现场总线技术课程论文.doc

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1、目录1概述42 CAN总线的基本知识53 CAN总线的发展史64 CAN的结构与技术特点74.1 CAN的结构74.2 CAN总线技术介绍115基于CAN的较高层协议17参考文献25摘要：CAN全称为“Controlle Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN总线作为一种极具潜力的控制器局域网总线，在汽车电气控制系统、农业机械电子设备、工厂自动化、机械控制等方面获得了广泛的应用。CAN总线规范规定了任意两个CAN节点之间的兼容性，包括电气特性及数据解释协议，它采用了ISO-OSI中的三层网络结构物理层、数据链路层和应用层。其中应用层可能包含了除物理

2、层和数据链路层外其余四层中的某些功能。本课程论文是在听周伟老师的课后的一点心得体会，简要的讲述了现场总线技术的基本常识和自己对现场总线技术的理解，介绍了CAN总线的基本知识，包括什么是CAN总线，发展史、工作过程、特性、高层协议；并对其主要技术指标进行了详述；最后就其具体应用进行了简要说明。关键字：CAN总线，协议，CAN总线技术Abstract：CAN called Controlle Area Network, the Controller Area Network is internationally the most widely used field bus. CAN bus is

3、a great potential as a controller area network bus, the vehicle electrical control systems, agricultural machinery and electronic equipment, factory automation, machine control, gained a wide range of applications. CAN-bus specification between any two CAN nodes compatibility, including electrical c

4、haracteristics and data interpretation protocol, it uses the ISO-OSI layer in the network structure - the physical layer, data link layer and application layer. Application layer which may contain in addition to physical layer and data link layer in addition some of the features the other four. The

5、course work is listening to the teacher Zhou after school that feelings and experiences, briefly describes the basic knowledge of field bus technology and my own understanding of the field bus technology, introduces the basics of CAN bus, including what is the CAN bus, history, working process, char

6、acteristics, high-level agreement; and its main technical indicators are detailed; I give a brief description about their use at the end. Kewords：CAN bus ，Protocol, CAN bus technology1概述CAN(Controller Area Network)属于现场总线的范畴，它是一种有效支持实时分布式控制的串行通信网络。CAN总线最初是1986年由德国BOSCH公司为解决汽车监控系统中的诸多复杂技术和难题而设计的数字信号通信

7、协议，它属于总线式串行通信网络。此后由于CAN为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求不同应用领域通讯报文的标准化。为此， 1991年菲利普半导体公司(Philips Semiconductors)制订CAN2. 0A和CAN2. 0B技术规范。而后，1993年ISO组织颁布了CAN的国际标准ISO11898。该标准规定了ISO/OSI模型中的物理层和链路层，为使设计透明和执行灵活，对应用层等未作具体规定。CAN报文传送由4种不同类型的帧表示和控制：数据帧、远程帧、出错帧、超载帧。数据帧由7个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场、帧结束。1993年颁布的国际标准ISO

8、11898规定了ISO-OSI模型的第一、二层也就是物理层和数据链路层的详细技术规范。但是要保证总线很好的通信应用层是非常必要的。因此就有一些企业和组织为CAN加上应用层协议，这种底层协议采用CAN的总线，称为基于CAN的总线(CAN -based field bus)，加的协议称为CAN的高层协议。目前应用层的协议有： Device Net、CAN Kingdom、CANopen、J1939、ISO11783、SDS、ISO11992、ISO11519、ISO14230等。2 CAN总线的基本知识最初，CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车

9、电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌人CAN控制装置。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。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。例如，当使用PhilipP82c250作为CAN收发器时，同一网络中允许挂接110个节点。CAN可提供高达1Mbi内的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。另外，硬件的错误检定特性也增强了CAN的抗电磁干扰能力。CAN通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。CAN层的定义与开放系统互连模型一致。每一层与另一设备上相同的那一层通讯。实际的通讯发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层

