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1、Abstract摘要CAN总线上的接口是网络上报文的接收和发送站一般由单片机和可编程的CAN通信控制器组成。本文首先较为详细地分析了控制器局域网CAN总线的发展历程及未来的发展，论述了CAN总线的特点和通信协议，并介绍了CAN的高层协议。再次介绍了一种新型的独立CAN通信控制器MCP2515，以及MCP2515的功能，结构和工作原理，最后用单片机中常用的PIC16F877和MCP2515完成硬件接口电路。由于使用了高速SPI接口收发数据，提高了CAN报文的传输能力，同时扩大了CA接口解决方案所采用的单片机的选择范围，而不必强求MCU必须内含CAN总线控制模块。软件设计时，给出了软件流程图和程序
2、。本接口在对软件稍作修改后就可以通过SPI接口和MCP2515交换数据。这样，不需要更换MCU就可以在现有的产品上增加CAN总线的通信功能，从而达到了产品的快速更新。关键词：CAN总线； MCP2515； PLC16F877Abstract CAN Bus interface on the network is reported to receive and send text of the station. General from the CAN microcontroller and programmable communications controller. This paper i
3、s more detailed analysis of the CAN Bus course of development and the future development of the CAN bus on the characteristics and communication protocol, introduced the CAN and the high-level agreements. Once again introduced a new independent CAN communications controller MCP2515, and the MCP2515
4、function, structure and working principle, commonly used in the final with the PIC16F877 MCU and MCP2515 complete hardware interface circuit. As the use of high-speed SPI interface send and receive data, to improve the text of the CAN transmission capacity, while expanding the CA interface solutions
5、 used by the MCU range of options, rather than be forced MCU embedded CAN bus control module. Software design, is a software flow chart and procedures. The interface in the software can be slightly amended after the SPI interface and MCP2515 exchange of data. In this way, do not need to replace the
6、MCU on the existing products can be added to the CAN bus communication to achieve a rapid product updates.Key words: CAN bus; MCP2515; PLC16F877目录摘要- 1 -Abstract- 2 -1 绪 论11.1设计背景和意义11.2 相关领域的发展现状22 系统总体方案设计72.1 控制器局域网（CAN）总线概述72.1.1 CAN总线概述72.1.2 CAN总线的协议92.2 系统总体方案的确定112.2.1 微控制器的选取方案论证112.2.2 CAN
