基于单片机的CAN实验系统设计文献综述

机 电 与 车 辆 学 院

毕 业 设 计（论 文）

文 献 综 述

题 目：基于单片机的CAN实验系统设计

专 业： 电子信息工程

班 级： 082

姓 名：

学 号：

指导教师：

日 期： 2012年5月29日

基于单片机的CAN实验系统设计

摘要：

控制器局域网CAN为串行通信协议,能有效地支持具有很高安全等级的分的实时控制。CAN的应用范围很广，从高速的网络到低价位的多路配线都可以使用CAN。在汽车的电子行业里，使用CAN连接发动机控制单元、传感器、防滑系统等，其传输速度可达1Mbps。同时，可以将CAN安装在卡车本体的电子控制系统里，诸如车灯组、电气窗等，用以代替接线配线装置

关键词: CAN 控制器 串行通信协议

引言

现场总线是自动化技术发展的热点，它的出现标志着工业控制技术领域进入了一个新时代。CAN（Controller Area Network）总线作为现场总线的一个分支,以其独特的设计思想、优良的性能和极高的可靠性越来越受到工业界的青睐。CAN从最初的汽车行业发展为现在工业中必不可少的现场总线之一。比如发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中均嵌入了CAN控制装置。 单片机也是目前发展最热门的行业之一，近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此越来越广泛地应用各个领域.

本文将目前发展最为热的两个行业相结合，设计了一款以单片机为核心控制器件、基于CAN总线协议的实验开发板。本实验开发板即适合学习单片机相关知识，也适合学习CAN总线，是一款初学电子设计者是最佳学习器件。 1 CAN总线

1.1 CAN总线概述

CAN全称为Controller Area Network,即控制器局域网，CAN总线是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初,CAN总线技术被应用到汽车环境中的微控制器通信，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中均嵌入了CAN控制装置。

CAN协议也是建立在国际标准化组织的开放系统互模型基础上的，不过其模型只有三层，即只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶层。其信号传输介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤维。CAN可提供高达1Mbps的数据传输速率（此时通信距离最长为40m），直接传输距最远可达10km（速率5Kbps以下）。CAN总

线通信接口集成了CAN协议的物理和数据链路层功能，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。CAN协议的一个最大特点是废除了理论上不受限制，但在实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。例如，当使用Philips PCA82C250作为CAN收发器时，同一风络中允许挂接110个节点。数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，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。

另外，CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，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。当节点严重错误时，具有自动关闭功能，以切断节点与总线的联系，使总线上的其他节点及通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计使其特别适合工业过程监控设备互连。

1.2 CAN总线的基本结构

1.2.1 CAN总线的作用

CAN（“Controller Area Network”，控制器局域网）总线的作用就是将整车中各种不同的控制器连接起来，实现信息的可靠共享，并减少整车线束数量。可以设想一种极端情况，如下图所示：

如果整车上所有的用电设备都是一个独立的CAN总线节点，并且每一个节点都向外发送自己当前的状态，并且接受来自外部的信息，那么整车的控制只需要一条CAN总线控制线和电源线就可以了！

1.2.2 CAN总线的基本工作原理

跟其他总线一样，CAN总线的通信也是通过一种类似于“会议”的机制实现的，只不过会议的过程并不是由一方（节点）主导，而是，每一个会议参加人员都可以自由的提出会议议题（多主通信模式），二者对应关系如下：

1.2.3 CAN总线工作原理

1.2.4 CAN总线网络结构

1.3 CAN协议简介

1.3.1 CAN 的分层结构

CAN 遵从OSI (Open System InterconnectionReference Model) 模型，其分层结构由高到低如下所示。

(LLC)逻辑键路控制子层数据链路层媒体访问控制子层(MAC)

物理层(PLS)

对应OSI 模型为两层，实际为三层，即LLC、MAC、PLS。由此而知，对应于CAN 总线系统每个节点都是三层结构。数据发送节点数据流为LLC→MAC→PLS，然后将数据发送到总线上；而对于挂在总线上的所有节点（包括发送节点）的接收的数据流为PLS→MAC→LLC。

这种分层结构的规范保证了CAN 总线的多主方式工作模式，即不分主从，非破坏性的仲裁工作模式。而LLC 层的报文滤波功能可实现点到点、一点对多点、全局广播、多点对一点，多点对多点等数据

