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1、 广州致远电子有限公司 文库资料 2017 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd. 文章源自广州致远电子有限公司，转载或引用请注明出处 1 工业通讯 -CAN bus通信产品 第 1章 现场总线 CAN-bus 1.1 从“罐头”说起 我们知道英文单词“ can”有一个意思是罐头，那我们就借题发挥从“罐头”说起吧。 很多人小时候都自制过一种叫传声筒的玩具，就是在两个罐头的底部打孔后，用一根绳子将两个罐头系起来。一旦绳子绷紧后，对这一个罐头喊话，另一罐头就可以传出声音。它的原理很简单，对着喊话的那个罐头把声波产生的振动传导到绷紧的绳子上，绳子再
2、将这种振动传导到另一个罐头上，这个罐头又把这种振动传导给空气形成声波。这样就可以实现一侧说话一侧听了。 图 1.1 童年的传声筒 因为声音在传声筒中是以振动波的形式传递的，我们可以设想，如果要一人说话多人听那该怎么办呢？这很容易实现，只要在绳子上系上更多的传声筒，让振动波可以传到更多的罐头里，自然可以就可以实现“多方通话”了。当然，因为声波能量有限，绳子上系的罐头越多，每个罐头分配到的能量就越少，收听到的声音也就越小。 其实本章要介绍的现场总线和传声筒这种原始通信工具的原理是相通的。只不过电电缆取代了绳子，电信号取代了振动波，电路板取代了罐头，喊话的内容则由各种需要传递的数据 取代了。典型的现
3、场总线应用如 图 1.2 所示，和上面的传声筒是不是很相似呢？ 图 1.2 现代的现场总线 1.2 通信的层次 通信是分层的，这个概念应该贯彻在我们学习任何通信系统的整个过程中。我们仍以上面的传声筒游戏为例，假如小男孩想表达“你好”的意思，那他不会关心声音如何让罐头振动，更不会关心“你好”在绳子上是以横波还是纵波传输的，他关心的是自 己表达的意思对方能不能理解。在通信层次划分上来说，两个小朋友就处于“应用层”。很显然，应用层是整个通信系统存在的唯一目的，任何通信系统都是为应用层服务的。 相对于“你好”这个想法，说出“你好”这个词就有很多种表达方法了，可以是中文、英 广州致远电子有限公司 文库资
4、料 2017 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd. 文章源自广州致远电子有限公司，转载或引用请注明出处 2 工业通讯 -CAN bus通信产品 文、日文等等。这在通信层次划分上来说，意思的表达就处于“会话表示层”了。显然，双方只有表示层一致才能正确理解对方的意思。假如是两个说不同语言的小朋友一起玩传声筒的游戏，估计就没法玩了。 在说出“你好”这个词后，就轮到罐头来显身手了。罐头可以决定以什么样的方式传输信息可以让其它罐 头也获取到这些信息，这相当于通信层次中的“数据链路层”。 处于整个通信系统中最底层的是绳子，它起着传导振动信号的作用，绳子
5、上振动信号频率与幅度的组合就反映了传递信息。这相当于通信层次中的“物理层”。 通过上面的描述，在我们脑中已经有了一个通信系统的轮廓，我们来大致归纳一下： 绳子处于“物理层”，它只传输各种频率与幅度不同的振动信号，却并不关心这些信号的意思； 罐头处于“数据链路层”，他负责收集信息并驱动绳子把信息传递给其它罐头； 说话这个动作处于“会话表示层”，该动作负责把想表达的意思用某种特定方式表达出来 ； 小朋友们处于“应用层”，他们是整个通信系统的用户，整个通信系统就是为传递用户的信息而设计并存在的。 尽管上面的例子不是非常贴切，但是读者应该已经清楚通信系统是分层的。实际上，国际标准化组织（ ISO）对通
6、信系统做了更详细的划分，如 表 1.1 所示。我们在学习或者调试某个通信系统时，头脑中一定要清楚当前正在分析的问题处于通信系统的哪个层面，不要出现物理层的绳子断了，却希望通过调整表示层的语言来修复通信。 表 1.1 OSI开放系统互连模型 的各层定义 层号 名 称 用 途 7 应用层 最高层。用户、软件、网络终端等之间用来进行信息交换 6 表示层 将两个应用不同数据格式的系统信息转化为能共同理解的格式 5 会话层 依靠低层的通信功能来进行数据的有效传递 4 传输层 两 通信 节点之间数据传输控制 ， 操作如：数据重发，数据错误修复 3 网络层 规定了网络连接的建立、维持和拆除的协议 ， 如：路
7、由和寻址 2 数据链路层 规定了在介质上传输的数据位的排列和组织 ， 如：数据校验和帧结构 1 物理层 规定 通信 介质的物理特性 ， 如：电气特性和信号交换的解释 1.3 什么是现场总线 从字面意思和前面的内容我们可以大致归纳出现场总线的定义，就是应用于工业现场，采用总线方式连接多个设备，用于传输工业现场各种数据的一类通信系统。注意这里的工业现场不是狭义的指车间工厂，而是指主要用于机器之间通信的场合。所以即使在家庭中也可能存在用于安防的现场总线。 小知识点：“总线”的概念 如果读者是第一次接触“总线”的概念，可能不是很理解其含义。我们可以把线路上传输的信号理解成要从 A地前往 B地办事的人
8、。点对点连接就像乘坐私人轿车出行，因为行车线路是从出发地直达目的地的。总线连接就像乘坐公共汽车出行，公共汽车有自己的行车线路，这条线路通常会经过许多站点，只要这条线路会经过你要去的地方，你就可以乘坐这辆公共汽车。显然乘坐私人轿车出行是最直接的，因为他不会去你不想去的地方。但是如果所有人出行都选择私人轿车，道路将会非常拥挤（对应到设备中，点对点连接将会需要非常 广州致远电子有限公司 文库资料 2017 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd. 文章源自广州致远电子有限公司，转载或引用请注明出处 3 工业通讯 -CAN bus通信产品 多的连线）。