7、控制器的选取方案论证122.2.3 CAN收发器的选取方案论证132.2.4 系统总体方案及框图133 系统硬件电路器件介绍与电路分析153.1节点通信电路设计主要芯片介绍15311 AT89C52简介153.1.2SJAl000简介173.1.3 PCA82C250收发器183.2 系统硬件总体描述2032.1硬件设计方案204 节点软件设计274.1CAN总线的报文传送传输274.1.2错误处理2842节点软件设计方案294.2.1 CAN总线通信模块294.2.2 RS485协议模块344.3数据转换及处理软件设计354.3.1最小二乘法拟合线性化方法354.3.2数字滤波程序364.3
8、.3 AD转换程序365 系统调试及可靠性分析375.1 系统软硬件调试375.2 系统可靠性分析385.2.1 光电隔离385.2.2 抗干扰设计39结论40致谢41参考文献42附录43附录1：系统主要程序43附录2：系统硬件原理图56科技文章摘译57英文原文57英文译文62时钟精度要求确定为UART的通讯62- 69 -11 绪 论1.1设计背景和意义 现场总线的技术基础是一种全数字化、双向、多站的通信系统，是应用于各种计算机控制领域的工业总线，因现场总线潜在着巨大的商机，世界范围内的各大公司投入相当大的人力、物力、财力来进行开发研究。当今现场总线技术一直是国际上各大公司激烈竞争的领域，由
9、于现场总线技术的不断创新，过程控制系统由第四代的DCS发展至今的FCS（Fieldbus Control System）系统,已被称为第五代过程控制系统。而FCS和DCS的真正区别在于其现场总线技术。现场总线技术以数字信号取代模拟信号，在3C（Computer计算机、Control控制、Communication通信）技术的基础上，大量现场检测与控制信息就地采集、就地处理、就地使用，许多控制功能从控制室移至现场设备。由于国际上各大公司在现场总线技术这一领域的竞争，仍未形成一个统一的标准，目前，在现场总线网络互联都是遵守OSI参考模型。 随着科学技术的快速发展，过程控制领域在过去的两个世纪里发生
10、了巨大的变革。150多年前出现的基于513psi的气动信号标准，标志着控制理论初步形成，但此时尚未有控制室的概念；20世纪50年代，随着基于010mA或420mA的电流模拟信号的模拟过程控制体系被提出并得到广泛的应用，标志了电气自动控制时代的到来，三大控制论的确立奠定了现代控制的基础，设立控制室、控制功能分离的模式也一直沿用至今；20世纪70年代，随着数字计算机的介入，产生了“集中控制”的中央控制计算机系统，而信号传输系统大部分是依然沿用420mA的模拟信号，不久人们也发现了伴随着“集中控制”，该系统存在着易失控、可靠性低的缺点，并很快将其发展为分布式控制系统；微处理器的普遍应用和计算机可靠性
11、的提高，使分布式控制系统得到了广泛的应用，由多台计算机和一些智能仪表以及智能部件实现的分布式控制是其最主要的特征，而数字传输信号也在逐步取代模拟传输信号。随着微处理器的快速发展和广泛的应用，数字通信网络延伸到工业过程现场成为可能，产生了以微处理器为核心，使用集成电路代替常规电子线路，实施信息采集、显示、处理、传输以及优化控制等功能的智能设备。设备之间彼此通信、控制，在精度、可操作性以及可靠性、可维护性等都有更高的要求。由此，导致了现场总线的产生。现场总线控制系统是从八十年代中期发展起来的。经历了十几年的时间，现场总线控制技术已经被广泛应用于汽车、造纸、纺织、烟草、机械、石油化工、电力、楼宇自控
12、等各个控制领域。现场总线控制技术由于其巨大的技术优势，被认为是工业控制发展的必然趋势，将逐步取代传统的PLC点对点接线的控制方法。CAN网络是现场总线的一种，它是一种架构开放、广播式的新一代网络通信协议，称为控制器局域网现场总线。CAN网络原本是德国Bosch公司为欧洲汽车市场所开发的。CAN推出之初是用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信。例如汽车刹车防抱死系统、安全气囊等。对机动车辆总线和对现场总线的需求有许多相似之处，即能够以较低的成本、较高的实时处理能力在强电磁干扰环境下可靠地工作。因此CAN总线可广泛应用于离散控制领域中的过程监测和控制，特别是工业自动化的底层监控，以解决控制与测试