10、的物理介质互连。CAN的规范定义了模型的最下面两层：数据链路层和物理层。下表中展示了开放式互连模型的各层。应用层协议可以由CAN用户定义成适合特别工业领域的任何方案。已在工业控制和制造业领域得到广泛应用的标准是，这是为智能传感器设计的。在汽车工业，许多制造商都应用他们自己的标准。CAN能够使用多种物理介质，例如双纹线、光纤等。最常用的就是双绞线。信号使用差分电压传送，两条信号线被称为CAN_H和CAN_L，静态时均是2.5V左右，此时状态表示为逻辑“1”，也可以叫做“隐性”。用CAN_H比CAN_L高表示逻辑“0”，称为“显形”，此时，通常电压值为：CAN_H=3.5v和CAN_L=1.5V。

11、CAN总线具有以下特点：(1) CAN协议最大的特点是废除了传统的站地址编码，代之以对数据通信数据块迸行编码，可以多主方式工作。(2) CAN采用非破坏性仲裁技术(优先级)，有效避兔了总线冲突。(3) CAN采用短帧结构，数据传输时问短，受干扰的概率低，重新发送的时问短。(4) CAN的每帧数据都有CRC效验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性，适合在高干扰环境中使用。(5) CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上其它操作不受影响。因此，CAN现场总线非常适合在条件恶劣的环境中使用，现已广泛应用于工厂自动化、移动车辆、军事设备、工程机械。尤其在

12、欧美市场， CAN总线几乎成为工程机械现场总线的唯一选择。3 CAN总线的发展史20世纪80年代初期，由于欧洲汽车工业发展发展的需要，最先由德国Bosch公司提出CAN总线方案以解决汽车控制装置间的通信问题。当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。提出CAN总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。Bosch公司于1986年正式公布了这一总线，且命名为CAN总线。19

13、87年Intel公司生产出了首枚CAN控制器。不久，Philips公司也推出了 CAN 控制器 82C200。1993 年 CAN 成为国际标准ISO11898（高速应用）和ISO11519（低速应用）。当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。提出CAN总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。1993年，CAN已成为国际标准巧011898(高速应用)和1501151

14、9(低速应用)。为促进CAN以及CAN协议的发展，1992在欧洲成立了国际用户和厂商协会（CAN in Automation，简称CiA），在德国Erlangen注册，总部位于Enlangen。CiA提供服务包括：发布CAN的各类技术规范，免费下载CAN文献资料，提供CANopen规范DeviceNet规范；发布CAN产品数据库，CANopen产品指南；提供CANopen验证工具执行CANopen认证测试；开发CAN规范并发布为CiA标准。根据CiA组织统计，截止到2002年底，约有500多家公司加入了这个协会，协作开发和支持各类CAN高层协议；生产CAN控制器（独立或内嵌）厂家，包括世界上主

15、要半导体生产厂家在内，已有20多家，CAN控制器产品的品种已达110多种，CAN控制器的数量已达210，000，000 枚。CAN 接口已经被公认为微控制器（Microcontroller）的标准串行接口，应用在各种分布式内嵌系统。该协会已经为全球应用CAN技术的权威。CAN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，高抗电磁干扰性，而且能够检侧出产生的任何错误。当信号传输距离达到10Km时，CAN仍可提供高达50K内的数据传输速率。由于CAN总线具有很高的实时性能，因此，CAN已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。4 CAN的结构与技术特点4.1

16、 CAN的结构CAN通讯协议，主要描述设备之间的信息传递方式。OSI开放系统互连参考模型将网络协议分为7层，由上至下分别为：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、链路层和物理层。根据ISO/OSI开放系统互连参考模型，为了满足现场设备间通信的实时性要求，CAN规范只在数据链路层和物理层上进行了定义，在数据链路层，CAN 定义了逻辑链路控制子层(LLC)部分和完整的媒体访问控制子层（MAC）。逻辑链路控制子层(LLC)的作用范围包括：为远程数据请求以及数据传输提供服务，确定由实际要使用的LLC子层接收哪一个报文，为恢复管理和过载通知提供手段。在这里，定义对象处理还有很大的自由度。MAC子层的作

