一、can總線的概述
can,全稱為“controller area network”,即控制器局域網(wǎng)，是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。最初，can被設計作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ecu之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡。比如：發(fā)動機管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統(tǒng)中，均嵌入can控制裝置。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。一個由can 總線構成的單一網(wǎng)絡中，理論上可以掛接無數(shù)個節(jié)點。實際應用中，節(jié)點數(shù)目受網(wǎng)絡硬件的電氣特性所限制。為適應“減少線束的數(shù)量”、“通過多個lan,進行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，1986 年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的can 通信協(xié)議。此后，can 通過iso11898 及iso11519 進行了標準化，在歐洲已是汽車網(wǎng)絡的標準協(xié)議。
二、can總線的分層結構
can遵從osi模型，按照osi基準模型，can結構劃分為兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，如下圖所示。
1.按照ieee 802.2和802.3 標準，數(shù)據(jù)鏈路層又劃分為：
1）邏輯鏈路控制（llc-logic link control）。
2）媒體訪問控制（mac-medium access control）。
2.物理層又劃分為：
1）物理信令（pls-physical signalling）。
2）物理媒體附屬裝置（pma-physical medium attachment）。
3）媒體相關接口（mdi-medium dependent interface）。
mac子層運行借助稱之為“故障界定實體（fce）”的管理實體進行監(jiān)控。故障界定是使判別短暫干擾和永久性故障成為可能的一種自檢機制。物理層可借助檢測和管理物理媒體故障實體進行監(jiān)控（例如總線短路或中斷，總線故障管理）。llc和mac兩個同等的協(xié)議實體通過交換幀或協(xié)議數(shù)據(jù)單元（pdu-protocol data unit）和（n）-用戶數(shù)據(jù)組成，為傳送一個npdu,（n-1）層實體必須通過（n-1）服務訪問點（sap-service access point）[（n-1）-sap].npdu借助于（n-1）層服務數(shù)據(jù)單元（sdu-service data u nit）[（n-1）-sdu]傳至（n-1）層，其服務功能允許npdu的傳送。sdu是接口數(shù)據(jù)，對其識別預先在（n）層實體間進行，亦即，它表示邏輯數(shù)據(jù)單元由服務進行傳送。can協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈層既不提供分配一個sdu至多個pdu,也不提供分配多個sdu至一個pdu的方法，亦即，npdu直接由相應的nsdu和層指定控制信息n-pci構成。
三、can總線的原理介紹
當can總線上的一個節(jié)點（站）發(fā)送數(shù)據(jù)時，它以報文形式廣播給網(wǎng)絡中所有節(jié)點。對每個節(jié)點來說，無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的，都對其進行接收。每組報文開頭的11位字符為標識符，定義了報文的優(yōu)先級，這種報文格式稱為面向內容的編址方案。在同一系統(tǒng)中標識符是唯一的，不可能有兩個站發(fā)送具有相同標識符的報文。當幾個站同時競爭總線讀取時，這種配置十分重要。當一個站要向其它站發(fā)送數(shù)據(jù)時，該站的cpu將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標識符傳送給本站的can芯片，并處于準備狀態(tài)；當它收到總線分配時， 轉為發(fā)送報文狀態(tài)。can芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報文格式發(fā)出，這時網(wǎng)上的其它站處于接收狀態(tài)。每個處于接收狀態(tài)的站對接收到的報文進行檢測，判斷這些報文是否是發(fā)給自己的，以確定是否接收它。
由于can總線是一種面向內容的編址方案，因此很容易建立高水準的控制系統(tǒng)并靈活地進行配置。我們可以很容易地在can總線中加進一些新站而無需在硬件或軟件上進行修改。當所提供的新站是純數(shù)據(jù)接收設備時，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不要求獨立的部分有物理目的地址。
四、can總線的特點
can具有十分優(yōu)越的特點，使人們樂于選擇。這些優(yōu)越的特點包括：
（1）它是一種多主總線，即每個節(jié)點機均可成為主機，且節(jié)點機之間也可進行通信。
（2）網(wǎng)絡各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強。can總線構成的網(wǎng)絡各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強，并且容易構成冗余結構，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。
（3）通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維，通信速率可達1mb/s.
（4）can總線通信接口中集成了can協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層作用，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余校驗、優(yōu)先級判別等項工作。
（5）can協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，雨代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點是可使網(wǎng)絡內的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標識碼可由11位或29位二進制數(shù)組成，因此可以定義211或229個不同的數(shù)據(jù)塊，這種數(shù)據(jù)塊編碼方式，還可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點在分步式控制中非常重要。
（6）數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，從而倮證了通信的實時性。
（7）can協(xié)議采用crc檢驗并可提供相應的錯誤處理作用，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。can總線所具有的卓越性能、極高的可靠性和獨特設計，特別適合工業(yè)設各測控單元互連。因此備受工業(yè)界的重視，并已公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一。
五、can與其它通信方案的比較
can總線與其它通信網(wǎng)的不同之處在于：
一是報文傳送中不包含目標地址，它是以全網(wǎng)廣播為基礎。各接收站根據(jù)報文中反映數(shù)據(jù)性質的標識符過濾報文，該收的收下，不該收的丟棄。其好處是可在線上網(wǎng)下網(wǎng)、即插即用和多站接收；
二是特別強化了對數(shù)據(jù)安全性的關注，滿足控制系統(tǒng)及其它較高數(shù)據(jù)要求的系統(tǒng)需求。
在實踐中，有兩種重要的總線分配方法：按時間表分配和按需要分配。在第一種方法中，不管每個節(jié)點是否申請總線，都對每個節(jié)點按最大期間分配。由此，總線可被分配給每個站并且是唯一的站，而不論其是立即進行總線存取或在一特定時間進行總線存取。這將保證在總線存取時有明確的總線分配。在第二種方法中，總線按傳送數(shù)據(jù)的基本要求分配給一個站，總線系統(tǒng)按站希望的傳送分配。因此，當多個站同時請求總線存取時，總線將終止所有站的請求，這時將不會有任何一個站獲得總線分配。為了分配總線，多于一個總線存取是必要的。
can實現(xiàn)總線分配的方法，可保證當不同的站申請總線存取時，明確地進行總線分配。這種位仲裁的方法可以解決當兩個站同時發(fā)送數(shù)據(jù)時產生的碰撞問題。不同于ethernet網(wǎng)絡的消息仲裁，can的非破壞性解決總線存取沖突的方法，確保在不傳送有用消息時總線不被占用。甚至當總線在重負載情況下，以消息內容為優(yōu)先的總線存取也被證明是一種有效的系統(tǒng)。雖然總線的傳輸能力不足，所有未解決的傳輸請求都按重要性順序來處理。在csma/cd這樣的網(wǎng)絡中，如ethernet,系統(tǒng)往往由于過載而崩潰，而這種情況在can中不會發(fā)生。
總而言之，現(xiàn)場總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強有力的技術支持。