13、之间的可靠和实时数据交换。1.2 相关领域的发展现状 由于各个国家各个公司的利益之争，虽然早在1984年国际电工技术委员会/国际标准协会（IEC/ISA）就着手开始制定现场总线的标准，至今统一的标准仍未完成。很多公司也推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性还难以统一。目前现场总线市场有着以下的特点：1多种现场总线并存： 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，RoberBosch公司的CAN，Rosemo
14、unr公司的HART，CarloGarazzi公司的Dupline，丹麦ProcessData公司的P-net，PeterHans公司的F-Mux，以及ASI，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左右的市场。2各种总线都有其应用的领域 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
15、的过程控制领域；LonWrks、PROFIBUS-FMS、DevieceNet适用于楼宇、交通运输、农业等领域；DeviceNet、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。3每种现场总线都有其国际组织和支持背景 大多数的现场总线都有一个或几个大型跨国公司为背景并成立相应的国际组织，力图扩大自己的影响、得到更多的市场份额。比如PROFIBUS以Siemens公司为主要支持，并成立了PROFIBUS国际用户组织WorldFIP以Alstom公司为主要后台，成立了WorldFIP国际用户组织。4多种总线成为国家和地区标准 为了加强
16、自己的竞争能力，很多总线都争取成为国家或者地区的标准，比如PROFIBUS已成为德国标准，WorldFIP已成为法国标准等。5设备制造商参与多个总线组织 为了扩大自己产品的使用范围，很多设备制造商往往参与不止一个甚至多个总线组织。6各个总线彼此协调共存 由于竞争激烈，而且还没有哪一种或几种总线能一统市场，很多重要企业都力图开发接口技术，使自己的总线能和其他总线相连，在国际标准中也出现了协调共存的局面。工业自动化技术应用于各行各业，要求也千变万化，使用一种现场总线技术也很难满足所有行业的技术要求；现场总线不同于计算机网络，人们将会面对一个多种总线技术标准共存的现实世界。技术发展很大程度上受到市场
17、规律、商业利益的制约；技术标准不仅是一个技术规范，也是一个商业利益的妥协产物。而现场总线的关键技术之一是彼此的互操作性，实现现场总线技术的统一是所有用户的愿望。由于CAN总线为越来越多不同领域采用和推广，导致要求不同应用领域通信报文的标准化。为此，1991年月Philips Semiconductors制定并发布了CAN技术规范（Version2.0）。该技术规范包括和两部分。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，2.0B给出了标准的和扩展的两种报文格式。此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通运输工具数字信息交换高速通信控制器局部网（CAN）国际标准（ISO
18、11898），为控制器局部网标准化，规范化推广铺平了道路。CAN总线开发系统廉价，OEM用户容易操作，许多国际上大的半导体厂商也积极开发出支持CAN总线的专用芯片，其中有智能CAN芯片，也有非智能CAN控制器、收发器。Motorola公司生产了MC68HC05X4是在68HC05微控制器上加入了CAN模块，也称为CAN。Philips公司生产了P8XC592微控制器上集成了CAN控制器取代了原来的I2C串行口。Philips还生产82C200独立CAN控制器、82C150即CAN串行链接I/O（SLIO）器件、82C250 CAN收发器、P8XCE598带有集成CAN接口的电磁兼容微控制器。I
19、ntel公司生产了82527独立CAN控制器，它可通过并行总线与各种微控制器连结，也可通过串口（SP1）与无并行总线控制器如68HC05连接。由于CAN总线的高速通信速率、高可靠性、连接方便、多主站、通讯协议简单和高性能价格比等突出优点，深得许多工业应用部门的青睐，其应用由最初的汽车工业迅速发展至数控机床、农业机械、铁路运输、粮情检测、过程测控等各个方面。CAN在国外的发展迅速，奔驰型轿车采用的就是CAN总线系统；美国商用车辆制造商们也将注意力转向CAN总线；美国一些企业已将CAN作为内部总线应用在生产线和机床上。由于CAN总线可以提供较高的安全性，因此在医疗领域、纺织机械和电梯控制中也得到了
