![can[控制器區域網路(Controller Area Network)]](/img/8/581/nBnauM3X3ATMzgDO4QTMxMzM1UTM1QDN5MjM5ADMwAjMwUzL0EzL2IzLt92YucmbvRWdo5Cd0FmL0E2LvoDc0RHa.jpg "can[控制器區域網路(Controller Area Network)]")
背景引言
隨著工業測控技術和生產自動化技術的不斷進步 ,傳統的 RS-232、 RS-485和 CCITTV. 24通信技術已不能適應現代化的工業控制需要 ,而現場匯流排 ( Fieldbus)以其低廉的價格、可靠的性能而逐步成為新型的工業測控領域的通信技術。現場匯流排是套用在生產現場 ,在微機化測量控制設備之間實現雙向串列多節點數字通信的系統 ,是一種開放式、數位化、多點通信的底層控制網路。 匯集了計算機技術、網路通信技術和自動控制技術 ( 3C)的現場匯流排技術 ,從 20世紀 80年代開始發展起來 ,並逐步在製造業、流程工業、交通、樓宇等方面的自動化系統中得到了廣泛的重視和套用。現場匯流排主要有以下幾種類型 : 基金會現場匯流排 ( FF)、 LonWorks、 ProfiBus、 CAN、HART,而其中 CAN ( Controller Area Network)即控制器區域網路因為具有高性能、高可靠性以及獨特的設計而越來越受到關注,現已形成國際標準 ,被公認為幾種最有前途的現場匯流排之一。
1986 年德國最大的工業企業之一 Rober Bosch公司首次提出了套用於汽車內各種感測器和執行器之間相互通信的 CAN 匯流排（Controller AreaNetwork）技術以來，以其可靠性、實時性和靈活性強的特點，得到了諸多汽車開發商的青睞。
CAN 匯流排的特點
CAN屬於匯流排式串列通信網路。 由於採用了許多新技術和獨特的設計思想 ,與同類產品相比 , CAN 匯流排在數據通信方面具有可靠、實時和靈活的優點。為使設計透明和執行靈活 ,遵循 ISO /OSI標準模型 , CAN 匯流排結構劃分為兩層: 物理層和數據鏈路層 (包括邏輯鏈路控制子層 LLC和媒體訪問控制子層 M AC)。 CAN的分層結構和功能如圖1所示。 其中 , LLC子層為數據傳遞和遠程數據請求提供服務; M AC子層的功能主要是傳送規則 ,即控制幀結構、執行仲裁、錯誤檢驗、出錯標定和故障界定 。
CAN 匯流排的位數值表示與通信距離
圖1 CAN匯流排的位數值傳輸方式CAN匯流排協定是建立在國際標準組織的開放系統 OSI 7 層互連參考模型基礎之上的。其模型結構只有3 層，即只取OSI 底層的物理層、數據鏈層和傳輸層，保證了節點間無差錯的數據傳輸。 CAN 匯流排上用“顯性”（Dominant）和“隱性” (Recessive)兩個互補的邏輯值表示“0”和“1”。如圖1 所示，VCAN-H和VCAN-L為CAN匯流排收發器 與匯流排之間的兩接口引腳，信號是以兩線之間的“差 分”電壓形式出現。在隱性狀態，VCNA-H和VCANL被固定在平均電壓電平附近，Vdiff近似於0。顯性位以大於最小閥值的差分電壓表示。CAN 匯流排的通信距離最遠可達10Km(位速率為5 kbps) ，通信速率最快可達 1Mbps（此時最長通信距離為40m）。
報文傳輸
CAN技術的報文傳輸為多主方式工作，網路上任意節點均可在任意時刻主動地向網路上其它節點 傳送信息，而不分主從。CAN節點只需通過對報文的標示符濾波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送、接收數據。CAN匯流排的數據傳輸（報文傳輸）採用幀格式。按幀格式的不同，分為含有11位標識符的標準幀和含有29位標識符的擴展幀。CAN匯流排的幀類型分為 數據幀、遠程幀、錯誤幀和過載幀。
仲裁（Arbitration）
只要匯流排空閒，任何單元都可以開始傳送報文。如果兩個或兩個以上節點同時開始傳送報文，那么就會有匯流排訪問衝突。通過使用標識符的逐位仲裁可以解決這個衝突。仲裁的機制確保了報文和時間均不損失。當具有相同標識符的數據幀和遠程幀同時傳送時，數據幀優先於遠程幀。在仲裁期間， 每一個傳送器都對匯流排進行監測，如果傳送和接收電平相同，則該節點可以繼續傳送報文。比如傳送的是一“隱性”電平，而監視到的是一“顯性”電平， 那么這個節點就失去了仲裁，必須退出傳送狀態。
綜上所述，CAN 匯流排的主要特點有:
( 1) CAN 為多主工作方式 ,網路上的任意節點在任意時刻都可以主動地向其他節點傳送信息 ,不分主從 ,方式靈活。
