CAN是Controller Area Network 的縮寫（以下稱為CAN）,，是ISO國際標準化的串行通信協(xié)議,。在當前的汽車產業(yè)中，出于對安全性、舒適性,、方便性、低公害,、低成本的要求,，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據類型及對可靠性的要求不盡相同,，由多條總線構成的情況很多,，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應“減少線束的數(shù)量”,、“通過多個LAN,，進行大量數(shù)據的高速通信”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 進行了標準化，現(xiàn)在在歐洲已是汽車網絡的標準協(xié)議,。
現(xiàn)在,，CAN 的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業(yè)自動化,、船舶,、醫(yī)療設備、工業(yè)設備等方面?，F(xiàn)場總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一,被譽為自動化領域的計算機局域網,。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時,、可靠的數(shù)據通信提供了強有力的技術支持。
一． CAN總線的產生與發(fā)展
控制器局部網（CAN－CONTROLLER AREA NETWORK）是BOSCH公司為現(xiàn)代汽車應用領先推出的一種多主機局部網,，由于其卓越性能現(xiàn)已廣泛應用于工業(yè)自動化,、多種控制設備、交通工具,、醫(yī)療儀器以及建筑,、環(huán)境控制等眾多部門?？刂破骶植烤W將在我國迅速普及推廣,。
隨著計算機硬件、軟件技術及集成電路技術的迅速發(fā)展,，工業(yè)控制系統(tǒng)已成為計算機技術應用領域中最具活力的一個分支,，并取得了巨大進步。由于對系統(tǒng)可靠性和靈活性的高要求,，工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展主要表現(xiàn)為：控制面向多元化,，系統(tǒng)面向分散化，即負載分散,、功能分散,、危險分散和地域分散。
分散式工業(yè)控制系統(tǒng)就是為適應這種需要而發(fā)展起來的,。這類系統(tǒng)是以微型機為核心,，將 5C 技術--COMPUTER（計算機技術）、CONTROL（自動控制技術）,、COMMUNICATION（通信技術）,、CRT（顯示技術）和 CHANGE（轉換技術）緊密結合的產物。它在適應范圍,、可擴展性,、可維護性以及抗故障能力等方面,，較之分散型儀表控制系統(tǒng)和集中型計算機控制系統(tǒng)都具有明顯的優(yōu)越性,。
典型的分散式控制系統(tǒng)由現(xiàn)場設備、接口與計算設備以及通信設備組成?，F(xiàn)場總線（FIELDBUS）能同時滿足過程控制和制造業(yè)自動化的需要,，因而現(xiàn)場總線已成為工業(yè)數(shù)據總線領域中最為活躍的一個領域。現(xiàn)場總線的研究與應用已成為工業(yè)數(shù)據總線領域的熱點,。
盡管目前對現(xiàn)場總線的研究尚未能提出一個完善的標準,，但現(xiàn)場總線的高性能價格比將吸引眾多工業(yè)控制系統(tǒng)采用。同時,，正由于現(xiàn)場總線的標準尚未統(tǒng)一,，也使得現(xiàn)場總線的應用得以不拘一格地發(fā)揮,，并將為現(xiàn)場總線的完善提供更加豐富的依據?？刂破骶植烤W CAN正是在這種背景下應運而生的,。
由于CAN為愈來愈多不同領域采用和推廣，導致要求各種應用領域通信報文的標準化,。為此,，1991 年 9 月 PHILIPS SEMICONDUCTORS 制訂并發(fā)布了 CAN技術規(guī)范（VERSION2.0）。該技術規(guī)范包括A和B 兩部分,。2.0A給出了曾在CAN技術規(guī)范版本1.2 中定義的CAN報文格式,，而2.0B給出了標準的和擴展的兩種報文格式。此后,，1993 年11 月ISO正式頒布了道路交通運載工具--數(shù)字信息交換--高速通信控制器局部網（CAN）國際標準（ISO11898）,，為控制器局部網標準化、規(guī)范化推廣鋪平了道路,。
