基于CAN总线的工业测控系统的应用研究s.doc

毕业设计（论文）题目：基于CAN总线通讯智能结点的设计与实现英文题目：The Design and Implementation of IntelligentNodes in Conjuction Based on the CAN Bus学生姓名： 班 级： 指导教师： 专 业：自动化 二零零六年六月摘要 现场总线是连接现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。它是计算机技术、通信技术和控制技术高度综合与集成的产物，是一种开放式和分布式的新模式。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一。CAN(控制器局域网)属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。CAN总线通讯智能节点的设计，是在现场总线系统中分布于现场的一个子系统，能实现数据采集与反馈控制，最大传输速率可达1MB/s，最大传输距离为10km。节点的核心器件是PHILIPS公司生产的CAN控制器（SJA1000）和CAN驱动器（PCA82C250）以及微控制器（89C51单片机）。SJA1000是集成的独立CAN控制器（与PHILIPS早期的CAN控制器PCA82C200完全兼容），它负责完成CAN总线通信协议的物理层和数据链路层的功能。能够可靠的运行和完成要求的任务，控制信息在现场进行处理，而管理层则在上位机中实现。该设计体现了CAN总线高性能、高可靠性的特点。关键词现场总线； CAN； SJA1000 CAN 控制器； 82C250收发器； 89C51单片机； 设计AbstractField bus is a digital, bi-directional and multi-branch communication network that connects field equipments and automatic system. As a product integrating technology of computer, communication and control, the field bus featured with opening and distribution has been one of the key technologies in modern automatism field.As one of the field buses, CAN (Controller Area Network) is a serial communication network that supports distributed and real time control effectively. The Design and Implementation of Intelligent Nodes in Conjuction Based on the CAN Bus, is distributes in the field bus system in a scene sub- system, can realize the data acquisition and the closed-loop control, the maximum transmission speed may reach 1MB/S, the maximum transmitting range is 10km. The pitch point core component is the CAN controller which PHILIPS Corporation produces (SJA1000) and the CAN driver (PCA82C250) as well as the micro controller (the 89C51 monolithic integrated circuit). SJA1000 is the integrated independent CAN controller (is completely compatible with PHILIPS early CAN controller PCA82C200), it responsibly completes the CAN main line correspondence agreement the physical level and the data link layer function. Can the reliable movement and completes the request the duty, the control information carries on processing in the scene, but management level then realizes in on position machine. Has manifested the CAN