劉景久

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司淮安運(yùn)維站，江蘇淮安，223001）

1 CAN總線的特點(diǎn)

在1980年之后，汽車工業(yè)已經(jīng)不滿足與傳統(tǒng)總線，而此時(shí)，德國(guó)提出了新的數(shù)據(jù)——BOSCH，這一串行數(shù)據(jù)也被稱之為CAN總線。通信協(xié)議CNA總線總線屬于控制器區(qū)域總線。通信接口具備CNA協(xié)議物理層以及數(shù)據(jù)鏈路層功能，能保持通信數(shù)據(jù)成幀，其中包含了數(shù)據(jù)塊編碼、優(yōu)先級(jí)識(shí)別等，主要具備以下特點(diǎn)。

（1）迄今為止，CNA在當(dāng)下是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中為數(shù)不多的現(xiàn)場(chǎng)總線。并且總線協(xié)議也已經(jīng)通過(guò)了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的認(rèn)真，技術(shù)上也在不斷完善，趨近于成熟，控制芯片上也具備了成本效益，在色彩測(cè)控系統(tǒng)當(dāng)中十分適用。

（2）CAN總線并不是用傳統(tǒng)的編碼地址，同時(shí)也不指定地址節(jié)點(diǎn)，而是CNA總線中的通信數(shù)據(jù)當(dāng)中進(jìn)行編碼。如此網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目可以不受限制，代表標(biāo)識(shí)也是由11～29位的二進(jìn)制數(shù)字構(gòu)成，這種編碼方式讓消息標(biāo)識(shí)符去指定消息的優(yōu)先級(jí)以及消息內(nèi)容，并且通過(guò)優(yōu)先級(jí)較高的節(jié)點(diǎn)去發(fā)送優(yōu)先級(jí)消息。不同的節(jié)點(diǎn)也能會(huì)收到相同數(shù)據(jù)，這對(duì)于分布式的控制系統(tǒng)也特別重要，短幀結(jié)構(gòu)的使用也能確保實(shí)時(shí)通信，保證在較短的時(shí)間內(nèi)將信息傳輸，減少收到潛在干擾或是較短的重傳時(shí)間。

（3）CAN總線使用多主機(jī)競(jìng)爭(zhēng)總線結(jié)構(gòu)。通信介質(zhì)可以是雙絞線，同軸電纜或光纖，并且可以在多個(gè)主站和分布式仲裁下運(yùn)行。 CAN總線上的任何節(jié)點(diǎn)都可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一對(duì)多和廣播密集型的方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并且可以隨時(shí)隨地向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)送信息，而無(wú)需考慮優(yōu)先級(jí)。可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的自由通訊。 CAN的最大通信距離為10公里（設(shè)置速度為5Kbps），最大通信速度為1Mbit / s（設(shè)置通信距離為40米）。

（4）CAN使用無(wú)損總線仲裁技術(shù)，即載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)（CSMA/CD）總線仲裁方法。如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，則優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)將主動(dòng)停止。在傳輸過(guò)程中，高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)可以繼續(xù)傳輸，從而節(jié)省了總線仲裁時(shí)間。避免由多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)開(kāi)始發(fā)送消息引起的總線爭(zhēng)用，從而允許優(yōu)先級(jí)更高的消息先發(fā)送。

（5）CAN總線協(xié)議采用了完整的錯(cuò)誤檢測(cè)和錯(cuò)誤處理機(jī)制，包括CRC校驗(yàn)，自動(dòng)錯(cuò)誤消息重發(fā)，錯(cuò)誤狀態(tài)確定，自動(dòng)臨時(shí)錯(cuò)誤恢復(fù)等，以確保數(shù)據(jù)通信的可靠性。如果發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤，則該節(jié)點(diǎn)具有自動(dòng)關(guān)閉總線并與總線斷開(kāi)連接的能力，因此不會(huì)影響總線上的其他操作。

（6）CAN總線能實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤檢測(cè)，利用2線串行通信模式，并在高噪聲環(huán)境下正常運(yùn)行。同時(shí)具備較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性以及傳輸性成本低等眾多優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)具體網(wǎng)絡(luò)ID還能決定是否接收消息。如果發(fā)送的信息出現(xiàn)損壞還能自動(dòng)重新發(fā)送。這種消息其中包含了源地址，僅標(biāo)識(shí)符勇于只是功能以及優(yōu)先級(jí)信息。CAN總線的特性以及其保障性和設(shè)計(jì)適用于工業(yè)過(guò)程監(jiān)控設(shè)備通信。在業(yè)內(nèi)CAN的關(guān)注度越來(lái)越高，越來(lái)越多的專業(yè)人員對(duì)CAN總線抱有希望。

2 CAN總線的優(yōu)勢(shì)

CAN（控制器局域網(wǎng)）是一種現(xiàn)場(chǎng)總線。在傳統(tǒng)的工業(yè)控制領(lǐng)域，大多數(shù)通信使用RS232，RS485或RS-422總線。相反，RS232，RS485或RS-422總線的缺點(diǎn)是通信距離短，通信速度慢和抗干擾性能差。通信通常采用主從方式，通過(guò)主站查詢方式進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)性較低，可靠性較高。如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，并且多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線，則總線將短路，并且某些節(jié)點(diǎn)將被損壞。

