谈一谈伺服控制中的CAN总线技能CAN到底怎么样_总线_报文

一个由CAN 总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。
实际运用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限定。
CAN 可供应高达1Mbit/s的数据传输速率，这使实时掌握变得非常随意马虎。
其余，硬件的缺点检定特性也增强了CAN的抗电磁滋扰能力。

CAN总线技能事理

CAN总线利用串行数据传输办法，可以1Mb/s的速率在40m的双绞线上运行，也可以利用光缆连接，而且在这种总线上总线协议支持多主掌握器。
CAN与I2C总线的许多细节很类似，但也有一些明显的差异。

当CAN总线上的一个节点（站）发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点。
对每个节点来说，无论数据是否是发给自己的，都对其进行吸收。

每组报文开头的11位字符为标识符，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。
在同一系统中标识符是唯一的，不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。
当几个站同时竞争总线读取时，这种配置十分主要。

当一个站要向其它站发送数据时，该站的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN芯片，并处于准备状态；当它收到总线分配时，转为发送报文状 态。

CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时网上的其它站处于吸收状态。
每个处于吸收状态的站对吸收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否吸收它。

由于CAN总线是一种面向内容的编址方案，因此很随意马虎建立高水准的掌握系统并灵巧地进行配置。
我们可以很随意马虎地在CAN总线中加进一些新站而无需在硬件或 软件上进行修正。

当所供应的新站是纯数据吸收设备时，数据传输协议不哀求独立的部分有物理目的地址。
它许可分布过程同步化，即总线上掌握器须要丈量数据时，可由网上得到，而无须每个掌握器都有自己独立的传感器。

CAN支持四类信息帧类型

1、数据帧

CAN协议有两种数据帧类型标准2.0A和标准2.0B。
两者实质的不同在于ID的长度不同。
在2.0A类型中，ID的长度为l l位；在2.0B类型中ID为29位。
一个信息震中包括7个紧张的域： 帧起始域——标志数据帧的开始，由一个显性位组成。

仲裁域——内容由标示符和远程传输要求位（RTR）组成，RTR用以表明此信息帧是数据帧还是不包含任何数据的远地要求帧。
当2.0A的数据帧和2.0B的数据帧必须在同一条总线上传输时，首先判断其优先权，如果ID相同，则非扩展数据帧的优先权高于扩展数据帧。

掌握域——r0、r1是保留位，作为扩展位，DLC表示一帧中数据字节的数目。
数据域——包含0～8字节的数据。

校验域——考验位错用的循环冗余校验域，共15位。
应答域——包括应答位和应答分隔符。
精确吸收到有效报文的吸收站在应答期间将总线值为显性电平。
帧结束——由七位隐性电平组成。

2、远程帧

远程帧接管数据的节点可通过发远程帧要求源节点发送数据。
它由6个域组成：帧起始、仲裁域、掌握域、校验域、应答域、帧结束。

3、缺点指示帧

缺点指示帧由缺点标志和缺点分界两个域组成。
吸收节点创造总线上的报文有误时，将自动发出“活动缺点标志”其他节点检测到活动缺点标志后发送“缺点认可标志”。

4、超载帧

超载帧由超载标志和超载分隔符组成。
超载帧只能在一个帧结束后开始。
当吸收方吸收下一帧之前，须要过多的韶光处理当前的数据，或在帧问空隙域检测到显性电平时，则导致发送超载帧。

5、帧间空隙

帧间空隙位于数据帧和远地帧与前面的信息帧之间，由帧间空隙和总线空闲状态组成。
帧间空隙是必要的，在此期间， CAN不进行新的帧发送，为的是CAN掌握器不才次信息通报前有韶光进行内部处理操作。
当总线空闲时CAN掌握器方可发送数据。

CAN总线的发展进程

在 1980 年的早些时候，Bosch 公司的工程师就开始论证当时的串行总线用于客车系统的可行性。
由于没有一种现成的网络方案能够完备知足汽车工程师们的哀求，于是，在 1983 年初，Uwe Kiencke 开始研究一种新的串行总线。

新总线的紧张方向是增加新功能、减少电气连接线 ，使其能够用于产品。
来自 Mercedes-Benz 的工程师较早制订了总线的状态解释，而 Intel 也准备作为半导体生产的紧张厂商。

