CAN總線發展與其他總線的比較

胥清華 李 強

（1.山東金辰建設集團，山東 東營 257091；2.勝利石油化建設有限責任公司，山東 東營 257091）

在工業控制中需要對現場采集的數據進行有效的收集與傳輸，并且需要對控制信號從控制中心發送到現場控制節點，而工業現場環境一般比較惡劣，這對數據的傳輸非常不利。在部分行業中對數據傳輸的要求又比較高，因此，在工業控制自動化不斷進步的道路上，出現了各種各樣的通信方式。本文將對CAN總線這一在21世紀得到大量應用的總線進行介紹，并將CAN總線與其他總線進行簡單的比較。

1 CAN總線簡介及發展歷程

CAN（Controller Area Network——控制器局域網）作為一種國際標準化的串行通信協議已經被廣大設計研究人員所接受，并被廣泛應用在各個領域。CAN總線已成為國際上應用最廣泛的現場總線之一。

在1983年初，Uwe Kiencke開始研究一種新的串行總線，該總線可以將所有的外圍器件掛接在總線上，這便是CAN總線最初的研究源頭。研究開始后，來自 Mercedes-Benz的工程師較早制定了總線的狀態說明，來自于德國的Applied Science大學教授Wolfhard Lawrenz博士給出了新網絡方案的名字“Controller Area Network”，簡稱CAN。1986年Bosch公司在底特律的汽車工程協會大會正式公布這一總線，新總線系統被稱為“汽車串行控制器局域網”，簡稱為CAN總線。1987年Intel公司生產出了首枚 CAN控制器（82526）。不久，Philips公司也推出了CAN控制器82C200。在1990年早些時候，Bosch CAN規范（CAN2.0版）被提交給國際標準化組織。1993年11月出版了CAN的國際標準ISO11898。在此期間（1992年）歐洲成立了國際用戶和廠商協會（CAN in Automation，簡稱CIA），CIA總部位于德國Erlangen（埃朗根）。CIA提供服務包括：發布CAN的各類技術規范，免費下載CAN文獻資料，提供CAN open規范Device Net規范；發布CAN產品數據庫，CAN open產品指南；提供CAN open驗證工具執行CAN open認證測試；開發CAN規范并發布為CIA標準。CIA推動了CAN總線的進一步推廣使用。

21世紀以來，CAN總線得到越來越多設計人員的青睞。CAN總線不再局限在汽車領域發揮其特點，還在其他工業領域取得了巨大而廣泛的應用。例如，在紡織行業的控制系統中，在飛機控制系統中，在機械加工控制系統中，在樓宇控制系統中，在船舶的監控系統中，在醫學的治療機械中，在電子器件智能儀器儀表的接口中均以得到實際應用。這一在20世紀被認為最有前途的現場總線之一，已經開始顯示其強大的功能與良好的性能。

2 CAN總線優缺點

2.1 CAN總線的優點

CAN總線是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。CAN協議的一個最大特點是廢除了傳統的站地址編碼，取而代之以對通信數據塊進行編碼。采用這種方法的優點可使網絡內的節點個數在理論上不受限制。另外，CAN總線采用了多主競爭式總線結構，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。

CAN現場總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性[1]。其特點歸結起來具有如下幾點：

1）CAN網絡上的節點信息均可在任意時刻主動向網絡上其他節點發起通信，節點不分主從，通信方式靈活，可方便地構成多機備份系統。CAN總線上的節點信息可以分成不同的優先級，以滿足不同的實時要求。

2）CAN采用非破壞性總線仲裁技術，當兩個節點同時向總線上發送信息時，優先級低的節點主動停止數據發送，而優先級高的節點可不受影響地繼續傳輸數據，節省了總線沖突仲裁時間，即使在網絡負載很重的情況下，也不會出現網絡癱瘓情況；

3）CAN通過報文濾波可實現點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式收發數據，無需專門的調度，CAN上的節點數主要取決于總線驅動電路，目前可達 110個；報文標識符可達 2032種（CAN2.0A）；而CAN2.0B的報文標識符幾乎不受限制。

4）CAN的直接通信距離最遠可達10km（對應通信速率在5kbps以下）；通信速率最高可達1M（對應通信距離最長為 40m）。CAN的信號傳輸采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾的概率低，具有很好的檢錯效果。

5）CAN節點中均設有錯誤檢測、標定和自檢等強有力措施。檢測錯誤的措施包括：位錯誤檢測、循環冗余校驗、位填充、報文格式檢查和應答錯誤檢測。保證了很低的數據出錯率。

6）CAN節點在嚴重錯誤的情況下，具有自動關閉的功能，以切斷該節點與總線的聯系，使總線上的其他節點的操作不受影響，故具有較強的抗干擾能力。由于 CAN總線這些卓越的特性，低廉的價格，極高的可靠性和靈活的結構，使其特別適合于工業過程監控設備的互聯，在眾多領域得到了廣泛的應用。

2.2 CAN總線局限性

CAN現場總線作為一種面向工業底層控制的通信網絡,也有其局限性。由于其節點與節點之間通訊通過數字模式，故對現場維護人員維護要求較高，需具有專門的CAN總線知識及現場維護經驗。

