CAN总线及其高层协议

Ｎｏ．１

Ｆｅｂ．，２００６

微处理机

ＭｌＣＲＯＰＲＯＣＥＳＳＯＲＳ

第１期

２００６年２月ＣＡＮ总线及其高层协议

孙铁兵，鞠宁

（大连理工大学，大连１１６０２３）

摘要：ＣＡＮ总线作为一种极具潜力的控制器局域网总线，在汽车电气控制系统、农业机械电子设备、工厂自动化、机械控制等方面获得了广泛的应用。主要介绍了ＣＡＮ总线及基于ＣＡＮ总线的高层协议的历史、帧格式、特点和应用。

关键词：ＣＡＮ总线；高层协议；特点；应用

中图分类号：ＴＮ９１。ＴＰ３３文献标识码：Ａ文章编号：１００２—２２７９（２００６）Ｏｌ—００２４一０３ＣＡＮＢｕｓａｎｄｔｈｅＨｉｇｈｅｒＬａｙｅｒＰｒｏｔｏｃｏＩ

ＳＵＮＴｉｅ—ｂｉｎｇ，ｊｕＮｉｎｇ

（ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ１１６０２３，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓａｐｏｔｅｎｔｉａｌｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｒｅａｎｅｔｗｏｒｋ，ＣＡＮｂｕｓｇａｉｎｅｄｅｘｔｅｎｓｉｖｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎａｕｔｏｍｏ－ｂｉｌｅｃｏｎｔｒｏｌ，ｆａｃｔｏｒｙａｕｔｏｍａｔｉｚａｔｉｏｎ，ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｍａｃｈｉｎｅｒｙ，ｍｅｃｈａｎｉｓｍｃｏｎｔｒ０１．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓｈｉｓｔｏ—ｒｙ，ｆｒａｍｅｆｏｒｍａｔ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＣＡＮＢｕｓａｎｄｔｈｅｈｉｇｈｅｒｌａｙｅｒｐｒｏｔｏｃｏｌｂａｓｅｏｎＣＡＮＢｕｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＡＮＢｕｓ；Ｈｉｇｈｅｒｌａｙｅｒｐｒｏｔｏｃｏｌ；Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

１引言

ＣＡＮ（控制器局域网ＣＡＮ—ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔ—ｗｏｒｋ）属于现场总线的范畴，它是一种有效支持实时分布式控制的串行通信网络。ＣＡＮ总线规范规定了任意两个ＣＡＮ节点之间的兼容性，包括电气特性及数据解释协议，它采用了ＩＳＯ—ＯＳＩ中的三层网络结构——物理层、数据链路层和应用层。其中应用层可能包含了除物理层和数据链路层外其余四层中的某些功能。

１９９３年颁布的国际标准ＩＳ０１１８９８规定了ＩＳＯ—ＯＳＩ模型的第一、二层也就是物理层和数据链路层的详细技术规范。但是要保证总线很好的通信应用层是非常必要的。因此就有一些企业和组织为ＣＡＮ加上应用层协议，这种底层协议采用ＣＡＮ的总线，称为基于ＣＡＮ的总线（ＣＡＮ—ｂａｓｅｄｆｉｅｌｄｂｕｓ），加的协议称为ＣＡＮ的高层协议。目前应用层的协议有：ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ、ＣＡＮＫｉｎｇｄｏｍ、ＣＡＮｏｐｅｎ、Ｊ１９３９、ＩＳ０１１７８３７ＳＤＳ、ＩＳ０１１９９２７ＩＳ０１１５１９７ＩＳ０１４２３０等。

２ＣＡＮ总线

ＣＡＮ总线最初是１９８６年由德国ＢＯＳＣＨ公司为解决汽车监控系统中的诸多复杂技术和难题而设计的数字信号通信协议，它属于总线式串行通信网络。此后由于ＣＡＮ为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求不同应用领域通讯报文的标准化。为此，１９９１年菲利普半导体公司（ＰｈｉｌｉｐｓＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃ．ｔｏｒｓ）制订ＣＡＮ２．０Ａ和ＣＡＮ２．０Ｂ技术规范。而后，１９９３年ＩＳＯ组织颁布了ＣＡＮ的国际标准ＩＳ０１１８９８。该标准规定了ＩＳＯ／ＯＳＩ模型中的物理层和链路层，为使设计透明和执行灵活，对应用层等未作具体规定。

ＣＡＮ报文传送由４种不同类型的帧表示和控制：数据帧、远程帧、出错帧、超载帧。数据帧由７个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、ＣＲＣ场、应答场、帧结束。如图１所示。

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图１标准格式和扩张格式的数据帧

ＣＡＮ总线具有以下特点：

作者简介：孙铁兵（１９７１一），辽宁人，博士研究生，主研方向：机电一体化，总线控制。收稿日期：２００４—０６—２５

　万方数据

１期孙铁兵等：ＣＡＮ总线及其高层协议?２５?

