CAN总线简介及其特点

计算机控制技术期末考查论文题目：CAN总线简介及其特点摘要：CAN总线的数据通讯具有突出的可靠性、实时性和灵活性， 其总线规范已经成为国际标准，被公认为几种最有前途的总线之一。本文 在总结CAN总线特点的基础上，对其通信介质访问方式进行了详细的描 述，介绍了它在应用中需要解决的技术问题以及目前应用状况。关键词：CAN总线；通信介质访问控制；实时；应用技术1CAN总线简介及其特点控制器局域网总线(CAN, Controller Area Network)是一种用于实时 应用的串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，是世界上应用 最广泛的现场总线之一。CAN协议由德国的Robert Bosch公司开发，用于 汽车中各种不同元件之间的通信，以此取代昂贵而笨重的配电线束。该协 议的健壮性使其用途延伸到其他自动化和工业应用。CAN协议的特性包括 完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传输速率高达IMb/s、同时具有 11 位的寻址以及检错能力。CAN总线是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的 位速率，高抗电子干扰性，并且能够检测出产生的任何错误。CAN总线可 以应用于汽车电控制系统、电梯控制系统、安全监测系统、医疗仪器、纺 织机械、船舶运输等领域。CAN 总线的特点具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点； 采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作； 具有优先权和仲裁功能， 多个控制模块通过 CAN 控制器挂到 CAN-bus 上，形成多主机局部网络；可根据报文的 ID 决定接收或屏蔽该报文；可靠的错误处理和检错机制； 发送的信息遭到破坏后，可自动重发； 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级 信息。2. CAN总线通信介质访问控制方式CAN采用了的3层模型：物理层、数据链路层和应用层CAN支 持的拓扑结构为总线型。传输介质为双绞线、同轴电缆和光纤等。采用双 绞线通信时，速率为lMbps/40 m ,50Kbps/10km,结点 数可达110个。CAN的通信介质访问为带有优先级的CS-MA/CA。采用多主 竞争方式结构：网络上任意节点均可以在任意时刻主动地向网络上其它节 点发送信息，而不分主从，即当发现总线空闲时，各个节点都有权使用网 络。在发生冲突时，采用非破坏性总线优先仲裁技术：当几个节点同时向 网络发送消息时，运用逐位仲裁原则，借助帧中开始部分的表示符，优先 级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响的继续发送 信息，从而有效地避免了总线冲突，使信息和时间均无损失。CAN的传输信号采用短帧结构（有效数据最多为8个字节），和带优 先级的CS-MA/CA通信介质访问控制方式，对高优先级的通信请求 来说，在1Mbps通信速率时，最长的等待时间为0.1 5ms，完全 可以满足现场控制的实时性要求CAN突出的差错检验机理，如5种错 误检测、出错标定和故障界定;CAN传输信号为短帧结构，因而传输时 间短，受干扰概率低。这些保证了出错率极低，剩余错误概率为报文出错 率的47X10 11。另外，CAN节点在严重错误的情况下，具有 自动关闭输出的功能，以使总线上其它节点的操作不受其影响。因此，C AN具有咼可靠性。.CAN的通信协议主要有CAN总线控制器完成CAN控制器主要 由实现CAN总线协议部分和微控制器接口部分电路组成。通过简单的连 接即可完成CAN协议的物理层和数据链路层的所有功能，应用层功能由 微控制器完成CAN总线上的节点即可以是基于微控制器的智能节点， 也可以是具有CAN接口的I/O器件。