3 CAN總線與其他總線的比較

3.1 工業以太網和CAN現場總線比較

1）工業以太網優勢及存在問題

以太網優勢：基于TCP/IP的以太網是一種標準開放式的網絡，由其組成的系統兼容性和互操作性好，資源共享能力強，可以很容易的實現將控制現場的數據與信息系統上的資源共享；數據的傳輸距離長、傳輸速率高；易與 Internet連接，低成本、易組網；與計算機、服務器的接口十分方便，受到了廣泛的技術支持。

存在問題：以太網采用的是帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問協議(CSMA/CD)，無法保證數據傳輸的實時性要求，是一種非確定性的網絡系統。以太網采用超時重發機制，單點的故障容易擴散，造成整個網絡系統的癱瘓。其次，工業以太網的魯棒性和抗干擾能力等都是值得關注的問題，其對工業現場的惡劣環境適應性需要設計人員特別注意。

2）工業以太網和CAN現場總線的差異

工業以太網和 CAN現場總線的網絡協議規范都遵循ISO/OSI參考模型的基本層次結構，均應用在 OSI模型的最低兩層（物理層和數據鏈路層），但是二者在各層的物理實現及通信機理上卻有很大的差別。工業以太網與 CAN總線的區別還表現在邏輯鏈路控制子層。工業以太網實現組幀、處理傳輸差錯、調整幀流速的功能，CAN總線在此層實現報文濾波、過載通知及恢復管理[2]。工業以太網不需要總線供電，而 CAN總線需要有總線電源。有總線電源后，CAN總線的抗干擾能力更強，對現場環境的適應能力更強。

3.2 RS485總線和CAN現場總線比較

1）RS485總線的特點

RS-485采用平衡發送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發送狀態，故發送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，只需要一條雙絞線。應用RS-485可以輕松聯網構成分布式系統。RS-485邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2～6）V表示，邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（2～6）V表示。接口信號電平與TTL電平兼容，可方便與 TTL電路連接。總線最高傳輸速率為10Mbps。多臺設備共同連接于485總線時必須使用主從式互聯方式，一個主設備多個從設備。

2）RS485和CAN現場總線的差異

相比較于CAN總線，RS485總線的通信容量較少，理論上最多僅容許接入128個節點，并且受到使用的通信芯片帶載能力限制，不適于多節點用戶。RS485總線的通信速率低，常用波特率為9600bps。且其速率與通信距離有直接關系，當達到數百米以上通信距離時，其可靠通信速率＜1200bps。RS485芯片功耗較大，靜態功耗達到2～-3mA，工作電流（發送）達到20mA，若加上偏置電阻及終端電阻，工作電流會更大。增加了線路電壓降，不利于遠程布線。RS485總線采用主機輪詢方式，這就使其通信的吞吐量較低，不適用于通信量要求較大場合。系統較大時，實時性較差。主機需要不停地輪詢各從機。當從機之間需要進行通信時，必須通過主機，增加了從機間通信的難度及主機負擔。CAN總線在通信方式方面與485總線差異很大，具有獨特的通信優勢。但485總線通信簡單，而且技術非常成熟，在工業現場中應用也非常廣泛。

3.3 其他現場總線和CAN現場總線比較

1）其他現場總線簡介

1984年 IEC（International Electro technical Commission，國際電工委員會）把現場總線定義為一種應用于生產現場，在現場設備之間、現場設備和控制裝置之間實行雙向、串形、多結點的數字通信技術。目前世界上存在著大約四十余種現場總線，如法國的 FIP；英國的 ERA；德國西門子公司Siemens的Profibus；挪威的FINT；Echelon公司的LONWorks；PhenixContact公司的 InterBus；Rober Bosch公司的CAN；Rosemounr公司的HART；Carlo Garazzi公司的 Dupline；丹麥 Process Data公司的P-net；PeterHans公司的 F-mux；以及ASI（Actratur Sensor Interface），ModBus，SDS，Arcnet，國際標準組織-基金會現場總線 FF：FieldBusFoundation，WorldFIP，BitBus。美國的DeviceNet與ControlNet等。這些現場總線大都用于過程自動化、醫藥領域、加工制造、交通運輸、國防、航天、農業和樓宇等領域，大概不到十種的總線占有80%左右的市場。鑒于篇幅原因，在這里各種現場總線的特點不一一介紹，文中只在介紹典型總線與 CAN總線區別時再略作描述。

2）其他現場總線和CAN現場總線區別

每種總線大都有其應用的領域，比如 FF、Profibus-PA適用于石油、化工、醫藥、冶金等行業的過程控制領域；LonWorks、Profibus -FMS、Deviece Net適用于樓宇、交通運輸、農業等領域；Device Net、Profibus -DP適用于加工制造業，而這些劃分也不是絕對的，每種現場總線都力圖將其應用領域擴大，彼此滲透。每種現場總線都有其國際組織和支持背景。比如Profibus以Siemens公司為主要支持，并成立了Profibus國際用戶組織。鑒于現場總線眾多，在此僅介紹三類現場總線，并簡述其與CAN總線的區別。

