現(xiàn)場(chǎng)總線 第三章 CAN總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理

第三章CAN總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理

3．1CAN總線系統(tǒng)的構(gòu)成

CAN總線是現(xiàn)場(chǎng)總線的一種，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，隸屬于控制網(wǎng)絡(luò)的范疇。從原理和實(shí)現(xiàn)的角度，只要有兩個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)和將它們連接成一體的通信媒體(如雙絞線)就可以構(gòu)成一個(gè)CAN總線系統(tǒng)，這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通過通信媒體交換信息。而由CAN總線構(gòu)成的控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)一般是由控制器節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)以及其他的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)如人機(jī)界面組成，CAN作為控制局域網(wǎng)還可以通過網(wǎng)關(guān)和其他網(wǎng)絡(luò)如以太網(wǎng)互聯(lián)構(gòu)成大型復(fù)雜的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖3.1所示。用CAN總線系統(tǒng)組成的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)如圖3.1所示。從控制系統(tǒng)的角度來看，最小的控制系統(tǒng)是一個(gè)單回路的簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制系統(tǒng)——由一個(gè)控制器、一個(gè)傳感器和一個(gè)執(zhí)行器組成；以CAN總線為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)也可以由多個(gè)互不相關(guān)的控制回路組成，而它們共享一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)——cAN總線。從現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)的概念來說，傳感器節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)都可以集成控制器，即所謂的智能節(jié)點(diǎn)，這樣就形成了真正分布式(要指算法分散)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。像圖3.1所示的那樣，CAN這個(gè)局域網(wǎng)控制系統(tǒng)以作為整個(gè)大型控制系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，這時(shí)，CAN通過網(wǎng)關(guān)和整個(gè)系統(tǒng)建立聯(lián)系。

一個(gè)簡(jiǎn)單的CAN總線系統(tǒng)主要由上位計(jì)算機(jī)和微控制器構(gòu)成，包括通用個(gè)人計(jì)算機(jī)和CAN接口(CAN適配卡和若干個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn))。

CAN適配卡是實(shí)現(xiàn)上位機(jī)系統(tǒng)和CAN總線的連接接口，它的作用和以太網(wǎng)網(wǎng)卡相同。帶CAN適配卡的上位機(jī)在CAN總線系統(tǒng)中相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。而一般的CAN節(jié)點(diǎn)都是由微控制器系統(tǒng)組成的，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的功能，分別完成某一特定的任務(wù)，如將傳譬囂數(shù)據(jù)上傳到總線上，或?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)中傳來的控制數(shù)據(jù)輸出到執(zhí)行器來控制該執(zhí)行器的動(dòng)作。

CAN是多主發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從CAN的角度，無所謂主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)的概念，但是在有些具體的應(yīng)用中，為了系統(tǒng)的可靠性以及整體設(shè)計(jì)的考慮還是分主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)的，如圖3.2所示的系統(tǒng)，和多數(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)一樣，上位機(jī)節(jié)點(diǎn)一般成為系統(tǒng)的主節(jié)點(diǎn)。這個(gè)系統(tǒng)的原理是；主機(jī)(主節(jié)點(diǎn))負(fù)責(zé)監(jiān)控各個(gè)從機(jī)(從節(jié)點(diǎn))，向從機(jī)發(fā)布指令，并接收、處理從機(jī)傳來的檢測(cè)數(shù)據(jù)；從機(jī)執(zhí)行主機(jī)的指令，顯示運(yùn)行信息，向主機(jī)傳送檢測(cè)數(shù)據(jù)；CAN接口電路負(fù)責(zé)各節(jié)點(diǎn)問的串行通信，兩只125Ω的電阻作為CAN線路的匹配電阻。3．2CAN總線系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)

3.2.1節(jié)點(diǎn)的概念

CAN總線上的節(jié)點(diǎn)一般是指掛在CAN總線上的傳感部件、執(zhí)行部件或控制器單元CAN總線是通過允許節(jié)點(diǎn)間對(duì)等的傳播數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信的。節(jié)點(diǎn)的微控制器和上位機(jī)之間的通信可以是單向的，也可以是雙向的，在雙向的傳輸信息模式中，上位機(jī)可以通過節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)和狀態(tài)值，進(jìn)行報(bào)警或調(diào)整等反饋措施。

3.2.2節(jié)點(diǎn)的組成

CAN節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成是多種多樣，在先前的章節(jié)中我們提到了典型的智能傳感器節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)以及控制節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)形式的多樣性，也間接豐富了CAN網(wǎng)絡(luò)的類型。由于總線收發(fā)器物理信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力的限制，在一個(gè)CAN總線網(wǎng)絡(luò)上，最多可掛接110個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備。