20、广泛应用。CAN总线有如下基本特点：CAN协议最大的特点是废除了传统的站地址编码，代之以对数据通信数据块进行编码，可以多主方式工作；CAN采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送数据时，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，有效避免了总线冲突；CAN采用短帧结构，每一帧的有效字节数为个（CAN技术规范2.0A），数据传输时间短，受干扰的概率低，重新发送的时间短；CAN的每帧数据都有CRC效验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性,适于在高干扰环境中使用；CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上其它操作不受
21、影响；CAN可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播集中方式传送和接受数据；CAN总线直接通讯距离最远可达10KM/5Kbps，通讯速率最高可达1Mbps/40m；采用不归零码（NRZ-Non-Return-to-Zero）编码解码方式，并采用位填充（插入）技术。现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成，几乎涵盖了所有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼半自动化、家庭自动化等等。它的出现和快速发展体现了控制领域对降低成本、提高可靠性、增强可维护性和提高数据采集的智能化的要求。现场总线技术的发展体现为两个方面：一个是低速现场总线领域的不断发展和完善；另一个是高速现场总线技
22、术的发展。而目前现场总线产品主要是低速总线产品，应用在运行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。从实际应用状况看，大多数现场总线，都能较好地实现速率要求较低的过程控制。因此，在速率要求较低的控制领域，谁都很难统一整个市场。就目前而言，由于FF基金会几乎集中了世界上主要自动化仪表制造商，其全球影响力日益增加，但其在中国市场营销力度似乎不足，市场份额不是很高，LonWorks形成了全面的分工合作体系，在国内有一些实质性的进展，在楼宇自动化、家庭自动化、智能通信产品等方面，LonWorks则具有独特的优势。在离散制造加工领域，由于行业应用的特点和历史原因，Profibus和CAN经在这一领域形成
23、了自己的优势，具有较强的竞争力。国内厂商的规模相对较小，研发能力较差，更多的是依赖技术供应商的支持，比较容易受现场总线技术供应商 (芯片制造商等)对国内的支持和市场推广力度的影响。而且，还有一个不可忽视的一点就是在构建自动化管理系统时，选择的上位机，比如组态软件对总线设备的支持程度，有些监控组态软件，比如紫金桥监控组态软件或者InTouch等对一些主流的总线设备比如Lonworks、PROFIBUS、CAN等有着良好的支持，通过DDE、OPC或者直接连接等方式进行通讯，采集数据。这样可以方便用户的选择，而一些组态软件则支持的种类较少，是用户选择的范围也随之减少。由于目前自动化技术从单机控制发展
24、到工厂自动化FA，发展到系统自动化。工厂自动化信息网络可分为以下三层结构：工厂管理级、车间监控级、现场设备级，而现场总线是工厂底层设备之间的通信网络。这里先介绍一下以太网，本文特指工业以太网，工业以太网是作为办公室自动化领域衍生的工业网络协议，按习惯主要指IEEE 802.3协议，如果进一步采用TCP/IP协议族，则采用“以太网+TCP/IP”来表示，其技术特点主要适合信息管理、信息处理系统，并在IT业得到了巨大的成功。在工厂管理级、车间监控级信息集成领域中，工业以太网已有不少成功的案例，在设备层对实时性没有严格要求场合也有许多应用。由于现场总线目前种类繁多，标准不一，很多人都希望以太网技术能
