《计算机控制技术》期末考查论文
摘要：ＣＡＮ总线的数据通讯具有突出的可靠性、实时性和灵活性，其总线规范已经成为国际标准，被公认为几种最有前途的总线之一。本文在总结ＣＡＮ总线特点的基础上，对其通信介质访问方式进行了详细的描述，介绍了它在应用中需要解决的技术问题以及目前应用状况。
关键词：ＣＡＮ总线； 通信介质访问控制； 实时； 应用技术
１．ＣＡＮ总线简介及其特点
控制器局域网总线（CAN，Controller Area Network）是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN协议由德国的Robert Bosch公司开发，用于汽车中各种不同元件之间的通信，以此取代昂贵而笨重的配电线束。该协议的健壮性使其用途延伸到其他自动化和工业应用。CAN协议的特性包括完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传输速率高达1Mb/s、同时具有11位的寻 址以及检错能力。
化石标本CAN总线是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电子干扰性，并且能够检测出产生的任何错误。CAN总线可以应用于汽车电控制系统、电梯控制系统、安全监测系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输等领域。
CAN总线的特点
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；
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发送的信息遭到破坏后，可自动重发；
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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。
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２．ＣＡＮ总线通信介质访问控制方式
ＣＡＮ采用了的３层模型：物理层、数据链路层和应用层。ＣＡＮ支持的拓扑结构为总线型。传输介质为双绞线、同轴电缆和光纤等。采用双绞线通信时，速率为１Ｍｂｐｓ／４０ ｍ ,５０Ｋｂｐｓ／１０ｋｍ,结点数可达１１０个。
ＣＡＮ的通信介质访问为带有优先级的ＣＳ－ＭＡ／ＣＡ。采用多主竞争方式结构：网络上任意节点均可以在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不分主从，即当发现总线空闲时，各个节点都有权使用网络。在发生冲突时，采用非破坏性总线优先仲裁技术：当几个节点同时向网络发送消息时，运用逐位仲裁原则，借助帧中开始部分的表示符，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响的继续发送信息，从而有效地避免了总线冲突，使信息和时间均无损失。
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ＣＡＮ的传输信号采用短帧结构（有效数据最多为８个字节），和带优先级的ＣＳ－ＭＡ
／ＣＡ通信介质访问控制方式，对高优先级的通信请求来说，在１Ｍｂｐｓ通信速率时，最长的等待时间为０．１５ｍｓ，完全可以满足现场控制的实时性要求。ＣＡＮ突出的差错检验机理，如５种错误检测、出错标定和故障界定；ＣＡＮ传输信号为短帧结构，因而传输时间短，受干扰概率低。这些保证了出错率极低，剩余错误概率为报文出错率的４。７×１０－１１。另外，ＣＡＮ节点在严重错误的情况下，具有自动关闭输出的功能，以使总线上其它节点的操作不受其影响。因此，ＣＡＮ具有高可靠性。．
ＣＡＮ的通信协议主要有ＣＡＮ总线控制器完成。ＣＡＮ控制器主要由实现ＣＡＮ总线协议部分和微控制器接口部分电路组成。通过简单的连接即可完成ＣＡＮ协议的物理层和数据链路层的所有功能，应用层功能由微控制器完成。ＣＡＮ总线上的节点即可以是基于微控制器的智能节点，也可以是具有ＣＡＮ接口的Ｉ／Ｏ器件。