基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)具有許多明顯的優(yōu)勢(shì)。

（1）CAN電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需的電線數(shù)量少，與外部設(shè)備互連僅需兩根電線，因此每個(gè)控制單元可以通過(guò)CAN總線共享所有信息和資源，從而簡(jiǎn)化了接線并減少了傳感器并避免重復(fù)控制功能的影響。CAN具有完整的通信協(xié)議，可以通過(guò)CAN控制器芯片及其接口芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。這大大降低了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的難度，縮短了開(kāi)發(fā)周期。

（2）CAN的存在也支持分布和實(shí)時(shí)兩種控制模式，并且能多主機(jī)模式下進(jìn)行運(yùn)行。每個(gè)節(jié)點(diǎn)均能碎石放松信息，也可點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，多點(diǎn)以及全局廣播模式網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)均可通過(guò)總線訪問(wèn)優(yōu)先級(jí)使用無(wú)損技術(shù)，通過(guò)通信速度及其可靠性節(jié)約大量的總線仲裁時(shí)間。CAN由于使用通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這也讓CAN總線數(shù)據(jù)通信能輕松實(shí)現(xiàn)安全數(shù)據(jù)運(yùn)輸。

（3）CAN總線通過(guò)CAN控制器接口芯片的CANH和CANL輸出端子連接到物理總線。CANH端子的狀態(tài)為高或僅浮動(dòng)，而CANL端子的狀態(tài)為低或僅浮動(dòng)。CAN總線信號(hào)狀態(tài)有兩種類型：隱藏位置和顯式位置。如果發(fā)送隱性位和顯性位之間存在沖突，則最終結(jié)果將是顯性位。信號(hào)的二進(jìn)制和“單穩(wěn)態(tài)”特性允許所有節(jié)點(diǎn)輕松獲得一致的數(shù)據(jù)，并確保在處理競(jìng)爭(zhēng)時(shí)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)是同步的。此二進(jìn)制值的性質(zhì)有很大的保證。為了保證CAN總線的可靠性。另外，在發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下，CAN節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)關(guān)閉輸出，以免影響總線上其他節(jié)點(diǎn)的行為，從而導(dǎo)致總線由于該問(wèn)題而“死鎖”。

（4）CAN總線具有位填充，回讀，錯(cuò)誤抑制和自動(dòng)錯(cuò)誤重發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有通訊速度快，通訊距離長(zhǎng)，易于實(shí)現(xiàn)，性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。

3 CAN總線單元設(shè)計(jì)

3.1 CAN接口單元的總體設(shè)計(jì)

CAN總線接口單元實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。接口單元包括電路微處理器，總線收發(fā)器，輸入和輸出設(shè)備，CAN通信控制器等。微處理器完成數(shù)據(jù)處理，而CAN通信控制器完成數(shù)據(jù)處理。通過(guò)CAN通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，CAN總線收發(fā)器可以延長(zhǎng)通信距離，減少射頻干擾（RFI），提高系統(tǒng)的即時(shí)抗干擾能力，并提供熱保護(hù)。CAN總線接口單元的設(shè)計(jì)是根據(jù)CAN總線物理層協(xié)議選擇總線介質(zhì)，設(shè)計(jì)布線方法，然后連接到CAN網(wǎng)絡(luò)。主要是在CAN總線收發(fā)器與物理總線之間以及在CAN通信控制器與微處理器之間的接口電路設(shè)計(jì)。

3.2 單片機(jī)系統(tǒng)

ATMEL公司的89C52 MCU價(jià)格便宜，技術(shù)成熟并且被廣泛使用。該設(shè)計(jì)選擇微處理器89C52作為節(jié)點(diǎn)控制器來(lái)初始化CAN控制器和CAN收發(fā)器控制任務(wù)（MCU復(fù)位信號(hào)和時(shí)鐘）。改進(jìn)的設(shè)計(jì)旨在減少由簡(jiǎn)單的復(fù)位電路（過(guò)去由電阻器和電容器形成）引起的長(zhǎng)時(shí)間延遲和不準(zhǔn)確性，并避免時(shí)鐘信號(hào)爭(zhēng)用。

3.3 SJA1000控制電路設(shè)計(jì)

考慮到SJA1000支持CAN2.0A/B協(xié)議，已選擇了PHILIPS SJA1000 CAN控制器。SJA1000總線控制器是CAN總線接口控制板的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)發(fā)送，接收，過(guò)濾和其他任務(wù)。提供主機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)微處理器之間的數(shù)據(jù)通信。考慮到國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上有許多PHILIPS產(chǎn)品型號(hào)，購(gòu)買(mǎi)可以支持110個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)和82C250的82C250更為方便。

