LLC-Logic Link Control）。
　　2）媒体访问控制（MAC-Medium Access Control）。
　　2.物理层又划分为：
　　1）物理信令（PLS-Physical Signalling）。
　　2）物理媒体附属装置（PMA-Physical Medium Attachment）。
　　3）媒体相关接口（MDI-Medium Dependent Interface）。
　　MAC子层运行借助称之为“故障界定实体（FCE）”的管理实体进行监控。故障界定是使判别短暂干扰和永久性故障成为可能的一种自检机制。物理层可借助检测和管理物理媒体故障实体进行监控（例如总线短路或中断，总线故障管理）。LLC和MAC两个同等的协议实体通过交换帧或协议数据单元（PDU-Protocol Data Unit）和（N）-用户数据组成，为传送一个NPDU,（N-1）层实体必须通过（N-1）服务访问点（SAP-Service Access Point）[（N-1）-SAP].NPDU借助于（N-1）层服务数据单元（SDU-Service Data U nit）[（N-1）-SDU]传至（N-1）层，其服务功能允许NPDU的传送。SDU是接口数据，对其识别预先在（N）层实体间进行，亦即，它表示逻辑数据单元由服务进行传送。CAN协议的数据链层既不提供分配一个SDU至多个PDU,也不提供分配多个SDU至一个PDU的方法，亦即，NPDU直接由相应的NSDU和层指定控制信息N-PCI构成。
　　三、CAN总线的原理介绍
　　当CAN总线上的一个节点（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，无论数据是否是发给自己的，都对其进行接收。每组报文开头的11位字符为标识符，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的，不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。当几个站同时竞争总线读取时，这种配置十分重要。当一个站要向其它站发送数据时，该站的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN芯片，并处于准备状态；当它收到总线分配时， 转为发送报文状态。CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时网上的其它站处于接收状态。每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。
　　由于CAN总线是一种面向内容的编址方案，因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。我们可以很容易地在CAN总线中加进一些新站而无需在硬件或软件上进行修改。当所提供的新站是纯数据接收设备时，数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址。
　　四、CAN总线的特点
　　CAN具有十分优越的特点，使人们乐于选择。这些优越的特点包括：
　　（1）它是一种多主总线，即每个节点机均可成为主机，且节点机之间也可进行通信。
　　（2）网络各节点之间的数据通信实时性强。CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。
　　（3）通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mb/s.
　　（4）CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层作用，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等项工作。
　　（5）CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，雨代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点是可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义211或229个不同的数据块，这种数据块编码方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分步式控制中非常重要。
　　（6）数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而倮证了通信的实时性。
　　（7）CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理作用，保证了数据通信的可靠性。CAN总线所具有的卓越性能、极高的可靠性和独特设计，特别适合工业设各测控单元互连。因此备受工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。
　　五、CAN与其它通信方案的比较
　　CAN总线与其它通信网的不同之处在于：
　　一是报文传送中不包含目标地址，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，该收的收下，不该收的丢弃。其好处是可在线上网下网、即插即用和多站接收；
　　二是特别强化了对数据安全性的关注，满足控制系统及其它较高数据要求的系统需求。
　　在实践中，有两种重要的总线分配方法：按时间表分配和按需要分配。在第一种方法中，不管每个节点是否申请总线，都对每个节点按最大期间分配。由此，总线可被分配给每个站并且是唯一的站，而不论其是立即进行总线存取或在一特定时间进行总线存取。这将保证在总线存取时有明确的总线分配。在第二种方法中，总线按传送数据的基本要求分配给一个站，总线系统按站希望的传送分配。因此，当多个站同时请求总线存取时，总线将终止所有站的请求，这时将不会有任何一个站获得总线分配。为了分配总线，多于一个总线存取是必要的。
　　CAN实现总线分配的方法，可保证当不同的站申请总线存取时，明确地进行总线分配。这种位仲裁的方法可以解决当两个站同时发送数据时产生的碰撞问题。不同于Ethernet网络的消息仲裁，CAN的非破坏性解决总线存取冲突的方法，确保在不传送有用消息时总线不被占用。甚至当总线在重负载情况下，以消息内容为优先的总线存取也被证明是一种有效的系统。虽然总线的传输能力不足，所有未解决的传输请求都按重要性顺序来处理。在CSMA/CD这样的网络中，如Ethernet,系统往往由于过载而崩溃，而这种情况在CAN中不会发生。
　　总而言之，现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。