main line high performance, the redundant reliable characteristic.KeywordsField bus； CAN； Distributed Measurement Control System； SJA1000 CAN Controller； 82C250 Transceiver； MCU 89C51； Design目录摘要关键词绪论1第1章 现场总线简介31.1 现场总线的功能及要求31.1.1 现场总线的功能31.1.2 现场总线的要求31.2几种典型的现场总线31.2.1 HART现场总线31.2.2 LONWORKS现场总线41.2.3 PROFIBUS现场总线41.2.4 CAN现场总线51.3 现场总线的结构51.4 现场总线的优点61.5 现场总线的特点7第2章 CAN总线简介82.1 控制器局部网(CAN)82.2 CAN的性能特点82.3 CAN节点的分层结构92.4 CAN通信技术102.4.1 CAN通信参考模型112.4.2 CAN的报文传送与通信帧结构11第3章 CAN通信控制器133.1 CAN控制器SJA1000结构及主要特点133.1.1 SJA1000的主要新功能133.2 SJA1000的功能框图与引脚说明143.2.1 SJA1000寄存器功能143.2.2 SJAI000在PeIiCAN模式下的验收滤波及总线时序寄存器的具体用法173.3 SJA1000的初始化183.3.1 SJA1000的初始化流程183.3.2 SJA1000的初始化子程序203.4 SJA1000与PCA82C200的性能比较223.5 SJA1000有两种不同工作模式22第4章 CAN收发器82C250234.1 82C250的主要特性及硬件图234.2 82C250功能描述24第5章 微处理器89C51255.1 89C51的功能和特点255.2 89C51的存储器结构26第6章 CAN总线通讯智能节点的设计276.1 采用CAN总线系统276.2 CAN总线通讯智能结点的系统构成286.3 CAN总线通讯智能结点电路的设计286.3.1 CAN智能节点通讯模块296.3.2 信息采集和反馈模块306.4 CAN报文的发送316.4.1 查询控制的发送316.4.2 中断控制的发送316.4.3 中止发送326.5 CAN报文的接收346.5.1查询控制的接收346.5.2 中断控制的接收356.6 智能节点软件设计366.6.1 发送子程序376.6.2 查询方式接收子程序39第七章 设计结论41致谢41参考文献42附录1 43绪论现场总线是一种数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。它是计算机技术、通信技术和控制技术高度综合与集成的产物，是一种开放式和分布式的新模式。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它越来越广泛的应用于上业控制、智能建筑和交通等诸多领域1。CAN (Controller Area Network-控制器局域网)属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。CAN的通信速率为5kbps - 1Mbps，最大传输距离可达1Okm(通信速率为5kbps时)，节点数可达110，传输介质为双绞线。CAN具有可靠性高、支持多主处理、支持优先级仲裁、链路简单、配置灵活、芯片资源丰富、成本低廉等特点。 本文基于CAN现场总线技术，系统中采用了SJA1000 CAN 控制器，82C250收发器，89C51单片机等芯片，设计开发了通讯智能结点电路，能实现信息采集与反馈控制，而搭配不同的传感器，可以应用在不同的场合，实现智能控制2。现场总线技术自70年代诞生至今，由于它在减少系统线缆，简化系统安装、维护和管理， 降低系统的投资和运行成本，增强系统性能等方面的优越性，引起人们的广泛注意，得到大范围的推广，导致了自动控制领域的一场革命。 目前，现场控制层所采用的控制网络种类繁多，有DCS, PLC, SCADA，现场总线等，虽然DCS控制系统采用了分层的结构，运用数字信号和模拟信号混合通讯，克服了点对点控制的诸多弊端，但是并没有完全解决模拟信号传输带来的问题，而且不同厂家的产品自成体系，难以实现互联、互操作和互换。而与其它控制网络相比，现场总线具有开放性、互操作性、系统结构的高度分散性、灵活的网络拓扑结构、现场设备的高度智能化、对环境的高度适应性等诸多突出特点。 现场总线技术就是在这种情况下应运而生，它的出现引起了工业控制领域的巨大变革。其具有的突出的优点将成为工业测控领域的发展趋势3。 现场总线技术产生于20世纪80年代，但对它的研究开发之热却是近年之举。这一方面是因为信息时代各项技术的发展对自动化系统提出了新的要求，促进了该领域的网络化、信息化进程;另一方面也是由于它本身所蕴涵的技术经济潜力。欧洲、北美、亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力研究开发该项技术，出现了现场总线技术与产品百花齐放、兴盛发展的态势。