17、用主要是传送规则，也就是控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定、故障界定。总线上什么时候开始发送新报文及什么时候开始接收报文，均在MAC子层里确定。位定时的一些普通功能也可以看作是MAC子层的一部分。理所当然，MAC子层的修改是受到限制的。MAC子层是CAN协议的核心。它把接收到的报文提供给LLC子层，并接收来自LLC子层的报文。物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位的实际传输。同一网络的物理层，对于所有的节点当然是相同的。尽管如此，在选择物理层方面还是很自由的。CAN协议规范，在物理层只定义了信号是如何实际地传输的，包括对位时间、位编码、同步的解释。CAN规范没有定义物理层的

18、驱动器/接收器特性，以便允许根据它们的应用，对发送媒体和信号电平进。CAN报文的传送有4种不同类型的帧结构，数据帧、远程帧、出错帧、超载帧。CAB2.0B 有4种帧格式。（一）数据帧数据帧携带由发送节点到接收节点（或发送器到接收器），由 7 个不同的位场组成：帧起始位、仲裁场、控制场、数据场、CRC 场、应答场、帧结束。CAN2.0B 中存在两种不同的帧格式。主要区别在于标识符的长度。具有 11 位标识符的帧称为标准帧，具有 29 位标识符的帧称为扩展帧。1 帧起始标志位（SOF）由一个显性位构成，表明某个节点开始发送信息，所有其它节点必须与此同步（硬同步），但只有在总线空闲时才允许起始位的发

19、送。2 仲裁场（1）仲裁场的组成标识符为 11 位，远程发送请求RTR为一个显性位。（2）仲裁与优先级CAN 总线的通讯模式为：载波监测、多主掌控/冲突（CSMA/CA）。这就使得总线上任一个节点向总线发送信息的机会是均等的。只要总线空闲，谁都可以发送。但如果在同一时刻有两上或两个以上节点同时发送信息，这就发生冲突，这就需要仲裁，而且获得仲裁的信息不受破坏。CAN 是按位进行仲裁。当节点向总线发送信息同时，也在读取总线的电平。如果发送的电平与读取的电平相同，则继续发送下一位，若不同则停止发送，退出竞争。余下的节点继续重复上述过程，直到总线上只剩下一个节点发送的电平。而在冲突中被仲裁下的节点，待

20、下一个总线空闲期再次尝试发送。这种总裁技术明显可以看出，在仲裁帧中，标识符的二进制数值小者有较高优先级。换句话在诸多竞争节点中，如果报文标识符的值最小，则此报文的优先级最高。3 控制场IDE：在 CAN2.0B 标准格式 IDE 应为显性（隐性用 r 表示）。r0：保留位。DLC3DLC0：数据长度，最大数值为 rddd（即隐显显显）。通常“显性”表示传输 0，“隐性”表示传输1，则最大数据为 1000H，即 8。4 数据场数据场即为被发送的数据，长度为 08 个字节取决于控制场中数据长度 DL3DL0。首先发送的最高有效位。5 CRC 场CRC 场由 CRC 序列和 CRC 界定符组成，CR

21、C序列为 16 位 CRC 检验码，CRC 界定符用于标注CRC 序列的结束，为一位隐形位。CRC 检验范围从帧起始位开始直到数据场结束。6 应答场（ACK）应答场为两位，在应答场中发送节点送出 2 个隐性位，所有接收到匹配 CRC 序列的节点，在应答间隙发送一个显示位，以报告发送器接收无误。应答界定符为一个隐性位。7 帧结束由 7 个隐性位构成，表示一帧内容结束。（二）远程帧节点 A 如果索取 B节点的数据时，则由 A 发送远程帧，其 A 节点在仲裁场的标识符应为 B 节点的标识符相同。远程帧由帧起始位、仲裁场、控制场、CRC场、应答场、帧结束 6 个场组成。它与数据帧的区别有：仲裁场的RT