25、介入设备低层，广泛取代现有现场总线技术，施耐德公司就是该想法的积极倡导者和实践者，目前已有一批工业级产品问世和实际应用。可是就目前而言，以太网还不能够真正解决实时性和确定性问题，大部分现场层仍然会首选现场总线技术。由于技术的局限和各个厂家的利益之争，这样一个多种工业总线技术并存，以太网技术不断渗透的现状还会维持一段时间。用户可以根据技术要求和实际情况来选择所需的解决方案。2 系统总体方案设计2.1 控制器局域网（CAN）总线概述 2.1.1 CAN总线概述CAN(Controller Area Network)是控制器局域网，主要用于各种设备检测及控制的现场总线。CAN总线是德国BOSCH公司
26、20世纪80年代初为解决汽车中众多控制与测试仪器间的数据交换而开发的串行数据通信协议。这是一种多主总线，无论是在高速网络还是在低成本的节点系统，应用都很广泛。由于采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，其主要特点如下：通信方式灵活，可以多种方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动向网络上的其他节点发送信息，不分主从。CAN节点只需对报文的标识符滤波即可实现点对点、点对多点及全局广播方式发送和接收数据，其节点可分成不同的优先级，节点的优先级可通过报文标识符进行设置，优先级高的数据最多可在134s内传输，可以满足不同的实时要
27、求。CAN总线通信格式采用短帧格式，每帧字节数量多为8个字节，可满足一般工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的要求，同时，8个字节不会占用总线时间过长，保证了通信的实时性。采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优先级低的节点会主动退出数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，大大节省了总线冲突仲裁时间，在网络重载的情况下也不会出现网络瘫痪。直接通信距离最大可达10 km (速率在5 kb/s以下)，最高通信速率可达1 Mb/s (此时距离最长为40 m)；节点数可达110个,通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。CAN总线采用CRC检验并可提供相应的
28、错误处理功能，保证数据通信的可靠性，其节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,使总线上其他节点的操作不受影响。控制器局域网（CAN）是由ISO定义的串行通讯总线，它最初出现在80年代末的汽车工业里。它的基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。由于CAN串行通讯总线具有这些特性，它很自然地在汽车制造业以及航空工业中受到广泛应用。 CAN在微控制器之间需要互相通信,或微控制器和远程的外围器件要互相通信的情况下,是一个理想的解决方法。在它的原始应用环境车中，CAN最初用于关键任务的实时监控系统。例如，引擎管理系统和变速箱控制交换信息。而在这里，CAN的短报文和
29、有保证的报文延迟时间，允许每一个网络的端口都能用当前的数据工作，甚至数据的改变时间在上百个微秒时标的情况下，也可以使用这些系统。都利用CAN控制器的PeliCAN将不需要的报文滤出，以减少主CPU的负载。但是低成本的独立PeliCAN设备就允许不是实时的任务。例如，门系统带有窗的升降镜子控制等，逐步成为CAN网络的一部分。实际上，传统的线束CAN网络在一些情况下甚至在普通的器件上,譬如刹车灯和指示灯,只是附加的节点代替了两线的CAN网络。传统上CAN是一个基于微控制器的器件互相连接的网络。这意味着其每个节点的成本并不是特别的低。最有趣的发展成果就是SLIO模块这个概念，它是一个单芯片，能够在C
30、AN网络里充当一个沉默的输入输出网关，并把报文转化为实际的数字IO信号。它能读IO引脚，并把数据当作报文传输。它还能使用集成A/D转换器来生成报文，并传输引进到网络上。这些装置非常便宜，并且对于驱动远程感应器、执行器或采集数字和模拟数据都非常理想。它们能够被看作中央微控制器的远程附件，现今来说只能使用BasicCANSLIO。但毫无疑问Philips和其他PeliCAN厂家将生产出相应的PeliCAN的设备。 CAN通讯协议描述了在设备之间信息如何传递。它对层的定义与开放系统互连模型（OSI）一致。每一层与另一设备上相同的那一层通讯。实际的通讯是发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理
