CAN总线发展与其他总线的比较

2011-08-15胥清华

电气技术 2011年7期

胥清华李强

（1.山东金辰建设集团，山东东营 257091；2.胜利石油化建设有限责任公司，山东东营 257091）

在工业控制中需要对现场采集的数据进行有效的收集与传输，并且需要对控制信号从控制中心发送到现场控制节点，而工业现场环境一般比较恶劣，这对数据的传输非常不利。在部分行业中对数据传输的要求又比较高，因此，在工业控制自动化不断进步的道路上，出现了各种各样的通信方式。本文将对CAN总线这一在21世纪得到大量应用的总线进行介绍，并将CAN总线与其他总线进行简单的比较。

1 CAN总线简介及发展历程

CAN（Controller Area Network——控制器局域网）作为一种国际标准化的串行通信协议已经被广大设计研究人员所接受，并被广泛应用在各个领域。CAN总线已成为国际上应用最广泛的现场总线之一。

在1983年初，Uwe Kiencke开始研究一种新的串行总线，该总线可以将所有的外围器件挂接在总线上，这便是CAN总线最初的研究源头。研究开始后，来自 Mercedes-Benz的工程师较早制定了总线的状态说明，来自于德国的Applied Science大学教授Wolfhard Lawrenz博士给出了新网络方案的名字“Controller Area Network”，简称CAN。1986年Bosch公司在底特律的汽车工程协会大会正式公布这一总线，新总线系统被称为“汽车串行控制器局域网”，简称为CAN总线。1987年Intel公司生产出了首枚 CAN控制器（82526）。不久，Philips公司也推出了CAN控制器82C200。在1990年早些时候，Bosch CAN规范（CAN2.0版）被提交给国际标准化组织。1993年11月出版了CAN的国际标准ISO11898。在此期间（1992年）欧洲成立了国际用户和厂商协会（CAN in Automation，简称CIA），CIA总部位于德国Erlangen（埃朗根）。CIA提供服务包括：发布CAN的各类技术规范，免费下载CAN文献资料，提供CAN open规范Device Net规范；发布CAN产品数据库，CAN open产品指南；提供CAN open验证工具执行CAN open认证测试；开发CAN规范并发布为CIA标准。CIA推动了CAN总线的进一步推广使用。

21世纪以来，CAN总线得到越来越多设计人员的青睐。CAN总线不再局限在汽车领域发挥其特点，还在其他工业领域取得了巨大而广泛的应用。例如，在纺织行业的控制系统中，在飞机控制系统中，在机械加工控制系统中，在楼宇控制系统中，在船舶的监控系统中，在医学的治疗机械中，在电子器件智能仪器仪表的接口中均以得到实际应用。这一在20世纪被认为最有前途的现场总线之一，已经开始显示其强大的功能与良好的性能。

2 CAN总线优缺点

2.1 CAN总线的优点

CAN总线是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，取而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制。另外，CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。

CAN现场总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性[1]。其特点归结起来具有如下几点：

1）CAN网络上的节点信息均可在任意时刻主动向网络上其他节点发起通信，节点不分主从，通信方式灵活，可方便地构成多机备份系统。CAN总线上的节点信息可以分成不同的优先级，以满足不同的实时要求。

2）CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当两个节点同时向总线上发送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，节省了总线冲突仲裁时间，即使在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪情况；

3）CAN通过报文滤波可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式收发数据，无需专门的调度，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（CAN2.0A）；而CAN2.0B的报文标识符几乎不受限制。

4）CAN的直接通信距离最远可达10km（对应通信速率在5kbps以下）；通信速率最高可达1M（对应通信距离最长为 40m）。CAN的信号传输采用短帧结构，传输时间短，受干扰的概率低，具有很好的检错效果。

5）CAN节点中均设有错误检测、标定和自检等强有力措施。检测错误的措施包括：位错误检测、循环冗余校验、位填充、报文格式检查和应答错误检测。保证了很低的数据出错率。

6）CAN节点在严重错误的情况下，具有自动关闭的功能，以切断该节点与总线的联系，使总线上的其他节点的操作不受影响，故具有较强的抗干扰能力。由于 CAN总线这些卓越的特性，低廉的价格，极高的可靠性和灵活的结构，使其特别适合于工业过程监控设备的互联，在众多领域得到了广泛的应用。

