随着工业测控技术和生产自动化技术的不断进步 ,传统的 RS-232、 RS-485和 CCITTV. 24通信技术已不能适应现代化的工业控制需要 ,而现场汇流排 ( Fieldbus)以其低廉的价格、可靠的性能而逐步成为新型的工业测控领域的通信技术。现场汇流排是套用在生产现场 ,在微机化测量控制设备之间实现双向串列多节点数字通信的系统 ,是一种开放式、数位化、多点通信的底层控制网路。 汇集了计算机技术、网路通信技术和自动控制技术 ( 3C)的现场汇流排技术 ,从 20世纪 80年代开始发展起来 ,并逐步在製造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中得到了广泛的重视和套用。现场汇流排主要有以下几种类型 : 基金会现场汇流排 ( FF)、 LonWorks、 ProfiBus、 CAN、HART,而其中 CAN ( Controller Area Network)即控制器区域网路因为具有高性能、高可靠性以及独特的设计而越来越受到关注,现已形成国际标準 ,被公认为几种最有前途的现场汇流排之一。

1986 年德国最大的工业企业之一 Rober Bosch公司首次提出了套用于汽车内各种感测器和执行器之间相互通信的 CAN 汇流排（Controller AreaNetwork）技术以来，以其可靠性、实时性和灵活性强的特点，得到了诸多汽车开发商的青睐。

CAN属于汇流排式串列通信网路。 由于採用了许多新技术和独特的设计思想 ,与同类产品相比 , CAN 汇流排在数据通信方面具有可靠、实时和灵活的优点。为使设计透明和执行灵活 ,遵循 ISO /OSI标準模型 , CAN 汇流排结构划分为两层: 物理层和数据链路层 (包括逻辑链路控制子层 LLC和媒体访问控制子层 M AC)。 CAN的分层结构和功能如图1所示。 其中 , LLC子层为数据传递和远程数据请求提供服务; M AC子层的功能主要是传送规则 ,即控制帧结构、执行仲裁、错误检验、出错标定和故障界定 。

CAN汇流排协定是建立在国际标準组织的开放系统 OSI 7 层互连参考模型基础之上的。其模型结构只有3 层，即只取OSI 底层的物理层、数据链层和传输层，保证了节点间无差错的数据传输。 CAN 汇流排上用“显性”（Dominant）和“隐性” (Recessive)两个互补的逻辑值表示“0”和“1”。如图1 所示，VCAN-H和VCAN-L为CAN汇流排收发器 与汇流排之间的两接口引脚，信号是以两线之间的“差 分”电压形式出现。在隐性状态，VCNA-H和VCANL被固定在平均电压电平附近，Vdiff近似于0。显性位以大于最小阀值的差分电压表示。CAN 汇流排的通信距离最远可达10Km(位速率为5 kbps) ，通信速率最快可达 1Mbps（此时最长通信距离为40m）。

图1 CAN汇流排的位数值传输方式

CAN技术的报文传输为多主方式工作，网路上任意节点均可在任意时刻主动地向网路上其它节点 传送信息，而不分主从。CAN节点只需通过对报文的标示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。CAN汇流排的数据传输（报文传输）採用帧格式。按帧格式的不同，分为含有11位标识符的标準帧和含有29位标识符的扩展帧。CAN汇流排的帧类型分为 数据帧、远程帧、错误帧和过载帧。

只要汇流排空闲，任何单元都可以开始传送报文。如果两个或两个以上节点同时开始传送报文，那幺就会有汇流排访问冲突。通过使用标识符的逐位仲裁可以解决这个冲突。仲裁的机制确保了报文和时间均不损失。当具有相同标识符的数据帧和远程帧同时传送时，数据帧优先于远程帧。在仲裁期间， 每一个传送器都对汇流排进行监测，如果传送和接收电平相同，则该节点可以继续传送报文。比如传送的是一“隐性”电平，而监视到的是一“显性”电平， 那幺这个节点就失去了仲裁，必须退出传送状态。

综上所述，CAN 汇流排的主要特点有:

