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can总线的出现为分布式控制系统各节点间实时、可靠的提供了强大的技术支持，现已被广泛应用于船舶、医疗设备、工业设备等各个方面。那么can总线原理是什么呢?

can(controller area network)，中文名称为控制器局域网络，通常称为canbus，即can总线。是由德国bosch(博世)公司研究开发的，现已成为iso化的串行通信协议，是目前在国际上应用广泛的开放式之一。

1、can总线原理

can总线以广播的方式从一个节点向另一个节点发送数据，当一个节点发送数据时，该节点的cpu把将要发送的数据和标识符发送给本节点的can芯片，并使其进入准备状态;一旦该can芯片收到总线分配，就变为发送报文状态，该can芯片将要发送的数据组成规定的报文格式发出。此时，网络中其他的节点都处于接收状态，所有节点都要先对其进行接收，通过检测来判断该报文是否是发给自己的。

由于can总线是面向内容的编址方案，因此容易构建控制系统对其灵活地进行配置，使其可以在不修改软硬件的情况下向can总线中加入新节点。

2、can总线原理--报文

can总线以报文的形式发送数据，每组报文的一位字符为标识符(在同一个系统中，标识符是唯一的)，不包含具体发送数据，是对报文优先级的定义，我们将报文的这种格式称为面向内容的编址方案。

3、can总线原理--帧结构

帧可以分为数据帧、远程帧、错误帧和过载帧四种类型。can总线上传输的大部分都是数据帧，数据帧负责携带数据从发送器到接收器;远程帧是由总线单元发出的，负责请求发送相同的数据帧;错误帧可由任何单元在检测到总线错误时发出;过载帧用于在两数据帧或远程帧中提供延时。

dp线的通断，会影响到现场站之间和现场站与中控的连接，是系统能正常工作的基础。判断dp线是否正常的方法，我自己的一般会用下面的方法：

1.把dp线两端的dp头的终端电阻都打到on上，在其中一段用量dp头3号引脚和8号引脚之间的电阻，正常测量值是110欧姆左右；

2.把测量端的终端电阻打到off上，远端的不动，这时的正常测量值是220欧姆左右；

3.把远端的终端电阻打到off上，测量端的终端电阻打到on上，这时正常的测量值也应该是220欧姆左右；

4.把两端的终端电阻都打到off上，这时应该是开路，量不出电阻。

假如总线上有不止一个dp头，可以只测量两端，中间的dp头的终端电阻，始终处在off上就可以了。不通的话，可以分段测量。但是好把dp头的出线拆掉来测量，排除干扰因素。

个人遇到的dp故障，原因目前发现两个：1、通讯电缆质量差，抗干扰能力差（前提接地，布线很合理的情况），也有遇到过次买的通讯电缆不够，又使用其他种类的电缆情况，混用；2、dp接头没有做好接地，就是电缆接头处的屏蔽线和dp头内的金属片接触不好，再者就是dp头损坏。

找dp通信故障时，我们还应该注意线路上的电压，有必须时，需要通过来进行测量。

当dp接头已经插到设备上面后，在任意一个dp接头的3-8脚测量电阻 并不是110欧姆和220欧姆了。

因为设备上面还有个上拉（3-6）和下拉（5-8）的390欧姆的电阻。所以当接头插入设备后，终端电阻并不是只有个220欧姆，应该是 220*780/220+780=171.6 欧姆。

当设备带电后，我们除了检查线路的电阻是否正常 还应该检查 3-8间的电压。正常时3-8之间的电压应该是1.1v(5*220/390+220+390)

网络中发生故障，比如 终端设备掉电一段终端电阻丢失，3-8之间的电压就会变为0.62v(5*110/390+110+390)

分享一个dp头的内部结构：6es7972-****2-****有2个dp口，6es7972-****1-****只有1个dp口。

按照国际委员会iec61158标准的定义，是指安装在制造或过程区域的现场设备与控制室的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线，英文名fieldbus。