二. CAN總線特點
CAN總線是德國BOSCH公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據通信協(xié)議,，它是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線,、同軸電纜或光導纖維,。通信速率可達1MBPS。CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據鏈路層功能,，可完成對通信數(shù)據的成幀處理,，包括位填充、數(shù)據塊編碼,、循環(huán)冗余檢驗,、優(yōu)先級判別等項工作。
CAN協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼,，而代之以對通信數(shù)據塊進行編碼,。采用這種方法的優(yōu)點可使網絡內的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據塊的標識碼可由11 位或29 位二進制數(shù)組成,，因此可以定義211或229 個不同的數(shù)據塊,，這種按數(shù)據塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據,，這一點在分布式控制系統(tǒng)中非常有用,。數(shù)據段長度最多為8 個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領域中控制命令,、工作狀態(tài)及測試數(shù)據的一般要求,。同時，8 個字節(jié)不會占用總線時間過長,，從而保證了通信的實時性,。CAN協(xié)議采用CRC 檢驗并可提供相應的錯誤處理功能,，保證了數(shù)據通信的可靠性。CAN卓越的特性,、極高的可靠性和獨特的設計,，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設備的互連，因此,，越來越受到工業(yè)界的
重視,，并已公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一。
另外,，CAN總線采用了多主競爭式總線結構,，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。CAN總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動地向網絡上其它節(jié)點發(fā)送信息而不分主次,，因此可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信,。CAN總線協(xié)議已被國際標準化組織認證，技術比較成熟,，控制的芯片已經商品化,，性價比高，特別適用于分布式測控系統(tǒng)之間的數(shù)通訊,。CAN總線插卡可以任意插在PC AT XT兼容機上,，方便地構成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。
三. CAN 總線技術介紹
3.1位仲裁
要對數(shù)據進行實時處理,就必須將數(shù)據快速傳送,這就要求數(shù)據的物理傳輸通路有較高的速度,。在幾個站同時需要發(fā)送數(shù)據時,要求快速地進行總線分配,。實時處理通過網絡交換的緊急數(shù)據有較大的不同。一個快速變化的物理量,如汽車引擎負載,將比類似汽車引擎溫度這樣相對變化較慢的物理量更頻繁地傳送數(shù)據并要求更短的延時,。CAN 總線以報文為單位進行數(shù)據傳送,報文的優(yōu)先級結合在11 位標識符中,具有最低二進制數(shù)的標識符有最高的優(yōu)先級,。這種優(yōu)先級一旦在系統(tǒng)設計時被確立后就不能再被更改。
總線讀取中的沖突可通過位仲裁解決,。當幾個站同時發(fā)送報文時,站1 的報文標識符為011111;站2 的報文標識符為0100110;站3 的報文標識符為0100111,。所有標識符都有相同的兩位01,直到第3 位進行比較時,站1 的報文被丟掉,因為它的第3 位為高,而其它兩個站的報文第3 位為低。站2 和站3 報文的4,、5,、6 位相同,直到第7 位時,站3 的報文才被丟失。注意,總線中的信號持續(xù)跟蹤最后獲得總線讀取權的站的報文,。在此例中,站2 的報文被跟蹤,。這種非破壞性位仲裁方法的優(yōu)點在于,在網絡最終確定哪一個站的報文被傳送以前,報文的起始部分已經在網絡上傳送了,。所有未獲得總線讀取權的站都成為具有最高優(yōu)先權報文
