1、背景及发展在计算机数据传输领域内，长期以来使用 RS-232 和 CCITT V.24 通信标准，尽管被广泛使用，但缺点明显，主要如下：-数据传输速率低-无能力支持更高层次的计算机之间的功能操作在复杂或大规模的应用中（如导弹、飞机、工业现场控制、生产自动化、 高级现代化汽车控制等）需要使用大量的传感器、执行器和控制器等因此，能经受工业现场环境、抗干扰能力强的 CAN （ Controller Area Network）控制器局部网在 20 世纪 80 年代由德国Bosch 公司开发成功，最早应用于解决现代豪华汽车（如 BENZ 奔驰）中众多的控制与测试仪器之间的数据交换。美国最早将 CAN 总
2、线应用于导弹、飞机、坦克等武器的通讯系统里。趋势表明，在国际自动控制领域，21 世纪将是以 CAN 等总线为主的现场总线的世纪。CAN 控制器局部网主要特征工业级总线式串行通信网络标准 多主站依据优先权进行总线访问无破坏性的基于优先权的仲裁借助接收滤波的多地址帧传送远程数据请求数据通信配置灵活性数据通信高实时性数据通信高可靠性全系统数据相容性错误检测和出错信令发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重发送暂时错误和永久性故障接点的判别以及故障节点的自动脱离 CAN 控制器局部网的主要优点监视与控制能力 强可靠性与故障容限 高实时响应性 好报文长度小体系结构与协议的复杂性简单通信功能的完备
3、程度高通信速率高对环境的要求低抗干扰能力 强可靠性高理论节点数 无限 CAN 总线任意两个节点之间的距离与位速率的关系位速率 最大总线长度1Mbps 40m500kbps 130m250kbps 270m125kbps 530m100kbps 620m50kbps 1.3km20kbps 3.3km10kbps 6.7km5kbps 10km 总线简介及其特点网络（ ）是现场总线技术的一种，它是一种架构开放、广播式的新一代网络通信协议，称为控制器局域网现场总线。网络原本是德国公司为欧洲汽车市场所开发的。推出之初是用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信。例如汽车刹车防抱死系统、安全气囊等。对机
4、动车辆总线和对现场总线的需求有许多相似之处，即能够以较低的成本、较高的实时处理能力在强电磁干扰环境下可靠地工作。因此总线可广泛应用于离散控制领域中的过程监测和控制，特别是工业自动化的底层监控，以解决控制与测试之间的可靠和实时数据交换。总线有如下基本特点：* 协议最大的特点是废除了传统的站地址编码，代之以对数据通信数据块进行编码，可以多主方式工作；* 采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，有效避免了总线冲突；* 采用短帧结构，每一帧的有效字节数为个（技术规范） ，数据传输时间短，受干扰的概率低，重新发送的
5、时间短；* 的每帧数据都有效验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性,适于在高干扰环境中使用；* 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上其它操作不受影响；* 可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播集中方式传送和接受数据；* 总线直接通讯距离最远可达，通讯速率最高可达s；* 采用不归零码（）编码解码方式， 并采用位填充（插入）技术。详细的协议可参见技术规范和以及国际标准。 总线通信介质访问控制方式采用了的层模型：物理层、数据链路层和应用层。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 ,结点数可达个。的通信介质访
6、问为带有优先级的。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。例如，规定的优先级高，在节点发送信息时，总线作与运算。每个节点都是边发送信息边检测网络状态，当某一个节点发送而检测到时，此节点知道有更高优先级的信息在发送，它就停止发送信息，直到再一次检测到网络空闲。
7、的传输信号采用短帧结构（有效数据最多为个字节） ，和带优先级的通信介质访问控制方式，对高优先级的通信请求来说，在通信速率时，最长的等待时间为，完全可以满足现场控制的实时性要求。突出的差错检验机理，如种错误检测、出错标定和故障界定；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。另外，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，具有高可靠性。 的通信协议主要有总线控制器完成。控制器主要由实现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协议的物理层和数据链路层的所有功能，应用层功能由