例如丹麦Process Data公司1983年推出的P Net、德国Siemens公司1984年推出的Profibus，法国Alston公司1987年推出的FIP等都属于早期推出且至今仍有较大影响的总线技术。目前国际上有40多种现场总线，但影响较大的主要有FF(Foundation Fieldbus), Profibus(Process Fieldbus),CAN ( Controller Area Network), Lonworks(Local Operation Network)、HART(HighwayAddressable Remote Transducer)等。从总体上来说，现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络其先驱可谓是Honeywell公司在1983年推出的数字信号4-20 mA输出的差分信号驱动器，它在输出的4 -20 mA直流信号上叠加了数字信号，从而使现场装置与控制室控制装置之间的连接由模拟信号过渡到了数字信号。在此基础上，美国Rosemount公司配合使用了它自己的HART数字通信协议。到了1987年，美国Foxbor公司开发了I/A智能式自动控制系统，系统中使用了全数字通信。 尽管目前对现场总线的研究尚未能形成一个完善的统一标准，但现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统采用。 现场总线技术的发展在我国刚刚起步。根据我国国民经济发展需要和市场需求，结合现场总线技术本身的特点及我国国情，现场总线专业委员会(CFFC)确定了我国现场总线技术发展的32字方针，即”市场牵引，面向专业;引进消化，开发创新;总体规划，突出重点;内外结合，推进行业”。可以预期，现场总线技术在我国的发展前景令人鼓舞。 1996年10月，在美国芝加哥举行的96ISA展览会上，醒目地展现了基金会现场总线;1998年4月在北京举行的多国仪器仪表展览会上，名目繁多的现场总线产品，更是给人一种现场总线已是大势所趋的感觉。1998年的中国控制会议上，专门安排了现场总线控制系统的大会专题报告，表明现场总线技术不仅是工业控制系统的必然趋势，同时也成为控制理论研究的新方向。现场总线技术的兴起，推动了DCS的全面革新，为工业自动化实施先进控制策略创造了条件，同时也有力地推动了计算机通信等相关技术的迅速发展。 1998年8月，中国第一套现场总线系统由国家电力公司热工研究院从美国Fisher-Rosemount公司引进，该系统采用P1antWebTM基于现场结构的最新技术，同时也是在中国第一次运用FF技术。它将智能化现场设备、规模可变的平台和模块化软件结合在一起，实现过程控制。这套系统将用于国内大中型火力发电厂汽轮机性能考核测试，它包括一套DeltaV规模可变的过程控制系统、AMS设备管理系统以及100余套基于FF技术的压力温度变送器。该项目的引进也标志着我国电力自动化技术进入了一个新时代。目前中国现场总线发展面临的问题，除了继续开发新产品和新技术之外，还有两项重要的工作。一项是技术应用，目前所取得的成果大多是技术上的，将技术转化为产品，还要在生产工艺、质量管理等方面进行大量的工作；另一方面是产品推广，DCS在我国经过多年推广应用，技术上已经非常成熟，FCS是一种新技术，需要有一个认知的过程，只有经过实践证明FCS的优势，才能形成巨大的市场需求，进而推动行业良性发展。第1章 现场总线简介1.1 现场总线的功能及要求现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂连接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统。1.1.1 现场总线的功能 现场总线的功能是：经济、安全、可靠地传递信息；正确使用所传信息；及时处理所传信息。经济性要求现场总线在传递信息的同时，解决现场装置的供电问题，并要求传输介质较廉价。安全性要求现场总线解决防爆问题。可靠性要求现场总线解决环境适应性问题，包括电磁环境适应性（传输时不要干扰别人也不要被别人干扰）、气候环境适应性（要耐温、防水、防尘）、机械环境适应性（要耐冲击、耐振动）。 1.1.2 现场总线的要求 现场总线不仅要求传输速度快，在过程控制领域还要求响应快，即实时性要求。这样“快”就有三种含义。 （1）传输速度快：指单位时间内传输的信息要多，通常用波特率来衡量。这条要求与普通计算机通信是一致的。 （2）响应时间短：指突然发生意外事件时，仪表将该事件传输到网络上或执行器接收到该信息马上执行所需的时间。 （3） 巡回时间短：指系统与所有通信对象都至少完成一次通信所需的时间4。1.2几种典型的现场总线20世纪80年代现场总线技术才开始和发展，这是与微型计算机，特别是嵌入式系统的高速发展分不开的。在十几年的时间中，已经出现了好几种现场总线技术走向成熟并且得到逐步的推广应用，显示出特有的优势和强大的生命力 3 。