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方便靈活的CAN總線網絡及應用

作者: 時間:2013-01-12 來源:網絡 收藏
  現場總線自20世紀90年代初出現以來,引起了國內外業界人士的廣泛注意和高度重視,并成為世界范圍的自動化技術發展的熱點之一,難怪有人稱之為“自動化儀表與控制系統的一次變革”。應該說,現場總線的工業過程智能自動化儀表和現代總線的開放自動化系統構成了新一代全開放自動化控制系統的體系結構。目前國際上公認的現場總線有10多種,各有其特點,并在一定范圍內得剄應用。而本文要分折的是控制器局域網CAN(Controller Area Network)方便靈活的結構、接入、應用,并對其拓寬的現場總線控制系統()作出介紹。
  網絡是炙手可熱的技術
  網絡的問世已超過15年,它是德國Bosch公司及幾個半導體集成電路制造商開發,芯片由摩托羅拉、Intel等公司生產。起初是專門為汽車工業設計的,面向需要可預測而無錯誤通訊的汽車應用,目的是為了節省接線的工作量,后來由于自身的特點被廣泛地應用于各行各業。特別是近年來,由于價格不斷下降,CAN成了炙手可熱的技術,并不再局限于汽車應用領域。目前它正在工業網絡、醫療設備、軌道交通信號、樓宇控制及其它眾多系統中得到應用。

CAN總線網絡多主機系統


圖1:CAN 總線網絡多主機系統-分布式網絡(圖右所示)
與以太網-集中式網絡(圖左所示)之比較

基于CAN總線網絡的光電經緯儀通信結構框圖


圖2:為基于 CAN 總線網絡的光電經緯儀通信結構框圖

  牢靠而高速的通訊
  上述眾多應用領城系統之所以采用網絡,不僅因為其成本低廉,還由于通過這種網絡可進行牢靠而高速的通訊。CAN總線可采用雙絞線、同軸電纜或光纖作為傳輸介質;它的直接通信距離最遠可達10km,通信速率通信比特率可高達1Mbps(此時通信距離為40m);總線上可掛設備數主要取決于總線驅動電路,最多可達110個。
  CAN總線網絡是一個多主機系統
  CAN采用多主工作方式,節點之間不分主從,但節點之間有優先級之分,通信方式靈活,可實現點對點、一點對多點及廣播方式傳輸數據,無需調度。也就是說,它可向系統中的所有節點進行報文發送廣播。在這種網絡中,每個節點均可濾除不需要的報文。
  與以太網之區別
  傳統的客戶機/服務器網絡(如以太網)依賴于網絡尋址方式將數據發送到單一節點上,如果網絡中存在多個節點,則需用星形配置實現集中控制(見圖1左所示集中式網絡)。這種以太網絡中只需較少的單片機即可執行各種不同的任務,但所使用的是MCU(多芯片單元),通常需要有較多引腳,而且功能也更加復雜,很不方便。
  與之相反,CAN系統中的每個節點均同時接收到同樣的數據。缺省情況下,CAN是基于報文而非地址的。系統采用分布式控制實現方法集成了多節點(見圖1右所示分布式網絡)。這種拓撲結構的好處之一是,節點的增加和去除非常簡單,對軟件的影響也很小。CAN網絡要求每個節點均具備智能,但智能化水平可根據節點所承載的任務進行調整。因此CAN系統中使用的單片機通常較簡單并且引腳數也較少。由于使用的導線較少并且采用分散式智能,而且CAN網絡還具有較高的可靠性。
  圖1進一步顯示了在多任務網絡中,集中式網絡通常用于以太網系統,如果在系統中增加節點,則要求對系統MCU(多芯片單元)作很大的變動;而CAN網絡可實現分布式網絡,從系統中增加或刪除節點只需改變少量的固件。

  CAN采用的是非破壞性總線仲裁技術,按優先級發送,可以大大節省總線沖突仲裁時間
  而以太網在于它在發送結束前進行沖突檢測。而CAN在發送開始時采用沖突檢測并有解決方法。當同時發送的兩個或更多CAN節點在仲裁期間出現沖突時,報文優先級較低的節點會檢測到沖突。隨后優先級較低的節點切換到接收模式,等待下一次總線空閑才再次嘗試發送。
  仲裁成功的發送器將繼續如常發送報文,由于在報文仲裁期間,模式的變更在發送的一開始就發生了,而優先級高的報文沒有遭到破壞,因此系統對沖突的仲裁結果能做出更快的回應。報文標志符可達2032種,而擴展標準的報文標志符幾乎不受限制。
  目前CAN已由ISO TC22技術委員會批準為國際標準,在現場總線中,它是唯一被國際標準化組織批準的現場總線。CAN協議也遵循ISO/OSI模型,采用了其中的物理層、數據鏈路層與應用層。由Bosch公司負責編寫的CAN總線網絡技術規范已通過ISO和SAE標準化。完整的CAN規范標準參見ISO 11898-1。ISO 11898-2包含了CAN物理層規范。

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關鍵詞: CAN總線 FCS 模擬信號

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