8、微控制器完成。总线上的节点即可以是基于微控制器的智能节点，也可以是具有接口的器件。 应用技术、 系统组成总线用户接口简单，编程方便。总线属于现场总线的范畴，总线系统的一般组成模式如图所示：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。通过总线连接各个网络节点，形成多主机控制器局域网（） 。信息的传输采用通信协议，通过控制器来完成。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协议的数据传输，节点可以使用带有在片控制器的微控制器，或选用一般的微控制器加上独立的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。如果需要进一步
9、提高系统的抗干扰能力，还可以在控制器和传输介质之间加接光电隔离，电源采用变换器等措施。这样可方便构成实时分布式测控系统。、 总线的物理层设计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。总线物理层的设计原则是：针对、的两种输出状态（显性（） 、隐性（） ） ，总线应具有两种不同电平，接收端呈现（显性、隐性）两种状态，如图所示。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。总线连接实例（图）：（以的芯片为例）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（
10、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。如图采用了收发器作为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控制器的差动接收能力。一般在驱动芯片和控制器之间加入光电耦合器,增加抗干扰能力。总线的速度将由光电耦合器的速度决定。比如：用光耦，因为它的响应速度比较慢，网络的位速度只能达到几十。如果采用高速光电耦合器，网络速度可以达到和电阻网络驱动时的速度一样。另外，物理层的设计要注意电缆的终端阻抗匹配，这直接影响了总线能否正常工作和网络性能。、 应用软件设计控制器其内部硬件实现了总线物理层和数据链路层的所有协议内容，有关总
11、线的通信功能均由控制器自动管理执行。控制器对于来说，是以确保双方独立工作的存储影像外围设备出现的。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。总线上的通信也通过此段由控制，被发送的报文必须写入发送缓存器，成功接收后，可以从接收缓存器读取报文，然后释放它，以备下次使用。对于在片的控制器，它与之间的接口一般借助于个特殊寄存器：地址寄存器、数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器。对于单独的控制器，可以通过其地址数据总线对其寄存器直接寻址，就像对一般外部寻址一样。通过对这些寄存器编程操作，可很方便控制控制器完成通讯功能。控制器的收发功能均可借助其中断服务执行
12、。图给出一个中断服务程序框图（图） 。注意在系统软件设计时无论何时总线不应该被永久性的加载。 目前应用状况及其前景由于总线为越来越多不同领域采用和推广，导致要求不同应用领域通信报文的标准化。为此，年月 制定并发布了技术规范（ ） 。该技术规范包括和两部分。给出了曾在技术规范版本中定义的报文格式，给出了标准的和扩展的两种报文格式。此后，年月正式颁布了道路交通运输工具数字信息交换高速通信控制器局部网（）国际标准（） ，为控制器局部网标准化，规范化推广铺平了道路。总线开发系统廉价，用户容易操作，许多国际上大的半导体厂商也积极开发出支持总线的专用芯片，其中有智能芯片，也有非智能控制器、收发器。公司生产
13、了是在微控制器上加入了模块，也称为。公司生产了微控制器上集成了控制器取代了原来的串行口。还生产独立控制器、即串行链接（）器件、收发器、带有集成接口的电磁兼容微控制器。公司生产了独立控制器，它可通过并行总线与各种微控制器连结，也可通过串口（）与无并行总线控制器如连接。由于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。在国外的发展迅速，奔驰型轿车采用的就是总线系统；美国商用车辆制造商们也将注意力转向总线；美国一些企业已将作为内部总线应用在生产线和机床上。由于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。 结束语总之，基于总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。作为现场设备级的通信总线，和其他总线相比，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，接口芯片的生产厂家众多，协议开放，价格低廉，且使用简单，总线可广泛应用于工业测量和控制领域。