1.2.1 HART现场总线HART是HighwayAddressableRemoteTransducer(可寻址远程传感器高速公路)的缩写。1986年由美国ROSEMOUNT公司开发的一套过渡性临时通讯协议。但目前受到了广泛承认,已成为事实上的国际标准。（1）HART协议以国际标准化组织(ISO)开放性系统互连模型(OSI)为参照,使用OSI的1、2、7三层,即物理层、数据链路层、应用层。物理层采用基于Be11202通信标准的FSK技术,所以可以通过租用电话线进行通信。（2）HART协议使用FSK技术在42mA过程测量模拟信号上叠加一个频率信号。逻辑1为1200Hz,逻辑0为2200Hz,波特率为1200bps。它成功地使模拟和数字双向信号能同时进行而且互不干扰。因此在与智能化仪表通信时,还可使用模拟仪表、记录仪及模拟控制。在不对现场仪表进行改造的情况下,逐步实现数字性能(包括数字过程变量),是一种理想的方案。这是一个由模拟系统向数字系统过渡的协议。（3）在应用层规定了3类使命,第一类是通用命令,这是所有设备都能理解、执行的命令;第二类是一般行为命令,它所提供的功能可以在许多现场设备中实现;第三类为特殊设备命令,以便在某些设备中实现特殊功能,这类命令可以允许开发此类设备的公司所独有。此外它还为用户提供统一的设备描述语言DDL。（4）HART支持点对点、主从应答方式和多点广播方式。（5）直接通信距离:有屏蔽双绞线单台设备3000m,而多台设备互相距离1500m。只使用一个电源时,能连结15个智能化设备。1.2.2 LONWORKS现场总线LONWORKS是局部操作网络,LON是LocalOperationNetwork的简称。1991年美国ECHERON公司推出该产品。其应用范围几乎包括了测控应用的所有范畴,特别是航空/航天、楼宇自动化、能源管理、变电站测控设备的监控、工厂自动化、工业过程控制、计算机外围设备、电子测量设备等。LONWORKS在我国电力系统中的应用也已相当广泛，如四方公司的CSC2000变电站综合自动化系统即采用LONWORKS总线。在长沙电业局范围内有新开铺、桂花、五一特、井湾子、安沙、镇头等6个110kV变电站应用了该系统。（1）LONWORKS的通信协议LONTALK协议遵循ISO/OSI参考模型,提供了OSI所定义的全部7层服务。这是在现场总线中唯一提供全部服务的现场总线。（2）LONWORKS的核心是Neuron(神经元)芯片,内含3个8位的CPU:第一个CPU为介质访问控制处理器,实现LONTALK协议的第一层和第二层;第二个CPU为网络处理器,实现LONTALK协议的第三层至第六层;第三个CPU为应用处理器,实现LONTALK协议的第七层,执行用户编写的代码及用户代码所调用的操作系统服务。LON-WORKS的神经元芯片已由Motorola和东芝公司生产。（3）提供一套开发工具平台LONBuilder和NodeBuilder。有了这一套工具,用户就可以利用神经元芯片、LONTALK通信协议和LONWORKS收发器很方便也很灵活地开发出自己所需要的系统和产品。（4）LONWORKS的直接通信距离为2700m/78Kbps、130m/1.25Mbps;节点数32000个;传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤、电缆线等。1.2.3 PROFIBUS现场总线PROFIBUS是ProcessFieldBus(过程现场总线)的简称。1987年德国联邦科技部集中了13家公司和5个研究所按ISO/OSI参考模型制订现场总线的德国标准。于1991年4月在DIN19245中发表,并正式成为德国现场总线标准,而后又列入了欧洲标准EN50170。PROFIBUS得到了广泛的支持,仅在德国1996年10月至1997年1月就安装了47000个系统,已广泛应用在加工工业、过程自动化、智能大楼、变电站自动化系统等领域。PROFIBUS在电力系统已获得广泛应用,如SIEMENS公司的SICAM、LSA变电站自动化系统即采用了PROFIBUS，长沙电业局范围内东塘110kV变电站即应用了LSA综合自动化系统。上海杨树浦电厂及五强溪水电站大坝溢洪闸门集中控制也采用了PROFIBUS。（1）PROFIBUS根据ISO/OSI参照模型省略了3至6层,增加了用户层。第一层定义了物理的传输特性;第二层定义了存取协议;第七层定义了应用功能。PROFIBUS在用户层引入了功能模块(FB)、对象字典(OD)和设备描述语言(DDL),允许用户对设备进行完全的内部操作,从而可以实现设备的互操作性5。1.2.4 CAN现场总线CAN是ControllerAreaNetwork(控制器局域网络)的缩写。在第二章，将对CAN现场总线做一个详细的介绍。1.3 现场总线的结构 大部分现场总线的结构是线状的，虽然现场总线的拓扑结构（如图1-1）可以是总线型、星型（如图1-2）、环行、回路型等；但在大多数现场总线中，从一点到另图1-1 现场总线的网络结构外 一点的通信路径是比较固定的。线状结构的优点是：解决网络供电比较容易；解决本安防爆比较容易；使通信协议中可以舍去与路径有关的几层，有利于改善实时性。