（１）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迸行编码，可以多主方式工作。

（２）ＣＡＮ采用非破坏性仲裁技术（优先级），有效避兔了总线冲突。

（３）ＣＡＮ采用短帧结构，数据传输时问短，受干扰的概率低，重新发送的时问短。

（４）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，适合在高干扰环境中使用。

（５）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影响。

因此，ＣＡＮ现场总线非常适合在条件恶劣的环境中使用，现已广泛应用于工厂自动化、移动车辆、军事设备、工程机械。尤其在欧美市场，ＣＡＮ总线几乎成为工程机械现场总线的唯一选择。

３ＣＡＮ总线的高层协议

３．１ＣＡＮＯＰＥＮ

ＣＡＮｏｐｅｎ是由从事工业控制的ＣＩＡ（ＣＡｉｎＡｕ—ｔｏｍａｔｉｏｎ）的会员开发的，１９９３年由Ｂｏｓｃｈ领导的欧洲ＣＡＮ—ｂｕｓ协会开始研究基于ＣＡＮ—ｂｕｓ通讯系统管理方面的原型，由此发展成为ＣＡＮｏｐｅｎ协议。这是一个基于ＣＡＬ的子协议，用于产品部件的内部网络控制。其后ＣＡＮｏｐｅｎ协议被移交给ＣＩＡ（ＣＡＮｉｎＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ）协会，由ＣＩＡ协会管理维护与发展。１９９５年ＣＩＡ协会发布了完整的ＣＡＮｏｐｅｎ协议，至２０００年ＣＡＮｏｐｅｎ协议已成为全欧洲最重要的嵌入式网络标准。ＣＡＮｏｐｅｎ不仅定义了应用层和通讯子协议，也为可编程系统不同器件接口应用子协议定义了页／帧状态。目前ＣＡＮｏｐｅｎ协议已经被提交给欧洲标准委员会讨论，作为一种新的工业现场总线标准ＥＮ一５０３２５—４。

ＣＡＮｏｐｅｎ采用ＣＡＮ２．０Ｂ的标准帧格式，ＣＯＢ—ＩＤ由功能域（Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）和地址域（Ｎｏｄｅ—ＩＤ）构成。如图２所示。在主站上，功能域（Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）表示主站对从站的操作内容，地址域（Ｎｏｄｅ—ＩＤ）指出被操作从站的地址。在从站上，功能段表示从站对主站操作的应答，地址域指出应答从站的地址。

与其他现场总线协议标准相比，ＣＡＮｏｐｅｎ具有以下特点：

（１）在ＣＡＮｏｐｅｎ系统中，必须有一个且仅有一个主节点，可以有多个从节点（１２７），其中主节点有启动网络、停止网络、节点检查、网络引导的特殊作用。

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图２ＣＡＮｏｐｅｎ的１１位标识符

（２）在ＣＡＮｏｐｅｎ应用层中，ＣＡＮｏｐｅｎ采用ＣＡＮ２．０Ｂ的标准帧格式。设备通讯和应用程序对象得到交换，所有这些对象通过１６位索引和８位子索引进行访问，而这些对象（ＣＯＢ）被映射到一个或更多的已经预定义和配置好的帧。通过对象索引，数据对象在应用层进行处理和访问将更方便和直接。

（３）协议精练、透明、便于理解；降低了驱动程序的开发难度。ＣＡＮｏｐｅｎ根据设备类型分类，由子协议模块组成。

ＣＡＮｏｐｅｎ协议适合于所有机械的嵌入式网络，因此ＣＡＮｏｐｅｎ协议占领着欧洲市场的汽车电子领域。在ＣＩＡ的努力推广下在汽车电气控制系统、电梯控制系统、安全监控系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输、装载机械等方面均得到了广泛的应用，被视为ＣＡＮ高层协议的标准之一。