一般的CAN節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖3.3所示，它是一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通用PC系統(tǒng)或嵌入式處理器系統(tǒng)。其關(guān)鍵部分是CAN網(wǎng)絡(luò)控制器和CAN總線收發(fā)器，由它們來實(shí)現(xiàn)CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，它們和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)的通信。如果計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中嵌入了控制器算法，則這個(gè)節(jié)點(diǎn)按照功能就是控制器節(jié)點(diǎn)：同樣，如果計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(一般是嵌入式鎂赴理器系統(tǒng))帶有傳感器接口，則這個(gè)節(jié)點(diǎn)就是智能傳感器節(jié)點(diǎn)；如果節(jié)點(diǎn)是用來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器的，則這個(gè)節(jié)點(diǎn)就是執(zhí)行器接口。當(dāng)然。節(jié)點(diǎn)還可以提供其他形式的信號(hào)輸入輸出接口。一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以具有多種功能，如帶有輸入輸出接口并帶有控制器算法，那么它就是一個(gè)完整的控制節(jié)點(diǎn)。

3.3.1基于CAN的拓?fù)涓拍钔負(fù)涫且粋€(gè)數(shù)學(xué)概念，它把物理實(shí)體抽象成與其大小和形狀無關(guān)的點(diǎn)，把連接實(shí)體的線路抽象成線，進(jìn)而研究點(diǎn)、線、面之間的關(guān)系。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)也采用拓?fù)鋵W(xué)中的研究方法，將網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備定義為節(jié)點(diǎn)，把兩個(gè)設(shè)備之間的連接線路定義為鏈路。從拓?fù)鋵W(xué)的觀點(diǎn)看，網(wǎng)絡(luò)是由一組節(jié)點(diǎn)和鏈路組成的幾何圖形，這種幾何圖形就是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它反映了網(wǎng)絡(luò)中各種實(shí)體間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是構(gòu)建計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的第一步，也是實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的基礎(chǔ)，它對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能、可靠性和通信費(fèi)用等都有很大影響。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按照幾何圖形的形狀可分為4種類型：總線拓?fù)?、環(huán)形拓?fù)?、星形拓?fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)洹＿@些形狀也可混合構(gòu)成混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于不同的阿絡(luò)規(guī)模。例如，局域網(wǎng)應(yīng)用的是總線、星形或環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而廣域網(wǎng)采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在CAN網(wǎng)絡(luò)中，也存在著形形色色的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將拓?fù)涞母拍钜隒AN總線網(wǎng)絡(luò)．是必然和必要的。3.3.2常用的CAN總線系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

按照CAN總線協(xié)議，CAN總線可以是任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的，但一般來說，CAN總線主要有以下4種常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.總線拓?fù)淇偩€形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由單根電纜組成，該電纜連接網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)。單根電纜稱為總線，它僅僅只能支持一種信道，因廊所有節(jié)點(diǎn)共享總線的全部帶寬。在總線網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，所有節(jié)點(diǎn)都將被動(dòng)地偵聽該數(shù)據(jù)，只有目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收并處理發(fā)送給它的數(shù)據(jù)后，其他節(jié)點(diǎn)才將忽略該數(shù)據(jù)?；诳偩€拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)根容易實(shí)現(xiàn)，且組建成本很低，但其擴(kuò)展性較差。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的性能將下降。此外，總線網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)能力較差，總線上的某個(gè)中斷或故障將會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。因此，很少有CAN總線網(wǎng)絡(luò)采用一個(gè)單純的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的。

2.環(huán)形拓?fù)湓诃h(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)與兩個(gè)最近的節(jié)點(diǎn)相連接以使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)形成一個(gè)環(huán)，數(shù)據(jù)沿著環(huán)向一個(gè)方向發(fā)送。環(huán)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)如同一個(gè)能再生和發(fā)送信號(hào)的中繼器，它們接收環(huán)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，再將其轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。與總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，當(dāng)環(huán)中的節(jié)點(diǎn)不斷增加時(shí)，響應(yīng)時(shí)間也就變得越長。因此，單純的環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常不靈活且不易于擴(kuò)展。在一個(gè)簡(jiǎn)單環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，單個(gè)節(jié)點(diǎn)或一處線纜發(fā)生故障將會(huì)造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。因此，一些CAN總線網(wǎng)絡(luò)采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)以提供容錯(cuò)。

3.星形拓?fù)湓谛切瓮負(fù)浣Y(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過一個(gè)中央設(shè)備，如集線器連接在一起。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到中央設(shè)備，再由中央設(shè)備將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。一個(gè)典型的星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所需的線纜和配置一般稍多于環(huán)形網(wǎng)絡(luò)和總線網(wǎng)絡(luò)。由于在星形網(wǎng)絡(luò)中任何單根電線只連接兩個(gè)設(shè)備(如一個(gè)工作站和一個(gè)集線器)，因此電纜問題最多影響兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。單個(gè)電纜或節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，將不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信中斷。但中央設(shè)備的失敗將會(huì)造成一個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。由于使用中央設(shè)備作為連接點(diǎn)，星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以很容易地移動(dòng)、隔絕或與其他網(wǎng)絡(luò)連接，這使得星形網(wǎng)絡(luò)更易于擴(kuò)展。因此，星形拓?fù)涫悄壳癈AN總線局域網(wǎng)中最常用一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是以太嘲現(xiàn)在最常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