22、R位为隐性，标识此帧为远程帧；无数据场；控制场中的PLC可为 08 的任意数值，但无意义。说明：对于仲裁场、控制场、数据场、CRC 场、帧间空间使用填充技术进行编码，即每 5 个同状态电平插入一位与它相补的电平，还原时再予以删除。（三）出错帧1出错帧格式出错帧由 2 场组成，活动错误标识（由 6 个显位组成）、认可错误标识（由 6 个隐位组成）。当一个节点发出错误帧时，其出错标识为连续6个显性位或连续 6 个隐性位。CAN 总线规定使用填充技术的编码不允许连续出现 6 个同状态电平，某一节点标识传送后，其它节点由于总线上的连续电平的出现，破坏帧格式，补发送错误标识，因此错误标识叠加后占 612

23、 位。各节点在发出错误标识之后，都在监视总线，当检测到一个隐性位后，再发送7个隐性位，故错误界定符为 8 个隐性位。错误标志具有两种形式：活动错误标识（由 6 个显位组成）、认可错误标识（由 6 个隐位组成）。当一个节点发出错误帧时，其出错标识为连续6个显性位或连续 6 个隐性位。CAN 总线规定使用填充技术的编码不允许连续出现 6 个同状态电平，某一节点标识传送后，其它节点由于总线上的连续电平的出现，破坏帧格式，补发送错误标识，因此错误标识叠加后占 612 位。各节点在发出错误标识之后，都在监视总线，当检测到一个隐性位后，再发送7个隐性位，故错误界定符为 8 个隐性位。2 CAN 总线的错误

24、类型CAN 总线有 5 种错误类型、它们互不排斥。位错误：总线检测出某一位出错。填充错误：使用填充方法进行编码为报文中，出现 6 个连续相同的电平。CRC 错误：CRC 值不匹配。形式错误：固定的位场中出现非法位。应答错误：在应答间隙，发送节点未检测到显性位。当一个节点检测到一个CRC错误时，标识在应答界定符之后发送，而其它错误在检测出错误的下一位发送错误标识。3 CAN 总线故障界定及处理每个 CAN 总线节点都设有发送出错记数器和接收出错计数器。发送器送出一个错误标识时，发送错误计数器加 8，接收器检测出一个错误，接收错误记数器加 1 或加 8，报文成功发送后，发送错误计数器减 1，接报文

25、成功接收后，接收错误计数器减 1，有了如上规定之后，即可定义故障界定：一个节点如果其错误计数值在 1127（含 1、127）则为错误激活节点；在 128255（含 128、255）则为错误认可节点。错误激活节点检测出错误时，发送活动错误标识。错误认可节点检测出错误时，发送认可错误标识；当错误读数值大于或等于 256 时，总线关闭。错误计数值大于 96 时，说明总线被严重干扰。对于总线关闭的节点，在监测总线上 11 个连续隐性位发生 128 次，则此节点总线启动，成为错误计数器为零值的错误激活节点。（四）超载帧超载帧用于在接收节点未准备好的情况下请求对数据帧或远程帧延时，由 2 个位场组成。超载

26、标志及超载界定符与出错帧标识相同，其引发和处理过程也是一样的。（五）帧间空间不管何种帧，均以称之为帧间空间的位场分开，但超载帧、出错帧之前无帧间空间。间歇场为 3 个隐位，在此期间不允许启动数据帧和远程帧。总线空闲周期可以任意长4.2 CAN总线技术介绍4.2.1 位仲裁要对数据进行实时处理，就必须将数据快速传送，这就要求数据的物理传输通路有较高的速度。在几个站同时需要发送数据时，要求快速地进行总线分配。实时处理通过网络交换的紧急数据有较大的不同。一个快速变化的物理量，如汽车引擎负载，将比类似汽车引攀温度这样相对变化较慢的物理量更频繁地传送数据并要求更短的延时。CAN总线以报文为单位进行数据传