图1-2 现场总线的星型结构1.4 现场总线的优点（1）一对N结构：一对传输线，N台仪表，双向传输多个信号，这使得接线简单，工程周期短，安装费用低接线容易，如果增加现场设备或现场仪表，只需并行挂接到电缆上，无需架设新的电缆。（2）可靠性高：数字信号传输抗干扰能力强，精度高，无需采用抗干扰和提高精度的措施，从而减少了成本。（3）可控状态：操作员在控制室即可了解现场设备或现场仪表的工作状况，也能对其进行调整，还可预测或寻找故障，始终处于操作员的远程监控和可控状态，提高了系统的可靠性、可控性和可维护性。（4）互换性：用户可以自由选择不同制造商所提供的性能价格比最优的现场设备或现场仪表，并将不同品牌的仪表互连。即使某台仪表故障，换上其他品牌的同类仪表照常工作，实现“即接即用”。（5）互操作性：用户把不同制造商的各种品牌的仪表集成在一起，进行统一组态，构成他所需的控制回路，用户不必绞尽脑汁，为集成不同品牌的产品而在硬件或软件上花费力气或增加额外的投资。（6）综合功能：现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制和运算功能。实现一表多用，不仅方便了用户，也节省了成本。（7）分散控制：控制站功能分散在现场仪表中，通过现场仪表就可以构成控制回路，实现了彻底的分散控制，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。（8）统一组态： 由于现场设备或现场仪表都引入了功能块的概念，所有厂商都使用相同的功能块，并统一组态方法。这样就使得组态非常简单，用户不需要因为现场设备或仪表种类不同带来组态方法的不同，而进行培训或学习组态方法及编程语言。（9）开放式系统： 现场总线为开放式互连网络，所有技术和标准都是公开的，所有制造商都必须遵循。这样用户可以自由集成不同制造商的通信网络，既可与同层网络互连又可与不同层网络互连；另外，用户可极其方便地共享数据库。 对于工业领域，采用现场总线的最大优点是可大大节约连接导线、维护和安装费用。同时现场总线能够传送多个过程变量。传统的4mA-20mA控制回路一般只能携带一个信号，通常为过程变量。而采用现场总线后，在传输变量过程的同时，仪表的标识符和简单的诊断信息也可一并传送。数字信号的精确性是现场总线的又一个优点，数字信号比4mA-20mA模拟信号分辨率高，因此，可排除过去在模/数转换中所产生的误差。远程维护在采用数字通信和现场智能仪表后也将成为可能。由于现场总线是双向的，因此能够从中心控制室对现场智能仪表进行标定、调整及运行诊断，甚至能够在故障发生前进行预测，一个更为重要的方面是仪表的兼容性可以使用户大大受益6。1.5 现场总线的特点与其他几种总线相比，CAN总线有以下特点7：（1）CAN是到目前为止唯一有国际标准的现场总线。（2）CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动的向网络上其它节点发送信息，不分主从。（3）在报文标识符上，CAN上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，优先级高的数据最多可在134µs内得到传输。（4）CAN节点只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据。（5）报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰率低，保证了数据出错率极低。（6）CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，具有极好的检错效果。（7）CAN节点在严重错误的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。(8)CAN采用非破坏总线仲裁技术.当多个节点向总线发送信息出现冲突时,优先级较低的节点会主动退出发送,而最高优先级的节点可不受影响的继续传输数据,从而大大节省了总线冲突仲裁时间.尤其是在网络负载很重的情况下,也不会出现网络瘫痪的情况。(9)在分级控制系统中，采用现场总线的系统虽然可能具备足够的智能（数字计算能力），但只执行简单的节点顺序或一种控制方式等较低级功能；（10）现场总线经常只负责发送或接收较小的数据报文，并且以这种数据报文作为与较高一级的控制系统实现设备数据往返传送的有效手段；（11）采用现场总线的系统通常费用较低，可以用低廉的造价组成一个系统，而且与上层网络连接的费用也不高。第2章 CAN总线简介2.1 控制器局部网(CAN)控制器局部网(Controller Area Network-CAN)属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN现场总线最初是由德国的Bosch公司为汽车的监测控制系统而设计的。由于CAN现场总线有卓越的特性和极高的可靠性，特别适合工业过程监控设备的互连，因此越来越受到工业界的重视，并被公认为几种最有前途的现场总线之一，成为一种国际标准(ISO 11898)CAN现场总线是一个多主总线，各节点都有权向其它节点发送信息。