4.網(wǎng)狀拓?fù)湓诰W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)之間都直接互聯(lián)的。網(wǎng)狀拓?fù)涑Ｓ糜趶V域網(wǎng)，在這種情況下，節(jié)點(diǎn)是指地理場(chǎng)所。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是互聯(lián)的，數(shù)據(jù)能夠從發(fā)送地直接傳輸?shù)侥康牡?。如果一個(gè)連接出了問題，將能夠輕易并迅速地更改數(shù)據(jù)的傳輸路徑。由于對(duì)兩節(jié)點(diǎn)之問的數(shù)據(jù)傳輸提供多條鏈路，因此，網(wǎng)狀拓?fù)涫亲罹呷蒎e(cuò)性的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)狀拓?fù)涞囊粋€(gè)缺點(diǎn)是成本問題。將CAN網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)相連接需要大量的專用線路。為縮減開支，可以選擇半阿狀結(jié)構(gòu)。在半網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，直接連接網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)，通過星形或環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接次要的節(jié)點(diǎn)。與全網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相比，半網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加適用．因而在當(dāng)前的實(shí)際應(yīng)用中使用得更加廣泛。3．4基于CAN總線構(gòu)建復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工業(yè)控制系統(tǒng)

CAN總線開始是設(shè)計(jì)應(yīng)用在汽車上的，由于它優(yōu)越的性能，后來被廣泛地應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。很多工業(yè)控制系統(tǒng)應(yīng)用了基于CAN總線的阿絡(luò)控制系統(tǒng)，而這些網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)一般具有復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。以一個(gè)基于16位微處理器的CAN網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)為例，其設(shè)計(jì)思想是從硬件上用網(wǎng)關(guān)和中繼器連接物理上分立的總線，是從單總線到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一個(gè)拓展。由于485總線在工業(yè)中還有一定的市場(chǎng)，我們就利用485總線和CAN總線來說明一下網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，具體的節(jié)點(diǎn)和總線情況如下。網(wǎng)關(guān)使用一個(gè)微處理器控制4十通信接口(包括兩個(gè)

CAN，一個(gè)485和一個(gè)與上位機(jī)之間的232通信口)，實(shí)現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)在兩條CAN總線之間的轉(zhuǎn)發(fā)，CAN總線和485總線之間的數(shù)據(jù)交換和與上位機(jī)之間的應(yīng)用通信服務(wù)。它具備路由選擇和流量控制兩個(gè)基本功能，并有足夠的處理速度以滿足總線峰值流量的需要。此外，針對(duì)特定的應(yīng)用，能提供本地實(shí)時(shí)時(shí)鐘服務(wù)(LocalRealTimeClockService)。

可以將總線系統(tǒng)連接成環(huán)狀的結(jié)構(gòu)，也可以根據(jù)需要將總線連接成樹型結(jié)構(gòu)，如圖3.4所示。多條CAN總線和485總線通過我們?cè)O(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)聯(lián)結(jié)成了比較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3．5所示。3．5CAN總線系統(tǒng)的通信方式

CAN總線系統(tǒng)根據(jù)節(jié)點(diǎn)的不同，可以采取不同的通信方式以適應(yīng)不同的工作環(huán)境和效率。關(guān)于CAN總線系統(tǒng)的通信方式，具有以下特征：①CAN可以多主式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活。②CAN可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)(成組)及全局廣播方式傳送接收數(shù)據(jù)。③CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息可分成不同的優(yōu)先級(jí)，可以滿足不同的實(shí)時(shí)陸要求。④CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)。當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)在向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)。優(yōu)先級(jí)低的點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，大大地節(jié)省了總線仲裁沖突時(shí)間，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。⑤CAN的直接通信距離最大可達(dá)10km(速率小于5Kb／s)，最高的通信速率可達(dá)1Mb/s(此時(shí)通信距離最長為40m)。⑥CAN總線兩種典型的工作通信方式是多主式通信方式和主從式通信方式。3.5.1多主式結(jié)構(gòu)

CAN總線在多主式(Multimaster)通信方式下工作時(shí)，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從。多主式的通信方式靈活，且無需占地址等節(jié)點(diǎn)信息。在這種工作方式下，CAN網(wǎng)絡(luò)支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和全局廣播方式接收，發(fā)送數(shù)據(jù)。為避免總線沖突，CAN總線采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，根據(jù)需要將各個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)定為不同的優(yōu)先級(jí)，并以標(biāo)志符(ID)標(biāo)定，其值越小，優(yōu)先級(jí)越高，在發(fā)生沖突的情況下，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)停止發(fā)送，從而解決了總線沖突的問題。這是CAN總線的基本協(xié)議所支持的工作方式，無需上層協(xié)議的支持。3.5.2主從式結(jié)構(gòu)

CAN總線在主從式(Infrastructure)通信方式下工作時(shí)，網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)的功能是有區(qū)分的，無法像多主式結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)那樣自由進(jìn)行各種平等的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)間的信息發(fā)送。在主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的通信方式中，整個(gè)系統(tǒng)的通信活動(dòng)要依靠主站中的調(diào)度器來安排。如果系統(tǒng)調(diào)度策略設(shè)計(jì)不當(dāng)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性就會(huì)很差，而且容易引起瓶頸現(xiàn)象，妨