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    一　前言

    隨著計算機技術、通訊技術、集成電路技術的飛速發(fā)展，以全數(shù)字式現(xiàn)場總線技術為代表現(xiàn)場控制儀表、設備大量應用，使得傳統(tǒng)的現(xiàn)場控制技術及現(xiàn)場控制設備發(fā)生了巨大的變化。繁瑣的現(xiàn)場連線被單一、簡潔的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡所替代，系統(tǒng)設計靈活、設備維護簡單，信號傳輸質量也大幅提高。

    電子技術的飛速發(fā)展及在工程機械上的廣泛應用，使得工程機械的智能化程度越來越高，特別是在控制器技術被引入工程機械控制領域后，給工程機械的發(fā)展帶來了劃時代的變化，工程機械的操作便利性、安全性、燃油經(jīng)濟性都得到了大幅提高。

    然而，電子設備的大量使用，必然導致車身布線越來越長愈來愈復雜，運行可靠性降低、故障維修難度增大，特別是電子控制單元的大量引入，為了提高信號的利用率，要求人批的數(shù)據(jù)信息能在不同的控制單元中共享，大量的控制信號也需要實時交換，傳統(tǒng)線束已遠遠不能滿足這種需求。在這種情況下，將串行通訊總線系統(tǒng)引入可以有效解決上述問題。基于上述原因，博世公司開發(fā)了控制器局域網(wǎng)（CAN），并獲得了國際標準化組織的認可及許多半導體器件制造商、網(wǎng)絡系統(tǒng)開發(fā)商的支持。現(xiàn)在它已經(jīng)被廣泛地應用于汽車、工程機械和工業(yè)現(xiàn)場控制，實踐證明CAN網(wǎng)絡是一種性能優(yōu)異的現(xiàn)場網(wǎng)絡。

    CAN總線技術的引入徹底改變了工程機械控制領域的面貌，分布式控制系統(tǒng)完全取代了集中式控制系統(tǒng)，在眾多具有CAN功能的控制器、傳感器和執(zhí)行器的支持下，繁瑣的現(xiàn)場連線被單一、簡潔的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡所替代，系統(tǒng)設計更加靈活、信號傳輸質量也大幅提高。

    眾多的國際知名公司早在80年代初就積極致力于工程機械及汽車局域網(wǎng)的應用及研究。進入90年代，這些曰趨成熟的技術在國外已廣泛地應用于工程機械領域。為縮短與國際先進水平的差距，研究和開發(fā)自己的工程機械局域網(wǎng)系統(tǒng)勢在必行。

    二　CAN的技術特征

    1 CAN的物理特性

    1.1拓撲結構　CAN在物理結構上屬于總線式通信網(wǎng)絡。

    1.2機械參數(shù)及傳輸介質　模塊通過一個9針的D型插頭連接到CAN總線上。總線采用屏蔽的或非屏蔽的雙絞線，用光纖更佳。

    1.3電氣參數(shù)及信號表示　總線上的數(shù)據(jù)采用不歸零編碼方式（NRZ），可具有兩種互補的邏輯值之一：顯性及隱性。CAN總線中各節(jié)點使用相同的位速率。它的每位時間由同步段、傳播段、相位緩沖段1及相位緩沖段2組成。發(fā)送器在同步段前改變輸出的位數(shù)值，接受器在兩個相位緩沖段間采樣輸入位值，而兩個相位緩沖段長度可自由調節(jié)，以保證采樣的可靠性。另外，CAN總線采用時鐘同步技術來保證通訊的同步。

    2 CAN協(xié)議

CAN總線以報文為單位進行信息交換，報文中含有標示符（ID），它既描述了數(shù)據(jù)的含義又表明了報文的優(yōu)先權。CAN總線上的各個協(xié)點都可主動發(fā)送數(shù)據(jù)。當同時有兩個或兩個以上的節(jié)點發(fā)送報文時，CAN控制器采用ID進行仲裁。ID控制節(jié)點對總線的訪問。發(fā)送具有最高優(yōu)先權報文的節(jié)點獲得總線的使用權，其他節(jié)點自動停止發(fā)送，總線空閑后，這些節(jié)點將自動重發(fā)報文。

