【摘抄】CAN总线网络的通信模型和构建方法

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1　引言　　
　　目前，许多数字化分布式工业测控系统都是基于RS－485网络构建的，这种基于RS－485网络的分布式测控系统由于具有结构简单、抗干扰能力强、传输距离远、成本低等优点，而被广泛应用于各种工业现场。但在构建大型复杂工业现场的实时测控网络时，我们遇到的主要问题是必须保证系统具有良好的可靠性、抗干扰性和实时性，以及足够的通信距离。由于RS－485通信网络本身所具有的一些缺陷，使得它面对以上问题时不能给出一个很好的解决方案。这些不足主要表现在以下几个方面：
·系统故障隔离能力差
　　RS－485是一种半双工的电气协议，传播介质采用双绞线。当比特流在介质上传输时，双绞线对上呈现的是一对极性相反的信号，这样在RS－485网络中，在任意时刻，总线就只能允许其上的一个节点向总线发送数据。如果总线上的某些节点发生故障，或者系统上位机的调度出现不该有的失误，导致多于一个以上的节点同时向总线发送数据时，就极有可能使总线呈现短路状态，从而损坏某些节点的RS－485驱动器，导致了故障范围的进一步扩大。
·网络系统的总体可靠性低
　　利用RS－485只能构成主从式结构的通信网络，在这种网络中，一旦主节点出现故障，就会导致整个系统处于瘫痪状态，系统的总体可靠性较低。
　　RS－485网络的通讯联络方式为命令响应型，这使得主站只能以轮询方式获取各个从站的信息，这就大大降低了总线上数据传输的效率。在大型系统中，由于底层测控点数量多，就会造成系统运行过程中某些节点的故障信息不能及时地被主站获取，系统的实时响应性较差，在某些实时性要求较高的场合，系统的这种弱点可能会造成重大事故。
·系统上位机的调度及通信软件的编制较复杂

　　由于RS－485只是一种电气协议，它本身并未提供可靠高效的通信协议的实现，加之这种网络的工作方式是命令响应型，因此，为了保证数据通信的准确性和系统运行的可靠性。就必须编制完善的调度程序和通信协议，这就增加了系统开发的难度和开发周期。
　　对于这些问题，RS－485网络本身无法给出良好的解决办法，而新兴的CAN总线技术则使这些问题得到了较好的解决。

2　CAN总线简介　　
　　CAN总线是一种新兴的现场总线。CAN（Con－troller Area Network）即控制器局域网络，它属于总线式串行通信网络，通讯介质可以选用双绞线、铜轴电缆和光纤，由于采用了许多新技术和独特的设计，使得基于CAN总线构建的系统具有以下优秀的特性：
·系统具有良好的故障隔离能力
　　CAN总线的收发接口电路由器件82C250实现，82C250是通过它的两个输出端（CANH和CANL）与物理总线进行连接的。按照CAN2．0A规范，在任意时刻，CANH端的电平只能是高电平和悬浮状态，而CANL端的电平则只能是低电平和悬浮状态，CAN的这种电平特性，使得即使多个节点同时向总线发送数据，也不会使总线呈现象RS－485总线那样的短路状态，从而也就不会把单个节点的故障“传染”给总线上的其它节点。另外，CAN总线的节点在错误严重时能够自动关闭，以保证总线上其它节点的操作不受影响。
·CAN网络具备良好的可靠性设计
　　CAN的通信控制器工作于多主方式，网络中的任意节点在任意时刻均可向总线发送数据而不分主从，这就保证了基于CAN总线可以构成多主结构或冗余结构的系统，从而可使系统具有良好的可靠性。
·网络的实时响应性能好
　　CAN对于传送的信息帧可以设定不同的优先级，并通过总线仲裁机制使高优先级的信息能够被优先及时地传送，这就保证了某些需要实时得到处理的信息能够及时地被处理。
·CAN具有良好的传输防错设计
　　CAN采用短帧结构，使得数据被传输的时间短，受干扰的几率低，而且CAN的每帧信息都有CRC校验及其它检错措施，保证了数据传输的出错率极低。
·通讯及调度软件的开发难度大大降低