9、所以现在城市管理者都建议大家出行乘坐交通工具。虽然公共汽车不如轿车直接，但是因为可以把为轿车服务的社会资源用于公共交通的建设，这会极大的提高 公共交通的速度和容量，这也就弥补了其劣势。 总线的英文是“ bus”，这是非常形象的。要传输的信号在一条公共通道上传输，信息接受者从通道上接收所有信号，并根据规则过滤出发送给自己的信号进行处理。 根据应用领域不同世界上存在很多种现场总线，有些适用于车辆，有些适用于工厂生产线，有些适用于智能楼宇，甚至还有专门为室内灯光控制而设计的总线。 表 1.2 列出了一些主流的现场总线。 表 1.2 主流的现场总线标准 序 名称 推广组织 /厂商 说明 1 CAN B
10、OSCH 常用的现场总线，由 CiA、 ODVA、 SAE 等协会管理与推广 2 ControlNet CI AB、 Rockwell 制定的现场总线，应用于工业控制领域 3 Profibus PNO 德国 SIEMENS 制定， 欧洲现场总线标准三大总线之一 4 WorldFIP WorldFIP 法国制定， 欧洲现场总线标准三大总线之一 5 Interbus InterbusClub 德国 PHOENIX 制定，应用于工业控制 6 H1、 H2 FF 基金会现场总线控制系统 ，适用于石油化工领域 7 IEC61375 ISO 国际标准列车通信网 TCN，包括 MVB 与 WTB 两类 8
11、LonWorks Echelon 美国 Echelon 制定与维护，应用于 建筑自动化 、 列车通信 9 HART HART 早期的一种现场总线标准，适用于智能测控仪表 10 CC-Link MITSUBSHI 工业 PLC 与运动控制领域的现场总线 尽管现场总线种类很多，但它们具有以下一些基本的共性： 开放性 ：总线规范开放，任何厂家都可以设计生产基于某种现场总线的产品； 数字化 及 双向串行 传输：以较低的布线成本实现远距离传输； 支持多点通信的特点 ：在同一个通信网络上可以挂接多个设备； 能够满足工业控制现场的复杂环境、实时 通信 、抗干扰能力等方面的要求。 现场总线 的推出引起了工业通
12、信的一场革命，其 综合了数字通信、计算机、自动控制、网络 、电子、 智能仪表 、传感器 等多种技术 于一体 ，突破了传统的点对点式模拟信号或数字 /模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统。 1.4 CAN总线简介 从 19 世纪发明汽车以来，人们就一直在乘坐的舒适性、安全性 和操控性方面不停的改进和创新，车上的电子设备也越来越多。这些电子设备通大多是需要协同工作的，这就要求各部件之间能互相通信。早期的通信是采用点对点连接的，这会使车上的电缆数量随着电子部件的增加而成指数上升，到上世纪八十年代时，车身电缆及接头数量几乎到了无法管理的数量了
13、。过多的线路降低了汽车的可靠性和可维护性。 为了解决这一问题，聪明的工程师们开始尝试各种通信方式以减少电缆数量，其中 BOSCH与 Intel 从 1983 年开始研究的总线型通信方式 CAN-bus 脱颖而出，并在 1986 年正式发布。宝马（ BMW）公司很 快在 1989 年推出了第一款使用 CAN-bus 通信的汽车。该款汽车因为使用了新型的通信方式，车上电缆长度至少缩短了 2000 米（相当于绕标准跑道 5 圈），重量减轻了50 公斤。 广州致远电子有限公司 文库资料 2017 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd. 文章源自广州致
14、远电子有限公司，转载或引用请注明出处 4 工业通讯 -CAN bus通信产品 图 1.3 点对点连接与总线连接的对比 从此 CAN-bus 开始了其辉煌的历程： 1990 年，奔驰发布了第一辆使用 CAN-bus 的轿车。现在 ，几乎每一辆新 生产的汽车均装配有 CAN-bus 网络 ； 1993 年， CAN-bus 总线 被制定成 为国际标准 ISO11898（ 高速应用 ） 和 ISO11519（低速应用） ； 1994 年，欧洲成立了 CiA 厂商协会，美洲成立了 ODVA 厂商协会，专门支持 CAN-bus总线的两大应用层协议 CANopen 协议与 DeviceNet 协议 ； 1
15、999 年，接近 6 千万个 CAN 控制器投入应用； 2000 年，市场销售超过 1 亿个 CAN-bus 器件。 尽管 CAN-bus 最早是为解决汽车通信问题而问世的，但是其凭借可靠、实时、经济和灵活的特点， CAN 总线很快在其它行业得到广泛应用，特别是在工业控制领域更是如鱼得水。 现在CAN-bus 总线已经 成为全球范围内 最重要的 现场 总线之一 ， 甚至领导着 现场 总线。 CAN-bus 的规范定义了 ISO 规范中的物理层和数据链路层，一些国际组织定义了应用层，例如 CiA 组织的 CANopen， ODVA 组织的 DeviceNet 等，也有一些用户根据需求自行设计应用层。 ISO/OSI 模型与 CAN-bus 的对应关系详见 图 1.4。 广州致远电子有限公司 文库资料 2017 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd. 文章源自广州致远电子有限公司，转载或引用请注明出处 5 工业通讯 -CAN bus通信产品 图 1.4 OS