３．２ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ

１９９０年美国ＲＯＣＫＷＥＬＬ旗下的Ａｌｌｅｎ—Ｂｒａｄ－Ｉｅｙ公司即开始从事基于ＣＡＮ—ｂｕｓ的通讯与控制方面的研究，研究的成果之一就是应用层ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ协议。凭借该公司在可编程控制器，变频器等方面的优势，使得ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ得到了广泛的应用和支持。１９９４年Ａｌｌｅｎ—Ｂｒａｄｌｅｙ公司将ＤｅｖｉｅｅＮｅｔ协议移交给专职推广的独立供应者组织ＯｐｅｎＤｅｖｉｃｅＮｅｔＶｅｎ．ｄｏｒＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ（ＯＤＶＡ）协会，由（ＯＤＶＡ）协会管理ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ协议，并进行市场的推广。ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ协议特别为工厂自动控制而定制，因此使其成为类似Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—ＤＰ和Ｉｎｔｅｒｂｕｓ协议的有力竞争者。目前ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ已经成为美国自动化领域中的领导者，也正在其他适合的领域逐步得到推广应用。

ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ采用ＣＡＮ２．０Ｂ的标准帧格式，Ｄｅｖｉ—ｃｅＮｅｔ根据实际的应用，通过１１位ＣＡＮ标识ＩＤ将网络上传递的信息报文分成四组，分别称作：信息组（ｍｅｓｓａｇｅｇｒｏｕｐ）１、信息组２、信息组３和信息组４。

ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ具有以下特点：

（１）ＤｅｖｉｅｅＮｅｔ采用ＣＡＮ２．０Ｂ的标准帧格式，网络最多支持６４个节点（Ｎｏｄｅ），支持干线支线配置，

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接在总线上的设备可以直接从总线上移除而不会影响其他设备的正常运转。

（２）ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ寻址方式采用：多点传送（一对多）的点对点；多主站和主／从。

（３）既适用于连接低端工业设备，又能连接像变频器、操作终端这样的复杂设备。

（４）ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ使用更为有效的生产者／消费者模式取代了传统的源／目标模式，从而可以使多个消费者节点从单个生产者节点那里同时获得相同的数据，这样用很窄的带宽就可以供多个设备同时动作。同时，标识符还提供解决多级优先权的手段，以便更高效地传送Ｉ／Ｏ数据，并供多个消费者使用。

ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ协议适合于工厂自动化控制，Ｄｅｖｉ－ｅｅＮｅｔ协议已成为美洲亚洲地区工业控制领域中的领导者。它价格低，效率高，特别适用于汽车制造、传输机械、设备加工等领域。尤其在日本和北美得到了广泛的应用。

３．３Ｊ１９３９

ＳＡＥＪ１９３９是在汽车工程师协会（ＳＡＥ）组织下，由卡车和客车控制与通信网络委员会开发的汽车内部控制网络通信标准，主要应用在卡车、客车、农业车辆上，用以替代早期的Ｊ１７０８和Ｊ１５８７ＵＡＲＴ通信标准。ＳＡＥＪ１９３９以ＣＡＮ为基础，增加了网络层、应用层和网络管理规范，对汽车内部ＥＣＵ（Ｅｌｅｃ—ｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）的名称、地址分配、通讯方式和应用数据的格式约定等都作了相应规定和说明。

ＳＡＥＪ１９３９采用ＣＡＮ２．ＯＢ的扩展帧格式，使用２９ｂｉｔ标志位。标志位与数据域组成一个协议数据单元ＰＤＵ（ＰｒｏｔｏｃｏｌＤａｔａＵｎｉｔ）。标志位分为６个域：优先级（Ｐ）、保留位（Ｒ）、数据页（ＤＰ）、ＰＤＵ格式（ＰＦ）、ＰＤＵ细节（ＰＳ）和源地址（ＳＡ）。

Ｊ１９３９协议有如下特点：

（１）利用ＣＡＮ２．０Ｂ扩展帧格式的２９位标志符定义每～个ＰＤＵ的含义以及该ＰＤＵ的优先级。Ｊ１９３９系统中可以有２５４个不同节点。

（２）采用ＰＤＵ（ｐｒｏｔｏｃｏｌＤａｔａＵｎｉｔ协议数据单元）传送信息，每个ＰＤＵ相当于ＣＡＮ协议中的一帧。由于每个ＣＡＮ帧最多可传输８个字节数据，因此ＰＤＵ的传输具有很高的实时性。

（３）Ｊ１９３９协议主要作为汽车中应用的通信协议，对汽车中应用到的各类参数都进行了规定。参数的规定符合ＩＳ０１１９９２标准。

Ｊ１９３９适用于汽车内部网络，包括动力系统、车身电子系统和车载娱乐系统等。目前电控柴油发动机普遍采用ＳＡＥＪ１９３９通信标准。３．４ＩＳＯ１１７８３、ＣＡＮＫｉｎｇｄｏｍ和ＳＤＳ