31、层的物理介质互连。CAN的结构定义了模型的最下面的两层：数据链路层和物理层。应用层通过不同的新兴协议层（专门用于特殊的工业领域，加上由个别CAN用户定义的任何合适的方案）和物理层连接。 可能最好的CAN协议工业标准，也许就是Allen-Bradley的DeviceNet。它是为PLC和智能传感器设计的。国际上广泛应用的CAN协议工业标准还有CANopen和SDS。 物理介质包括带有特定终端的双绞线。在BasicCAN的规范中，它的传输速率能达到250Kbaud，而PeliCAN能达到1Mbaud。 物理层和数据链路层对于系统设计者来说是透明的，并包含在所有CAN协议的部件中。这些部件有：带有集
32、成CAN接口的微控制器，例如8051兼容的PhilipsP97C591处理器和16位的PhilispXA。82C200、SJA1000是一个独立的CAN控制器，它可以和很多微控制器直接接口。而与物理介质连接可以用分离部件或者82C250、TJA1050集成电路或相似的方法实现。SIEMENS、NEC和NTEL也提供独立的CAN控制器。在过去的20年的时间里，建议性标准RS-485作为一种多点差分数据传输的电气规范，被应用在许多不同的领域。作为数据传输链路，目前在我国应用的现场总线中，RS-485半双工全双工异步通信总线也是被各个研发机构广泛使用的数据通信总线。但是基于在RS-485总线上，只能
33、有一个主机的特点，它往往应用在集中控制枢纽与分散控制单元之间。由于RS-485总线本身存在的许多局限性，随着科技的发展，RS-485的总线效率低、系统的实时性差、通讯的可靠性低、后期维护成本高、网络工程调试复杂、传输距离不理想、单总线可挂接的节点少、应用不灵活等缺点慢慢的暴露出来。虽然许多工程师生产厂商等提出了改进的方法和建议，但都不能从根本上解决RS-485这些先天性的问题。于是应用RS-485的生产厂商开始寻求一种更好的更彻底的解决方案。CAN-bus总线在通信能力可靠性实时性灵活性易用性传输距离远，成本低等方面有着明显的优势，成为业界最有前途的现场总线之一。据CIA统计，2001年仅在欧
34、洲就销售了超过1亿个CAN-bus节点，几乎淘汰了所有的RS-485系统。但在国内基于历史或者其他的原因，大多数的厂商工程师在设计产品工程立项时，第一想到的是应用RS-485总线系统。这不能不说是一种遗憾，所以在国内的RS-485总线仍然会有一段生命周期。 常用的CAN收发器有PCA82C250/251TJA1050TJA1040等型号。TJA1040TJA1050和CA82C250/251一样是一个遵从ISO11898的高速CAN收发器，可以在汽车电子工业控制中使用。TJA1050的设计使用了最新的EMC技术，它采用了先进的绝缘硅SOI技术进行处理。TJA1050比PCA82C250/251
35、使用分离终端的抗电磁干扰性能提高了20dB。TJA1050集中在典型的clamp-15应用上，使用在汽车点火之后仍然保持不上电状态，因此TJA1050不提供待机模式。特别要注意的是，器件在不上电环境下的无源特性。TJA1040是以TJA1050的设计为基础，由于使用了相同的SOI技术，TJA1040具有和TJA1050一样出色的EMC特性。和TJA1050不同的是，TJA1040象PCA82C250251一样有待机模式，可以通过总线远程唤醒。这样TJA1040可以认为是PCA82C250/251的功能上的后继者。TJA1040还具有和PCA82C250/251一样的收发器引脚和功能。所以TJA
36、1040可以与PCA82C250/251兼容，并简单地替代PCA82C250/251。特别是TJA1040还首次提供在不上电环境下理想的无源特性。TJA1040比PCA82C250/251有几个优胜的地方：如果不上电在总线上完全无源如果VCC关闭总线上看不到；在待机模式时电流消耗非常低最大15A；改良的电磁辐射EME性能；改良的电磁抗干扰EMI性能；SPLIT引脚代替Vref引脚对总线的DC稳压很有效。TJA1040可以向下兼容PCA82C250/251，并且可以在很多已有的PCA82C250/251应用中使用，而硬件和软件不需要作任何修改。CAN的发展前景非常乐观，尽管CAN协议已经有15年
