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CANopen协议之CAN总线简介

1引言随着汽车工业的发展，20世纪80年代中期，率先由Bosch公司研发出新一代的汽车总线即控制器局域网CAN(ControllerAreaNetwork)总线，CAN总线具有布线简单、典型的总线型结构、可最大限度地节约布线与维护成本、稳定可靠、实时、抗干扰能力强、传输距离远等特点，这些都决定了CAN总线必定是一种成功的总线。CAN总线一经推出，不仅在汽车行业得到广泛的推广与应用，在诸如航天、电力、石化、冶金、纺织、造纸等领域也得到广泛应用。在自动化仪表、工业生产现场和数控机床等系统中也越来越多地使用了CAN总线，CAN总线的未来发展依然充满活力，有着巨大的发展空间。由于CAN总线本身只定义ISO/OSI模型中的第一层(物理层)和第二层(数据链路层)，通常情况下CAN总线网络都是独立的网络，所以没有网络层。在实际使用中，用户还需要自己定义应用层的协议，因此在CAN总线的发展过程中出现了各种版本的CAN应用层协议，现阶段最流行的CAN应用层协议主要有CANopen、DeviceNet和J1939等协议。本系列文章主要介绍CAN总线、基于CAN总线的应用层协议——CANopen，以及CANopen设备的应用及组网方式。本文主要介绍CAN总线相关的概念及网络结构。2CAN总线特点CAN总线采用差分信号传输，通常情况下只需要两根信号线（CAN-H和CAN-L）就可以进行正常的通信。在干扰比较强的场合，还需要用到屏蔽地即CAN-G（主要功能是屏蔽干扰信号），CAN协议推荐用户使用屏蔽双绞线作为CAN总线的传输线。在隐性状态下，CAN-H与CAN-L的输入差分电压为0V(最大不超过0.5V)，共模输入电压为2.5V。在显性状态下，CAN-H与CAN-L的输入差分电压为2V(最小不小于0.9V)，如图1所示。

其物理传输层详细和高效的定义，使得CAN总线具有其他总线无法达到的优势，注定其在工业现场总线中占有不可动摇的地位，CAN总线通信主要具有如下优势和特点。(1)CAN总线上任意节点均可在任意时刻主动地向其他节点发起通信，节点没有主从之分，但在同一时刻优先级高的节点能获得总线的使用权，在高优先级的节点释放总线后，任意节点都可使用总线。(2)CAN总线传输波特率为5kb/s～1Mb/s，在5kb/s的通信波特率下最远传输距离可以达到10km，即使在1Mb/s的波特率下也能传输40m的距离。在1Mb/s波特率下节点发送一帧数据最多需要134μs。(3)CAN总线采用载波监听多路访问、逐位仲裁的非破坏性总线仲裁技术。在节点需要发送信息时，节点先监听总线是否空闲，只有节点监听到总线空闲时才能够发送数据，即载波监听多路访问方式。在总线出现两个以上的节点同时发送数据时，CAN协议规定，按位进行仲裁，按照显性位优先级大于隐性位优先级的规则进行仲裁，最后高优先级的节点数据毫无破坏地被发送，其他节点停止发送数据（即逐位仲裁无破坏的传输技术）。这样能大大地提高总线的使用效率及实时性。(4)CAN总线所挂接的节点数量主要取决于CAN总线收发器或驱动器，目前的驱动器一般都可以使同一网络容量达到110个节点。CAN报文分为两个标准即CAN2.0A标准帧和CAN2.0B扩展帧，两个标准最大的区别在于CAN2.0A只有11位标识符，CAN2.0B具有29位标识符。(5)CAN总线定义使用了硬件报文滤波，可实现点对点及点对多点的通信方式，不需要软件来控制。数据采用短帧发送方式，每帧数据不超过8B，抗干扰能力强，每帧接收的数据都进行CRC校验，使得数据出错机率极大限度地降低。CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭功能，避免了对总线上其他节点的干扰。(6)CAN总线通信介质可采用双绞线、同轴电缆或光纤，选择极为灵活，可大大节约组网成本。3CAN控制器介绍随着CAN总线的不断发展壮大，符合CAN2.0A和CAN2.0B协议的独立芯片越来越多。如NXP公司推出的SJA1000及SJA1000F，可以直接与普通单片机组合，使该单片机具有CAN通信的能力。随着CAN需求的日益增大，芯片厂商也把CAN控制器直接集成到芯片内部，例如NXP公司的LPC2119、LPC2294、LPC2378等。以下主要以LPC2378的集成CAN控制器为例，对CAN控制器作一个介绍。LPC2378CAN控制器结构如图2所示。该控制器是一个带有发送和接收缓冲器的串行接口，但它并不含有验收过滤器。验收过滤器是一个独立的模块，能够对所有CAN通道进行CAN标识符过滤。

LPC2378CAN控制器工作流程主要分为发送过程和接收过程。(1)发送过程CAN控制器完全受处理器控制，CPU通过内部总线向CAN控制器的发送寄存器里填写需要发的数据，然后启动CAN控制器的发送使