通俗地讲，现场总线是用在现场的总线技术。传统控制系统的接线方式是一种并联接线方式，或的分布式处理单元dpu控制各个电器元件，对应每个元件有一i/o口，两者之间需用两根线进行连接，作为控制和/或。当所控制的电器元件数量达到数十个甚至数百个时，整个系统的连线就显得十分复杂，容易搞错，施工和维护都十分不便。因此，人们考虑怎样把那么多的导线合并到一起，用一根导线来连接所有设备，所有的数据和信号都在这根线上流通，同时设备之间的控制和通信可任意设置。因而这根自然而然地称为了总线，就如计算机内部的总线概念一样。由于控制对象都在工业现场，不同于计算机通常于室内，所以这种总线被称为现场总线。

与it技术相比，现场总线具有如下特点：

1、实时性

现场总线数据传输要求“及时性”和系统响应的实时性。一般来说，过程控制系统的响应时间要求为0.01-1s，制造自动化系统的响应时间是0.5-2s，而it网络的响应时间为2-6s，所以it大部分在使用中实时性都是可以忽略的。

2、灵活性

在工厂自动化系统中，由于分散工厂的单一用户要借助于现场总线网络进入某个系统，所以通信方式使用了广播和多组方式；而it网络中某个自主系统与另一个自主系统只建立了一对一方式。

3、可靠性

现场总线强调在恶劣环境下（特别是电磁和无线电干扰）数据传送的完整性。在可燃或易爆场合，还要现场总线具有极高安全性能。

4、开放性

应用进程可以按照客户/服务器或发布者/接收者方式相互作用。客户/服务器特性是双向数据流。客户发送请求给服务器，服务器处理该请求并发送一个响应给客户。发布者/接收者方式只有单向数据流。发布者发送信息，一人或多个接受者接收信息。现场总线需要解决多家公司产品和系统在一个网络上相互兼容的问题。

由于现场总线技术的出现，推动了现场智能设备和智能仪表的发展，促进了传统dcs和plc系统的融合，并推动了以现场设备为基础形成的网络集成式分布控制系统fcs的出现、发展和广泛应用。

现场总线概念提出来以来，全球各大控制公司和仪表公司开发了数十种现场总线产品。目前被广泛认可的现场总线系统包括profibus、ff、controlnet、profinet、p-net等。

现场总线对自动控制系统和自动化系统将会造成以下重要影响：

1、传统的信号控制将由4-20ma模拟信号制转换为双向的现场总线信号制。

2、自动控制系统的体系结构将由模拟与数字的分散型控制系统（dcs）转换为全数字现场总线控制系统（fcs）。

3、系统的设计方法和安装调试方式将发生重大的变化。

4、现行的现场设备和仪表的产品结构将发生重大变革，将根据现场总线的类型来选择现场设备和仪表。

5、现场总线把自动控制系统和设备带进了信息网络之中形成了企业信息网络的底层，从而为实现企业信息集成和企业综合自动化提供了可行的基础。

使用现场总线技术给用户带来的好处包括：

1、节省硬件成本，尤其是大量节约电缆的使用。

2、设计组态安装、调试简便。

3、系统的安全可靠性好，减少故障停机时间。

4、系统维护设备更换和系统扩充方便。

5、用户对系统配置设备选型有大的自主权。

6、完善了企业信息系统，为实现企业综合自动化提供了基础。

事实上，现场总线技术并不是取代plc和dcs的，而是将现场总线技术和

can总线使用串行数据传输方式，可以1mb/s的速率在40m的双绞线上运行，也可以使用光缆连接，而且在这种总线上总线协议支持多主控制器。can与i2c总线的许多细节很类似，但也有一些明显的区别。

当can总线上的一个节点（站）发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点。对每个节点来说，无论数据是否是发给自己的，都对其进行接收。每组报文开头的11位字符为标识符，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的，不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。当几个站同时竞争总线读取时，这种配置十分重要。

当一个站要向其它站发送数据时，该站的cpu将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的can芯片，并处于准备状态；当它收到总线分配时，转为发送报文状 态。can芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时网上的其它站处于接收状态。每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。

