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自学工业控制网络之路1.4-典型的现场总线介绍CAN

1991年3月，发布了CAN技术贵干v2.0，包含了A、B两部分。CAN2.0A给出报文标准格式，CAN2.0B给出了标准和扩展的两种格式。
1993年11月，国际标准ISO11898（高速应用）和ISO11519（低速应用）。

1. CAN特点

（1）它是一种多主总线，即每个节点机均可成为主机，且节点机之间也可进行通信。

（2）通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mb/s（此时距离最长40m）。

（3）CAN总线通信接口中集成了can协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等项工作。

（4）CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，雨代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点是可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义211或229个不同的数据块，这种数据块编码方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分步式控制中非常重要。

（5）短帧结构。数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而倮证了通信的实时性。

（6）CAN协议采用crc检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。can总线所具有的卓越性能、极高的可靠性和独特设计，特别适合工业设各测控单元互连。因此备受工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。

（7）采用非破坏性位仲裁总线结构机制，当两个节点同时向网络上传送信息时，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送数据。

（8）节点数最多可达110个。

（9）CAN总线不能用于防爆区。

（10）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，以使总线上的其他操作不受影响。

2. CAN原理

2.1 CAN 总线原理

CAN总线以广播的方式从一个节点向另一个节点发送数据，当一个节点发送数据时，该节点的CPU把将要发送的数据和标识符发送给本节点的CAN芯片，并使其进入准备状态;一旦该CAN芯片收到总线分配，就变为发送报文状态，该CAN芯片将要发送的数据组成规定的报文格式发出。此时，网络中其他的节点都处于接收状态，所有节点都要先对其进行接收，通过检测来判断该报文是否是发给自己的。

由于CAN总线是面向内容的编址方案，因此容易构建控制系统对其灵活地进行配置，使其可以在不修改软硬件的情况下向CAN总线中加入新节点。

2.2 CAN 控制器原理

其中CAN核心模块根据CAN总线协议控制数据帧的发送和接收；
接口管理逻辑模块提供SJA1000与主微处理器或其它设备的连接，主微处理器可以通过数据/地址复用总线和读写控制逻辑访问SJA1000的所有寄存器；
发送缓冲区可以存储一个完整的标准或扩展的报文，当主微处理器要求SJA1000发送报文时，接口管理逻辑操纵CAN核心模块将发送缓冲区中的报文发送到CAN总线上；
当接收一个报文时，CAN核心模块首先将总线上的串行位流数据转换位并行数据，然后交给接收过虑模块进行识别，决定该报文是否为主微处理器所要求的报文类别，所有接收的报文可以存放在接收先进先出队列，根据不同的工作模式和数据长度，该队列可以存放最多32个报文，然后用户可以灵活地对报文分为不同地优先级和中断处理服务。

3. CAN现场总线体系结构

CAN分为物理层和数据链路层。

（1）物理层

规定了节点的全部电气特性，信号如何发送，因而涉及位定时、位编码和同步的描述。

（2）数据链路层

数据链路层分两个子层，逻辑链路控制子层LLC和媒体访问控制子层MAC。

4. CAN现场总线的优点

　　● 具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点；

　　● 采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作；

　　● 具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN 控制器挂到CAN-bus 上，形成多主机局部网络；

　　● 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。

5. CAN现场总线的缺点

（1）不一致性

　　CAN总线中有一个著名的Last-But-One-Bit 错误。CAN总线2 OA在信息认证（MessageValidaTIon）中规定： 发送器验错的范围可覆盖到帧结束，如果发现错误，以后就按优先权和状态的规定重发; 接 器验错的范围覆盖到帧结束的前一位。因此，如果由于空间干扰、电 源波动等原因，对于帧的倒数第二位，一部分节点A认为无错，一 部分节点B 认为有错，即出现了所谓的ByzanTIne 错误。这时，根 EOF 应该是7 个隐性位，节点B 认为这是一种形式错误，所以就会启动错误帧，通知发送器重发，同时丢弃收到的帧。而认为设错的节点A 由于只查到倒数第二位，因此就会接收此帧。如果在发送器例行的下一次发送前B 通知的重发成功，A就会收到重复帧; 如果重发不成功，B 就丢了一帧。在转向和制动系统中，4 个轮子对命令的不同理解，可能造成性能的下降或其他更严重的后果。

（2）不可预测性

　　CAN总线将节点状态分为ErrorAcTIve、Error Passive 和Bus Off 三种，这三种状态在一定条件下可以互相转换。不同状态中节点的发送有不同的延迟。最高优先权的信息发送延迟有几种可能： 当节点状态为ErrorAcTIve 时，若总线空闲，则立即发送; 当节点状态为ErorActive时，如果其它帧正在发送，则需等正在发送的报文结束后，再过3 位后发送; 当节点状态为ErrorPassive 时，它有一个出错重发的要求，若没有其它帧要发送，等3 位传送（Intemission）和8 位挂起传送（Suspend Transmission）后重发; 当节点状态为Error Passive时，若总线空闲，出错后等别的信息发送完后再发，等待时间与其它帧的长度有关; 当节点状态为Bus Off 时，需等状态恢复到ErrorPassive 或ErrorActive 再发。

　　当确认某节点的状态时，还有几个因素需要考虑： 首先，节点由最高优先权的信息和其他信息共用，因此，其他信息在传送过程中出现的错误也会影响到节点状态; 其次，进入ErrorPassive 或BusOff 状态的条件是发送错误计数器与/或接收错误计数器的值，由于CAN 的原子广播特点，其它节点的发送错误或接收错误会开启一个错误帧，从而影响到该节点的接收错误计数器的值，进而影响节点状态。

　　对于优先权较低的信息来说，发送时间的离散程度更大。在反馈控制系统中，采样调节周期的大范围抖动相当于信号延迟后的变化，它有可能使系统性能下降或不稳定。在与安全相关的开环系统中，抖动可能造成动作顺序的混乱。

（3）信道出错堵塞

　　节点有可能受干扰或其它原因暂时或永久失效，出错的主机会命令CAN 收发器不断发送消息，即所谓的Babbling ldiot 错误。由于该信息的格式等均合法，因此CAN 没有相应的机制来处理这种情况。根据CAN 的优先权机制，比它优先权低的信息就被暂时或永久堵塞。由于CAN总线存在上述几种根本的缺陷，因此，在更为严格的控制系统中，它将会造成巨大的风险，无法满足安全、环保、节能的要求。CAN 的事件触发协议特点限制了ECU 的应用、开发与生产，不仅用过的ECU 难于重用，而且还不利于改善和开发新的ECU。