2.2 CAN总线局限性

CAN现场总线作为一种面向工业底层控制的通信网络,也有其局限性。由于其节点与节点之间通讯通过数字模式，故对现场维护人员维护要求较高，需具有专门的CAN总线知识及现场维护经验。

3 CAN总线与其他总线的比较

3.1 工业以太网和CAN现场总线比较

1）工业以太网优势及存在问题

以太网优势：基于TCP/IP的以太网是一种标准开放式的网络，由其组成的系统兼容性和互操作性好，资源共享能力强，可以很容易的实现将控制现场的数据与信息系统上的资源共享；数据的传输距离长、传输速率高；易与 Internet连接，低成本、易组网；与计算机、服务器的接口十分方便，受到了广泛的技术支持。

存在问题：以太网采用的是带有冲突检测的载波侦听多路访问协议(CSMA/CD)，无法保证数据传输的实时性要求，是一种非确定性的网络系统。以太网采用超时重发机制，单点的故障容易扩散，造成整个网络系统的瘫痪。其次，工业以太网的鲁棒性和抗干扰能力等都是值得关注的问题，其对工业现场的恶劣环境适应性需要设计人员特别注意。

2）工业以太网和CAN现场总线的差异

工业以太网和 CAN现场总线的网络协议规范都遵循ISO/OSI参考模型的基本层次结构，均应用在 OSI模型的最低两层（物理层和数据链路层），但是二者在各层的物理实现及通信机理上却有很大的差别。工业以太网与 CAN总线的区别还表现在逻辑链路控制子层。工业以太网实现组帧、处理传输差错、调整帧流速的功能，CAN总线在此层实现报文滤波、过载通知及恢复管理[2]。工业以太网不需要总线供电，而 CAN总线需要有总线电源。有总线电源后，CAN总线的抗干扰能力更强，对现场环境的适应能力更强。

3.2 RS485总线和CAN现场总线比较

1）RS485总线的特点

RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，故发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，只需要一条双绞线。应用RS-485可以轻松联网构成分布式系统。RS-485逻辑“1”以两线间的电压差为+（2～6）V表示，逻辑“0”以两线间的电压差为-（2～6）V表示。接口信号电平与TTL电平兼容，可方便与 TTL电路连接。总线最高传输速率为10Mbps。多台设备共同连接于485总线时必须使用主从式互联方式，一个主设备多个从设备。

2）RS485和CAN现场总线的差异

相比较于CAN总线，RS485总线的通信容量较少，理论上最多仅容许接入128个节点，并且受到使用的通信芯片带载能力限制，不适于多节点用户。RS485总线的通信速率低，常用波特率为9600bps。且其速率与通信距离有直接关系，当达到数百米以上通信距离时，其可靠通信速率＜1200bps。RS485芯片功耗较大，静态功耗达到2～-3mA，工作电流（发送）达到20mA，若加上偏置电阻及终端电阻，工作电流会更大。增加了线路电压降，不利于远程布线。RS485总线采用主机轮询方式，这就使其通信的吞吐量较低，不适用于通信量要求较大场合。系统较大时，实时性较差。主机需要不停地轮询各从机。当从机之间需要进行通信时，必须通过主机，增加了从机间通信的难度及主机负担。CAN总线在通信方式方面与485总线差异很大，具有独特的通信优势。但485总线通信简单，而且技术非常成熟，在工业现场中应用也非常广泛。

3.3 其他现场总线和CAN现场总线比较

1）其他现场总线简介

1984年 IEC（International Electro technical Commission，国际电工委员会）把现场总线定义为一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串形、多结点的数字通信技术。目前世界上存在着大约四十余种现场总线，如法国的 FIP；英国的 ERA；德国西门子公司Siemens的Profibus；挪威的FINT；Echelon公司的LONWorks；PhenixContact公司的 InterBus；Rober Bosch公司的CAN；Rosemounr公司的HART；Carlo Garazzi公司的 Dupline；丹麦 Process Data公司的P-net；PeterHans公司的 F-mux；以及ASI（Actratur Sensor Interface），ModBus，SDS，Arcnet，国际标准组织-基金会现场总线 FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus。美国的DeviceNet与ControlNet等。这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、加工制造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，大概不到十种的总线占有80%左右的市场。鉴于篇幅原因，在这里各种现场总线的特点不一一介绍，文中只在介绍典型总线与 CAN总线区别时再略作描述。

