CAN总线与PROFIBUS总线比较

CAN总线与PROFIBUS总线比较

摘要：本文简单介绍了CAN总线与PROFIBUS总线，。从两种总线的特点，优缺点、工作原理及应用领域行了对比,并对两者的发展趋势进行简单阐述。

关键词：CAN总线，PROFIBUS总线，发展趋势

Abstract：This paper simply introduces the CAN bus and the PROFIBUS fiel dbus. Compared this two fieldbus from the characteristics of two kinds of bus, characteristics, working principl e and application fiel d line.And state the d evel opment tend ency of the two kinds of bus.

Keywords: CAN BUS, PROFIBUS, d evelopment trend

1 两种总线简单介绍

控制器局域网总线（CAN，Controll er Area Network）是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN协议由德国的Robert Bosch公司开发，用于汽车中各种不同元件之间的通信[1]，以此取代昂贵而笨重的配电线束。该协议的健壮性使其用途延伸到其他自动化和工业应用。CAN协议的特性包括完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传输速率高达1Mb/s、同时具有11位的寻址以及检错能力[2]。

CAN总线是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电子干扰性，并且能够检测出产生的任何错误[3]。CAN总线可以应用于汽车电控制系统、电梯控制系统、安全监测系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输等领域[4]。

PROFIBUS是过程现场总线（Process Fiel d Bus ）的缩写，于1989年正式成为现场总线的国际标准。目前在多种自动化的领域中占据主导地位，全世界的设备节点数已经超过2000万[5]。它由三个兼容部分组成，即PROFIBUS－DP （Decentralized Periphery）．PROFIBUS－PA（Process Automation ）．PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification )。其中PROFIBUS－DP应用于现场级，它是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O之间的通讯[6]，总线周期一般小于10ms，使用协议第1、2层和用户接口，确保数据传输的快速和有效进行。；PROFIBUS－PA适用于过程自动化，可使传感器和执行器接在一根共用的总线上，可应用于本征安全领域；PROFIBUS－FMS用于车间级监控网络[7]，它是令牌结构的实时多主网络，用来完成控制器和智能现场设备之间的通信以及控制器之间的信息交换。主要使用主-从方式，通常周期性地与传动装置进行数据交换[8]。

2 工作原理

2.1 CAN总线工作原理

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[9]。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[10]。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[11]。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传感器[12]。

2.2 PROFIBUS总线工作原理

PROF IBUS - DP使用了第1 层(物理层) 、第2层(数据链路层)和用户接口层,由于工业上的特殊需要省略了3～6层。模型的第1层相同,其主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接,以透明地传送比特流。它采用RS - 485协议,其传输技术为半双工通信方式,传输速率在9. 6 k～12M bit·s- 1之间可选, 对应的通讯距离在100 m～1 200 m,根据最大传输速率的不同,可选用双绞线或光纤 2 种传输电缆[13]。一般来说在电磁干扰很大的环境下可使用光纤导体以增长高速传输的最大距离。数据链路层: PROF IBUS - DP的数据链路层是比较复杂的一部分,它主要是通过数据链路层协议, 在不可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。 PROF IBUS - DP网包括两种介质存取方式:令牌总线方式和主- 从方式可选用。数据链路层协议媒体访问控制(MAC)部分采用受控访问的令牌总线和主从方式。主站间数据传输采用令牌总线方式。令牌在总线上的各主站间传递,持有令牌的主站获得总线控制权,该主站依照关系表与从站或其它主站进行通信。主站与从站之间的周期性数据传输采用主从方式,主站向从站发送或索取信息。应用层: PROF IBUS - DP网没有使用OSI参考模型的应用层,而

是自己定义了第8层———用户层, 这一层与用户接触比较多,它主要定义了DP 的功能、行规及扩展功能[15]。

3 两种总线特点

3.1 CAN总线的特点

●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；

●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；

●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；

●可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；

●可靠的错误处理和检错机制；

●发送的信息遭到破坏后，可自动重发；

●节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；

●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。

3.2PROFIBUS总线特点

(1)由于PROFIBUS现场总线技术投运时间较长,因而它的应用范围已渗透扩散到电力拖动的电力电子技术(如变频调速器)等领域中。

(2 ) PROFIBUS 可远距离高速度传输数据。PROF IBUS - DP /FMS通信介质为屏蔽双绞电缆或光纤,传输速率为9. 6 k～12M bit·s- 1 ,传输距离为100～1 200 m,通过中继器后传输距离还可加长。

(3) PROF IBUS根据不同的应用对象可灵活选取不同规格的总线系统。如简单的设备一级的高速数据传送,可选用PROF IBUS - DP单主站系统;稍微复杂一些的设备级高速数据传送可选用PROF I2 BUS - DP多主站系统;比较复杂一些的系统可以将PROFIBUS –DP与PROFIBUS- FMS混合选用,两套系统可方便地在同一根电缆上同时操作,无需附加任何转换装置。

(4) PROF IBUS具有本征安全的优势。目前各种现场总线技术中考虑本征安全的只有PROF IBUS与FF。而FF的部分协议及成套硬件支撑尚未完善,可以说目前过程自动化中现场总线技术的成熟解决方案是PROF IBUS - PA 。它只需一条双绞线就既可传送信息又向现场设备供电,由于总线的操作电源来自单一供电装置,它就不再需要绝缘装置和隔离装置,设备在操作过程中进行的维修、接通或断开,即使在潜在的爆炸区也不会影响到其它站点。使用分段式耦合器PROF IBUS - PA 可以很方便地集成到PROF IBUS - DP网络上,使用连接器可在DP上扩展PA网络。PROF IBUS - DP总线上可挂接的设备有PROF IBUS - PA 总线变送器和执行器等。经过扩展的PROF IBUS - DP诊断能对故障进行快速定位,诊断信息在总线上传达输出并由主站采集,诊断信息分为3级:本站诊断操作、模块诊断操作和通道诊断