1 引言
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，20世紀80年代中期，率先由Bosch公司研發(fā)出新一代的汽車總線即控制器局域網CAN(Controller Area Network)總線，CAN總線具有布線簡單、典型的總線型結構、可最大限度地節(jié)約布線與維護成本、穩(wěn)定可靠、實時、抗干擾能力強、傳輸距離遠等特點，這些都決定了CAN總線必定是一種成功的總線。CAN總線一經推出，不僅在汽車行業(yè)得到廣泛的推廣與應用，在諸如航天、電力、石化、冶金、紡織、造紙等領域也得到廣泛應用。在自動化儀表、工業(yè)生產現場和數控機床等系統(tǒng)中也越來越多地使用了CAN總線，CAN總線的未來發(fā)展依然充滿活力，有著巨大的發(fā)展空間。
由于CAN總線本身只定義ISO/OSI模型中的第一層(物理層)和第二層(數據鏈路層)，通常情況下CAN總線網絡都是獨立的網絡，所以沒有網絡層。在實際使用中，用戶還需要自己定義應用層的協(xié)議，因此在CAN總線的發(fā)展過程中出現了各種版本的CAN應用層協(xié)議，現階段最流行的CAN應用層協(xié)議主要有CANopen、DeviceNet和J1939等協(xié)議。
本系列文章主要介紹CAN總線、基于CAN總線的應用層協(xié)議——CANopen，以及CANopen設備的應用及組網方式。本文主要介紹CAN總線相關的概念及網絡結構。
2 CAN總線特點
CAN總線采用差分信號傳輸，通常情況下只需要兩根信號線（CAN-H和CAN-L）就可以進行正常的通信。在干擾比較強的場合，還需要用到屏蔽地即CAN-G（主要功能是屏蔽干擾信號），CAN協(xié)議推薦用戶使用屏蔽雙絞線作為CAN總線的傳輸線。在隱性狀態(tài)下，CAN-H與CAN-L的輸入差分電壓為0 V(最大不超過0.5 V)，共模輸入電壓為2.5 V。在顯性狀態(tài)下，CAN-H與CAN-L的輸入差分電壓為2 V(最小不小于0.9 V)，如圖 1所示。
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其物理傳輸層詳細和高效的定義，使得CAN總線具有其他總線無法達到的優(yōu)勢，注定其在工業(yè)現場總線中占有不可動搖的地位，CAN總線通信主要具有如下優(yōu)勢和特點。
(1)CAN總線上任意節(jié)點均可在任意時刻主動地向其他節(jié)點發(fā)起通信，節(jié)點沒有主從之分，但在同一時刻優(yōu)先級高的節(jié)點能獲得總線的使用權，在高優(yōu)先級的節(jié)點釋放總線后，任意節(jié)點都可使用總線。
(2)CAN總線傳輸波特率為5 kb/s～1 Mb/s，在5 kb/s的通信波特率下最遠傳輸距離可以達到10 km，即使在1 Mb/s的波特率下也能傳輸40 m的距離。在1 Mb/s波特率下節(jié)點發(fā)送一幀數據最多需要134 μs。
(3)CAN總線采用載波監(jiān)聽多路訪問、逐位仲裁的非破壞性總線仲裁技術。在節(jié)點需要發(fā)送信息時，節(jié)點先監(jiān)聽總線是否空閑，只有節(jié)點監(jiān)聽到總線空閑時才能夠發(fā)送數據，即載波監(jiān)聽多路訪問方式。在總線出現兩個以上的節(jié)點同時發(fā)送數據時，CAN協(xié)議規(guī)定，按位進行仲裁，按照顯性位優(yōu)先級大于隱性位優(yōu)先級的規(guī)則進行仲裁，最后高優(yōu)先級的節(jié)點數據毫無破壞地被發(fā)送，其他節(jié)點停止發(fā)送數據（即逐位仲裁無破壞的傳輸技術）。這樣能大大地提高總線的使用效率及實時性。
(4)CAN總線所掛接的節(jié)點數量主要取決于CAN總線收發(fā)器或驅動器，目前的驅動器一般都可以使同一網絡容量達到110個節(jié)點。CAN報文分為兩個標準即CAN2.0A標準幀和CAN2.0B擴展幀，兩個標準最大的區(qū)別在于CAN2.0A只有11位標識符，CAN2.0B具有29位標識符。
(5)CAN總線定義使用了硬件報文濾波，可實現點對點及點對多點的通信方式，不需要軟件來控制。數據采用短幀發(fā)送方式，每幀數據不超過8 B，抗干擾能力強，每幀接收的數據都進行CRC校驗，使得數據出錯機率極大限度地降低。CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉功能，避免了對總線上其他節(jié)點的干擾。
