摘 要： 本文分析了CAN總線的一些特點以及在國內(nèi)的的應用狀況，提出了引入國際上通用的CAN總線高層應用協(xié)議，以提高國內(nèi)CAN系統(tǒng)應用水平的建議，并簡要介紹了一種CAN的高層協(xié)議—CANopen協(xié)議。文章最后部分介紹了國際上一些較先進的CAN產(chǎn)品和開發(fā)方法。 關鍵詞： CAN-bus協(xié)議；CANopen協(xié)議；嵌入式軟件中間件 在設計嵌入式系統(tǒng)，尤其是分布式嵌入式系統(tǒng)時，解決好系統(tǒng)各單元間可靠、有效的通信是系統(tǒng)設計成敗的關鍵，對實時性和安全可靠性要求高的網(wǎng)絡而言就更是如此。解決這一問題有多種方案，如RS232/485串行總線、CAN、ProfitBus、FF、WorldFIP、LonWorks等各類型的現(xiàn)場總線，還有嵌入式以太網(wǎng)等。其中，盡管RS485串行總線協(xié)議的性能不高，但由于其在硬件成本以及開發(fā)簡便性上的巨大優(yōu)勢，目前仍然是國內(nèi)廣泛的總線應用。 隨著嵌入式系統(tǒng)應用的發(fā)展，RS485性能上的不足逐漸顯露出來，已經(jīng)不能滿足設計一個高性能、高實時性系統(tǒng)的要求。盡管還需要實踐的證明，但筆者經(jīng)過多年的觀察和實踐，感覺到CAN總線是其中最有希望成功的。 選擇CAN總線實現(xiàn)通信的原因 選擇CAN總線作為最佳候選者，主要是基于以下幾方面原因： CAN串行總線具有高性能 CAN的傳輸距離可以達到10公里；通信速率最高可達1Mbps；具有完善的錯誤檢測機制；采用“多重訪問沖突仲裁”機制的幀傳輸方式，可保證不丟失信息；每一幀中最多可以傳輸8個字節(jié)數(shù)據(jù)，可提供很高的實時性等等。性能上的優(yōu)勢保證了CAN可以應用在很多的領域，在汽車工業(yè)、船舶運輸、機械控制、工廠自動化、樓宇自動化等都可以看到CAN的應用。 CAN在硬件成本上很具優(yōu)勢 除了性能外，和其它現(xiàn)場總線相比，CAN總線在硬件成本上也有很大優(yōu)勢。從硬件芯片上來說，智能節(jié)點要收發(fā)信息需要一個CAN控制器和一個CAN收發(fā)器。經(jīng)過20多年的發(fā)展，CAN已經(jīng)獲得了國際上各大半導體制造商的大力支持，據(jù)CAN最主要的推廣組織CIA（自動化CAN）統(tǒng)計，目前已經(jīng)有20余種CAN控制器和收發(fā)器可供選擇，片內(nèi)集成CAN控制器的單片機更多達100余種。CAN在開發(fā)成本上的優(yōu)勢也很明顯. 目前，從廣泛應用的8位/16位單片機，到DSP和32位的PowerPC、ARM等嵌入式處理器，均在芯片內(nèi)部含有CAN總線硬件接口單元。因此，從硬件角度看，CAN具備其它現(xiàn)場總線無法比擬的高集成化優(yōu)勢和廣泛的市場支持基礎。 CAN的開發(fā)平臺也比較簡單，用戶如果選擇普通單片機加上CAN控制器進行開發(fā)，則CAN的開發(fā)平臺和普通單片機的開發(fā)平臺完全相同；如果選擇帶有片內(nèi)CAN控制器的單片機進行開發(fā)，則只要換用支持該單片機的仿真器就可以了，其他開發(fā)設備完全相同。開發(fā)CAN也需要相應的驅(qū)動程序。用戶可以自行根據(jù)選擇的CAN控制器開發(fā)驅(qū)動程序。 [ALIGN=CENTER] 圖1 CANopen協(xié)議通信模型[/ALIGN] 通過采用高層協(xié)議將CAN的應用推向深化 和其他的現(xiàn)場總線相比，CAN只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的規(guī)范（遵循OSI標準），這種設計和CAN規(guī)范定義時的歷史條件有關，也可以使CAN能夠更廣泛地適應不同的應用條件，但必然給用戶應用帶來一些不便。