CAN现场总线监控系统原理和应用设计

1、CAN结构分为3层：应用层、数据链路层和物理层。数据链路层又分为：逻辑链路层（Logic

Link Control，LLC）和媒体访问控制层（Medium Access Control，MAC）。逻辑链路层的主要功能是：为数据转送和远程数据请求提供服务，确认由LLC子层接收的报文实际已被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。在定义目标处理时，存在许多灵活性。媒体访问控制层的功能主要是定义传送规则，亦即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。MAC子层也要确定为开始一次新的发送，总线是否开放或者是否马上

开始接收。

2、CAN总线是串行通信网络，具有可靠性、实时性和灵活性特点。（1）、以多主方式工作，

网络上任意节点均可以在任意时刻主动向网络上的其他节点发送信息，不分主从，通信方式灵活，而且无需占地址等信息；（2）、CAN网络上的节点信息分不同的优先级，满足不同的实时要求；（3）、当多个节点同时向总线发送信息时，优先级低的节点会主动地退出发送，而优先级最高的节点可不受影响继续传送数据；（4）、CAN只需要通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式来传输数据，无需专门的调度；（5）、CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路；（6）、采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有良好的检错效果。每帧信息都有CRC校验和其他检错措施；（7）、CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能；（8）、CAN的时间延时是不确定的，只有具有最高优先权的帧延时是确定的。

3、（1）报文，总线上的信息以不同固定格式的报文发送，长度有限制，当总线开放时，

任何连接的单元均可以开始发送一个新报文；（2）节点可以在不要求所有节点积其应用层改变任何软件和硬件的情况下，接入CAN网络；（3）在CAN网络中报文可以确保被所有节点或者指定节点接收；（4）CAN节点能识别永久性故障和短暂扰动，可以自动关闭故障节点；（5）有错误检测功能，措施包括发送自检、循环冗余校验、位填充和报文格式检查；（6）非归零码即未流中每位的逻辑电平在整个位时间内保持不变，或者隐性电平或者显性电平。相应的曼彻斯特方式要求在每一位中用上升沿或下降沿来表示0或1，因此通信频率要更高一些；（7）CAN中总线数值取显性电平或隐性电平，显性电平表示逻辑0，隐性电平表示逻辑1。

4、基于优先权的总线仲裁，帧的优先权由帧的ID决定。总线上0代表显性电平，1代表隐

性电平。总线空闲呈现隐性电平，这是任何一个节点都可以发送一个显性电平作为一帧的开始。如果有两个以上的节点同时开始发送，即产生总线竞争。CAN总线解决竞争的方法是对标识符按位进行仲裁。各发送节点一面向总线发送电平，一面与回收总线电平进行比较，电平相同继续发送下一位，电平不同则不再发送，退出总线竞争。所谓的电平不一致一定是发生在发隐性电平而收到显性电平之时，它说明总线上尚存在发显性电平的节点，这样的节点继续在支配总线，而自己因发隐性电平而退让。同时发显性电平的节点可能不止一个，它们继续向下按位仲裁，可见最高优先级的标识符应全是显性电平。也就是说CAN总线中哪个发送元件的优先级高是由发送的数据决定的，发送数据中0的位置和数目决定了它的优先级。

5、帧类型和帧格式：构成一帧的帧启始、仲裁域、控制域、数据域和CRC序列均借助位填

充规则进行编码。当发送器在发送的位流中检测到5位连续的相同数值时，将自动地在实际发送的位流中插入一个补码位。数据帧和远程帧的其余位域采用固定格式，不进行填充。出错帧和超载帧同样是固定格式，也不进行位填充。4种帧类型：数据帧携带数据由发送器至接收器；远程帧通过总线单元发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧；

错误帧由检测处错误的任何单元发送；超载帧用于提供当前的和后续的数据帧的附加延迟。

6、数据帧将数据由发送器传送至接收器。数据帧由7个不同的位域组成：帧起始、仲裁域、

控制域、数据域、CRC域、应答域和帧结束。数据域长度可为零。

帧起始只有总线处于空闲状态时才允许开始发送；数据帧理论上最多传送的位数是109位，但是规定连发5个‘1’要补1个‘0’，连发5个‘0’时要补1个‘1’，因此实际发送时一般比109位要多几位。数据域由数据帧中的发送数据组成。它可以为0~8字节，每个字节包含8位。

7、远程帧，某节点希望获得总线上另外某个节点上的数据时，需要发出远程帧进行请求。

远程帧由6个不同的位域组成：帧起始、仲裁域、控制域、CRC域、应答域和帧结束。

8、出错帧，报文传输过程中，任一节点检测出错误即于下一位开始发送错误帧，通知发送

端终止发送。出错帧由两个不同域组成:第一个域由来自各站点的错误标志叠加得到，后随的第二个域是出错界定符。

9、多主和多节点接收：CAN传输协议中标识符及报文中不包括与总线结构有关的参数，如

接收站地址等，所以总线中各个非发送节点，包括欲发送而被迫退让的节点都可接收。

各接收站根据标识符的性质进行过滤，决定是否将报文拆帧取用。

MCU系统控制器内核是CIP-51微控制器，CIP-51系统控制器的指令集与标准MCS-51TM 指令集完全兼容，所有的CIP-51指令在二进制码和功能上与MSC-51产品完全等价，包括操作码、寻址方式和对PSW标志的影响。

10、存储器组织，CIP-51中有两个独立的存储器空间：程序存储器和数据存储器。程序存储

器和数据存储器共享同一个地址空间，但用不同的指令类型访问。

11、C8051F040、060系列片内有CAN控制器，CAN控制器进行总线通信是由片内硬件和部

分用户应用软件共同完成的。

12、中继器是CAN总线系统组网的关键设配，可以将同一层的两段网络进行互联；也可以

实现上、下两层的不同总线互联，起到网桥和网管（gateway）的作用。线路中继：GAN 总线中继器只是将通过的电信号强度增强；网络中继：除了可以增加通信距离外，还能增加CAN总线所允许的节点挂接数，此中继器两端的线路可以是不同层次的同一种网