( 2) CAN 網路節點可以安排優先權順序 ,以滿足和協調各自不同的實時性要求。
( 3) 採用非破壞性的匯流排仲裁技術 ,多點同時傳送信息時 ,按優先權順序通信 ,節省匯流排衝突仲裁時間 ,避免網路癱瘓。
( 4) 可以進行點對點、一點對多點和全域廣播方式傳遞信息。
( 5) 通信速率最高可達 1M bps( 40m以內 ) ,最長傳遞距離達 10km(速率為 5kbps以下 )。
( 6) 網路節點目前可達 110個 ,報文標誌符 2 032種 ( CAN2. 0A) ,擴展標準 ( CAN2. 0B)中報文標誌符幾乎不受限制。
( 7) 短幀數據結構 ,傳輸時間短 ,抗干擾能力強 ,檢錯效果好。
( 8) 通信介質可以用雙絞線、同軸電纜或光纖。
( 9) 網路節點在錯誤嚴重的情況下可以自動關閉輸出功能 ,脫離網路。
( 10) 實現了標準化、規範化 (國際標準 ISO11898)。
CAN 匯流排控制器和驅動器
CAN 匯流排控制器 SJA1000 的內部結構
圖2 SJA1000內部結構圖CAN匯流排控制器主要保證數據鏈路層和物理層的通信質量。SJA1000是一種獨立的CAN匯流排控制器。SJA1000 的內部結構如圖 2 所示。
接口管理邏輯（IML）負責解釋來自CPU的命令，控制 CAN 暫存器的定址，向主控制器（CPU）提供中斷信息和狀態信息。
傳送緩衝器（TXB）是CPU 和位流處理器（BSP）之間的接口，負責存儲傳送到CAN匯流排上的一條完整的報文。傳送緩衝器的長度為13個位元組，由CPU寫入、位流處理器讀出。
接收緩衝器（RXB、長度為13個位元組）是驗收濾波器和 CPU 之間的接口，用來存儲從 CAN 匯流排上接收並被確認的信息。作為接收FIFO（RXFIFO，長度為64位元組）的一個視窗，接收緩衝器可被CPU訪問。CPU在接收FIFO的支持下，可以在處理一條報文的同時接收其他報文。
驗收濾波器（ACF）將一條接收到的報文標識碼與驗收濾波器中的預設值相比較，以決定是否接收這條報文。在純粹的接收測試中，所有的報文都保存在接收FIFO中，但只有驗收濾波通過且無差錯的報文，才能被保存在接收緩衝器中。
位流處理器（BSP）是一個控制傳送緩衝器、接收FIFO和CAN匯流排之間數據流的程式裝置。它還執行匯流排上的錯誤檢測、仲載、匯流排填充和錯誤處理。位時序邏輯（BTL）監視串列的CAN匯流排和位時序。它在信息開頭“弱勢支配”的匯流排傳輸時，同步 CAN匯流排位流（硬同步），接收報文時再次同步下一次傳送（軟同步）。
錯誤管理邏輯（EML）負責限制傳輸層模組的錯誤。它接收來自位流處理器的出錯報告，然後把有關錯誤統計告訴位流處理器和接口管理邏輯（IML）。
CAN 匯流排驅動器 PCA82C250匯流排驅動器
PCA82C250 是 CAN 控制器與物理匯流排之間的接口。該器件對匯流排提供了差動傳送能力，同時對CAN控制器提供了差動接收能力。它可以用高達1Mbps的位速率在兩條有差動電壓的匯流排上傳輸數據，匯流排可連線 110 個節點。匯流排驅動器PCA82C250 的功能參如圖 3 所示。
圖3 PCA82C250功能框圖CAN匯流排智慧型採集卡的設計與實現
圖1控制器區域網路CAN（ControllerArea Network）作為一種多線路網路通信系統，以其時分多主、非破壞性匯流排仲裁和自動檢錯重發等靈活、可靠的通信技術，及低廉的價格，被廣泛地套用於工業自動化生產線、汽車、感測器、醫療設備、智慧型化大廈、電梯控制、環境控制等分散式實時系統。本採集卡採用的是一款Atmel公司新近推出的帶有CAN控制器的微控制器，是一款很有前途的新型晶片，其內部集成CAN控制器，用它來組建CAN匯流排實時監控系統，與傳統的CAN匯流排組網方式相比，系統具有結構簡單、設計容易、抗干擾性強等套用優勢。
結語與展望
20世紀 80年代 ,德國的 BOSCH公司首先套用 CAN匯流排於汽車內部的測控通信。 CAN國際標準化的制定 ,更加推動了它的發展和套用 ,已有 IN TEL、 MO TOROLA、 PHILIPS、 SIEM EN S等 百餘家國際大公司支持 CAN匯流排協定。 現在 ,在歐美等國 CAN匯流排已被廣泛地套用於汽車、火車、輪船、機器人、智慧型樓宇、機械製造、數控工具機、各種機械設備、交通管理、感測器、自動化儀表等領域。從“九· 五”開始 ,我國政府就投資支持現場匯流排的開發 ,其中 CAN等匯流排在國內已經得到較廣泛的套用 ,被大量地套用於工農業監控、電廠測控、火災報警、變電站控制、煤炭綜合監控等。故，綜合 CAN 匯流排的上述技術、特點及其在各個領域的套用情況 ,可以預測 CAN匯流排在將來將會以迅猛的速度快速發展。