用戶在應用CAN協(xié)議時，必須自行定義高層協(xié)議。 如何將CAN協(xié)議的應用推向更深的層次，同時滿足產(chǎn)品的兼容和互操作性？國際上通行的辦法是發(fā)展基于CAN的高層應用協(xié)議，只用在應用層上，不同公司的產(chǎn)品才可能實現(xiàn)互操作，好的應用層協(xié)議更可以為用戶帶來系統(tǒng)性能的飛躍。 在CAN總線協(xié)議飛速發(fā)展的20年中，很多領域都制定了CAN在該領域應用時所采用的高層協(xié)議規(guī)范。其中，比較著名的有美國汽車工程師協(xié)會（SAE）制定的車內(nèi)通信規(guī)范J1939等。這些協(xié)議和規(guī)范對CAN的推廣起了很大的作用，但總體來說，協(xié)議的模塊化特性都不太好，一般只能應用于特定的領域。為了能夠把CAN推廣到更多的領域，歐洲一些公司推出了CAL（應用層CAN）協(xié)議，盡管CAL在理論上正確，并在工業(yè)上可以投入應用，但每個用戶都必須設計一個新的子協(xié)議，因為CAL 是一個真正的應用層協(xié)議。CAL 可以被看作一個應用CAN 方案的必要理論步驟，但在這一領域它不會被推廣。從1993 年起，由Bosch公司領導的一個歐洲機構研究出一個協(xié)議原型，由此發(fā)展成為CANopen規(guī)范。 CANopen是一個基于CAL的子協(xié)議，采用面向?qū)ο蟮乃枷朐O計，具有很好的模塊化特性和很高的適應性，通過擴展可以適用于大量的應用領域。在CANopen規(guī)范基本完成之后，Bosch將其移交給CIA組織，由其進行維護與發(fā)展。在1995年，CIA發(fā)表了完整版的CANopen通信子協(xié)議；僅僅用了5年的時間，它已成為全歐洲最重要的嵌入式網(wǎng)絡標準。 CANopen 不僅定義了應用層和通信子協(xié)議，而且為可編程系統(tǒng)、不同器件、接口、應用子協(xié)議定義了大量的行規(guī)，遵循這些行規(guī)開發(fā)出的CANopen設備將能夠?qū)崿F(xiàn)不同公司產(chǎn)品間的互操作。另外，CANopen協(xié)議是免許可證的，任何組織和個人都可以開發(fā)支持CANopen協(xié)議的設備而不用支付版稅，這也是CANopen得到迅猛發(fā)展的重要原因之一。CANopen目前已在汽車工業(yè)控制系統(tǒng)，公共交通運輸系統(tǒng)，醫(yī)療設備，海運電子設備和建筑自動化系統(tǒng)中取得了廣泛的應用，是將CAN應用推向深化的理想選擇。 采用CANopen協(xié)議實現(xiàn)通信 CANopen協(xié)議中包含了標準的應用層規(guī)范和通信規(guī)范，其通信模型如圖1所示。在CANopen的應用層，設備間通過相互交換通信對象進行通信。良好的分層和面向?qū)ο蟮脑O計思想將帶給用戶一個清晰的通信模型。 CANopen設備模型 一個CANopen設備模塊可以被分為3部分，如圖2所示。 通信接口和協(xié)議軟件提供在總線上收發(fā)通信對象的服務。不同CANopen設備間的通信都是通過交換通信對象完成的。這一部分直接面向CAN控制器進行操作。 對象字典描述了設備使用的所有的數(shù)據(jù)類型，通信對象和應用對象。是一個CANopen設備的核心部分。對象字典位于通信程序和應用程序之間，向應用程序提供接口，應用程序?qū)ο笞值溥M行操作就可以實現(xiàn)CANopen通信。理解對象字典的概念是理解CANopen模型的關鍵。 應用程序由用戶編寫，包括功能部分和通信部分。通信部分通過對對象字典進行操作實現(xiàn)CANopen通信，而功能部分由用戶根據(jù)應用要求實現(xiàn)。 CANopen網(wǎng)絡的通信和管理都是通過不同的通信對象來完成的，為了能夠?qū)崿F(xiàn)通信，網(wǎng)絡管理，緊急情況處理等功能，CANopen規(guī)范定義了四類標準的通信對象： ·進程數(shù)據(jù)對象（PDO） 第一類通信對象為進程數(shù)據(jù)對象。