27、送，报文的优先级结合在11位标识符中，具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。当几个站同时发送报文时，站1的报文标识符为011111；站2的报文标识符为0100110；站3的报文标识符为0100111。所有标识符都有相同的两位01，直到第3位进行比较时，站1的报文被丢掉，因为它的第3位为高，而其它两个站的报文第3位为低。站2和站3报文的4、5、6位相同，直到第7位时，站3的报文才被丢失。注意，总线中的信号持续跟踪最后获得总线读取权的站的报文。在此例中，站2的报文被跟踪。这种非破坏性位仲裁方法的优点在于.在网络最

28、终确定哪一个站的报文被传送以前，报文的起始部分已经在网络上传送了。所有未获得总线读取权的站都成为具有最高优先权报文的接收站，并且不会在总线再次空闲前发送报文。CAN具有较高的效率是因为总线仅仅被那些请求总线悬而未决的站利用，这些请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处理的。这种方法在网络负载较重时有很多优点，因为总线读取的优先级已被按顺序放在每个报文中了，这可以保证在实时系统中较低的个体隐伏时间。对于主站的可靠性，由于CAN协议执行非集中化总线控制，所有主要通信，包括总线读取(许可)控制，在系统中分几次完成。这是实现有较高可靠性的通信系统的唯一方法。4.2.2 CAN与其它通信方案的比较在实

29、践中，有两种重要的总线分配方法：按时间表分配和按需要分配。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。这将保证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要求分配给一个站，总线系统按站希望的传送分配。因此，当多个站同时请求总线存取时，总线将终止所有站的请求，这时将不会有任何一个站获得总线分配。为了分配总线，多于一个总线存取是必要的。以N实现总线分配的方法，可保证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解决当两个站同时发送数据时

30、产生的碰撞问题。不同于Ethemet网络的消息仲裁，CAN的非破坏性解决总线存取冲突的方法，确保在不传送有用消息时总线不被占用。甚至当总线在重负载情况下，以消息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足，所有未解决的传输请求都按重要性顺序来处理。在CSMAICD这样的网络中，如Ethemet，系统往往由于过载而崩溃，而这种情况在CAN中不会发生。4.2.3 CAN的报文格式在总线中传送的报文，每顿由7部分组成。CAN协议支持两种报文格式，其唯一的不同是标识符QD)长度不同，标准格式为11位，扩展格式为29位。在标准格式中，报文的起始位称为帧起始(S0均，然后是由11位

31、标识符和远程发送请求位(RTR)组成的仲裁场。RTR位标明是数据帧还是请求顿，在请求帧中没有数据字节。控制场包括标识符扩展位仃DE)，指出是标准格式还是扩展格式。它还包括一个保留位，为将来扩展使用。它的最后四个字节用来指明数据场中数据的长度贝比)。数据场范围为。一8个字节，其后有一个检测数据错误的循环冗余检查。应答场伍C均包括应答位和应答分隔符。发送站发送的这两位均为隐性电平(逻辑1)，这时正确接收报文的接收站发送主控电平覆盖它。用这种方法，发送站可以保证网络中至少有一个站能正确接收到报文。报文的尾部由顿结束标出。在相邻的两条报文间有一很短的间隔位，如果这时没有站进行总线存取，总线将处于空闲状

32、态。4.2.4数据错误检测不同于其它总线，CAN协议不能使用应答信息。事实上，它可以将发生的任何错误用信号发出。以N协议可使用五种检查错误的方法，其中前三种为基于报文内容检查。循环冗余检查(CRC)：在一顿报文中加人冗余检查位可保证报文正确。接收站通过CRC可判断报文是否有错。帧检查：这种方法通过位场检查帧的格式和大小来确定报文的正确性，用于检查格式上的错误。应答错误：如前所述，被接收到的帧由接收站通过明确的应答来确认。如果发送站未收到应答，那么表明接收站发现帧中有错误，也就是说，ACK场已损坏或网络中的报文无站接收。CAN协议也可通过位检查的方法探测错误。总线检测：有时，CAN中的一个节点可

