方便灵活的CAN总线网络及应用
日期：2006-6-17 0:36:25 来源：本文摘自《PLC&FA》
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人们称之为“自动化仪表与控制系统的一次变革”的现场总线技术自20世纪90年代初出现以来，引起了国内外业界人士的广泛注意和高度重视，并成为世界范围的自动化技术发展的热点之一。应该说, 现场总线的工业过程智能自动化仪表和现代总线的开放自动化系统构成了新一代全开放自动化控制系统的体系结构。目前国际上公认的现场总线有10多种，各有其特点，并在一定范围内得刭应用。本文要分折的是控制器局域网CAN(Controller Area Net work)方便灵活的结构接入，并对和应用举例及其拓宽的现场总线控制系统(FCS)作其说明。
CAN总线网络的问世已超过15年, 它是德国Boesh公司及几个半导体集成电路制造商开发出来的，它的芯片由摩托罗拉、Intel等公司生产。起初是专门为汽车工业设计的，面向需要可预测而无错误通讯的汽车应用。目的是为了节省接线的工程量。后来由于自身的特点被广泛地应用于各行各业。特别是近年来，由于价格不断下降，CAN成了炙手可热的技术，并不再局限于汽车应用领域。目前它正在工业网络、医疗设备、轨道交通信号、楼宇控制及其它众多系统中得到应用。
2.1 牢靠而高速的通讯
上述众多应用领城系统之所以采用CAN总线网络,不仅因为其成本低廉，还由于通过这种网络可进行牢靠而高速的通讯。CAN总线可采用双绞线、同轴电缆或光纤作为传输介质;它的直接通信距离最远可达10km，通信速率通信比特率可高达1Mbps(此时通信距离为40m);总线上可挂设备数主要取决于总线驱动电路，最多可达110个。
2.2 CAN总线网络是一个多主机系统
CAN采用多主工作方式，节点之间不分主从，但节点之间有优先级之分，通信方式灵活，可实现点对点、一点对多点及广播方式传输数据，无需调度。也就是说,它可向系统中的所有节点进行报文发送广播。在这种网络中,每个节点均可滤除不需要的报文。
2.3 与以太网之区别
传统的客户机／服务器网络(如以太网)依赖于网络寻址方式将数据发送到单一节点上，如果网络中存在多个节点，则需用星形配置实现集中控制(见图1左所示集中式网络)。
这种以太网络中只需较少的单片机即可执行各种不同的任务，但所使用的是MCU(多芯片单元)，通常需要有较多引脚，而且功能也更加复杂,很不方便。
与之相反，CAN系统中的每个节点均同时接收到同样的数据。缺省情况下，CAN是基于报文而非地址的。系统采用分布式控制实现方法集成了多节点(见图1右所示分布式网络)。这种拓扑结构的好处之一是，节点的增加和去除非常简单，对软件的影响也很小。CAN网络要求每个节点均具备智能，但智能化水平可根据节点所承载的任务进行调整。因此CAN系统中使用的单片机通常较简单并且引脚数也较少。由于使用的导线较少并且采用分散式智能，而且CAN网络还具有较高的可靠性。
其图1进一步显示了，在多任务网络中,集中式网络通常用于以太网系统，如果在系统中增加节点，则要求对系统MCU(多芯片单元)作很大的变动;而CAN网络可实现分布式网络，从系统中增加或删除节点只需改变少量的固件。
2.4 节省总线冲突仲裁时间
以太网在发送结束前进行冲突检测。而CAN在发送开始时采用冲突检测并有解决方法。当同时发送的两个或更多CAN节点在仲裁期间出现冲突时，报文优先级较低的节点会检测到冲突。随后优先级较低的节点切换到接收模式，等待下一次总线空闲才再次尝试发送。
仲裁成功的发送器将继续如常发送报文，由于在报文仲裁期间，模式的变更在发送的一开始就发生了，而优先级高的报文没有遭到破坏，因此系统对冲突的仲裁结果能做出更快的回应。报文标志符可达2032种，而扩展标准的报文标志符几乎不受限制。
1 引言
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人们称之为“自动化仪表与控制系统的一次变革”的现场总线技术自20世纪90年代初出现以来，引起了国内外业界人士的广泛注意和高度重视，并成为世界范围的自动化技术发展的热点之一。应该说, 现场总线的工业过程智能自动化仪表和现代总线的开放自动化系统构成了新一代全开放自动化控制系统的体系结构。目前国际上公认的现场总线有10多种，各有其特点，并在一定范围内得刭应用。本文要分折的是控制器局域网CAN(Controller Area Net work)方便灵活的结构接入，并对和应用举例及其拓宽的现场总线控制系统(FCS)作其说明。
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2 CAN总线网络技术优势分析