通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，其主要特点有: （1）通信速率为SKbpsllOKm. 1 Mbps/40m，节点数110个，每个节点均可主动传输，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。 （2）采用点对点、全局广播发送接收数据。 （3）可实现全分布式多机系统，且无主从之分，每点均可主动发送报文，可方便地构成多机备份系统。 （4）采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当两个节点同时向网上发送信息时，优先级低的节点主动停止发送数据。 （5）支持四种报文帧:数据帧、远程帧、出错帧、超载帧。采用短帧结构，传送时间短、受干扰概率低。 （6）采用CRC校验及其他校验措施，保证了极低的信息出错率。 （7）具有自动关闭功能，当接点错误严重时，自动切断与总线的联系，以不影响总线的工作。2.2 CAN的性能特点 CAN C Controller Area Network)即控制器局域网络。由于其高性能、高可靠性及独特的设计，CAN越来越受到人们的重视。国外已有许多大公司的产品采用了这一技术。CAN最初是由德国的BOSCH公司为汽车监测、控制系统而设计的。 由于CAN总线本身的特点，其应用范围目前己不再局限于汽车行业，而向过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗机诫、传感器等领域发展。CAN己经形成国际标准，并己被公认为几种最有前途的现场总线之一。CAN属于总线式串行通信网络，由于其采用许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性与灵活性，其特点可以概括如下: （1）CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任一时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信碑息。利用这一点可以方便的构成多机备份系统;（2）CAN网络上的节点信息可分成不同的优先级，以满足不同的实时要求；（3）CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而优先级最高的节点可以不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪的情况(以太网则可能)； （4）CAN只需要报文滤波就可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的调度； （5）CAN的直接通信距离最远可达 lOkm(速率在S冲，以下)，通信速率最高可达1 Mbps(此时通信距离最多为40m )； （6）CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个，报文标识符可达2032种(CAN2.OA )，而扩展标准(CAN2.OB)的报文标识符几乎不受限制； （7）采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果； （8）CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，数据出错率极低； （9）CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活；（10）CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，使得总线上的其他节点操作不受影响。2.3 CAN节点的分层结构为使设计透明和执行灵活，遵循ISO/OSI标准模型，CAN分为数据链路层(包括逻辑链路控制子层LLC和媒体访问控制子层MAC)和物理层（如图2-1），而在CAN技术规范2.0A的版本中，数据链路层的LLC和MAC子层的服务和功能被描述为“目标层”和“传送层”。LLC子层的主要功能有:为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由LLC子层接收的报文实际已被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。在定义目标处理时，存在很多灵活性。MAC子层的功能主要是传送 图2-1 CAN总线的分层结构规则，亦即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。MAC子层也要确定，为开始新一次的发送，总线是否开放或者是否马上开始接收。位定时特性也是MAC子层的一部分。MAC子层特性不存在修改的灵活性。物理层的功能是关于数据在不同节点之间实际传送的全部电气特性。显然，在一个网络里，所有节点物理层必须是相同的。但是在物理层选择上也存在很大的灵活性。 