1986 年 2 月，CAN 出身了。
在底特律的汽车工程协会大会上，由 Bosch 公司研究的新总线系统被称为“汽车串行掌握器局域网” 。
Uwe Kiencke、 Siegfried Dais 和 Martin Litschel 分别先容了这种多主网络方案。

此方案基于非毁坏性的仲裁机制，能够确保高优先级报文的无延迟传输。
并且，不须要在总线上设置主掌握器。
此外，CAN 之父——上述几位教授和 Bosch 公司的 Wolfgang Borst、Wolfgang Botzenhard、Otto Karl、Helmut Schelling、Jan Unruh 已经实现了数种在 CAN 中的缺点检测机制。

该缺点检测也包括自动断开故障节点功能，以确保能连续进行剩余节点之间的通讯。
传输的报文并非根据报文发送器/吸收器的节点地址识别，而是根据报文的内容识别。
同时，用于识别报文的标识符也规定了该报文在系统中的优先级。

当关于这种改造的通讯方案的大部分笔墨内容制订之后，于 1987 年中期，Intel 提前操持 2 个月交付了首枚 CAN 掌握器：82526，这是 CAN 方案首次通过硬件实现。
仅仅用了四年的韶光，设想就变成了现实。

不久之后，Philips 半导体推出了 82C200。
这两枚最先的 CAN 掌握器在验收滤波和报文掌握方面有许多不同。
一方面，由Intel主推的FullCAN比由Philips主推的BasicCAN占用较少的CPU载荷；另一方面， FullCAN器件所能吸收的报文数目相对受到限定，BasicCAN 掌握器仅需较少的硅晶体。

本日的 CAN 掌握器中，“孙子”辈们在同一模块中的验收滤波和报文掌握方面仍有相称的不同，制造出 BasicCAN 和 FullCAN 两大阵营。

标准化与同等性。

只管当初研究 CAN 的出发点是运用于客车系统，但 CAN 的第一个市场运用却来自于其他领域。
特殊是在北欧，CAN 早已得到非常普遍的运用。
在荷兰，电梯厂商 Kone 利用 CAN 总线。

瑞士工程办公室 Kvaser已建议将 CAN 运用至一些纺织机器厂（Lindauer Dornier 和 Sulzer），并由他们供应机器的通讯协议。
这一领域中，在 Lars-Berno Fredriksson 的领导下，公司建立了“CAN 纺织机器用户集团”。

到 1989 年，他们已研究出通讯事理，并于 1990 年早期帮助建立“CAN Kingdom”开拓环境。
只管 CAN Kingdom 并不是一种基于 OSI 参考模型的运用层，但它被认为是基于 CAN 的高层协议的原型。

在荷兰，Philips 医疗系统决定利用 CAN 构成 X 光机的内部网络，成为 CAN 的工业用户。
大多数 CAN 的先行者利用单片电路的方法，通讯功能、网络管理、运用代码组合在同一个软件之中。
纵然一些用户有较多的标准模块可供给用，但面对所有的办理方案，他们也一定存在着毛病。

在 1990 年的早些时候，开始方案成立一个用户组织，从而将不同的办理方案标准化。

J1939，这也是一个基于 CAN 的运用子协议，由 SAE 的 Truck and Bus 协会制订。
J1939是一个非模块化的方案，大略易学，但灵巧性很差。
当然，生产 CAN 模块集成器件的 15 家半导体厂商紧张聚焦于汽车工业。

从 1990 年中期起，Infineon公司和 Motorola 公司已向欧洲的客车厂商供应了大量的 CAN 掌握器。
从 1990 年后期起，远东的半导体厂商也开始供应 CAN 掌握器。
1994 年，NEC 推出了CAN 芯片 72005。

从 1992 年起，Mercedes-Benz开始在他们的高等客车中利用 CAN 技能。
第一步利用电子掌握器通过 CAN 对发动机进行管理；第二步利用掌握器吸收人们的操作旗子暗记。
这就利用了 2 个物理上独立的CAN 总线系统，它们通过网相干接。
其他的客车厂商也纷纭赶来斯图加特学习，在他们的客车上也利用 2套 CAN 总线系统。

只管 CAN 协议已经有很长的历史，但它仍处在改进之中。
一个由数家公司组成的 ISO任务组织定义了一种韶光触发 CAN 报文传输的协议。
现在，CAN 在环球市场上仍旧处于起始点，汽车厂商将会在他们所生产汽车的串行部件上利用 CAN。