(6)CAN總線通信介質可采用雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇極為靈活，可大大節(jié)約組網成本。
3 CAN控制器介紹
隨著CAN總線的不斷發(fā)展壯大，符合CAN2.0A和CAN2.0B協(xié)議的獨立芯片越來越多。如NXP公司推出的SJA1000及SJA1000F，可以直接與普通單片機組合，使該單片機具有CAN通信的能力。隨著CAN需求的日益增大，芯片廠商也把CAN控制器直接集成到芯片內部，例如NXP公司的LPC2119、LPC2294、LPC2378等。以下主要以LPC2378的集成CAN控制器為例，對CAN控制器作一個介紹。
LPC2378 CAN控制器結構如圖2所示。該控制器是一個帶有發(fā)送和接收緩沖器的串行接口，但它并不含有驗收過濾器。驗收過濾器是一個獨立的模塊，能夠對所有CAN通道進行CAN標識符過濾。
LPC2378 CAN控制器工作流程主要分為發(fā)送過程和接收過程。
(1)發(fā)送過程
CAN控制器完全受處理器控制，CPU通過內部總線向CAN控制器的發(fā)送寄存器里填寫需要發(fā)的數據，然后啟動CAN控制器的發(fā)送使能，發(fā)送的數據分別經過位流管理器（變成在總線上發(fā)送的二進制碼）、錯誤管理邏輯（負責檢測總線狀態(tài)及發(fā)送是否出現錯誤）及位時序邏輯(管理數據在總線上的發(fā)送時序)、CAN收發(fā)器(負責把位流數據轉換成CAN總線能夠傳輸的差分電平)，這樣就完成了一幀CAN數據的發(fā)送，如圖3所示。
(2)接收過程
CAN數據的接收與CAN數據的發(fā)送是一個相反的過程，如圖4所示。當CAN收發(fā)器檢測到CAN總線上有數據時，CAN收發(fā)器把CAN總線上的差分信號轉換成位流數據，經過錯誤管理器及位時序邏輯單元對位數據流和時序進行檢查，再經過位流管理器把位流數據轉換成字節(jié)數據并存放到接收緩沖器中，當一幀數據接收完了之后則由接收緩沖器產生數據接收中斷（通知CPU已經接收到一幀新數據），并將產生的各種狀態(tài)通過改變狀態(tài)寄存器的值來表示。
以上主要介紹LPC2378 CAN工作流程，CAN2.0A/B標準協(xié)議在CAN控制器中都得以實現，用戶只需要操作相關的CAN寄存器就可以控制CAN控制器動作(控制器的具體操作請參考LPC2378數據手冊），因此可以大大提高CAN節(jié)點的開發(fā)時間，提高工作效率。
4 CAN總線網絡結構
作為一個總線型網絡，其結構如圖5所示，其組網與維護相當方便。CAN總線具有在線增減設備，即總線在不斷電的情況下也可以向網絡中增加或減少節(jié)點。一條總線最多可以容納110個節(jié)點，通信波特率為5 kb/s～1 Mb/s，在通信的過程中要求每個節(jié)點的波特率保持一致(誤差不能超過5%)，否則會引起總線錯誤，從而導致節(jié)點的關閉，出現通信異常。
5 CAN總線應用層協(xié)議
由于CAN總線只定義了ISO/OSI中的物理層和數據鏈路層，因此對于不同的應用出現了不同的應用層協(xié)議，為了使不同廠商的產品能夠相互兼容，世界范圍內需要通用的CAN應用層通信協(xié)議，在過去的20年中涌現出許多的協(xié)議，不過到現在為止能夠廣泛被承認的協(xié)議卻不多，現在CAN應用層協(xié)議主要有以下三種：
(1)在歐洲等地占有大部分市場份額的CANopen協(xié)議，主要應用在汽車、工業(yè)控制和自動化儀表等領域，目前由CIA負責管理和維護；
(2)J1939是CAN總線在商用車領域占有絕大部分市場份額的應用層協(xié)議，由美國機動車工程師學會發(fā)起，現已在全球范圍內得到廣泛的應用；
(3)DeviceNet協(xié)議在美國等地占有相當大的市場份額，主要用于工業(yè)通信及控制和儀器儀表等領域。
在以后的文章中將向讀者重點介紹CANopen協(xié)議的基本概念及CANopen相關設備的使用及組網方法。
現階段我國在工業(yè)領域與歐洲和美國等其他的發(fā)達國家存在較大的差距。CAN總線作為新型現場總線已經漫延到生活生產的各個領域，能夠提高生產效率以及降低生產成本，成為工業(yè)現場總線的發(fā)展趨勢。
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