的接收站,并且不會在總線再次空閑前發(fā)送報文,。
CAN具有較高的效率是因為總線僅僅被那些請求總線懸而未決的站利用,這些請求是根據報文在整個系統(tǒng)中的重要性按順序處理的。這種方法在網絡負載較重時有很多優(yōu)點,因為總線讀取的優(yōu)先級已被按順序放在每個報文中了,這可以保證在實時系統(tǒng)中較低的個體隱伏時間,。
對于主站的可靠性,由于CAN 協(xié)議執(zhí)行非集中化總線控制,所有主要通信,包括總線讀取(許可)控制,在系統(tǒng)中分幾次完成,。這是實現(xiàn)有較高可靠性的通信系統(tǒng)的唯一方法
3.2 CAN 與其它通信方案的比較
在實踐中,有兩種重要的總線分配方法:按時間表分配和按需要分配,。在第一種方法中 ,不管每個節(jié)點是否申請總線,都對每個節(jié)點按最大期間分配。由此,總線可被分配給每個站并且是唯一的站,而不論其是立即進行總線存取或在一特定時間進行總線存取,。這將保證在總線存取時有明確的總線分配,。在第二種方法中,總線按傳送數(shù)據的基本要求分配給一個站 ,總線系統(tǒng)按站希望的傳送分配(如:Ethernet CSMA/CD)。因此,當多個站同時請求總線存取時,總線將終止所有站的請求,這時將不會有任何一個站獲得總線分配,。為了分配總線,多于一個總線存取是必要的,。CAN實現(xiàn)總線分配的方法,可保證當不同的站申請總線存取時,明確地進行總線分配。這種位仲裁的方法可以解決當兩個站同時發(fā)送數(shù)據時產生的碰撞問題,。不同于Ethernet 網絡的消息仲裁,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總線不被占用,。甚至當總線在重負載情況下,以消息內容為優(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 這樣的網絡中,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,。
3.3 CAN 的報文格式
在總線中傳送的報文,每幀由7 部分組成,見圖3。CAN協(xié)議支持兩種報文格式,其唯一的不同是標識符(ID)長度不同,標準格式為11 位,擴展格式為29 位,。在標準格式中,報文的起始位稱為幀起始(SOF),然后是由11 位標識符和遠程發(fā)送請求位(RTR)組成的仲裁場,。
RTR 位標明是數(shù)據幀還是請求幀,在請求幀中沒有數(shù)據字節(jié)?？刂茍霭俗R符擴展位(IDE),指出是標準格式還是擴展格式,。它還包括一個保留位 (ro),為將來擴展使用。它的最后四個字節(jié)用來指明數(shù)據場中數(shù)據的長度(DLC),。數(shù)據場范圍為0～8 個字節(jié),其后有一個檢測數(shù)據錯誤的循環(huán)冗余檢查(CRC),。
應答場(ACK)包括應答位和應答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平(邏輯1),這時正確接收報文的接收站發(fā)送主控電平(邏輯0)覆蓋它,。用這種方法,發(fā)送站可以保證網絡中至少有一個站能正確接收到報文,。報文的尾部由幀結束標出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位,如果這時沒有站進行總線存取,總線將處于空閑狀態(tài),。
3.4 數(shù)據錯誤檢測
不同于其它總線,CAN 協(xié)議不能使用應答信息,。事實上,它可以將發(fā)生的任何錯誤用信號發(fā)出。CAN協(xié)議可使用五種檢查錯誤的方法,其中前三種為基于報文內容檢查,。
3.4.1 循環(huán)冗余檢查(CRC)
在一幀報文中加入冗余檢查位可保證報文正確,。接收站通過CRC 可判斷報文是否有錯。
3.4.2 幀檢查
這種方法通過位場檢查幀的格式和大小來確定報文的正確性,用于檢查格式上的錯誤,。
3.4.3.應答錯誤
