一、can總線的概述
can,全稱為“controller area network”,即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。最初，can被設(shè)計(jì)作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ecu之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。比如：發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統(tǒng)中，均嵌入can控制裝置。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。一個(gè)由can 總線構(gòu)成的單一網(wǎng)絡(luò)中，理論上可以掛接無數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)。實(shí)際應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)數(shù)目受網(wǎng)絡(luò)硬件的電氣特性所限制。為適應(yīng)“減少線束的數(shù)量”、“通過多個(gè)lan,進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，1986 年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的can 通信協(xié)議。此后，can 通過iso11898 及iso11519 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。
二、can總線的分層結(jié)構(gòu)
can遵從osi模型，按照osi基準(zhǔn)模型，can結(jié)構(gòu)劃分為兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，如下圖所示。
1.按照ieee 802.2和802.3 標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)鏈路層又劃分為：
1）邏輯鏈路控制（llc-logic link control）。
2）媒體訪問控制（mac-medium access control）。
2.物理層又劃分為：
1）物理信令（pls-physical signalling）。
2）物理媒體附屬裝置（pma-physical medium attachment）。
3）媒體相關(guān)接口（mdi-medium dependent interface）。
mac子層運(yùn)行借助稱之為“故障界定實(shí)體（fce）”的管理實(shí)體進(jìn)行監(jiān)控。故障界定是使判別短暫干擾和永久性故障成為可能的一種自檢機(jī)制。物理層可借助檢測和管理物理媒體故障實(shí)體進(jìn)行監(jiān)控（例如總線短路或中斷，總線故障管理）。llc和mac兩個(gè)同等的協(xié)議實(shí)體通過交換幀或協(xié)議數(shù)據(jù)單元（pdu-protocol data unit）和（n）-用戶數(shù)據(jù)組成，為傳送一個(gè)npdu,（n-1）層實(shí)體必須通過（n-1）服務(wù)訪問點(diǎn)（sap-service access point）[（n-1）-sap].npdu借助于（n-1）層服務(wù)數(shù)據(jù)單元（sdu-service data u nit）[（n-1）-sdu]傳至（n-1）層，其服務(wù)功能允許npdu的傳送。sdu是接口數(shù)據(jù)，對其識別預(yù)先在（n）層實(shí)體間進(jìn)行，亦即，它表示邏輯數(shù)據(jù)單元由服務(wù)進(jìn)行傳送。can協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈層既不提供分配一個(gè)sdu至多個(gè)pdu,也不提供分配多個(gè)sdu至一個(gè)pdu的方法，亦即，npdu直接由相應(yīng)的nsdu和層指定控制信息n-pci構(gòu)成。
三、can總線的原理介紹
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，都對其進(jìn)行接收。每組報(bào)文開頭的11位字符為標(biāo)識符，定義了報(bào)文的優(yōu)先級，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)識符是唯一的，不可能有兩個(gè)站發(fā)送具有相同標(biāo)識符的報(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)的站對接收到的報(bào)文進(jìn)行檢測，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。
四、can總線的特點(diǎn)
can具有十分優(yōu)越的特點(diǎn)，使人們樂于選擇。這些優(yōu)越的特點(diǎn)包括：
（1）它是一種多主總線，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)均可成為主機(jī)，且節(jié)點(diǎn)機(jī)之間也可進(jìn)行通信。
（2）網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)。can總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。
（3）通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，通信速率可達(dá)1mb/s.
（4）can總線通信接口中集成了can協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層作用，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余校驗(yàn)、優(yōu)先級判別等項(xiàng)工作。
（5）can協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，雨代之以對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識碼可由11位或29位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義211或229個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊，這種數(shù)據(jù)塊編碼方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分步式控制中非常重要。
（6）數(shù)據(jù)段長度最多為8個(gè)字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)，8個(gè)字節(jié)不會占用總線時(shí)間過長，從而倮證了通信的實(shí)時(shí)性。
（7）can協(xié)議采用crc檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理作用，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。can總線所具有的卓越性能、極高的可靠性和獨(dú)特設(shè)計(jì)，特別適合工業(yè)設(shè)各測控單元互連。因此備受工業(yè)界的重視，并已公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場總線之一。
五、can與其它通信方案的比較
can總線與其它通信網(wǎng)的不同之處在于：
一是報(bào)文傳送中不包含目標(biāo)地址，它是以全網(wǎng)廣播為基礎(chǔ)。各接收站根據(jù)報(bào)文中反映數(shù)據(jù)性質(zhì)的標(biāo)識符過濾報(bào)文，該收的收下，不該收的丟棄。其好處是可在線上網(wǎng)下網(wǎng)、即插即用和多站接收；
二是特別強(qiáng)化了對數(shù)據(jù)安全性的關(guān)注，滿足控制系統(tǒng)及其它較高數(shù)據(jù)要求的系統(tǒng)需求。
在實(shí)踐中，有兩種重要的總線分配方法：按時(shí)間表分配和按需要分配。在第一種方法中，不管每個(gè)節(jié)點(diǎn)是否申請總線，都對每個(gè)節(jié)點(diǎn)按最大期間分配。由此，總線可被分配給每個(gè)站并且是唯一的站，而不論其是立即進(jìn)行總線存取或在一特定時(shí)間進(jìn)行總線存取。這將保證在總線存取時(shí)有明確的總線分配。在第二種方法中，總線按傳送數(shù)據(jù)的基本要求分配給一個(gè)站，總線系統(tǒng)按站希望的傳送分配。因此，當(dāng)多個(gè)站同時(shí)請求總線存取時(shí)，總線將終止所有站的請求，這時(shí)將不會有任何一個(gè)站獲得總線分配。為了分配總線，多于一個(gè)總線存取是必要的。
can實(shí)現(xiàn)總線分配的方法，可保證當(dāng)不同的站申請總線存取時(shí)，明確地進(jìn)行總線分配。這種位仲裁的方法可以解決當(dāng)兩個(gè)站同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生的碰撞問題。不同于ethernet網(wǎng)絡(luò)的消息仲裁，can的非破壞性解決總線存取沖突的方法，確保在不傳送有用消息時(shí)總線不被占用。甚至當(dāng)總線在重負(fù)載情況下，以消息內(nèi)容為優(yōu)先的總線存取也被證明是一種有效的系統(tǒng)。雖然總線的傳輸能力不足，所有未解決的傳輸請求都按重要性順序來處理。在csma/cd這樣的網(wǎng)絡(luò)中，如ethernet,系統(tǒng)往往由于過載而崩潰，而這種情況在can中不會發(fā)生。
總而言之，現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。