3应用技术1、 系统组成CAN总线用户接口简单，编程方便CAN总线属于现场总线的范 畴，CAN总线系统的一般组成模式如图1所示：:圭产揑制室图1 CAN总钱系统组成网络拓扑结构采用总线式结构。这种网络结构结构简单、成本低，并 且采用无源抽头连接，系统可靠性高。通过CAN总线连接各个网络节点， 形成多主机控制器局域网（CAN）。信息的传输采用CAN通信协议，通 过CAN控制器来完成。各网络节点一般为带有微控制器的智能节点完成 现场的数据采集和基于CAN协议的数据传输，节点可以使用带有在片C AN控制器的微控制器，或选用一般的微控制器加上独立的CAN控制器 来完成节点功能。传输介质可采用双绞线、同轴电缆或光纤。2、 CAN总线的物理层设计CAN总线协议对物理层没有严格定义，给使用者较大的灵活性，同 时也给设计者带来了困难CAN总线物理层的设计原则是：针对CTX 0.CTX1的两种输出状态（显性（Daminant）隐性（Rec essive），总线应具有两种不同电平，接收端呈现（显性、隐性） 两种状态，如图2所示。心的总线电年 碁N /.方探一 CAHL总鏡电平川丸詔/、片案-CAHL/ I馳稿需XX图2匚AN总线电平示意图这样不要求总线必须是数字逻辑电平，只要是能够呈现两种电平（显 性和隐性）的模拟量，满足上述设计原则就可以。图3 CAN总线物理接口实例总线连接实例（图3）：（以Philips的CAN芯片为例）CAN控制器芯片的片内输出驱动器和输入比较器可编程，它可方便 地提供多种发送类型，诸如：单线总线、双线总线（差分）和光缆总线。 它可以直接驱动总线，若网络的规模比较大，节点数比较多，需要外加总 线驱动元件，以增大输出电流。如图3采用了CAN收发器作为CAN控 制器和物理总线之间的接口，提供向总线的差动发送能力和对CAN控制 器的差动接收能力。3.应用软件设计CAN控制器其内部硬件实现了CAN总线物理层和数据链路层的所 有协议内容，有关CAN总线的通信功能均由CAN控制器自动管理执行。 CAN控制器对于CPU来说，是以确保双方独立工作的存储影像外围设 备出现的CAN控制器的地址域由控制段和报文缓存器组成，在初始化 向下加载期间，控制段可被编程以配置通信参数CAN总线上的通信也 通过此段由CPU控制，被发送的报文必须写入发送缓存器，成功接收后, CPU可以从接收缓存器读取报文，然后释放它，以备下次使用。对于在 片的CAN控制器，它与CPU之间的接口一般借助于4个特殊寄存器： CAN地址寄存器、数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器。对于单独的 CAN控制器，MCU可以通过其地址/数据总线对其寄存器直接寻址， 就像MCU对一般外部RAM寻址一样。通过对这些寄存器编程操作，可 很方便控制CAN控制器完成通讯功能。中断人口 ！中斯返回图4 CAN中断服务程庠框图CAN控制器的收发功能均可借助其中断服务执行。图4给出一个C AN中断服务程序框图（图4）。注意在系统软件设计时无论何时CAN总 线不应该被永久性的100%加载。4目前应用状况及其前景由于CAN总线的高速通信速率、高可靠性、连接方便、多主站、通 讯协议简单和高性能价格比等突出优点，深得许多工业应用部门的青睐， 其应用由最初的汽车工业迅速发展至数控机床、农业机械、铁路运输、粮 情检测、过程测控等各个方面CAN在国外的发展迅速，奔驰S型轿车 采用的就是CAN总线系统；美国商用车辆制造商们也将注意力转向CA N总线；美国一些企业已将CAN作为内部总线应用在生产线和机床上。 由于CAN总线可以提供较高的安全性，因此在医疗领域、纺织机械和电 梯控制中也得到了广泛应用。5结束语总之，基于CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活 性CAN作为现场设备级的通信总线，和其他总线相比，具有很高的可 靠性和性能价格比，其总线规范已经成为国际标准，被公认为几种最有前 途的总线之一。目前，CAN接口芯片的生产厂家众多，协议开放，价格 低廉，且使用简单，CAN总线可广泛应用于工业测量和控制领域。