由于can总线是一种面向内容的编址方案，因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。我们可以很容易地在can总线中加进一些新站而无需在硬件或 软件上进行修改。当所提供的新站是纯数据接收设备时，数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址。它允许分布过程同步化，即总线上控制器需要测量数据时，可由网上获得，而无须每个控制器都有自己独立的。

1、具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点；

2、采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作；

3、具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过can 控制器挂到can-bus 上，形成多主机局部网络；

4、可根据报文的id决定接收或屏蔽该报文；

5、可靠的错误处理和检错机制；

6、发送的信息遭到破坏后，可自动重发；

7、节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；

8、报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。

plc或dcs结合形成了一个新的系统fcs

an总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，以其高性能和高可靠性在自动控制领域得到了广泛的应用。为提高系统的驱动能力，增大通信距离，实际应用中多采用philips公司的82c250作为can控制器与物理总线间的接口，即can收发器，以增强对总线的差动发送能力和对can控制器的差动接收能力。为进一步增强抗干扰能力，往往在can 控制器与收发器之间设置光电隔离电路。典型的can总线接口电路原理如图1所示。

图1 典型的can总线接口电路原理图

1 接口电路设计中的关键问题

1.1 光电隔离电路

光电隔离电路虽然能增强系统的抗干扰能力，但也会增加can总线有效回路信号的传输延迟时间，导致通信速率或距离减少。82c250等型号的can收发器本身具备瞬间抗干扰、降低射频干扰(rfi)以及实现热防护的能力，其具有的电流限制电路还提供了对总线的进一步保护功能。因此，如果现场传输距离近、电磁干扰小，可以不采用光电隔离，以使系统达到大的通信速率或距离，并且可以简化接口电路。如果现场环境需要光电隔离，应选用高速光电隔离器件，以减少can总线有效回路信号的传输延迟时间，如高速光电耦合器6n137，传输延迟时间短，典型值仅为48 ns，已接近ttl电路传输延迟时间的水平。

1.2隔离

光电隔离器件两侧所用电源vdd与vcc必须完全隔离，否则，光电隔离将失去应有的作用。电源的隔离可通过小功率dc/dc电源隔离模块实现，如外形尺寸为dip-14标准脚位的5 v 双路隔离输出的小功率dc/dc模块。

1.3 上拉电阻

图1中的can收发器82c250的发送数据输入端txd与光电耦合器6n137的输出端out相连，注意txd必须同时接上拉电阻r3。一方面，r3保证6n137中的光敏导通时输出低电平，截止时输出高电平;另一方面，这也是can 总线的要求。具体而言，82c250的txd端的状态决定着高、低电平can 电压输入/输出端canh、canl的状态(见表1)。can总线规定，总线在空闲期间应呈隐性，即can 网络中节点的缺省状态是隐性，这要求82c25o的txd端的缺省状态为逻辑1(高电平)。为此，必须通过r3确保在不发送数据或出现异常情况时，txd端的状态为逻辑1(高电平)。

表1 txd与canh、canl的关系表

1.4 总线阻抗匹配

can总线的末端必须连接2个120ω的电阻，它们对总线阻抗匹配有着重要的作用，不可省略。否则，将大大降低总线时的可靠性和抗干扰性，甚至有可能导致无法通信。

1.5 其它抗干扰措施

为提高接口电路的抗干扰能力，还可考虑以下措施：

(1)在82c25o的canh、canl端与地之间并联2个30 pf的小，以滤除总线上的高频干扰，防止电磁辐射。

(2)在82c250的canh、canl端与can总线之间各串联1个5ω的电阻，以限制电流，保护82c250免受过流冲击。

(3)在82c25o、6n137等的电源端与地之间加入1个100 nf的去耦合电容，以降低干扰。

2 结语

接口电路是can 总线网络中的重要环节，其可靠性与安全性直接影响整个通信网络的运行。本文总结了can接口电路设计中应注意的几个关键问题。只有抓住设计中的关键，才能提高多接口电路的质量与性能，确保can总线网络安全、可靠地运行。