什么是 CAN ?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。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。例如，当使用 PhilipsP82C250 作为CAN收发器时，同一网络中允许挂接110个节点。CAN可提供高达IMbit/s 的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。另外，硬件的错误检定特性也增 强了 CAN的抗电磁干扰能力。CAN 是怎样发展起来的？CAN最初出现在80年代末的汽车工业中，由德国Bosch公司最先提出。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， 所有的外围器件可以被挂接在该总线上。 1993 年， CAN 已成为国际标准 IS011898（高速应用）和ISO11519 （低速应用）。CAN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 50Kbit/s 的数据传输速率。由于CAN总线具有很高的实时性能，因此，CAN已经在汽车工业、航空工业、 工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。CAN 是怎样工作的？CAN通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。CAN层的定义与开放系统 互连模型（OSI） 致。每一层与另一设备上相同的那一层通讯。实际的通讯发 生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互连。CAN的 规范定义了模型的最下面两层：数据链路层和物理层。下表中展示了 OSI 开放式 互连模型的各层。应用层协议可以由CAN用户定义成适合特别工业领域的任何方 案。已在工业控制和制造业领域得到广泛应用的标准是DeviceNet，这是为PLC 和智能传感器设计的。在汽车工业，许多制造商都应用他们自己的标准。表 1 OSI 开放系统互连模型7 应用层 最高层。用户、软件、网络终端等之间用来进行信息交换。如： DeviceNet6 表示层 将两个应用不同数据格式的系统信息转化为能共同理解的格式5 会话层 依靠低层的通信功能来进行数据的有效传递。4 传输层 两通讯节点之间数据传输控制。操作如：数据重发，数据错误修 复3 网络层 规定了网络连接的建立、维持和拆除的协议。如：路由和寻址2 数据链路层 规定了在介质上传输的数据位的排列和组织。如：数据校验 和帧结构1 物理层 规定通讯介质的物理特性。如：电气特性和信号交换的解释CAN 能够使用多种物理介质，例如双绞线、光纤等。最常用的就是双绞线。 信号使用差分电压传送，两条信号线被称为“CAN_H和“CAN_L”，静态时均是 2.5V左右，此时状态表示为逻辑“ 1”，也可以叫做“隐性”。用CAN_H比CAN_L 高表示逻辑“0”，称为“显形”，此时，通常电压值为：CAN_H = 3.5V和CAN_L = 1.5V 。CAN 有哪些特性？CAN 具有十分优越的特点，使人们乐于选择。这些特性包括： 低成本极高的总线利用率 很远的数据传输距离（长达 10Km） 高速的数据传输速率（高达 1Mbit/s） 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CAN 总线智能节点设计CAN 总线系统智能节点采用 89C51 作为节点的微处理器，在 CAN 总线通信接口 中采用PHILIPS公司的SJA1000和82C250芯片。SJA1000是独立CAN通信控 制器， 82C250 为高性能 CAN 总线收发器。电路主要由四部分所构成：微控制器89C51、独立CAN通信控制器SJA1000、 CAN总线收发器82C250和高速光电耦合器6N137。微处理器89C51负责 SJA1000的初始化，通过控制SJA1000实现数据的接收和发送等通信任务。 SJA1000 的 AD0AD7 连接到 89C51 的 P0 口，CS 连接到 89C51 的 P2.0, P2.0 为0的CPU片外存贮器地址可选中SJA1000， CPU通过这些地址可对SJA1000 执行相应的读写操作。SJA1000的/RD、/WR、ALE分别与89C51的对应引脚相 连，/INT接89C51的/INT0。89C51也可通过中断方式访问SJA1000。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，SJA1000的TX0和RXO并不是直接与 82C250 的 TXD 和 RXD 相连，而是通过高速光耦 6N137 后与 82C250 相连，这样 就很好的实现了总线上各CAN节点间的电气隔离。不过应该特别说明的一点是 光耦部分电路所采用的两个电源VCC和VDD必须完全隔离，否则采用光耦也就 失去了意义。电源的完全隔离可采用小功率电源隔离模块或带多 5V 隔离输出的 开关电源模块实现。这些部分虽然增加了节点的复杂，但是却提高了节点的稳定 性和安全性。82C250与CAN总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施。82C250的 CANH和CANL引脚各自通过一个5的电阻与CAN总线相连，电阻可起到一定的 限流作用，保护82C250免受过流的冲击。CANH和CANL与地之间并联了两个 30P 的小电容，可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。另 外在两根CAN总线接入端与地之间分别反接了一个保护二极管，当CAN总线有 较高的负电压时，通过二极管的短路可起到一定的过压保护作用。 82C250 的 Rs 脚上接有一个斜率电阻，电阻大小可根据总线通讯速度适当调整一般在16K 140K 之间。