該接口電路的控制單元使用SJA1000。89C52的P0端口連接到SJA1000的AD0至AD7，而89C52的P2.7端口連接到CS引腳。如果CS引腳為低，則將89C52連接到SJA1000；將SJA1000的RD，WR和ALE分別連接到89C52的相應(yīng)引腳上;將89C52的INT0連接到SJA1000的INT引腳，然后通過(guò)中斷請(qǐng)求SJA1000連接微控制器。

4 CAN總線在配電自動(dòng)化通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

配電自動(dòng)化系統(tǒng)是一個(gè)綜合的自動(dòng)化系統(tǒng)，包括110/10kV變電站的10kV部分和10kV饋線，該系統(tǒng)擴(kuò)展到每個(gè)用戶的所有配電設(shè)備。配電自動(dòng)化系統(tǒng)的主要功能是使用安全的傳輸通信網(wǎng)絡(luò)。一種是安全地從控制中心向每個(gè)執(zhí)行部門(mén)發(fā)送命令，另一種是安全地上載每個(gè)監(jiān)視部分獲得的信息。

光纖在通信中的應(yīng)用極為安全，因?yàn)楣饫w和光電設(shè)備幾乎沒(méi)有問(wèn)題，也不受電磁干擾。另外，光纖通信的帶寬非常寬，數(shù)據(jù)傳輸速度也很高。由于誤差低，配電自動(dòng)化通信系統(tǒng)的主網(wǎng)絡(luò)使用光纖作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)。中心站點(diǎn)及其下方子站點(diǎn)之間使用單模光纖，而下方子站點(diǎn)與饋線的遠(yuǎn)程終端之間的連接則使用多模光纖。通常，使用雙回路網(wǎng)絡(luò)，因此整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信不會(huì)因通信網(wǎng)絡(luò)故障而癱瘓或受到影響。配電變壓器終端的傳輸和電度表讀取的數(shù)據(jù)由FTU完成，并且全部使用CAN總線通信。由于CAN總線是串行總線，因此可以在智能設(shè)備系統(tǒng)上特別顯示其強(qiáng)大的功能。分配系統(tǒng)使用CAN總線來(lái)簡(jiǎn)化自動(dòng)通信系統(tǒng)。

根據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的詳細(xì)分析，CAN總線可以有效地處理物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的任務(wù)。如果希望CAN總線節(jié)點(diǎn)完全實(shí)時(shí)處理通信任務(wù)，則專注于其軟件設(shè)計(jì)。即使在當(dāng)前的設(shè)計(jì)中，這也是一個(gè)大問(wèn)題。主要內(nèi)容是節(jié)點(diǎn)初始化程序，消息發(fā)送程序，消息接收程序，錯(cuò)誤處理程序等。應(yīng)用寄存器時(shí)，必須在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的比特率相同且接收方和發(fā)送方相同的條件下使用必須同步。有兩種接收信息的方式：中斷接收和查詢接收。建議使用接收中斷來(lái)確保實(shí)時(shí)通信，這也可以確保數(shù)據(jù)安全。

5 CAN總線的發(fā)展前景

CAN最初用于監(jiān)視和控制汽車行業(yè)。是一種低成本的通信總線，用于解決汽車中復(fù)雜的硬件信號(hào)布線?，F(xiàn)在，已成為汽車中的常見(jiàn)用法，并被認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)總線。CAN總線共享信息及資源，并且總線數(shù)據(jù)通信也讓系統(tǒng)的可靠性大大提高，其實(shí)用性能也大大改善，使其整個(gè)匹配系統(tǒng)更為協(xié)調(diào)。在當(dāng)代隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，CAN的抗干擾能力，處理錯(cuò)誤能力以及高度的靈活性引起了越來(lái)越多關(guān)注。諸多世界知名企業(yè)制造商也在采用CAN總線實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部系統(tǒng)控制以及執(zhí)行引擎之間的數(shù)據(jù)。在近些年來(lái)，CAN總線已經(jīng)逐漸成為了主流總線，也成為了國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)總線。ISO正式頒布了ISO11898CAN高速應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和ISO11519CAN低速應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。這為CAN總線的標(biāo)準(zhǔn)化鋪平了道路。

由于其高性能，可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN總線在最新的色散測(cè)量和控制技術(shù)中正變得越來(lái)越普及。同時(shí)，由于CAN總線本身的特性，其范圍不再局限于汽車行業(yè)，而是在鐵路運(yùn)輸，自動(dòng)控制，航空航天，導(dǎo)航，機(jī)械工業(yè)，機(jī)器人技術(shù)和醫(yī)療領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用設(shè)備。CAN總線的發(fā)展非常大，不僅在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用中具有一定的優(yōu)勢(shì)，而且還定位于其他工業(yè)領(lǐng)域。這是由于通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，通信要求的不斷提高以及對(duì)成本性能的日益關(guān)注。在這種情況下，CAN總線的優(yōu)勢(shì)在于其出色的抗干擾能力。盡管CAN總線有一定的局限性和漏洞，但CAN總線的改進(jìn)仍在繼續(xù)。我們相信，不斷的更新和改進(jìn)將大大改善CAN總線的未來(lái)發(fā)展。