如前所述,被接收到的幀由接收站通過明確的應答來確認,。如果發(fā)送站未收到應答,那么表明接收站發(fā)現(xiàn)幀中有錯誤,也就是說,ACK場已損壞或網絡中的報文無站接收。CAN協(xié)議也可通過位檢查的方法探測錯誤,。
3.4.4 總線檢測
有時,CAN 中的一個節(jié)點可監(jiān)測自己發(fā)出的信號,。因此,發(fā)送報文的站可以觀測總線電平并探測發(fā)送位和接收位的差異。
3.4.5 位填充
一幀報文中的每一位都由不歸零碼表示,可保證位編碼的最大效率,。然而,如果在一幀報文中有太多相同電平的位,就有可能失去同步,。為保證同步,同步沿用位填充產生,。在五個生。在五個連續(xù)相等位后,發(fā)送站自動插入一個與之互補的補碼位;接收時,這個填充位被自動丟掉,。例如,五個連續(xù)的低電平位后,CAN 自動插入一個高電平位,。CAN通過這種編碼規(guī)則檢查錯誤,如果在一幀報文中有6 個相同位,CAN 就知道發(fā)生了錯誤。如果至少有一個站通過以上方法探測到一個或多個錯誤,它將發(fā)送出錯標志終止當前的發(fā)送,。這可以阻止其它站接收錯誤的報文,并保證網絡上報文的一致性,。當大量發(fā)送數(shù)據被終止后,發(fā)送站會自動地重新發(fā)送數(shù)據。作為規(guī)則,在探測到錯誤后23 個位周期內重新開始發(fā)送,。在特殊場合,系統(tǒng)的恢復時間為31 個位周期,。
但這種方法存在一個問題,即一個發(fā)生錯誤的站將導致所有數(shù)據被終止,其中也包括正確的數(shù)據。因此,如果不采取自監(jiān)測措施,總線系統(tǒng)應采用模塊化設計,。為此,CAN 協(xié)議提供一種將偶然錯誤從永久錯誤和局部站失敗中區(qū)別出來的辦法,。這種方法可以通過對出錯站統(tǒng)計評估來確定一個站本身的錯誤并進入一種不會對其它站產生不良影響的運行方法來實現(xiàn),即站可以通過關閉自己來阻止正常數(shù)據因被錯誤地當成不正確的數(shù)據而被終止。
3.4.6 CAN可靠性
為防止汽車在使用壽命期內由于數(shù)據交換錯誤而對司機造成危險,汽車的安全系統(tǒng)要求數(shù)據傳輸具有較高的安全性,。如果數(shù)據傳輸?shù)目煽啃宰銐蚋?或者殘留下來的數(shù)據錯誤足夠低的話,這一目標不難實現(xiàn),。從總線系統(tǒng)數(shù)據的角度看,可靠性可以理解為,對傳輸過程產生的數(shù)據錯誤的識別能力。
殘余數(shù)據錯誤的概率可以通過對數(shù)據傳輸可靠性的統(tǒng)計測量獲得,。它描述了傳送數(shù)據被破壞和這種破壞不能被探測出來的概率,。殘余數(shù)據錯誤概率必須非常小,使其在系統(tǒng)整個壽命周期內,按平均統(tǒng)計時幾乎檢測不到。計算殘余錯誤概率要求能夠對數(shù)據錯誤進行分類 ,并且數(shù)據傳輸路徑可由一模型描述,。如果要確定CAN的殘余錯誤概率,我們可將殘留錯誤的概率作為具有80～90 位的報文傳送時位錯誤概率的函數(shù),并假定這個系統(tǒng)中有5～10 個站,并且錯誤率為1/1000,那么最大位錯誤概率為10—13 數(shù)量級,。例如,CAN 網絡的數(shù)據傳輸率最大為1Mbps,如果數(shù)據傳輸能力僅使用50%,那么對于一個工作壽命4000小時、平均報文長度為 80 位的系統(tǒng),所傳送的數(shù)據總量為9×1010,。在系統(tǒng)運行壽命期內,不可檢測的傳輸錯誤的統(tǒng)計平均小于10—2 量級,。換句話說,一個系統(tǒng)按每年365 天,每天工作8 小時,每秒錯誤率為0. 7 計算,那么按統(tǒng)計平均,每1000 年才會發(fā)生一個不可檢測的錯誤。
四.應用舉例
某醫(yī)院現(xiàn)有5 臺16T/H德國菲斯曼燃氣鍋爐,，向洗衣房,、制劑室、供應室,、生活用水,、暖氣等設施提供5kg/cm2 的蒸汽，全年耗用天然氣1200 萬m3,耗用20 萬噸自來水,。醫(yī)院采用接力式方式供熱,，對熱網進行地域性管理，分四大供熱區(qū),。其中冬季暖氣的用氣量很大,，據此設計了基于CAN現(xiàn)場總線的分布式鍋爐蒸汽熱網智能監(jiān)控系統(tǒng)。現(xiàn)場應用表明：該樓宇自動化系統(tǒng)具有抗干擾能力強，現(xiàn)場組態(tài)容易,，網絡化程度高,，人機界面友好等特點,。
五．存在問題
