可靠性类有关研究生论文格式,关于CAN总线技术的应用与相关硕士论文范文

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摘 要：CAN现场总线控制系统的技术发展迅猛,是当前在自动化领域里最具发展潜力的技术.本文着重介绍CAN技术的核心内容、技术特点及发展趋势,其应用范围不再局限于汽车工业,在未来依靠CAN总线技术一定能够在工业过程控制网络中取得广泛的应用.

关 键 词 ：CAN；总线技术；发展

中图分类号：TP311 文献标识码：A

1.引言

控制器局部网（CAN-CONTROLLER AREA NETWORK,CAN）是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网,其卓越性能现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门.

目前,工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支,并取得了巨大进步.由于对系统可靠性和灵活性的高要求,工业控制系统的发展主要表现为：控制面向多元化,系统面向分散化,即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散的局面.

分散式控制系统由现场设备、接口与计算设备以及通信设备组成.现场总线（FIELDBUS）能同时满足过程控制和制造业自动化的需要,因而现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域.现场总线的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点.尽管目前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的标准,但现场总线的高性价比将吸引众多工业控制系统采用.CAN总线（控制器局部网）正是在这种背景下迅速发展起来的.

由于CAN总线具有卓越的性能与优势,为愈来愈多不同领域采用和推广.为此,1991年 9月 PHILIPS SEMICONDUCTORS制订并发布了 CAN技术规范（VERSION 2.0）.该技术规范包括A和B两部分.2.0A给出了曾在CAN技术规范版本1.2中定义的CAN报文格式,而2.0B给出了标准的和扩展的两种报文格式.1993年11月ISO正式颁布了道路交通运载工具--数字信息交换--高速通信控制器局部网（CAN）国际标准（ISO11898）,为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路.

2.CAN总线特点

CAN总线是德国BOSCH公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议,它是一种多主总线,通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维.通信速率可达1Mbps.CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能,可完成对通信数据的成帧处理,包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作.

CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码,而代之以对通信数据块进行编码（报文标识符）.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,标准报文标识符有11位,而扩展的标准报文标识符有29位.因此,这种按数据块编码的方式,还可使不同的节点同时接收到相同的数据,这一点在分布式控制系统中非常有用.数据段长度最多为8个字节,可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求.同时,8个字节不会占用总线时间过长,从而保证了通信的实时性.CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能,保证了数据通信的可靠性.CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计,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,并已公认为最有前途的现场总线之一.

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总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次,因此可在各节点之间实现自由通信.CAN总线协议已被国际标准化组织认证,技术比较成熟,控制的芯片已经商品化,性价比高,特别适用于分布式测控系统之间的数据通讯.

3.CAN总线技术及发展趋势

3.1 位仲裁

要对数据进行实时处理,就必须将数据快速传送,这就要求数据的物理传输通路有较高的速度.在几个站同时需要发送数据时,要求快速地进行总线分配.实时处理通过网络交换的紧急数据有较大的不同.一个快速变化的物理量,如汽车引擎负载,将比类似汽车引擎温度这样相对变化较慢的物理量更频繁地传送数据并要求更短的延时.

CAN总线以报文为单位进行数据传送,报文的优先级结合在11位标识符中,具有最低二进制数的标识符有最高的优先级.这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改.总线读取中的冲突可通过位仲裁解决.例如,当几个站同时发送报文时,站1的报文标识符为011111；站2的报文标识符为0100110；站3的报文标识符为0100111.所有标识符都有相同的两位01,直到第3位进行比较时,站1的报文被丢掉,因为它的第3位为高,而其它两个站的报文第3位为低.站2和站3报文的4、5、6位相同,直到第7位时,站3的报文才被丢掉.注意,总线中的信号持续跟踪最后获得总线读取权的站的报文.在此例中,站2的报文被跟踪.这种非破坏性位仲裁方法的优点在于,在网络最终确定哪一个站的报文被传送以前,报文的起始部分已经在网络上传送了.所有未获得总线读取权的站都成为具有最高优先权报文的接收站,并且不会在总线再次空闲前发送报文.

CAN具有较高的效率是因为总线仅仅被那些请求总线悬而未决的站利用,这些请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处理的.这种方法在网络负载较重时有很多优点,因为总线读取的优先级已被按顺序放在每个报文中了,这可以保证在实时系统中较低的个体隐伏时间.

对于主站的可靠性,由于CAN协议执行非集中化总线控制,所有主要通信,包括总线读取 （许可）控制,在系统中分几次完成.这是实现有较高可靠性的通信系统的唯一方法.

3.2 CAN的通信方案

有两种重要的总线分配方法：按时间表分配和按需要分配.在第一种方法中 ,不管每个节点是否申请总线,都对每个节点按最大期间分配.由此,总线可被分配给每个站并且是唯一的站,而不论其是立即进行总线存取或在一个特定时间进行总线存取.这将保证在总线存取时有明确的总线分配.在第二种方法中,总线按传送数据的基本要求分配给一个站 ,总线系统按站希望的传送分配（如：Ether CSMA/CD）.因此,当多个站同时请求总线存取时,总线将终止所有站的请求,这时将不会有任何一个站获得总线分配.为了分配总线,多于一个总线存取是必要的. CAN实现总线分配的方法,可保证当不同的站申请总线存取时,明确ß