１９８６年，德国首先提出了基于ＣＡＮ２．０Ａ版本的农业机械总线标准ＤＩＮ９６８４，并从９０年代起在欧洲各国的农机制造厂普遍采用。１９９２，国际标准化组织（ＩＳＯ）ＴＣ２３／ＳＣｌ９／ＷＧｌ以ＤＩＮ９６８４和ＳＡＥＪ１９３９为基础，制定了基于ＣＡＮ２．０Ｂ版本的ＩＳＯ１１７８３标准，作为正式的农业机组数据通信及其接口设计的国际标准。

ＩＳＯ１１７８３作为农业机械专用的总线标准。主要应用是把各种形式农机的ＥＣＵ都设计成具有与总线挂接的标准接口，使得机组上各个独立的ＥＣＵ间均可与中央控制与显示单元交换信息，接受控制指令，也可在各个农机具或部件ＥＣＵ之间交换数据信息，实现拖拉机与农业机器间、农业机器相互间和拖拉机中央控制器与农场计算机之间的串行通信。这不仅使农业信息数据交换与共享成为可能，还给农业机械电子设备的集成组装与维护带来极大便利。

ＣＡＮＫｉｎｇｄｏｍ协议是由瑞士工程办公室倡导并实施，在１９９０年ＣＡＮＫｉｎｇｄｏｍ协议就被应用于纺织机械领域。尽管ＣＡＮＫｉｎｇｄｏｍ并不是～种基于ＯＳＩ参考模型的应用层，但它被认为是基于ＣＡＮ的高层协议的原型。ＣＡＮＫｉｎｇｄｏｍ协议的特点是不基于ＩＳＯ模型，它释放了ＣＡＮ的全部功能，给系统设计者最大限度的自由来创建自己的系统。主要应用在机械控制方面。

ＳＤＳ（ＴＭＳｍａｒｔＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓ）是由Ｈｏｎ—ｅｙｗｅｌｌ微型开关公司开发的一个开放式网络标准，由于它基于特定的应用层协议，因此定义了一个面向对象的等级设备模型以便在ＳＤＳ设备之间建立互用性。ＳＤＳ是特别为分布式二进制传感器和执行器设计的，但是由于缺乏类似于ＣＩＡ协会的专业组织推广，Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ放弃了在推广ＳＤＳ协议方面的努力，使得ＳＤＳ更象Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ公司的内部解决方案。ＳＤＳ采用ＣＡＮ２．０Ｂ的标准帧格式，网络最多支持１２５个节点（Ｎｏｄｅ），主控制器对所有节点进行全权控制，不支持没有主节点之间的通信。适合于高速、实时的分布式控制，主要用于工厂自动化。

另外，ＩＳＯＴＣ２２还制定了三种总线标准：ＩＳＯＩ１５１９道路车辆一低速串行数字通讯、ＩＳＯｌ１９９２道路车辆一牵引车之间的电器连接一数字交换、ＩＳＯ／ＦＤＩＳ１４２３０道路车辆一诊断系统一关键词协议２０００。由于应用较少，在这里就不加详述。

（下转第３０页）

　万方数据

次。前一次产生的新投档单将被作为下一次交互的原始投档单。图中表示出了两条最基本的元路径，即从｛Ｘ，，Ｘ：，ｘ。｝到｛ｘ，｝的元路径｛ｅ，，ｅ，，ｅ，｝，以及从｛ｘ。，ｘ。，ｘ。｝到｛）【９｝的元路径｛ｅ：，ｅ。，ｅ。｝。每条元路径分别对应一个工作流过程。例如前一条就表示：只要具备原始投档单、退档单和招生计划信息，便可确定新的投档单。这一个过程还涉及两项非自动化的资源，即录检员和审核员。即，当原始投档单和退档单准备好后，必须等待录检员的人工处理，如果当时录检员被其他活动占用，流程将不能继续，所以资源的可用性会直接影响工作流过程的执行效率。

当完成图３的退补档多次交互后，录取结果就基本确定，此时需执行图４中的业务流程以完成录取信息的确认和新生名单的发布。图４中只有一条基本的元路径，即从｛Ｙ。，Ｙ：，Ｙ。｝到｛Ｙ。｝的元路径｛ｅ１，ｅ２，ｅ３｝。