　　CAN的完善可靠的通信协议主要是由CAN接口器件实现的，通信联络方式灵活，这就大大降低了系统通讯及调度软件的开发难度和工作量，缩短了开发周期。
·CAN总线的通信距离远，通信速率高

　　CAN总线的通信距离最远可达10 km（5 Kbps以下），其通信速率最高可达1 Mbps（此时通信距离在40 m以下），这一特点对构建大型系统极为有利。

3　CAN总线的通信模型　　
　　基于CAN总线构建的通信网络，也是依照开放系统互连规范按层次结构设计的。考虑到作为工业测控底层网络，其信息传输量相对较少，信息传输的实时性要求较高，网络连接方式相对较简单，因此，CAN总线网络在低层只采用了OSI7层通信模型的最低两层，即物理层和数据链路层，而在高层只有应用层。图3—1给出了CAN网络的通信模型。CAN的数据链路层又分为逻辑链路控制（LLC）子层和媒体访问控制（MAC）子层。物理层定义信号怎样传输，完成电气连接，实现驱动器／接收器特性；MAC子层是实现CAN协议的核心，它的功能主要是传送规则，即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定；LLC子层的功能主要是报文滤波、超载通知和恢复管理。物理层和数据链路层的功能可由CAN接口器件来完成。应用层的功能是由微处理器完成的。



4　CAN总线网络的构建方式
4．1　CAN通信控制器82C200
　　PHILIPS公司的PCA82C200是双列直插式器件，其功能方框图见图4—1。其中，AD0－AD7是分时复用的地址／数据总线，CS为片选信号，低电平有效，WR为读操作使能信号，RD为写操作使能信号，这些引脚构成了CAN控制器与CPU之间的信息交换通道。而CAN控制器与物理总线之间的信息连接则是通过引脚TX0／TX1和RX0／RX1来完成的。82C200具有完成高性能通信协议所要求的全部必要特性，通过简单连接即可完成CAN总线协议的物理层和数据链路层的所有功能。　　
　　为了提高总线的驱动能力和在恶劣电气环境下的传输速度，也可使用CAN总线收发器件充当CAN控制器与物理总线之间的接口。



4．2　网络构建原理
　　基于CAN总线的分布式工业测控网络是按照串行总线式网络的原理构建的，其拓朴原理图见图4—2。网络通讯介质采用双芯屏蔽双绞线。总线是由配置在监控主机中的CAN接口板引出并驱动的，挂接在总线上的CAN模块表示具有CAN接口功能的现场智能仪表。当总线通信距离较长，或总线负载较重时，需在适当的地方加接中继器以扩展总线的通信距离，保证通信的可靠。总线的每个末端均须接有抑制信号反射的以RT表示的终端电阻，其阻值应与总线介质的特性阻抗相匹配，使用双绞线时一般取RT＝100～120Ω。在实际组网时，应根据实际情况确定图中标注的3个参数，d指节点分支长度，应小于0．3 m，S指相邻节点的距离，L则表示不加中继时的总线的可靠通信距离，S和L的允许值取决于总线的通信速率，速率越高，则其允许值越小，按照CAN的国际标准ISO 11898的建议，在总线位速率为1 Mbps时，S和L的允许值均应小于40 m，但当位速率在5 Kbps以下时，L的允许值可到10 km。





　

4．3　CAN网络的组网连接方式　　
CAN网络的组网连接方式共4种，即点对点连接、树型连接、支脉型连接和菊花链型连接，图4—3给出这4种连接方式的原理示意图。在实际构建CAN网络时，应根据现场的测点分布情况和设备的可安装条件来具体选择合适的连接方式。在一个大型工业现场中，以上4种方式都可能被用到。

5　结束语　　
CAN作为一种新兴的现场总线技术，由于其具有的高性能、高可靠性、及独特的设计，使得它已成为最有前途的现场总线之一。在美国和欧洲，CAN已在汽车、机器人、数控机床、过程监控、医疗器械、机械制造、传感器等诸多领域得了成功的应用。与RS－485通信网络相比，CAN总线网络除了具有RS－485的一切优点之外，它的数据通信还具有突出的可靠性、实时性和抗干扰性，其组网方式也非常灵活，因而非常适合于构建复杂现场的实时测控网络。具体实施时，还应考虑网络的接地、屏蔽、以及应用层软件的设计等问题。