CAN技术规范2.0B定义了数据链路层的MAC子层和LLC子层的一部分，并描述与CAN有关的外层，物理层定义信号怎样进行发送（如图2-2），因而，涉及位定时、位编码和同步的描述。在这部分技术规范中，为定义物理层中的驱动/接收器特性，以便允许根据具体应用，对发送媒体和信号电平进行优化。MAC子层是CAN协议的核心，它描述由LLC子层接收到的报文和对LLC子层发送的认可报文。MAC子层可响应报文帧、仲裁、应答、错误检测和标定，MAC子层由称为故障界定的一个管理实体监控，它具有识别永久故障或短暂扰动的自检机制。LLC子层的主要功能是报文滤波、超载通知和恢复管理。图2-2 CAN总线分层传输控制示意图2.4 CAN通信技术 随着CAN在各种领域的应用和推广，对其通信协议的标准化也提出了要求。1991年9月飞利浦半导体公司制订并发布了CAN技术规范;该技术规范包括A和B两部分，2.0A给出了CAN报文标准格式，而2.0B给出了标准的和扩展的两种格式，2.0B完全兼容2.0A。此后，CAN成为国际标准ISO I 1898。这一标准的颁布，为控制器局域网的标准化、规范化推广铺平了道路。2.4.1 CAN通信参考模型 参照ISO/OSI标准模型，CAN分为数据链路层和物理层。CAN的通信参考模型如表2.1所示 图中逻辑链路控制子层LLC的主要功能是:为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由LLC子层接收的报文实际己被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。MAC子层主要规定传输规则，即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。MAC子层要为开始一次新的发送确定总线是否开放或者是否马上开始接收。MAC子层特性不存在修改的灵活性。表2.1 CAN的通信参考模型物理层规定了节点的全部电气特性。在一个网络内，要实现不同节点间的数据传输，所有节点的物理层必须是相同的。2.4.2 CAN的报文传送与通信帧结构 在数据传输中，发出报文的节点称为该报文的发送器，节点在报文进入空闲状态前或丢失仲裁前恒为发送器。如果一个节点不是报文发送器，并且总线不处于空闲状态，则该节点为接收器。CAN协议中使用两种逻辑位表达方式，当总线上的CAN控制器发送的都是隐性位时，此时总线状态是隐性位(逻辑1)，如果总线上有显性位出现，隐性位总是让位于强位，即总线上是显性位(逻辑0)。报文传输有4个不同类型的帧:数据帧，远程帧，错误帧，过载帧。数据帧和远程帧可以使用标准帧及扩展帧2种格式。这里主要介绍一下数据帧。 数据帧从发送节点传送数据到一个或多个接收节点。它由七种不同的位域组成:帧的起始域，仲裁域，控制域，数据域(长度可为0)CRC域，应答域，帧的结束域。CAN2.OA数据帧的组成如图2-3所示:图2-3 CAN数据帧的组成在CAN2.OB中存在两种不同的帧格式，其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，而包括29位标识符的帧称为扩展帧。CAN2.OB的报文滤波以整个标识符为基准。标准格式和扩展格式的数据帧结构如图2-4所示。图2-4 标准格式和扩展格式的数据帧结构数据帧的主要结构有: （1）帧起始:标注数据帧的起始，它由单个“显性”位构成，在总线空闲时发送，在总线上会产生同步作用。 （2）仲裁场:标准格式帧与扩展格式帧的仲裁域格式不同。对于CAN2.OA标准，标识符的长度为11位，这些位以从高位到低位顺序传送。 对于CAN2.OB，在标准格式里，由11位标识符(1D28/ID18)和远程发送请求位(RTR)组成，RTR位为显性位表示数据帧，隐性位表示远程帧。标识符由高至低次序发送，且前7位(ID28/1D22)不能全为隐性位。在标准帧里，标识符其后是RTR位。 在扩展格式里，仲裁域包括29位标识符、SRR位、IDE位、RTR位。其标识符由ID28ID10组成。在扩展帧里，基本ID首先发送，随后是IDE位和SRR位，扩展ID的发送位于SRR位之后。 标识符用于提供关于传送报文和总线访问的优先权信息，其数值越小，表示优先权越高，发生冲突时优先发送。SRR位是一隐性位，它是在扩展帧中标准帧的RTR位的位置被发送，因而替代标准帧的RTR位。当标准帧与扩展帧发生冲突，而扩展帧的基本ID同标准帧的标识符一样时，标准帧优先于扩展帧。 （3）控制场:标准格式的控制域结构和扩展格式的不同，在标准帧里有s位构成，前2位为保留位，为显性，后4位为数据长度码(DLC)，表示数据场中数据的字节数，必须在0-8范围内变化。 （4）数据场:由被发送数据组成，数目为控制场中决定的。8个字节，首先发送最高有有效位MSB。 （5） CRC场:包括CRC(循环冗余码校验)序列(15位)和CRC界定符(1个隐性位)，用于帧校验。（6）ACK场:由应答间隙和应答界定符组成，共两位。（7）帧结束:有7位隐性位组成，此期间无位填充。第3章 CAN通信控制器 CAN通信控制器是CAN总线接口电路的核心，主要完成CAN的通信协议，由实现CAN总线协议部分和跟微处理