    2.1 CAN協(xié)議　分層結構CAN總線規(guī)范規(guī)定了任意兩個節(jié)點之間的兼容性。包括電氣特件利數(shù)據(jù)解釋協(xié)議。

    CAN協(xié)議可分為：目標層、傳送層、物理層。其中目標層和傳送層包括了ISO/OSI定義的數(shù)據(jù)鏈路的所有功能。目標層的功能包括：確認要發(fā)送的信息；位應用層提供接口。傳送層功能包括：數(shù)據(jù)幀組織：總線仲裁：檢錯、錯誤報告、錯誤處理。

    2.2 CAN通信協(xié)議　CAN支持四類信息幀類型。

    （1）數(shù)據(jù)幀 CAN協(xié)議有兩種數(shù)據(jù)幀類型標準2.0A和標準2.0B。兩者本質的不同在于ID的長度不同。在2.0A類型中，ID的長度為l l位；在2.0B類型中ID為29位。一個信息震中包括7個主要的域：

    幀起始域――標志數(shù)據(jù)幀的開始，由一個顯性位組成。

    仲裁域――內(nèi)容由標示符和遠程傳輸請求位（RTR）組成，RTR用以表明此信息幀是數(shù)據(jù)幀還是不包含任何數(shù)據(jù)的遠地請求幀。當2.0A的數(shù)據(jù)幀和2.0B的數(shù)據(jù)幀必須在同一條總線上傳輸時，首先判斷其優(yōu)先權，如果ID相同，則非擴展數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先權高于擴展數(shù)據(jù)幀。

    控制域――r0、r1是保留位，作為擴展位，DLC表示一幀中數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)目。

    數(shù)據(jù)域――包含0～8字節(jié)的數(shù)據(jù)。

    校驗域――檢驗位錯用的循環(huán)冗余校驗域，共15位。

    應答域――包括應答位和應答分隔符。正確接收到有效報文的接收站在應答期間將總線值為顯性電平。

    幀結束――由七位隱性電平組成。

    （2）遠程幀 接受數(shù)據(jù)的節(jié)點可通過發(fā)遠程幀請求源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。它由6個域組成：幀起始、仲裁域、控制域、校驗域、應答域、幀結束。

    （3）錯誤指示幀 由錯誤標志和錯誤分界兩個域組成。接收節(jié)點發(fā)現(xiàn)總線上的報文有誤時，將自動發(fā)出“活動錯誤標志”其他節(jié)點檢測到活動錯誤標志后發(fā)送“錯誤認可標志”。

    （4）超載幀 由超載標志和超載分隔符組成。超載幀只能在一個幀結束后開始。當接收方接收下一幀之前，需要過多的時間處理當前的數(shù)據(jù)，或在幀問空隙域檢測到顯性電平時，則導致發(fā)送超載幀。

    （5）幀間空隙 位于數(shù)據(jù)幀和遠地幀與前面的信息幀之間，由幀間空隙和總線空閑狀態(tài)組成。幀間空隙是必要的，在此期間，CAN不進行新的幀發(fā)送，為的是CAN控制器在下次信息傳遞前有時間進行內(nèi)部處理操作。當總線空閑時CAN控制器方可發(fā)送數(shù)據(jù)。

    2.3 錯誤檢驗 為了提高抗干擾能力和數(shù)據(jù)的可靠性，采取了多種錯誤檢測手段：發(fā)送監(jiān)視、填充監(jiān)視、CRC錯、格式錯、應答錯誤等。

    2.4 總線訪問控制要做到數(shù)據(jù)的實時處理，數(shù)據(jù)的高速傳輸是關鍵。對于工程機械中的具體節(jié)點而言，不僅需要高達1Mbit/s的通信速率，更需要在幾個節(jié)點要競爭訪問總線時正確定位哪個節(jié)點獲得使用權。總線上的各種數(shù)據(jù)的延遲要求是不一樣的，快速變化的物理量（如發(fā)送機的轉速、路面的隨機波動信號等）比慢時變的物理量（如溫度、壓力等信號）要求訪問總線的頻率大的多。當多個節(jié)點同時需要訪問總線時，CAN控制器通過各種報文被賦予的優(yōu)先權標示符及ID數(shù)的大小來仲裁誰先發(fā)送。

    3　CAN總線技術的應用特點及支持器件

    （一）CAN總線技術的應用特點

    1.CAN網(wǎng)絡上任何一節(jié)點均可作為主結點主動地與其他節(jié)點交換數(shù)據(jù)，大大提高系統(tǒng)的性能。

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