1.CAN-bus 网络采用总线式拓朴结构，在一个网络上至少需要有 2个 CAN-bus 节 点存在。在总线的2个终端，各需要安装1个120Q终端电阻；如果节点数目 大于2，中间节点就不要求安装120Q终端电阻。CAN总线的连接电缆一般使 用双绞线，对抗干扰要求较高可以使用屏蔽双绞线或者光纤。2.can总线不需要HUB，理论上总线上的节点数最多可达110个。扩展can总线 的设备有中继器、网桥等。由于 CAN 总线具有通讯速率高、可靠性高、连接方便和性能价格比高等诸多特点， CAN 的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。在自动化电子领域的汽 车发动机控制部件、传感器、抗滑系统、工业自动化、建筑物环境控制、机床或 电梯控制、医疗设备等领域得到了较为广泛的应用。CAN 的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为 8 个，因而传输时间短、 受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节点与总线 的联系，使总线上的其它节点极其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力和检错 能力。CAN控制器支持四种不同的CAN协议类型：数据帧、远程帧、出错帧和超 载帧。CAN 支持多主方式工作，网络上任何节点均可在任意时刻主动向其它节点发送信 息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收/发送数据。它采用总线仲裁 技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续传输数 据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。现场总线技术语计算机控制11 引言在计算机控制系统出现以后，工程实践中广泛使用模拟仪表系统中的传感 器、变送器和执行机构。其信号传送一般采用4-20mA的电流信号形式，一个变 送器或执行机构需要一对传输线来单向传送一个模拟信号。这种传输方法使用的 导线多，现场安装及调试的工作量大，投资高，传输精度和抗干扰能力较低，不 便维护。主控室的工作人员无法了解现场仪表的实际情况，不能对其进行参数调 整和故障诊断，所以处于最底层的模拟变送器和执行机构成了计算机控制系统中 最薄弱的环节，即所谓 DCS 系统的发展瓶颈。现场总线正是在这种情况下应运而 生。2 现场总线技术及其特点现场总线技术是在80年代后期发展起来的一种先进的现场工业控制技术， 它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多 种技术手段，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字一模拟信号 控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接 点的通信与控制系统。现场总线则是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、 双向传输、多分支结构的通信网络，其基础是智能仪表。分散在各个工业现场的 智能仪表通过数字现场总线连为一体，并与控制室中的控制器和监视器一起共同 构成现场总线控制系统（Fieldbus Control System, FCS）。通过遵循一定的国 际标准，可以将不同厂商的现场总线产品集成在同一套FCS中，具有互换性和互 操作性。 FCS 把传统 DCS 的控制功能进一步下放到现场智能仪表,由现场智能仪 表完成数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等功能。现场仪表的数据（包 括采集的数据和诊断数据）通过现场总线传到控制室的控制设备上，控制室的控 制设备用来监视各个现场仪表的运行状态，保存各智能仪表上传的数据，同时完 成少量现场仪表无法完成的高级控制功能。另外，FCS还可通过网关和企业的上 级管理网络相连，以便企业管理者掌握第一手资料，为决策提供依据。所以现场 总线具有以下突出特点：2.1 开放性现场总线控制系统（FCS ）采用公开化的通信协议，遵守同一通信标准的不 同厂商的设备之间可以互连及实现信息交换。用户可以灵活选用不同厂商的现场 总线产品来组成实际的控制系统，达到最佳的系统集成。2.2 互操作性 互操作性是指不同厂商的控制设备不仅可以互相通信，而且可以统一组态，实现同一的控制策略和“即插即用”，不同厂商的性能相同的设备可以互换。2.3 灵活的网络拓扑结构 现场总线控制系统可以根据复杂的现场情况组成不同的网络拓扑结构，如树型、星型、总线型和层次化网络结构等。2.4 系统结构的高度分散性 现场设备本身属于智能化设备，具有独立自动控制的基本功能，从而从根本上改变了 DCS的集中与分散相结合的体系结构，形成了一种全新的分布式控制系 统，实现了控制功能的彻底分散，提高了控制系统的可靠性，简化了控制系统的 结构。现场总线与上一级网络断开后仍可维持底层设备的独立正常运行，其智能 程度大大加强。2.5 现场设备的高度智能化传统的 DCS 使用相对集中的控制站，其控制站由 CPU 单元和输入/输出单元 等组成。现场总线控制系统则将DCS的控制站功能彻底分散到现场控制设备，仅 靠现场总线设备就可以实现自动控制的基本功能，如数据采集与补偿、PID运算 和控制、设备自校验和自诊断等功能。系统的操作员可以在控制室实现远程监控， 设定或调整现场设备的运行参数，还能借助现场设备的自诊断功能对故障进行定 位和诊断。2.6 对环境的高度适应性现场总线是专为工业现场设计的，它可以使用双绞线、同轴电缆、光缆、电 力线和无线的方式来传送数据，具有很强的抗干扰能力。常用的数据传输线是廉 价的双绞线，并允许现场设各利用数据通信线进行供电，还能满足本质安全防爆 要求。由于现场总线的诸多优点，所以近十年来出现了多种有影响的现场总线，如 基金会现场总线 FF、P