總線結(jié)構(gòu)

控制器局域網(wǎng)總線(CAN，Controller Area Network)是一種用于實(shí)時(shí)應(yīng)用的串行通訊協(xié)議總線，它可以使用雙絞線來傳輸信號(hào)，是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN協(xié)議用于汽車中各種不同元件之間的通信，以此取代昂貴而笨重的配電線束。該協(xié)議的健壯性使其用途延伸到其他自動(dòng)化和工業(yè)應(yīng)用。CAN協(xié)議的特性包括完整性的串行數(shù)據(jù)通訊、提供實(shí)時(shí)支持、傳輸速率高達(dá)1Mb/s、同時(shí)具有11位的尋址以及檢錯(cuò)能力。

CAN系統(tǒng)組成

CAN總線用戶接口簡單，編程方便。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線式結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，并且采用無源抽頭連接，系統(tǒng)可靠性高。通過CAN總線連接各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，形成多主機(jī)控制器局域網(wǎng)(CAN)。信息的傳輸采用CAN通信協(xié)議，通過CAN控制器來完成。各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般為帶有微控制器的智能節(jié)點(diǎn)完成現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和基于CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點(diǎn)可以使用帶有在片CAN控制器的微控制器，或選用一般的微控制器加上獨(dú)立的CAN控制器來完成節(jié)點(diǎn)功能。傳輸介質(zhì)可采用雙絞線、同軸電纜或光纖。如果需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，還可以在控制器和傳輸介質(zhì)之間加接光電隔離，電源采用DC-DC變換器等措施。這樣可方便構(gòu)成實(shí)時(shí)分布式測(cè)控系統(tǒng)。微控制器，或選用一般的微控制器加上獨(dú)立的CAN控制器來完成節(jié)點(diǎn)功能。傳輸介質(zhì)可采用雙絞線、同軸電纜或光纖。如果需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，還可以在控制器和傳輸介質(zhì)之間加接光電隔離，電源采用DC-DC變換器等措施。這樣可方便構(gòu)成實(shí)時(shí)分布式測(cè)控系統(tǒng)。

CAN總線的物理接口

采用CAN收發(fā)器PCA82C250作為CAN控制器和物理總線之間的接口，提供向總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接收能力。

一般在驅(qū)動(dòng)芯片和CAN控制器之間加入光電耦合器，增加抗干擾能力。CAN總線的速度將由光電耦合器的速度決定。比如：用4N27光耦，因?yàn)樗捻憫?yīng)速度比較慢，CAN網(wǎng)絡(luò)的位速度只能達(dá)到幾十Kbit/s。如果采用6N137高速光電耦合器，CAN網(wǎng)絡(luò)速度可以達(dá)到和電阻網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)時(shí)的速度一樣。另外，物理層的設(shè)計(jì)要注意電纜的終端阻抗匹配，這直接影響了CAN總線能否正常工作和網(wǎng)絡(luò)性能，一般在CAN總線兩端并聯(lián)120Ω的電阻。

CAN總線的工作原理

CAN總線使用串行數(shù)據(jù)傳輸方式，可以1Mb/s的速率在40m的雙絞線上運(yùn)行，也可以使用光纜連接，而且在這種總線上總線協(xié)議支持多主控制器。 CAN與I2C總線的許多細(xì)節(jié)很類似，但也有一些明顯的區(qū)別。

當(dāng)CAN總線上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)(站)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，它以報(bào)文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)。對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)來說，無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的，都對(duì)其進(jìn)行接收。每組報(bào)文開頭的11位字符為標(biāo)識(shí)符，定義了報(bào)文的優(yōu)先級(jí)，這種報(bào)文格式稱為面向內(nèi)容的編址方案。在同一系統(tǒng)中標(biāo)識(shí)符是唯一的，不可能有兩個(gè)站發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的報(bào)文。當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)競爭總線讀取時(shí)，這種配置十分重要。

當(dāng)一個(gè)站要向其它站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，該站的CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標(biāo)識(shí)符傳送給本站的CAN芯片，并處于準(zhǔn)備狀態(tài);當(dāng)它收到總線分配時(shí)，轉(zhuǎn)為發(fā)送報(bào)文狀態(tài)。CAN芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報(bào)文格式發(fā)出，這時(shí)網(wǎng)上的其它站處于接收狀態(tài)。每個(gè)處于接收狀態(tài)的站對(duì)接收到的報(bào)文進(jìn)行檢測(cè)，判斷這些報(bào)文是否是發(fā)給自己的，以確定是否接收它。

由于CAN總線是一種面向內(nèi)容的編址方案，因此很容易建立高水準(zhǔn)的控制系統(tǒng)并靈活地進(jìn)行配置。我們可以很容易地在CAN總線中加進(jìn)一些新站而無需在硬件或軟件上進(jìn)行修改。當(dāng)所提供的新站是純數(shù)據(jù)接收設(shè)備時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不要求獨(dú)立的部分有物理目的地址。它允許分布過程同步化，即總線上控制器需要測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，可由網(wǎng)上獲得，而無須每個(gè)控制器都有自己獨(dú)立的傳感器。

CAN總線的特點(diǎn)

(1)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn);

(2)采用雙線串行通信方式，檢錯(cuò)能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作;

(3)具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個(gè)控制模塊通過CAN 控制器掛到CAN-bus 上，形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò);

(4)可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文;

(5)可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制;

(6)發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā)

;

(7)節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出總線的功能;

(8)報(bào)文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級(jí)信息。