其余，大量潜在的新运用（例如：娱乐）正在呈现——不仅可用于汽车，也可用于家庭消费。
同时，结合高层协议运用的分外保安系统对 CAN 的需求也正在稳健增长。
德国专业委员会 BIA 和德国安全标准威信 TÜV 已经对一些基于 CAN 的保安系统进行了认证。

CAN总线的分层构造

CAN屈服OSI模型，按照OSI基准模型，CAN构造划分为两层：数据链路层和物理层，如下图所示。

按照IEEE 802.2和802.3 标准，数据链路层又划分为：

1、逻辑链路掌握（LLC-Logic Link Control）。

2、媒体访问掌握（MAC-Medium Access Control）。

物理层又划分为：

1、物理信令（PLS-Physical Signalling）。

2、物理媒体附属装置（PMA-Physical Medium Attachment）。

3、媒体干系接口（MDI-Medium Dependent Interface）。

MAC子层运行借助称之为“故障界定实体（FCE）”的管理实体进行监控。
故障界定是使判别短暂滋扰和永久性故障成为可能的一种自检机制。
物理层可借助检测和管理物理媒体故障实体进行监控（例如总线短路或中断，总线故障管理）。

LLC和MAC两个同等的协议实体通过交流帧或协议数据单元（PDU-Protocol Data Unit）和（N）-用户数据组成，为传送一个NPDU,（N-1）层实体必须通过（N-1）做事访问点（SAP-Service Access Point）[（N-1）-SAP].NPDU借助于（N-1）层做事数据单元（SDU-Service Data U nit）[（N-1）-SDU]传至（N-1）层，其做事功能许可NPDU的传送。

SDU是接口数据，对其识别预先在（N）层实体间进行，亦即，它表示逻辑数据单元由做事进行传送。
CAN协议的数据链层既不供应分配一个SDU至多个PDU,也不供应分配多个SDU至一个PDU的方法，亦即，NPDU直接由相应的NSDU和层指定掌握信息N-PCI构成。

CAN总线的特点

CAN具有十分优胜的特点，使人们乐于选择。
这些优胜的特点包括：

1、多主掌握

当总线空闲时，连接到总线上的所有单元都可以启动发送信息，这便是所谓的多主掌握的观点。

先霸占总线的设备得到在总线上进行发送信息的资格。
这便是所谓的CSMA/CR（Carrier Sense MultipleAccess/Collosion Avoidance）方法

如果多个设备同时开始发送信息，那么发送最高优先级ID的设备得到发送资格。

2、信息的发送

在CAN协议中，所有发送的信息要知足预先定义的格式。
当总线没有被占用的时候，连接在总线上的任何设备都能起动新信息的传输，如果两个或更多个设备在同时候启动信息的传输，通过ID来决定优先级。
ID并不是指明信息发送的目的地，而是指示信息的优先级。

如果2个或者更多的设备在同一时候启动信息的传输，在总线上按照信息所包含的ID的每一位来竞争，赢得竞争的设备（也便是具有最高优先级的信息）能够连续发送，而失落败者则急速停滞发送并进入吸收操作。
由于总线上同一时候只可能有一个发送者，而其它均处于吸收状态，以是，并不须要在底层协议中定义地址的观点。

3、系统的灵巧性

连接到总线上的单元并没有类似地址这样的标识，以是，添加或去除一个设备，无需改变软件和硬件，或其它设备的运用层软件。

4、通信速率

可以设置任何通讯速率，以适应网络规模。

对一个网络，所有单元必须有相同的通讯速率，如果不同，就会产生缺点，并妨碍网络通讯，然而，不同网络间可以有不同的通讯速率。

5、远程数据要求

可以通过发送“遥控帧”，要求其他单元发送数据。

6、缺点检测、缺点关照、缺点规复功能

所有单元均可以检测出错误（缺点检测功能）。
检测到缺点的单元急速同时关照其它所有的单元（缺点关照功能）。
如果一个单元发送信息时检测到一个缺点，它会逼迫终止信息传输，并关照其它所有设备发生了缺点，然后它会重传直到信息正常传输出去（缺点规复功能）。