37、的历史，但它仍处在改进之中。从2000年开始，一个由数家公司组成的ISO任务组织，定义了一种时间触发CAN报文传输的协议BerndMueller。博士ThomasFuehrerBosch公司人员和半导体工业专家学术研究专家将此协议定义为时间触发通讯的CANTTCAN计划。在将来标准化为ISO11898-4。这个CAN的扩展已在硅片上实现，不仅可实现闭环控制下支持报文的时间触发传输而且可以实现CAN的x-by-wire应用。因为CAN协议并未改变，所以在同一个的物理层上既可以实现传输时间触发的报文，也可以实现传输事件触发的报文。TTCAN将为CAN延长5-10年的生命期，现在CAN在全球市场上仍
38、然处于起始点，当得到重视时，谁也无法预料CAN总线系统在下一个1015年内的发展趋势。这里需要强调一个现实，近几年内美国和远东的汽车厂商将会在他们所生产汽车的串行部件上使用CAN。另外大量潜在的新应用，例如娱乐。正在呈现不仅可用于客车也可用于家庭消费，同时结合高层协议应用的特殊保安系统对CAN的需求也正在稳健增长。德国专业委员会BIA和德国安全标准权威TV已经对一些基于CAN的保安系统进行了认证。CANopen-Safety是第一个获得BIA许可的CAN解决方案，DeviceNet-Safety也会马上跟进。全球分级协会的领导者之一GermanischerLloyd正在准备，提议将CANope
39、n固件应用于海事运输，在其他事务中规范定义，可以通过自动切换将CANopen网络转换为冗余总线系统。2.1.2 CAN总线的协议依据国际标准化组织开放系统互连参考模型以及CAN的ISOOSI参考模型的层结构。对CAN协议的媒体访问控制子层的一些概念和特征做如下说明： (1)报文(Message) 总线上的报文以不同报文格式发送，但长度受到限制。当总线空闲时，任何一个网络上的节点都可以发送报文。 (2)信息路由(Information Routing) 在CAN中，节点不使用任何关于系统配置的报文，比如站地址，由接收节点根据报文本身特征判断是否接收这帧信息。因此系统扩展时，不用对应用层以及任何节
40、点的软件和硬件作改变，可以直接在CAN中增加节点。 (3)标识符(Identifier) 要传送的报文有特征标识符(是数据帧和远程帧的一个域)，它给出的不是目标节点地址，而是这个报文本身的特征。信息以广播方式在网络上发送，所有节点都可以接收到。节点通过标识符判定是否接收这帧信息。 (4)数据一致性应确保报文在CAN里同时被所有节点接收或同时不接收，这是配合错误处理和再同步功能实现的。 (5)位传输速率不同的CAN系统速度不同，但在一个给定的系统里，位传输速率是唯一的，并且是固定的。 (6)优先权 由发送数据的报文中的标识符决定报文占用总线的优先权。标识符越小，优先权越高。 (7)远程数据请求(
41、Remote Data Request) 通过发送远程帧，需要数据的节点请求另一节点发送相应的数据。回应节点传送的数据帧与请求数据的远程帧由相同的标识符命名。 (8)仲裁(Arbitration) 只要总线空闲，任何节点都可以向总线发送报文。如果有两个或两个以上的节点同时发送报文，就会引起总线访问碰撞。通过使用标识符的逐位仲裁可以解决这个碰撞。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发送时，数据帧优先于远程帧。在仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。如果电平相同，则这个单元可以继续发送，如果发送的是“隐性”电平而监视到的是“显性”电平
42、，那么这个单元就失去了仲裁，必须退出发送状态。 (9)总线状态 总线有“显性”和“隐性”两个状态，“显性”对应逻辑“0”，“隐性”对应逻辑“1”。“显性”状态和“隐性”状态与为“显性”状态，所以两个节点同时分别发送“0”和“1”时，总线上呈现“0”。CAN总线采用二进制不归零(NRZ)编码方式，所以总线上不是“0”，就是“1”。但是CAN协议并没有具体定义这两种状态的具体实现方式。 (10)故障界定(Confinement) CAN节点能区分瞬时扰动引起的故障和永久性故障。故障节点会被关闭。 (11)应答接收节点对正确接收的报文给出应答，对不一致报文进行标记。 (12)CAN通讯距离最大是10