PDO被映射到單一的CAN幀中，使用所有的8個字節(jié)的數(shù)據(jù)域來傳輸應用對象。每個PDO有一個獨立的標識符并且可能只被一個節(jié)點發(fā)送，但它可以被多于一個節(jié)點接收，這種模式被稱之為生產(chǎn)者/消費者通信模式。PDO可以通過多種模式傳送，內(nèi)部事件，外部時鐘，遠程幀請求以及從特定節(jié)點接收到同步報文都可以啟動PDO發(fā)送。 ·服務數(shù)據(jù)對象（SDO） 第二類通信對象為服務數(shù)據(jù)對象，該對象可以傳輸大于8個字節(jié)的配置信息。也就是說，SDO傳送協(xié)議允許傳送任意長度的對象。接收者將確認收到的每個段信息，發(fā)送和接收者間將建立點對點的通信，稱之為客戶機/服務器模式。未來，CANopen將允許快速傳輸SDO，不必對傳送的每個段都進行確認，只要在整個對象傳送完畢后進行確認即可。 ·網(wǎng)絡管理對象（NMT） 第三類通信對象是網(wǎng)絡管理對象，包括節(jié)點警戒對象以及NMT對象。節(jié)點警戒對象是由NMT主節(jié)點遠程請求發(fā)送的帶有1字節(jié)數(shù)據(jù)的CAN幀，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)中包含1個觸發(fā)位以及7個用于表示節(jié)點狀態(tài)的數(shù)據(jù)位。NMT主節(jié)點將周期性地發(fā)送節(jié)點警戒對象。發(fā)送周期（警戒時間）的長度在對象字典中規(guī)定并且可以通過SDO進行配置。另外，系統(tǒng)還定義了生命警戒時間，NMT主節(jié)點要在生命警戒時間過后向NMT從節(jié)點發(fā)送遠程請求。這種機制保證了即使NMT主節(jié)點不在了，系統(tǒng)中的其他節(jié)點也可以通過用戶定義的方式進行回應。 ·特殊功能對象 CANopen還為同步，緊急狀態(tài)表示以及時間標記傳送定義了三個特定的對象。同步對象由同步制造者向網(wǎng)絡進行周期性廣播，該對象將提供基本的網(wǎng)絡時鐘。當設備發(fā)生嚴重的內(nèi)部錯誤時，相關的一個緊急狀態(tài)客戶機將發(fā)送一個緊急狀態(tài)對象。時間標記對象將為應用設備提供公共的時間幀參考。 要理解CANopen規(guī)范，核心是要理解CANopen的設備模型和各類型的通信對象。掌握了這兩者后，通過利用各類標準的設備描述就可以開發(fā)出符合國際標準的CANopen設備了。 展望 最近一段時期，國內(nèi)開發(fā)、應用CAN系統(tǒng)的人員正在逐漸增多，對CAN協(xié)議的研究也在不斷加深。在很多領域，如研制電動汽車和混合動力汽車的863重大課題，已經(jīng)將CAN作為標準的車內(nèi)通信協(xié)議確定下來。電力，航天等部門也在CAN方面取得了不小的應用成績。 在CAN應用蓬勃發(fā)展的時候，我們也應當清醒地看到，盡管CAN協(xié)議在歐美已經(jīng)發(fā)展了20年，應用層協(xié)議的發(fā)展也差不多有10年時間，但目前國內(nèi)大多數(shù)的應用系統(tǒng)仍然基于CAN2.0B規(guī)范開發(fā)，還不能在應用層的水平上進一步深入，這不能不說是很遺憾的事情。另外，國內(nèi)研究、開發(fā)CAN協(xié)議，尤其是CAN高層協(xié)議的組織和人員還太少，這對CAN在中國的推廣是十分不利的，筆者誠切希望更多的有識之士能夠加入這一行列。 參考文獻 1 ’CiA Draft Standard 301 （Version 4.02）.’ 2 Prof. Dr.-Ing. K. Etschberger, ’CAN-based Higher Layer Protocols and Profiles.’