CAN总线技术及发展

[摘要] 本文介绍了CAN现场总线的起源及发展，详细分析了CAN总线的网络层次结构、CAN总线的特点及性能。CAN总线具有良好的发展前景。

[关键词] 现场总线CAN网络层次结构

一、引言

现场总线技术已成为当今工业自动化技术发展的热点。CAN（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。CAN是一种多主方式的串行数据通讯总线，基本设计规范要求，有高的位速率，高抗电磁干扰性而且能够检测出产生的任何错误，当信号传输距离达到10Km时，CAN仍可提供高达50Kbps的数据传输速率。作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式CAN已被广泛应用到各个自动化控制领域，例如在汽车工业、航空工业、工业控制、自动控制、智能大厦、电力系统、安全防护等各领域。

二、起源

20世纪80年代初期，由于欧洲汽车工业发展发展的需要，最先由德国Bosch公司提出CAN总线方案以解决汽车控制装置间的通信问题。当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。提出CAN总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线，所有的器件可以被挂接在该总线上。Bosch公司于1986年正式公布了这一总线，且命名为CAN总线。1987年Intel公司生产出了首枚CAN控制器（82526）。不久，Philips公司也推出了CAN控制器82C200。1993年CAN成为国际标准ISO11898（高速应用）和ISO11519（低速应用）。

为促进CAN以及CAN协议的发展，1992在欧洲成立了国际用户和厂商协会（CAN in Automation，简称CiA），在德国Erlangen注册，CiA总部位于Erlangen。CiA提供服务包括：CAN的各类技术规范，免费下载CAN文献资料，提供CANopen规范DeviceNet规范；CAN产品数据库，CANopen产品指南；提供CANopen验证工具执行CANopen认证测试；开发CAN规范并为CiA标准。

根据CiA组织统计，截止到2002年底，约有500多家公司加入了这个协会，协作开发和支持各类CAN高层协议；生产CAN控制器（独立或内嵌）厂家，包括世界上主要半导体生产厂家在内，已有20多家，CAN控制器产品的品种已达110多种，CAN控制器的数量已达210,000,000枚。CAN接口已经被公认为微控制器（Microcontroller）的标准串行接口，应用在各种分布式内嵌系统。该协会已经为全球应用CAN技术的权威。

三、CAN的结构与技术特点

1.CAN总线定义的网络层次

CAN通讯协议，主要描述设备之间的信息传递方式。OSI开放系统互连参考模型将网络协议分为7层，由上至下分别为：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、链路层和物理层。根据ISO/OSI开放系统互连参考模型，为了满足现场设备间通信的实时性要求，CAN规范只在数据链路层和物理层上进行了定义，如图1 所示。

在数据链路层，CAN定义了逻辑链路控制子层(LLC)部分和完整的媒体访问控制子层（MAC）。逻辑链路控制子层(LLC)的作用范围包括：为远程数据请求以及数据传输提供服务，确定由实际要使用的LLC子层接收哪一个报文，为恢复管理和过载通知提供手段。在这里，定义对象处理还有很大的自由度。MAC子层的作用主要是传送规则，也就是控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定、故障界定。总线上什么时候开始发送新报文及什么时候开始接收报文，均在MAC子层里确定。位定时的一些普通功能也可以看作是MAC子层的一部分。理所当然，MAC子层的修改是受到限制的。

MAC子层是CAN协议的核心。它把接收到的报文提供给LLC子层，并接收来自LLC子层的报文。

物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位的实际传输。同一网络的物理层，对于所有的节点当然是相同的。尽管如此，在选择物理层方面还是很自由的。CAN协议规范，在物理层只定义了信号是如何实际地传输的，包括对位时间、位编码、同步的解释。CAN规范没有定义物理层的驱动器/接收器特性，以便允许根据它们的应用，对发送媒体和信号电平进行优化。

图1 CAN 2.0B定义的网络层次结构

2.CAN总线技术特点

目前，除了有大量可用的低成本的CAN接口器件之外，CAN之所以在世界范围内得到广泛认可是由于它具有如下的突出的特点。

多主方式及面向事件的信息传输：只要总线空闲总线系统中的任何一个节点都可发送信息，所以，任何一个节点均可以与其它的节点交换信息。这一特点非常重要，因为正是它才使面向事件的信息传输成为可能。

帧结构：CAN总线的数据帧由7部分组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场、帧尾。其中帧起始由一个单独的“显性”位（bit）组成，仲裁场由29bit组成（早期版本为11bit），控制场由6bit构成，数据场由0至8byte的数据组成，不能多于8字节，CRC场由16bit组成，应答场由2bit构成，帧尾由7bit（“隐性”）组成。