33、监测自己发出的信号。因此，发送报文的站可以观测总线电平并探测发送位和接收位的差异。位填充：一帧报文中的每一位都由不归零码表示，可保证位编码的最大效率。然而，如果在一帧报文中有太多相同电平的位，就有可能失去同步。为保证同步，同步沿用位填充产生。在五个生。在五个连续相等位后，发送站自动插人一个与之互补的补码位；接收时，这个填充位被自动丢掉。例如，五个连续的低电平位后，CAN自动插人一个高电平位。CAN通过这种编码规则检查错误，如果在一帧报文中有6个相同位，CAN就知道发生了错误。如果至少有一个站通过以上方法探测到一个或多个错误，它将发送出错标志终止当前的发送。这可以阻止其它站接收错误的报文，并保证

34、网络上报文的一致性。当大量发送数据被终止后，发送站会自动地重新发送数据。作为规则，在探测到错误后23个位周期内重新开始发送。在特殊场合，系统的恢复时间为31个位周期。但这种方法存在一个问题，即一个发生错误的站将导致所有数据被终止，其中也包括正确的数据。因此，如果不采取自监侧措施，总线系统应采用模块化设计。为此，CAN协议提供一种将偶然错误从永久错误和局部站失败中区别出来的办法。这种方法可以通过对出错站统计评估来确定一个站本身的错误并进人一种不会对其它站产生不良影响的运行方法来实现，即站可以通过关闭自己来阻止正常数据因被错误地当成不正确的数据而被终止。CAN可靠性：为防止汽车在使用寿命期内由于数

35、据交换错误而对司机造成危险，汽车的安全系统要求数据传输具有较高的安全性。如果数据传输的可靠性足够高，或者残留下来的数据错误足够低的话，这一目标不难实现。从总线系统数据的角度看，可靠性可以理解为，对传输过程产生的数据错误的识别能力。残余数据错误的概率可以通过对数据传输可靠性的统计测量获得。它描述了传送数据被破坏和这种破坏不能被探测出来的概率。残余数据错误概率必须非常小，使其在系统整个寿命周期内，按平均统计时几乎检测不到。计算残余错误概率要求能够对数据错误进行分类，并且数据传输路径可由一模型描述。如果要确定CAN的残余错误概率，我们可将残留错误的概率作为具有位的报文传送时位错误概率的函数，并假定这

36、个系统中有5-10个站，并且错误率为111(那么最大位错误概率为10-13数量级。例如，CAN网络的数据传输率最大为1MbPs，如果数据传输能力仅使用50%，那么对于一个工作寿命40平均报文长度为80位的系统，所传送的数据总量为gxlolo。在系统运行寿命期内，不可检测的传输错误的统计平均小于10-2量级。换句话说，一个系统按每年365天，每天工作8小时，每秒错误率为0.7计算，那么按统计平均，每1000年才会发生一个不可检测的错误。目前，除了有大量可用的低成本的CAN接口器件之外，CAN之所以在世界范围内得到广泛认可是由于它具有如下的突出的特点。多主方式及面向事件的信息传输：只要总线空闲总线

37、系统中的任何一个节点都可发送信息，所以，任何一个节点均可以与其它的节点交换信息。这一特点非常重要，因为正是它才使面向事件的信息传输成为可能。帧结构：CAN总线的数据帧由7部分组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场、帧尾。其中帧起始由一个单独的“显性”位（bit）组成，仲裁场由29bit 组成（早期版本为11bit），控制场由6bit构成，数据场由0至8byte的数据组成，不能多于8字节，CRC场由16bit组成，应答场由2bit构成，帧尾由7bit（“隐性”）组成。每个帧都具有一定的优先权，帧的优先权是由帧的仲裁场（又称为帧标识，用ID表示）决定的。非破坏性仲裁（CSMA/CD