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CAN总线网络的问世已超过15年, 它是德国Boesh公司及几个半导体集成电路制造商开发出来的，它的芯片由摩托罗拉、Intel等公司生产。起初是专门为汽车工业设计的，面向需要可预测而无错误通讯的汽车应用。目的是为了节省接线的工程量。后来由于自身的特点被广泛地应用于各行各业。特别是近年来，由于价格不断下降，CAN成了炙手可热的技术，并不再局限于汽车应用领域。目前它正在工业网络、医疗设备、轨道交通信号、楼宇控制及其它众多系统中得到应用。
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2.1 牢靠而高速的通讯
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上述众多应用领城系统之所以采用CAN总线网络,不仅因为其成本低廉，还由于通过这种网络可进行牢靠而高速的通讯。CAN总线可采用双绞线、同轴电缆或光纤作为传输介质;它的直接通信距离最远可达10km，通信速率通信比特率可高达1Mbps(此时通信距离为40m);总线上可挂设备数主要取决于总线驱动电路，最多可达110个。
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2.2 CAN总线网络是一个多主机系统
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CAN采用多主工作方式，节点之间不分主从，但节点之间有优先级之分，通信方式灵活，可实现点对点、一点对多点及广播方式传输数据，无需调度。也就是说,它可向系统中的所有节点进行报文发送广播。在这种网络中,每个节点均可滤除不需要的报文。
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2.3 与以太网之区别
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传统的客户机／服务器网络(如以太网)依赖于网络寻址方式将数据发送到单一节点上，如果网络中存在多个节点，则需用星形配置实现集中控制(见图1左所示集中式网络)。
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这种以太网络中只需较少的单片机即可执行各种不同的任务，但所使用的是MCU(多芯片单元)，通常需要有较多引脚，而且功能也更加复杂,很不方便。
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与之相反，CAN系统中的每个节点均同时接收到同样的数据。缺省情况下，CAN是基于报文而非地址的。系统采用分布式控制实现方法集成了多节点(见图1右所示分布式网络)。这种拓扑结构的好处之一是，节点的增加和去除非常简单，对软件的影响也很小。CAN网络要求每个节点均具备智能，但智能化水平可根据节点所承载的任务进行调整。因此CAN系统中使用的单片机通常较简单并且引脚数也较少。由于使用的导线较少并且采用分散式智能，而且CAN网络还具有较高的可靠性。
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图1 在CAN充总线网络多主机系统－分布式网络(图右所示)与以太网络－集中式网络(图左所示)之比较
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其图1进一步显示了，在多任务网络中,集中式网络通常用于以太网系统，如果在系统中增加节点，则要求对系统MCU(多芯片单元)作很大的变动;而CAN网络可实现分布式网络，从系统中增加或删除节点只需改变少量的固件。
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2.4 节省总线冲突仲裁时间
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以太网在发送结束前进行冲突检测。而CAN在发送开始时采用冲突检测并有解决方法。当同时发送的两个或更多CAN节点在仲裁期间出现冲突时，报文优先级较低的节点会检测到冲突。随后优先级较低的节点切换到接收模式，等待下一次总线空闲才再次尝试发送。
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仲裁成功的发送器将继续如常发送报文，由于在报文仲裁期间，模式的变更在发送的一开始就发生了，而优先级高的报文没有遭到破坏，因此系统对冲突的仲裁结果能做出更快的回应。报文标志符可达2032种，而扩展标准的报文标志符几乎不受限制。
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