目前現(xiàn)場總線技術在我國的應用已取得很大進展,，但也存在一些問題，制約了其推廣,。
在工程應用方面,，工程投資比較大。雖然各種現(xiàn)場總線都把節(jié)省費用當成自己的主要優(yōu)點,，但在實際應用中現(xiàn)場總線的投資比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)要大,。一是試用的系統(tǒng)規(guī)模太小,；二是試用的系統(tǒng)并不分散或者是利用原有布線的改造項目,，因此無法充分發(fā)揮現(xiàn)場總線節(jié)省電纜的優(yōu)勢。
其次,，調試和運行維護比較難,。由于現(xiàn)階段熟練掌握現(xiàn)場總線的應用技術和開發(fā)技術的人才少，企業(yè)在調試和運行時經常會遇到困難,。因此,，企業(yè)在選擇系統(tǒng)集成商時，應選擇技術力量比較強,，比較有經驗的單位,。
再者，與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比優(yōu)點不明顯,。以智能化現(xiàn)場儀表為基礎的現(xiàn)場總線系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比,，其優(yōu)點不僅在于控制方面，更多的在于自診斷,、自校正等自動管理方面,。但是，目前國內用的系統(tǒng)大多數(shù)太小,，沒有把管理自動化和遠程診斷功能納入系統(tǒng),，因此無法發(fā)揮現(xiàn)場總線系統(tǒng)降低運行維護費用的優(yōu)勢。
在技術方面,，當總線切斷時,，系統(tǒng)有可能產生不可預知的后果，用戶希望這時系統(tǒng)的效能可以降低,，但不能崩潰,，這一點目前許多現(xiàn)場總線不能保證；現(xiàn)有的防爆規(guī)定限制了總線長度和總線上所掛設備的數(shù)量，也就限制了現(xiàn)場總線節(jié)省電纜優(yōu)點的發(fā)揮,；系統(tǒng)組態(tài)參數(shù)過分復雜,，不容易掌握。但組態(tài)參數(shù)設定得好壞,，對系統(tǒng)性能影響很大,。
在應用中，現(xiàn)場總線的開放,、互聯(lián)性及互操作性決定了與之俱來的不可避免的安全問題,。
外部網是一個由現(xiàn)場總線實現(xiàn)的自動化系統(tǒng)，是和企業(yè)的Intranet 緊密結合在一起的,，存在著與In ternet普通應用相同的種種威脅,，包括竊聽、盜取資料,、非法獲取控制權,、進行破壞、阻礙通信等,。要解決這些問題,，必須建立起一套適合企業(yè)的針對現(xiàn)場總線應用的安全策略。
在Intranet內部,，人們容易放松警惕,。由于現(xiàn)場總線多應用于化工、電氣及樓宇自動化控制中,，這些場合都要求系統(tǒng)連續(xù)運行,，因此現(xiàn)場總線可能受到的攻擊時間與普通應用相比長得多。
基于安全情況,，可以考慮將各子系統(tǒng)設計得較為獨立,，使一個子系統(tǒng)受到破壞不會影響到整個系統(tǒng)；采用通信控制器將總線與以太網相聯(lián),，改善通信控制器的功能,，可以起到一定程度的安全防范作用，包括拒絕非法訪問,，危險時將總線與以太網隔離等,；進行合理的冗余設計，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,。
六．結論
綜上所述,，現(xiàn)場總線并不是為解決傳統(tǒng)控制系統(tǒng)不能解決的問題而出現(xiàn)的，它的主要優(yōu)點是更靈活,、更開放,，并為采用新型系統(tǒng)維護方式和企業(yè)管理模式提供了可能。但對于以價格為首選條件的場合，系統(tǒng)規(guī)模較小,、控制對象分布比較集中的場合,，以及沒有擴展設備智能診斷和管理要求的場合，現(xiàn)場總線并不一定是最佳選擇,。
參考文獻
[1]饒運濤等,，現(xiàn)場總線CAN原理與應用技術，北京：北京航空航天大學出版社,，2007.8
[2]鄔寬明, CAN總線原理和應用系統(tǒng)設計. 北京：北京航空航天大學出版社,，2002.3
[3] 韓兵,，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)應用實例. 北京：北京航空航天大學出版社,，2006.8