( 1) CAN 为多主工作方式 ,网路上的任意节点在任意时刻都可以主动地向其他节点传送信息 ,不分主从 ,方式灵活。

( 2) CAN 网路节点可以安排优先权顺序 ,以满足和协调各自不同的实时性要求。

( 3) 採用非破坏性的汇流排仲裁技术 ,多点同时传送信息时 ,按优先权顺序通信 ,节省汇流排冲突仲裁时间 ,避免网路瘫痪。

( 4) 可以进行点对点、一点对多点和全域广播方式传递信息。

( 5) 通信速率最高可达 1M bps( 40m以内 ) ,最长传递距离达 10km(速率为 5kbps以下 )。

( 6) 网路节点目前可达 110个 ,报文标誌符 2 032种 ( CAN2. 0A) ,扩展标準 ( CAN2. 0B)中报文标誌符几乎不受限制。

( 7) 短帧数据结构 ,传输时间短 ,抗干扰能力强 ,检错效果好。

( 8) 通信介质可以用双绞线、同轴电缆或光纤。

( 9) 网路节点在错误严重的情况下可以自动关闭输出功能 ,脱离网路。

( 10) 实现了标準化、规範化 (国际标準 ISO11898)。

CAN汇流排控制器主要保证数据链路层和物理层的通信质量。SJA1000是一种独立的CAN汇流排控制器。SJA1000 的内部结构如图 2 所示。

图2 SJA1000内部结构图

接口管理逻辑（IML）负责解释来自CPU的命令，控制 CAN 暂存器的定址，向主控制器（CPU）提供中断信息和状态信息。

传送缓冲器（TXB）是CPU 和位流处理器（BSP）之间的接口，负责存储传送到CAN汇流排上的一条完整的报文。传送缓冲器的长度为13个位元组，由CPU写入、位流处理器读出。

接收缓冲器（RXB、长度为13个位元组）是验收滤波器和 CPU 之间的接口，用来存储从 CAN 汇流排上接收并被确认的信息。作为接收FIFO（RXFIFO，长度为64位元组）的一个视窗，接收缓冲器可被CPU访问。CPU在接收FIFO的支持下，可以在处理一条报文的同时接收其他报文。

验收滤波器（ACF）将一条接收到的报文标识码与验收滤波器中的预设值相比较，以决定是否接收这条报文。在纯粹的接收测试中，所有的报文都保存在接收FIFO中，但只有验收滤波通过且无差错的报文，才能被保存在接收缓冲器中。

位流处理器（BSP）是一个控制传送缓冲器、接收FIFO和CAN汇流排之间数据流的程式装置。它还执行汇流排上的错误检测、仲载、汇流排填充和错误处理。位时序逻辑（BTL）监视串列的CAN汇流排和位时序。它在信息开头“弱势支配”的汇流排传输时，同步 CAN汇流排位流（硬同步），接收报文时再次同步下一次传送（软同步）。

错误管理逻辑（EML）负责限制传输层模组的错误。它接收来自位流处理器的出错报告，然后把有关错误统计告诉位流处理器和接口管理逻辑（IML）。

PCA82C250 是 CAN 控制器与物理汇流排之间的接口。该器件对汇流排提供了差动传送能力，同时对CAN控制器提供了差动接收能力。它可以用高达1Mbps的位速率在两条有差动电压的汇流排上传输数据，汇流排可连线 110 个节点。汇流排驱动器PCA82C250 的功能参如图 3 所示。

控制器区域网路CAN（ControllerArea Network）作为一种多线路网路通信系统，以其时分多主、非破坏性汇流排仲裁和自动检错重发等灵活、可靠的通信技术，及低廉的价格，被广泛地套用于工业自动化生产线、汽车、感测器、医疗设备、智慧型化大厦、电梯控制、环境控制等分散式实时系统。本採集卡採用的是一款Atmel公司新近推出的带有CAN控制器的微控制器，是一款很有前途的新型晶片，其内部集成CAN控制器，用它来组建CAN汇流排实时监控系统，与传统的CAN汇流排组网方式相比，系统具有结构简单、设计容易、抗干扰性强等套用优势。

图1

20世纪 80年代 ,德国的 BOSCH公司首先套用 CAN汇流排于汽车内部的测控通信。 CAN国际标準化的制定 ,更加推动了它的发展和套用 ,已有 IN TEL、 MO TOROLA、 PHILIPS、 SIEM EN S等 百余家国际大公司支持 CAN汇流排协定。 现在 ,在欧美等国 CAN汇流排已被广泛地套用于汽车、火车、轮船、机器人、智慧型楼宇、机械製造、数控工具机、各种机械设备、交通管理、感测器、自动化仪表等领域。从“九· 五”开始 ,我国政府就投资支持现场汇流排的开发 ,其中 CAN等汇流排在国内已经得到较广泛的套用 ,被大量地套用于工农业监控、电厂测控、火灾报警、变电站控制、煤炭综合监控等。故，综合 CAN 汇流排的上述技术、特点及其在各个领域的套用情况 ,可以预测 CAN汇流排在将来将会以迅猛的速度快速发展。