传递方式。各分层主要功能如下：LLC 层：接收滤波、超载通知、恢复管理；MAC 层：控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定、故障界定。该层是CAN 的核心；PLS 层：位编码/解码、位定时。

二、CAN 总线的报文规范

CAN 报文的传送有4 种不同类型的帧结构，数据帧、远程帧、出错帧、超载帧。CAB2.0B 有4 种帧格式。

（一）数据帧

数据帧携带由发送节点到接收节点（或发送器到接收器），由7 个不同的位场组成：帧起始位、仲裁场、控制场、数据场、CRC 场、应答场、帧结束。如图2 所示。

1.4 CAN总线应用系统的前景展望

1.4.1 CAN总线应用系统的前景

CAN在与人类生活息息相关的各种应用领域中使用。1)在运输中，CAN最初开发用于客车的车载联网。现在，CAN用于客车、中型车辆、火车和轨道车辆、船舰和其它车辆中。2)在制造中，CAN在各种制造业中广泛使用，主要用于嵌入式机器控制，但也可用于工厂自动化、过程自动化和发电。3)在建筑中，CAN在建筑机械中作为嵌入式网络使用。它还可用于楼宇自动化，例如，电梯控制、嵌入式门控制和HVAC(供暖、通风和空调)。4)在农业中，CAN在固定设备(例如挤 奶机)和农业和林业机器中都有使用。这包括拖拉机中的动力系统及工具中的嵌入式网络。5)在卫生保健中，CAN作为医疗设备、重病监护室和其它卫生保健设备中的嵌入式控制网络使用。6)在通讯中，CAN用于邮政和包裹及电信设备中的嵌入式控制。例如，分拣机和输送机，使用CAN来实现嵌入式控制。7)在零售业和金融业中，CAN用于自动售货机内的嵌入式控制，包括加油站设备和自动取款机。8)在娱乐行业中，CAN在演播室和舞台控制系统中使用，例如，照明控制和门控制。另外，还在赌博}#LSn玩具中使用。

下面对几个主要方面应用情况加以详细介绍。

在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1 986年Bosch公司开发出面向汽车的CAN通信协议。此后，CAN通过IS01 1 898及lS01 1 51 9进行了标；隹化，现在在欧洲已是汽车网络的标；隹协议。CAN总线成为汽车智能化控制的“定海神针”。它在汽车领域上的应用是最广泛的，世界上一些著名的汽车制造厂商，如BENZ(奔驰)、BMW(宝马)、PORSCHE(保时捷)、ROLLS—ROYCE(劳斯菜斯)等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。在现代轿车的设计中，CAN已经成为必须采用的装置，如发动机自动点火、注油、复杂的加速刹车控制(ASC)、抗锁定刹车系统(ABS)和抗滑系统等。据报道，中国首辆CAN网络系统混合动力轿车已在奇瑞公司试装成功。上海大众的帕萨特和POL0汽车上也开始引入了CAN总线技术。但总的来说，目前CAN总线技术在我国汽车工业中的应用尚处于试验和起步阶段。国内在技术、设计和应用上进行网络总线的“深造”势在必行。据业内资深人士分析，未来几年内CAN总线仍占据汽车网络技术的主导。CAN在多种医疗设备中均有使用，例如X射线机、磁共振机、血管造影机、计算机X射线断层造影术及其它应用等。医疗影像设备还可通过基于CANopen的开放式网络连接至造影剂注射器。如X射线机中的CANopen，X射线机中的CANopen(Ⅱ)，质子束机中的CANopen等应用实例。在工业过程控制领域，CAN也得到了广泛的应用。在喷浆机器人电控系统中应用了CAN总线技

术，设计了硬件电路和软件，并在机器人中得到实际应用。

1.4.2 CAN总线应用系统的展望

现场总线技术已开始进入商品化和实施阶段。现场总线是21世纪 的开放式的控制系统一现场控制系统FCS。FCS将从根本上改变了 控制系统的结构，工程技术方面也受到了冲击，现场仪表的设置、配 线、试验调整等的一系列系统集成方法也将随之改变。所以，国外也有 把现场总线说成是工业革命的第5阶段。毫无疑问，在自动化仪表和工 业过程控制领域中有着巨大的作用。