38、）方式：与普通的Ethernet不同，CAN总线访问仲裁是基于非破坏性的总线争用仲裁方案。当总线空闲时，线路表现为“闲置”电平，此时任何站均可发送报文，任何节点都可以开始发送信息帧，这样就可能导致两个以上的节点同时开始访问总线。CAN的物理层具有如下特性：只有当所有的节点都写入从属位，网络上才是1，只要有一个节点写入决定位，网络上就是0，也就是说，决定位覆盖从属位；CAN总线上的任何一个节点写总线的同时也在读总线。为了防止破坏另一个节点的发送帧，一个节点在发送帧标识和RTR位的过程中一直在监控总线，一旦检测到发送隐性位得到一个显性位，则表明有比自己优先权高的节点在使用总线，节点自动转入监听状态

39、，检验是否是自己需要的数据。优先权高的信息帧不会被破坏而是继续传输。这种仲裁原则保证了最高优先权的信息帧在任何时间都可优先发送，同时充分的利用了总线的带宽。对于优先权最高的可能最长的信息帧，其时间延迟为130位的时间。对于其它高优先权的信息帧，其最大的确定延时时间由较高层次的总线协议决定。由于CAN 总线采用了这种总线仲裁机制其总线利用率很高。短信息帧：每一帧中只包括08字节的有效数据。这一长度几乎满足任何实时应用。如果必须传送多于8个字节的信息块，那么就需要使用更高层次的信息分段协议。从另一个方面来说，较短的CAN信息帧保证了高优先权信息帧的短延时。这也有利于在电磁干扰较强环境下的数据传输，

40、因为，信息帧越短不被干扰的几率越高。强检错、纠错和故障处理功能：可靠的错误检测和错误处理机制，节点在错误严重的情况下自动关闭脱离总线，以确保能继续进行剩余节点之间的通信。发送的信息遭到破坏之后可自动重发。信息传输方式：CAN使用信息生产者- 使用者方式传输信息。这与Ethernet的Client/Server模式不同，传输的报文并非根据报文发送器 / 接收器的节点地址识别（几乎其它的总线都是如此），CAN的报文仅用信息标识ID来指示功能信息、优先级信息，总线上的所有节点可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文。可时间同步的多点接收，提高了总线的利用率。高速数据传输速率：CAN总线数据传输速率可达1

41、Mbits/s。远距离数据传输：当数据传输速率为50Kbps 时传输距离可达10Km。5基于CAN的较高层协议CAN 规范只定义了用于通信的核心部分，没有定义应用层，物理层的定义也不完全。这为其应用提供了较大的灵活性（不过，这也可能成为它的一大缺点）。CAN规范没有定义物理层的驱动器/接收器特性。这便于用户根据具体的应用需求对发送媒体和信号电平进行优化。可根据具体应用环境，用户自行定义CAN的应用层。这便于用户设计适合于特殊领域应用方案。由于CAN的诸多优点，基于CAN的应用有很多。为了满足不同的应用领域和不同用户的需求，已开发出了很多基于CAN的协议，目前已发展成为工业标准的高层协议有：CA

42、L/CANOpen、DeviecNet、SDS等。CAL/CANOpen最早是由Philip医疗系统开发的，由CiA认可、支持和维护的。它是一种不依赖于应用的应用层协议，已广泛应用于机械制造、铁路、车辆、船舶、制药和食品加工等领域。CANOpen是 CAL（CAN Application Layer）的一个子集，所以，CANopen的设备都可以用在指定应用的CAL系统。DeviceNet是由美国Wockwell的A-B公司开发的开放式网络标准，属于设备级（包括传感器和执行机构）网络总线，现已成为IEC标准（IEC62026），并由 ODVA（Open DeviceNet Vendors Ass

43、ociation）支持、维护，广泛应用于工业控制和制造业领域等。SDS（Smart Distribution Systems）是由Honeywell Micro Switch开发的，现由Smart Society支持、维护，多应用于智能化楼宇。CAN总线技术正在日新月异的发展，在工业应用领域使用越来越广泛，具有很好的发展前景。CAN的高层协议(也可理解为应用层协议)是一种在现有的底层协议(物理层和数据链路层)之上实现的协议。高层协议是在CAN规范的基础上发展起来的应用层。许多系统(像汽车工业)中，可以特别制定一个合适的应用层，但对于许多的行业来说，这种方法是不经济的。一些组织已经研究并开放了应

