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电气火灾监控系统通信总线---CAN总线-控制器局域网简介

发表时间:2014-02-16

CAN总线简介
1、 引言
 随着汽车工业的发展,20世纪80年代中期,率先由Bosch公司研发出新一代的汽车总线即控制器局域网(Controller Area Network,简称:CAN总线或CAN-bus),CAN总线具有布线简单、典型的总线型结构、可最大限度的节约布线与维护成本、稳定可靠、实时、抗干扰能力强、传输距离远等特点,这些都决定了CAN总线必定是一种成功的总线。一经推出不仅在汽车行业得到广泛的推广与应用,在诸如航天、电力、石化、冶金、纺织、造纸等领域也得到广泛应用。在自动化仪表、工业生产现场、数控机床等系统中也越来越多的使用了CAN总线,CAN总线在未来的发展中依然充满活力,有着巨大的发展空间。
由于CAN总线本身只定义ISO/OSI模型中的第一层(物理层)和第二层(数据链路层),通常情况下CAN总线网络都是独立的网络,所以没有网络层。在实际使用中,用户还需要自己定义应用层的协议,因此在CAN总线的发展过程中出现了各种版本的CAN应用层协议,现阶段最流行的CAN应用层协议主要有CANopen、DeviceNet和J1939等协议。


2、CAN总线特点

 CAN总线采用差分信号传输,通常情况下只需要两根信号线(CAN-H和CAN-L)就可以进行正常的通信。在干扰比较强的场合,还需要用到屏蔽地即CAN-G(主要功能是屏蔽干扰信号),CAN协议推荐用户使用屏蔽双绞线作为CAN总线的传输线。

其物理传输层详细和高效的定义,使得CAN总线具有其它总线无法达到的优势,注定其在工业现场总线中占有不可动摇的地位,CAN总线通信主要具有如下所示的优势和特点。

 (1)CAN总线上任意节点均可在任意时刻主动的向其它节点发起通信,节点没有主从之分,但在同一时刻优先级高的节点能获得总线的使用权,在高优先级的节点释放总线后,任意节点都可使用总线;

 (2)CAN总线传输波特率为5Kbps~1Mbps,在5Kbps的通信波特率下最远传输距离可以达到10Km,即使在1Mbps的波特率下也能传输40m的距离。在1Mbps波特率下节点发送一帧数据最多需要134μs;

 (3)CAN总线采用载波监听多路访问、逐位仲裁的非破坏性总线仲裁技术。在节点需要发送信息时,节点先监听总线是否空闲,只有节点监听到总线空闲时才能够发送数据,即载波监听多路访问方式。在总线出现两个以上的节点同时发送数据时,CAN协议规定,按位进行仲裁,按照显性位优先级大于隐性位优先级的规则进行仲裁,最后高优先级的节点数据毫无破坏的被发送,其它节点停止发送数据(即逐位仲裁无破坏的传输技术)。这样能大大的提高总线的使用效率及实时性;

 (4)CAN总线所挂接的节点数量主要取决于CAN总线收发器或驱动器,目前的驱动器一般都可以使同一网络容量达到110个节点。CAN报文分为两个标准即CAN2.0A标准帧和CAN2.0B扩展帧,两个标准最大的区别在于CAN2.0A只有11位标识符,CAN2.0B具有29位标识符;

 (5)CAN总线定义使用了硬件报文滤波,可实现点对点及点对多点的通信方式,不需要软件来控制。数据采用短帧发送方式,每帧数据不超过8字节,抗干扰能力强,每帧接收的数据都进行CRC校验,使得数据出错机率极大限度的降低。CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭的功能,避免了对总线上其它节点的干扰;

 (6)CAN总线通信介质可采用双绞线、同轴电缆或光纤,选择极为灵活。可大大节约组网成本。


 3、CAN总线网络结构
作为一个总线型网络,其结构如图所示,其组网与维护相当方便。CAN总线具有在线增减设备,即总线在不断电的情况下也可以向网络中增加或减少节点。一条总线最多可以容纳110个节点,通信波特率为5Kbps~1Mbps,在通信的过程中要求每个节点的波特率保持一致(误差不能超过5%),否则会引起总线错误,从而导致节点的关闭,出现通信异常。


 

 CAN网络典型结构

 CAN总线
 

 

4、CAN总线应用层协议
由于CAN总线只定义了ISO/OSI中的物理层和数据链路层,因此对于不同的应用出现了不同的应用层协议,为了使不同厂商的产品能够相互兼容,世界范围内需要通用的CAN应用层通信协议,在过去的二十年中涌现出许多的协议,不过到现在为止能够广泛被承认的协议却不多,现在CAN应用层协议主要有以下三种。
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(1) 在欧洲等地占有大部分市场份额的CANopen协议,主要应用在汽车、工业控制、自动化仪表等领域,目前由CIA负责管理和维护;

(2) J1939是CAN总线在商用车领域占有绝大部分市场份额的应用层协议,由美国机动车工程师学会发起,现已在全球范围内得到广泛的应用;

(3)DeviceNet协议在美国等地占有相当大的市场份额,主要用于工业通信及控制和仪器仪表等领域。
在以后的文章中将向读者重点介绍CANopen协议的基本概念及CANopen相关设备的使用及组网方法。


5、结语
现阶段我国在工业领域与欧洲和美国等其它的发达国家存在较大的差距。CAN总线作为新型现场总线已经漫延到生活生产的各个领域,能够提高生产效率以及降低生产成本,成为工业现场总线的发展趋势。

消防报警系统中的通信系统非常重要,如果在关键时刻,通信中断,整个消防系统的联动功能,各个部件协同功能等都将无效,就是一个孤岛。同样的,电气火灾监控系统的通信功能也非常重要,为此,我们采用了CAN总线,来满足消防系统的通信系统的,高稳定高可靠性。