摘要 針對工業(yè)上對于多個設備實時監(jiān)控的高速率、低延遲、錯誤率低、穩(wěn)定性高的要求，基于C8051系列單片機設計了CAN多點實時數據通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用CAN通信獨有的非破壞性總線仲裁和報文濾波技術，使得多設備與主機、多設備之間的通信變得流暢，接入方式簡易。試驗結果表明，該系統(tǒng)通信速度快、錯誤率低、穩(wěn)定性高且方便增加通信設備，與傳統(tǒng)的RS232、485通信系統(tǒng)相比，通信速率有明顯提高，可用于工業(yè)上對于多個設備的實時監(jiān)控。
關鍵詞 CAN總線；CAN協議；多點實時數據通信；C8051F040

現場總線是用于過程自動化和制造自動化最底層的現場設備或現場儀表互連的通信網絡，是現場通信、計算機技術和控制系統(tǒng)的集成。它在生產現場的測量控制設備之間實現雙向串行多節(jié)點數字通信、完成測量控制任務；是一種開放型的網絡，使測控裝置隨現場設備分散化，被譽為自控領域的局域網。它在制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇等處的自動化系統(tǒng)中具有廣泛的應用前景。
CAN是Controller Area Net的縮寫，即控制網絡局部網，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網路。CAN是德國Bosh公司為汽車的檢測、控制系統(tǒng)而設計的。由于CAN具有卓越的特性和較高的可靠性，因而非常適合工業(yè)過程監(jiān)控設備互連。CAN已經成為一種國際標準(ISO-11898)，是最具前途的現場總線之一。

1 控制器局域網(CAN)
1．1 CAN總線的特點
(1)CAN總線以多主方式工作，網絡上任意節(jié)點均可在任意時刻主動地向網絡上其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活，且無需考慮接收者地址的優(yōu)先級。
(2)CAN網絡上的節(jié)點信息分不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求，高優(yōu)先級的數據最多可在134μs內得到傳輸。
(3)CAN采用非破壞性總線仲裁技術，當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級比較低的節(jié)點會主動退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數據，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間。
(4)CAN只需通過報文濾波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數據，無需專門的“調度”。
(5)CAN的直接通信距離最遠可達10 km，此時速率5 kbit·s-1；通信速率最高可達1 Mbit·s-1，此時通信距離最長為40 m。
(6)CAN的節(jié)點數主要取決于總線驅動電路，目前可達110個；報文標識符可達2 032種(CAN2．0A)；而擴展標準(CAN2．0B)的報文標識符幾乎不受限制。
(7)采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低，具有良好的檢錯效果。
(8)CAN的每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數據出錯率極低。
(9)CAN的通信介質可為雙絞線，同軸電纜或光纖，選擇靈活。
(10)CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出的功能，這是總線上其他節(jié)點的操作不受影響。
正因為CAN總線具有以上這些特點，所以能較好地滿足多點實時數據通信平臺的要求。
1．2 CAN總線協議
CAN的協議結構劃分為兩層：數據鏈路層和物理層。數據鏈路層又劃分為邏輯鏈路控制子層和介質訪問控制子層。物理層可分為物理信號層PLS、物理介質連接PMA和介質相關接口MDI。CAN的ISO／OSI參考分層結構如圖1所示。

數據鏈路層的LLC和MAC子層的服務和功能被描述為“目標層”和“傳送層”。LLC子層的主要功能是：為數據轉送和遠程數據請求提供服務，確認由LLC子層接收的報文是否已被接收，并為恢復管理和通知超載提供信息。MAC子層的功能主要是傳送規(guī)則，亦即控制幀結構、執(zhí)行仲裁、錯誤檢測、出錯標定和故障界定。MAC子層也要確定何時開始一次新的發(fā)送，總線是否開放或者是否馬上開始接收。定位時特性也是MAC子層的一部分。
物理層定義了信號怎樣進行發(fā)送，因而涉及位定時、位編碼和同步的描述。詳細層的功能參閱文獻。
1．3 CAN多點實時通信
CAN是有效支持分布式(多點)實時控制的串行通信網絡，在實際的系統(tǒng)設計中，用戶可以根據振蕩器時鐘頻率、總線波特率以及總線的最大傳輸距離等因素，對CAN控制器的位定時參數進行優(yōu)化設置，協調影響位定時設置的兩個主要因素：振蕩器容差和最大總線長度，合理安排位周期中采樣點的位置和采樣次數，保證總線上位流的有效同步的同時，優(yōu)化系統(tǒng)的通信性能，進一步推進CAN總線的應用。