44、用层标准，以使系统的综合应用变得十分容易。5.1CANOPENCANopen是由从事工业控制的CIA(CA in Automation)的会员开发的， 1993年由Bosch领导的欧洲CAN-bus协会开始研究基于CAN-bus通讯系统管理方面的原型，由此发展成为CANopen协议。这是一个基于CAL的子协议，用于产品部件的内部网络控制。其后CANopen协议被移交给CIA(CAN In Automation)协会，由CIA协会管理维护与发展。1995年CIA协会发布了完整的CANopen协议，至2000年CANopen协议已成为全欧洲最重要的嵌入式网络标准。CANopen不仅定义了应用层和通

45、讯子协议，也为可编程系统不同器件接口应用子协议定义了页/帧状态。目前CANopen协议已经被提交给欧洲标准委员会讨论，作为一种新的工业现场总线标准EN-50325-4。CANopen采用CAN2. 0B的标准帧格式，COB-ID由功能域(Function)和地址域(Node-ID)构成。在主站上，功能域(Function)表示主站对从站的操作内容，地址域(Node-ID)指出被操作从站的地址。在从站上，功能段表示从站对主站操作的应答，地址域指出应答从站的地址。与其他现场总线协议标准相比，CANopen具有以下特点：(1) 在CANopen系统中，必须有一个且仅有一个主节点，可以有多个从节点(1

46、27)，其中主节点有启动网络、停止网络、节点检查、网络引导的特殊作用。(2) 在CANopen应用层中， CANopen采用CAN2. 0B的标准帧格式。设备通讯和应用程序对象得到交换，所有这些对象通过16位索引和8位子索引进行访问，而这些对象(COB)被映射到一个或更多的已经预定义和配置好的帧。通过对象索引，数据对象在应用层进行处理和访问将更方便和直接。(3) 协议精练、透明、便于理解；降低了驱动程序的开发难度。CANopen根据设备类型分类，由子协议模块组成。CANopen协议适合于所有机械的嵌入式网络，因此CANopen协议占领着欧洲市场的汽车电子领域。在CIA的努力推广下在汽车电气控制

47、系统、电梯控制系统、安全监控系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输、装载机械等方面均得到了广泛的应用，被视为CAN高层协议的标准之一。5.2DeviceNet1990年美国ROCKWELL旗下的Allen-Bradley公司即开始从事基于CAN-bus的通讯与控制方面的研究，研究的成果之一就是应用层DeviceNet协议。凭借该公司在可编程控制器，变频器等方面的优势，使得DeviceNet得到了广泛的应用和支持。1994年Allen-Bradley公司将DeviceNet协议移交给专职推广的独立供应者组织Open DeviceNetVen2dorAssociation(ODVA)协会，由(ODVA

48、)协会管理DeviceNet协议，并进行市场的推广。DeviceNet协议特别为工厂自动控制而定制，因此使其成为类似Profibus-DP和Interbus协议的有力竞争者。目前DeviceNet已经成为美国自动化领域中的领导者，也正在其他适合的领域逐步得到推广应用。DeviceNet采用CAN2. 0B的标准帧格式，DeviceNet根据实际的应用，通过11位CAN标识ID将网络上传递的信息报文分成四组，分别称作：信息组(message group)1、信息组2、信息组3和信息组4。DeviceNet具有以下特点：(1) DeviceNet采用CAN2. 0B的标准帧格式，网络最多支持64个节点(Node)，支持干线支线配置，接在总线上的设备可以直接从总线上移除而不会影响其他设备的正常运转。(2) DeviceNet寻址方式采用：多点传送(一对多)的点对点；多主站和主/从。(3) 既适用于连接低端工业设备，又能连接像变频器、操作终端这样的复杂设备。(4) DeviceNet使用更为有效的生产者/消费者模式取代了传统的源/目标模式，从而可以使多个