利用元图来分析工作流过程，不仅能抽象出业务流程中的元路径，还能得到以下有用的信息：（１）给定两个信息元素ａ和ｂ，要想获得元素ａ是否必须先获得元素ｂ？可利用元图邻接矩阵的闭包矩阵加以解决，即判断闭包矩阵中两个信息元素之间是否存在连接路径。

（２）给定一个信息元素ｃ和一个信息元素的集合Ｄ，要获得信息元素ｃ，是否必须先获得Ｄ中的所有信息元素？解决方法同（１），根据信息元素ｃ所在列，可获得到达ｃ的所有元路径，查看这些元路径的源集合，如果每一个源集合内都包含Ｄ中的所有元素，则要获得ｃ就必须先获得Ｄ中的所有信息元素。

（３）当业务流程比较复杂的时候，是否可以先考虑重要的信息元素？那些不重要的信息元素可否先从元图中消去？该问题实际对应了元图结构的一种变换。在考虑某一工作流过程时，可将无关的信息元素，以及与这些元素相关的活动（元图中的边）从元图中消去。

５结论

目前，工作流的建模分析方法中，比较流行的有基于Ｐｅｔｒｉ网、状态图和活动网络的建模分析方法。基于Ｐｅｔｒｉ网的工作流分析方法往往注重时间性分析和冲突解决方法的分析，而不重视工作流组成部分的连接性和相互作用等问题。对于状态图分析方法来说，由于状态图本身的复杂性，使得构造连接眭表示符号变得相当困难。基于活动网络的建模方法虽然简单而直观，但由于工作流组成元素之间的连接相对松散，所以当业务流程比较复杂时，不易于表示元素间的相互关系。

用元图来表示工作流过程的优点在于，第一，元图可有效地表示工作流组成元素之间的连接关系，给定一个输出元素集合，便可确定出所必须的输入元素集合；第二，元图可采用不同的方式将不同性质的组成部分集成在同一个可视化图形中（如元图可集成信息元素、活动和资源）；第三，元图具有代数特性，利用邻接矩阵及其闭包可分析复杂的业务流程问题；第四，元图可在结构上进行一定形式的变换，例如将图中的边转换成节点，而将节点转换成边，从原先表示信息元素关系的元图转换成表示活动间关系的不同结构的元图。因此，采用基于元图的工作流分析方法对于工作流建模和分析过程是相当有意义的，因而，设计和开发这种基于元图的工作流建模与分析工具正是今后的重要研究课题。

参考文献：

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（上接第２６页）

４结语

随着工业现场领域应用要求的提高，现场总线已经成为大家推崇的解决方案。ＣＡＮ总线有着较为突出的优点，促进了ＣＡＮ总线的普及，也必将有越来越多的高层协议出现。希望大家通过本文了解ＣＡＮ高层协议的特点，从而选择适合自己的解决方案。

参考文献：

［１］邬宽明．ＣＡＮ总线原理和应用系统设计［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００１．

［２］ＭａｒｖｉｎＬ．Ｓｔｏｎｅ，ＩＳＯ１１７８３：ＡｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｍｍｔｍｉｅａ．１ｉｏｎｓＰｒｏｔｏｃｏｌｆｏｒＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔ［Ｊ］．Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ

ＥｑｕｉｐｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，１９９９：７—１０．

　万方数据

CAN总线及其高层协议

作者：孙铁兵， 鞠宁， SUN Tie-bing， JU Ning

作者单位：大连理工大学,大连,116023

刊名：

微处理机

英文刊名：MICROPROCESSORS

年，卷(期)：2006，27(1)

引用次数：4次

参考文献(2条)

1.邬宽明CAN总线原理和应用系统设计 2001

2.Marvin L Stone ISO 11783:An Electronic Communications Protocol for Agricultural Equipment 1999

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引证文献(5条)

1.胡建军.伍国强.秦大同.张青重型商用车性能测试系统开发与应用[期刊论文]-重庆大学学报（自然科学版）2009(6)

2.苏宏英CAN总线在先进制造技术仿真教学系统中的应用[期刊论文]-合肥工业大学学报（自然科学版） 2008(05)

3.张飞.赵剡水.周志立.张明柱基于ISO 11783标准的农业车辆CAN总线通讯原理与应用[期刊论文]-河南科技大学学报（自然科学版） 2008(01)

4.刘寒基于PC的CAN总线主节点监控程序的设计[期刊论文]-科技资讯 2007(14)

5.朱睿自动化立体停车库现代信息系统设计[学位论文]硕士 2007

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下载时间：2009年11月17日