2）其他现场总线和CAN现场总线区别

每种总线大都有其应用的领域，比如 FF、Profibus-PA适用于石油、化工、医药、冶金等行业的过程控制领域；LonWorks、Profibus -FMS、Deviece Net适用于楼宇、交通运输、农业等领域；Device Net、Profibus -DP适用于加工制造业，而这些划分也不是绝对的，每种现场总线都力图将其应用领域扩大，彼此渗透。每种现场总线都有其国际组织和支持背景。比如Profibus以Siemens公司为主要支持，并成立了Profibus国际用户组织。鉴于现场总线众多，在此仅介绍三类现场总线，并简述其与CAN总线的区别。

（1）基金会现场总线（FF）与CAN总线的差异

基金会现场总线是一种全数字、串行、双向通信系统，应用于工厂网络底层网络或工厂自动化环境。其适合的应用场合有基本和复杂管理控制的场合，以及与上述功能相关的、带很多离散控制的应用。基金会现场总线采用多点接线、多变量仪表。一个节点上可以处理来自同一现场设备上的多个变量。例如，一个温度变送器可以与多达八个传感器的输入进行通信。它同时降低了接线和仪表费用。另外，多个设备的功能可以通过一个设备完成，这样可减少导线管，提高安全性并降低工程费用。基金会现场总线了解设备运行是否正常，发送的信息是好、差或不定状态。这可免除大多数的例行检查工作，并有助于在重大的过程问题发生之前发现故障情况。可互操作性使得基金会现场总线设备和主系统能够协调工作，同时能保证每个组件都能发挥各自的全部性能。与 CAN总线相比，两者各有利弊，设计人员可以按照设计对象合理选择。

（2）Profibus现场总线与CAN总线的差异

与其他现场总线系统相比，Profibus的最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170作保证，并经实际应用验证具有普遍性。目前已应用的领域包括加工制造．过程控制和自动化等。Profibus开放性和不依赖于厂商的通信的设想，已在10多万成功应用中得以实现。市场调查确认，在德国和欧洲市场中 Profibus占开放性工业现场总线系统的市场超过40%。Profibus有国际著名自动化技术装备的生产厂商支持，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛的优质新产品和技术服务。Profibus是符合德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50179的现场总线，包括 Profibus－DP、Profibus－FMS、Profibus－PA三部分。它也只采用了OSI模型的物理层、数据链路层、应用层。Profibus支持主从方式、纯主方式、多主多从通信方式。主站对总线具有控制权，主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权。取得控制权的主站，可向从站发送、获取信息。Profibus－DP用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域。FMS型适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。而 PA型则是用于过程自动化的总线类型。

（3）LonWorks总线与CAN总线的差异

LonWorks技术是美国ECHELON公司开发，并与Motorola和东芝公司共同倡导的现场总线技术。它采用了 OSI参考模型全部的七层协议结构。LonWorks技术的核心是具备通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片实现完整的LonWorks的LonTalk通信协议。由神经芯片构成的节点之间可以进行对等通信。LonWorks支持多种物理介质并支持多种拓扑结构，组网方式灵活。LonWorks应用范围主要包括楼宇自动化、工业控制等，在组建分布式监控网络方面有较优越的性能。

LonWorks是惟一涵盖全部3个层次（SensorBus、DeviceBus和FieldBus），符合150/0517层参考模型的现场总线技术。在一个多种层次的现场总线产品并存竞争的现实环境下，LonWorks兼收并蓄，成为连接过去、包容现在、面向未来的工业总线技术。LonWorks技术的核心是以固件形式实现7层通信协议，实行开放结构，具备良好的互操作性。还有网关可方便构成局域网，甚至与Internet相连，实现远程预览现场设备数据的应用。

LonWorks技术在楼宇自控系统中的技术上的优势明显：①直接互联性，不同品牌、功能的DDC组成一个统一控制网络协同工作；②自主通信，数个小规模 DDC分布式布置，联合运行，在功能方面完全替代了单CPU多I/O点的中大型DDC；③网络结构多样化，易于适应用户的不同需求；④系统费用较高，虽然系统开发较易人门，但随着技术介入深度加大，专用软件的购置费用许可证及技术专利等知识产权相关费用也随之上升（较 CAN总线贵10%左右）。