３ 应用技术
１、 系统组成
ＣＡＮ总线用户接口简单，编程方便。ＣＡＮ总线属于现场总线的范畴，ＣＡＮ总线系统的一般组成模式如图１所示：
网络拓扑结构采用总线式结构。这种网络结构结构简单、成本低，并且采用无源抽头连接，系统可靠性高。通过ＣＡＮ总线连接各个网络节点，形成多主机控制器局域网（ＣＡＮ）。信息的传输采用ＣＡＮ通信协议，通过ＣＡＮ控制器来完成。各网络节点一般为带有微控制器的智能节点完成现场的数据采集和基于ＣＡＮ协议的数据传输，节点可以使用带有在片ＣＡＮ控制器的微控制器，或选用一般的微控制器加上独立的ＣＡＮ控制器来完成节点功能。传输介质可采用双绞线、同轴电缆或光纤。
２、 ＣＡＮ总线的物理层设计
ＣＡＮ总线协议对物理层没有严格定义，给使用者较大的灵活性，同时也给设计者带来了困难。ＣＡＮ总线物理层的设计原则是：针对ＣＴＸ０、ＣＴＸ１的两种输出状态（显性（Ｄａｍｉｎａｎｔ）、隐性（Ｒｅｃｅｓｓｉｖｅ）），总线应具有两种不同电平，接收端呈现（显性、隐性）两种状态，如图２所示。
这样不要求总线必须是数字逻辑电平，只要是能够呈现两种电平（显性和隐性）的模拟量，满足上述设计原则就可以。
总线连接实例（图３）：（以Ｐｈｉｌｉｐｓ的ＣＡＮ芯片为例）
内作
ＣＡＮ控制器芯片的片内输出驱动器和输入比较器可编程，它可方便地提供多种发送类型，诸如：单线总线、双线总线（差分）和光缆总线。它可以直接驱动总线，若网络的规模比较大，节点数比较多，需要外加总线驱动元件，以增大输出电流。如图３采用了ＣＡＮ收发器作为ＣＡＮ控制器和物理总线之间的接口，提供向总线的差动发送能力和对ＣＡＮ控制器的差动接收能力。
3. 应用软件设计
ＣＡＮ控制器其内部硬件实现了ＣＡＮ总线物理层和数据链路层的所有协议内容，有关ＣＡＮ总线的通信功能均由ＣＡＮ控制器自动管理执行。ＣＡＮ控制器对于ＣＰＵ来说，是以确保双方独立工作的存储影像外围设备出现的。ＣＡＮ控制器的地址域由控制段和报文缓存器组成，在初始化向下加载期间，控制段可被编程以配置通信参数。ＣＡＮ总线上的通信也通过此段由ＣＰＵ控制，被发送的报文必须写入发送缓存器，成功接收后，ＣＰＵ可以从接收缓存器读取报文，然后释放它，以备下次使用。对于在片的ＣＡＮ控制器，它与ＣＰＵ之间的接口一般借助于４个特殊寄存器：ＣＡＮ地址寄存器、数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器。对于单独的ＣＡＮ控制器，ＭＣＵ可以通过其地址／数据总线对其寄存器直接寻址，就像ＭＣＵ对一般外部ＲＡＭ寻址一样。通过对这些寄存器编程操作，可很方便控制ＣＡＮ控制器完成通讯功能。
ＣＡＮ控制器的收发功能均可借助其中断服务执行。图４给出一个ＣＡＮ中断服务程序框图（图４）。注意在系统软件设计时无论何时ＣＡＮ总线不应该被永久性的１００﹪加载。
４．目前应用状况及其前景
由于ＣＡＮ总线的高速通信速率、高可靠性、连接方便、多主站、通讯协议简单和高性能价格比等突出优点，深得许多工业应用部门的青睐，其应用由最初的汽车工业迅速发展至数控机床、农业机械、铁路运输、粮情检测、过程测控等各个方面。ＣＡＮ在国外的发展
迅速，奔驰Ｓ型轿车采用的就是ＣＡＮ总线系统；美国商用车辆制造商们也将注意力转向ＣＡＮ总线；美国一些企业已将ＣＡＮ作为内部总线应用在生产线和机床上。由于ＣＡＮ总线可以提供较高的安全性，因此在医疗领域、纺织机械和电梯控制中也得到了广泛应用。
５．结束语
总之，基于ＣＡＮ总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。ＣＡＮ作为现场设备级的通信总线，和其他总线相比，具有很高的可靠性和性能价格比，其总线规范已经成为国际标准，被公认为几种最有前途的总线之一。目前，ＣＡＮ接口芯片的生产厂家众多，协议开放，价格低廉，且使用简单，ＣＡＮ总线可广泛应用于工业测量和控制领域。
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