每个帧都具有一定的优先权，帧的优先权是由帧的仲裁场（又称为帧标识，用ID表示）决定的。

非破坏性仲裁（CSMA/CD）方式：与普通的Ethernet不同，CAN总线访问仲裁是基于非破坏性的总线争用仲裁（Non Destructive bitwise Arbitration）方案。当总线空闲时，线路表现为“闲置”电平（recessive level），此时任何站均可发送报文，任何节点都可以开始发送信息帧，这样就可能导致两个以上的节点同时开始访问总线，如图2所示。CAN的物理层具有如下特性：只有当所有的节点都写入从属位（1，recessive level），网络上才是1，只要有一个节点写入决定位（0, dominant level），网络上就是0，也就是说，决定位覆盖从属位；CAN总线上的任何一个节点写总线的同时也在读总线。为了防止破坏另一个节点的发送帧，一个节点在发送帧标识和RTR位的过程中一直在监控总线，一旦检测到发送隐性位得到一个显性位，则表明有比自己优先权高的节点在使用总线，节点自动转入监听状态，检验是否是自己需要的数据。优先权高的信息帧不会被破坏而是继续传输。这种仲裁原则保证了最高优先权的信息帧在任何时间都可优先发送，同时充分的利用了总线的带宽。

对于优先权最高的可能最长的信息帧，其时间延迟为130位的时间。对于其它高优先权的信息帧，其最大的确定延时时间由较高层次的总线协议决定。由于CAN 总线采用了这种总线仲裁机制其总线利用率很高。

图2 非破坏性总线争用仲裁原则

短信息帧：每一帧中只包括0～8字节的有效数据。这一长度几乎满足任何实时应用。如果必须传送多于8个字节的信息块，那么就需要使用更高层次的信息分段协议。从另一个方面来说，较短的CAN信息帧保证了高优先权信息帧的短延时。这也有利于在电磁干扰较强环境下的数据传输，因为，信息帧越短不扰的几率越高。

强检错、纠错和故障处理功能：可靠的错误检测和错误处理机制，节点在错误严重的情况下自动关闭脱离总线，以确保能继续进行剩余节点之间的通信。发送的信息遭到破坏之后可自动重发。

信息传输方式：CAN使用信息生产者--使用者方式传输信息。这与Ethernet的Client/Server模式不同，传输的报文并非根据报文发送器/接收器的节点地址识别（几乎其它的总线都是如此），CAN的报文仅用信息标识ID来指示功能信息、优先级信息，总线上的所有节点可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文。可时间同步的多点接收，提高了总线的利用率。

高速数据传输速率：CAN总线数据传输速率可达1Mbits/s。

远距离数据传输:当数据传输速率为50Kbps时传输距离可达10Km。

四、基于CAN的较高层协议

CAN规范只定义了用于通信的核心部分，没有定义应用层，物理层的定义也不完全。这为其应用提供了较大的灵活性（不过，这也可能成为它的一大缺点）。CAN规范没有定义物理层的驱动器/接收器特性。这便于用户根据具体的应用需求对发送媒体和信号电平进行优化。可根据

具体应用环境，用户自行定义CAN的应用层。这便于用户设计适合于特殊领域应用方案。

由于CAN的诸多优点，基于CAN的应用有很多。为了满足不同的应用领域和不同用户的需求，已开发出了很多基于CAN的协议，目前已发展成为工业标准的高层协议有：CAL/CANOpen、DeviecNet、SDS等。CAL/CANOpen最早是由Philip医疗系统开发的，由CiA认可、支持和维护的。它是一种不依赖于应用的应用层协议，已广泛应用于机械制造、铁路、车辆、船舶、制药和食品加工等领域。CANOpen是CAL（CAN Application Layer）的一个子集，所以，CANopen的设备都可以用在指定应用的CAL系统。DeviceNet是由美国Wockwell的A-B公司开发的开放式网络标准，属于设备级（包括传感器和执行机构）网络总线，现已成为IEC标准（IEC62026），并由ODVA（Open DeviceNet Vendor’s Association）支持、维护，广泛应用于工业控制和制造业领域等。SDS（Smart Distribution Systems）是由Honeywell Micro Switch开发的，现由Smart Society支持、维护，多应用于智能化楼宇。

CAN总线技术正在日新月异的发展，在工业应用领域使用越来越广泛，具有很好的发展前景。