（1）基金會現場總線（FF）與CAN總線的差異

基金會現場總線是一種全數字、串行、雙向通信系統，應用于工廠網絡底層網絡或工廠自動化環境。其適合的應用場合有基本和復雜管理控制的場合，以及與上述功能相關的、帶很多離散控制的應用。基金會現場總線采用多點接線、多變量儀表。一個節點上可以處理來自同一現場設備上的多個變量。例如，一個溫度變送器可以與多達八個傳感器的輸入進行通信。它同時降低了接線和儀表費用。另外，多個設備的功能可以通過一個設備完成，這樣可減少導線管，提高安全性并降低工程費用。基金會現場總線了解設備運行是否正常，發送的信息是好、差或不定狀態。這可免除大多數的例行檢查工作，并有助于在重大的過程問題發生之前發現故障情況。可互操作性使得基金會現場總線設備和主系統能夠協調工作，同時能保證每個組件都能發揮各自的全部性能。與 CAN總線相比，兩者各有利弊，設計人員可以按照設計對象合理選擇。

（2）Profibus現場總線與CAN總線的差異

與其他現場總線系統相比，Profibus的最大優點在于具有穩定的國際標準EN50170作保證，并經實際應用驗證具有普遍性。目前已應用的領域包括加工制造．過程控制和自動化等。Profibus開放性和不依賴于廠商的通信的設想，已在10多萬成功應用中得以實現。市場調查確認，在德國和歐洲市場中 Profibus占開放性工業現場總線系統的市場超過40%。Profibus有國際著名自動化技術裝備的生產廠商支持，它們都具有各自的技術優勢并能提供廣泛的優質新產品和技術服務。Profibus是符合德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50179的現場總線，包括 Profibus－DP、Profibus－FMS、Profibus－PA三部分。它也只采用了OSI模型的物理層、數據鏈路層、應用層。Profibus支持主從方式、純主方式、多主多從通信方式。主站對總線具有控制權，主站間通過傳遞令牌來傳遞對總線的控制權。取得控制權的主站，可向從站發送、獲取信息。Profibus－DP用于分散外設間的高速數據傳輸，適合于加工自動化領域。FMS型適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等。而 PA型則是用于過程自動化的總線類型。

（3）LonWorks總線與CAN總線的差異

LonWorks技術是美國ECHELON公司開發，并與Motorola和東芝公司共同倡導的現場總線技術。它采用了 OSI參考模型全部的七層協議結構。LonWorks技術的核心是具備通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片實現完整的LonWorks的LonTalk通信協議。由神經芯片構成的節點之間可以進行對等通信。LonWorks支持多種物理介質并支持多種拓撲結構，組網方式靈活。LonWorks應用范圍主要包括樓宇自動化、工業控制等，在組建分布式監控網絡方面有較優越的性能。

LonWorks是惟一涵蓋全部3個層次（SensorBus、DeviceBus和FieldBus），符合150/0517層參考模型的現場總線技術。在一個多種層次的現場總線產品并存競爭的現實環境下，LonWorks兼收并蓄，成為連接過去、包容現在、面向未來的工業總線技術。LonWorks技術的核心是以固件形式實現7層通信協議，實行開放結構，具備良好的互操作性。還有網關可方便構成局域網，甚至與Internet相連，實現遠程預覽現場設備數據的應用。

LonWorks技術在樓宇自控系統中的技術上的優勢明顯：①直接互聯性，不同品牌、功能的DDC組成一個統一控制網絡協同工作；②自主通信，數個小規模 DDC分布式布置，聯合運行，在功能方面完全替代了單CPU多I/O點的中大型DDC；③網絡結構多樣化，易于適應用戶的不同需求；④系統費用較高，雖然系統開發較易人門，但隨著技術介入深度加大，專用軟件的購置費用許可證及技術專利等知識產權相關費用也隨之上升（較 CAN總線貴10%左右）。

4 結論

與其他現場總線比較而言，CAN總線具有通信速率高、容易實現、且性價比高等諸多特點，是一種已形成國際標準的現場總線，這也是目前 CAN總線應用于眾多領域,具有強勁市場競爭力的重要原因。

在今后一段時間內，這些總線產品將與 CAN總線共同發展，互相競爭。由于 CAN總線所具有的高可靠性、實時性和靈活性等突出優點，加上廣泛的應用基礎，預計 CAN總線將越來越受歡迎，并最終成為市場占有率很高的主要總線產品之一。

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[2] 王保中等.工業以太網與 CAN現場總線比較和應用方案分析[J].工業儀表與自動化裝置,2006(05):10-12..

[3] 陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京:清華大學出版社,1999.

[4] 作者不詳 淺析汽車總線技術,2009.

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[6] 王毅．李令奇．模糊控制在現場總線控制系統中的應用[J].基礎自動化,2001.8(2):1-4.

[7] 劉正權,周寶龍,許維勝等.一種基于lA思想的現場總線控制系統的研究[J].同濟大學學報,2001,23(1):19-21.

胥清華（1985-），本科，專業，電氣工程與自動化，助理工程師。

李 強（1984-），本科，專業，電氣工程與自動化，助理工程師。