43、公里（设速率为5Kbps）或最大通信速率为1Mbps(假设通信距离为40米)。 （13）CAN总线上的节点数可达110个。通信介质可在双绞线，同轴电缆，光纤中选择。 （14）报文是短帧结构，短的传送时间使其受干扰概率低，CAN有很好的效验机制，这些都保证了CAN通信的可靠性。CAN总线的物理层是将ECU连接至总线的驱动电路。ECU的总数将受限于总线上的电气负荷。物理层定义了物理数据在总线上各节点间的传输过程，主要是连接介质、线路电气特性、数据的编码解码、位定时和同步的实施标准。BOSCH CAN基本上没有对物理层进行定义，但基于CAN的ISO标准对物理层进行了定义。设计一个CAN系统时，物理层
44、具有很大的选择余地，但必须保证CAN协议中媒体访问层非破坏性位仲裁的要求，即出现总线竞争时，具有较高优先权的报文获取总线竞争的原则，所以要求物理层必须支持CAN总线中隐性位和显性位的状态特征。在没有发送显性位时，总线处于隐性状态，空闲时，总线处于隐性状态；当有一个或多个节点发送显性位，显性位覆盖隐性位，使总线处于显性状态。在此基础上，物理层主要取决于传输速度的要求。在CAN中，物理层从结构上可分为三层：分别是物理层信令、物理介质附件层和介质从属接口层。其中PLS连同数据链路层功能由CAN控制器完成，PMA层功能由CAN收发器完成，MDI层定义了电缆和连接器的特性。目前也有支持CAN的微处理器内
45、部集成了CAN控制器和收发器电路，如MC68HC908GZl6。PMA和MDI两层有很多不同的国际或国家或行业标准，也可自行定义，比较流行的是ISOll898定义的高速CAN发送接收器标准。理论上，CAN总线上的节点数几乎不受限制，可达到2000个，实际上受电气特性的限制，最多只能接100多个节点。 CAN的数据链路层是其核心内容，其中逻辑链路控制(Logical Link control，LLC)完成过滤、过载通知和管理恢复等功能，媒体访问控制(Medium Aeeess control，MAC)子层完成数据打包解包、帧编码、媒体访问管理、错误检测、错误信令、应答、串并转换等功能。这些功能都
46、是围绕信息帧传送过程展开的。 在CAN2.0B的版本协议中有两种不同的帧格式，不同之处为标识符域的长度不同，含有ll位标识符的帧称之为标准帧，而含有29位标识符的帧称为扩展帧。如CAN1.2版本协议所描述，两个版本的标准数据帧格式和远程帧格式分别是等效的，而扩展格式是CAN2.0B协议新增加的特性。为使控制器设计相对简单，并不要求执行完全的扩展格式，对于新型控制器而言，必须不加任何限制的支持标准格式。但无论是哪种帧格式，在报文 传输时都有以下四种不同类型的帧： (1)数据帧(Data ) 数据帧将数据从发送器传输到接收器。 (2)远程帧(Remote ) 总线单元发出远程帧，请求发送具有同一标
47、识符的数据帧。 (3)错误帧(Error ) 任何单元检测到总线错误就发出错误帧。 (4)过载帧(Overload ) 过载帧用在相邻数据帧或远程帧之间提供附加的延时。 数据帧或远程帧与前一个帧之间都会有一个隔离域，即帧间间隔。数据帧和远程帧可以使用标准帧及扩展帧两种格式。2.2 系统总体方案的确定2.2.1 微控制器的选取方案论证方案一：利用常用的AT89C52作为主控制器，协调独立CAN控制芯片完成本系统方案的设计。虽然51单片机目前使用最为广泛，使用人数也非常众多，但是由于其仍然是8位的CPU架构，在系统的低功耗方面以及一些常用资源模块方面显得有些不足，例如没有SPI接口，这使得它同有些
48、独立CAN控制比如MCP2510接口就需要用普通IO口来模拟SPI时序，不仅浪费系统资源，在速度上也得不到保证。 方案二：选用美国德州仪器公司的超低功耗微控制器MSP430系列单片机最为主控制器，MSP430系列单片机是美国德州仪器公司与1996年开始向市场上推广的一种16为超低功耗混合信号处理器（Mixed Signal Processor），称之为混合信号处理器是由于其针对设计应用，把许多模拟电路、数字电路以及微处理器和一些相关资源集成在一个芯片上，以提供“单片解决方案”，由于其独特的超低功耗设计，使得单片机在RAM数据保持方式下耗电仅有0.1uA，在活动模式下也仅仅耗电250uA/MIPS（MIPS：每秒百万条指令数），另外，由于MSP430系列大部分单片机均自带有SPI接口，从而使得它同一些带有SPI接口的独立CA