7、缺点隔离

在CAN总线上有两种类型的缺点：暂时性的缺点（总线上的数据由于受到噪声的影响而暂时出错）；持续性的缺点（由于设备内部出错（如驱动器坏了、连接有问题等）而导致的）。
CAN能够差异这两种类型，一方面降落常出错单元的通讯优先级以阻挡对其它正常设备的影响，另一方面，如果是一种持续性的缺点，将这个设备从总线上隔离开。

8、连接

CAN总线许可多个设备同时连接到总线上且在逻辑上没有数目上的限定。
然而由于延迟和负载能力的限定，实际可连接得设备还是有限定的，可以通过降落通讯速率来增加连接的设备个数。
相反，如果连接的设备少，通讯的速率可以增加。

CAN与其它通信方案的比较

CAN总线与其它通信网的不同之处在于：

一是报文传送中不包含目标地址，它因此全网广播为根本。
各吸收站根据报文中反响数据性子的标识符过滤报文，该收的收下，不该收的丢弃。
其好处是可在线上网下网、即插即用和多站吸收；

二是特殊强化了对数据安全性的关注，知足掌握系统及其它较高数据哀求的系统需求。

在实践中，有两种主要的总线分配方法：按韶光表分配和按须要分配。
在第一种方法中，不管每个节点是否申请总线，都对每个节点按最大期间分配。
由此，总线可被分配给每个站并且是唯一的站，而不论其是立即进行总线存取或在一特定时间进行总线存取。

这将担保在总线存取时有明确的总线分配。
在第二种方法中，总线按传送数据的基本哀求分配给一个站，总线系统按站希望的传送分配。
因此，当多个站同时要求总线存取时，总线将终止所有站的要求，这时将不会有任何一个站得到总线分配。
为了分配总线，多于一个总线存取是必要的。

CAN实现总线分配的方法，可担保当不同的站申请总线存取时，明确地进行总线分配。
这种位仲裁的方法可以办理当两个站同时发送数据时产生的碰撞问题。
不同于Ethernet网络的仲裁，CAN的非毁坏性办理总线存取冲突的方法，确保在不传送有用时总线不被占用。

乃至当总线在重负载情形下，以内容为优先的总线存取也被证明是一种有效的系统。
虽然总线的传输能力不敷，所有未办理的传输要求都按主要性顺序来处理。
在CSMA/CD这样的网络中，如Ethernet,系统每每由于过载而崩溃，而这种情形在CAN中不会发生。

CAN总线的运用

CAN总线在组网和通信功能上的优点以及其高性价比据定了它在许多领域有广阔的运用前景和发展潜力。
这些运用有些共同之处：CAN实际便是在现场起一个总线拓扑的打算机局域网的浸染。

不管在什么场合，它包袱的是任一节点之间的实时通信，但是它具备构造大略、高速、抗滋扰、可靠、价位低等上风。
CAN总线最初是为汽车的电子掌握系统而设计的，目前在欧洲生产的汽车中CAN的运用已非常普遍，不仅如此，这项技能已推广到火车、轮船等交通工具中。

汽车制造中的运用

运用CAN总线，可以减少车身布线，进一步节省了本钱，由于采取总线技能，模块之间的旗子暗记通报仅须要两条旗子暗记线。
布线局部化，车上除掉总线外其他所有横贯车身的线都不再须要了，节省了布线本钱。

CAN总线系统数据稳定可靠，CAN总线具有线间滋扰小、抗滋扰能力强的特点。
CAN总线专为汽车量身定做，充分考虑到了汽车上恶劣事情环境，比如点火线圈点火时产生的强大的反充电压，电涡流缓冲器割断时产生的浪涌电流及汽车发动机仓100℃旁边的高温。

大型仪器设备中的运用

大型仪器设备是一种参照一定步骤对多种信息采集、处理、掌握、输出等操作的繁芜系统。
过去这类仪器设备的电子系统每每是在构造和本钱方面霸占相称大的部分，而且可靠性不高。
采取CAN总线技能后，在这方面有了明显改不雅观。

工业掌握中的运用

随着打算机技能、通信技能和掌握技能的发展,传统的工业掌握领域正经历着一场前所未有的变革,而工业掌握的网络化,更拓展了工业掌握领域的发展空间,带来新的发展机遇。
在广泛的工业领域，CAN总线可作为现场设备级的通信总线，而且与其他的总线比较，具有很高的可靠性和性能价格比。
这将是CAN技能开拓运用的一个紧张的方向。

智能家庭和生活小区管理中的运用

机器人网络互联中的运用