工業(yè)應(yīng)用中的網(wǎng)絡(luò)主題有著悠久且相當(dāng)復(fù)雜的歷史。每個(gè)單獨(dú)的行業(yè)都面臨在單個(gè)設(shè)備上部署電子控制的任務(wù)，將這些控制連接到自動(dòng)化孤島，最后將這些孤島拉入工廠范圍的網(wǎng)絡(luò)。這些現(xiàn)在已鏈接到企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，并與銷售預(yù)測(cè)、庫(kù)存控制和管理信息系統(tǒng)等相關(guān)聯(lián)。但是，這超出了本文的范圍。這種方法的問(wèn)題在于不同的行業(yè)開發(fā)了不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。在 1980 年代，有一種運(yùn)動(dòng)是使用 ISO 的 OSI（開放系統(tǒng)互連）模型創(chuàng)建一種描述網(wǎng)絡(luò)的通用方式，并找出不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用該模型進(jìn)行交互的方式。這將通信視為一個(gè)七層模型。第 1 層是物理層，定義電線、連接器以及信號(hào)通過(guò)電線（或光纖）傳輸?shù)姆绞?。這些層變得越來(lái)越抽象，直到第 7 層，應(yīng)用層，它是網(wǎng)絡(luò)之間的接口和通訊軟件。

　　圖 1：OSI 七層模型。

　　當(dāng)時(shí)對(duì) OSI 活動(dòng)進(jìn)行了巨額投資，其重要遺產(chǎn)包括能夠根據(jù)相關(guān) OSI 層描述當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，即使它們不是用這種方法設(shè)計(jì)的。

　　今天有幾種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正在部署中。工業(yè)以太網(wǎng)正在穩(wěn)步發(fā)展，特別是因?yàn)樗灰暈榕c標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)兼容。雖然它有很多優(yōu)點(diǎn)，但也有一些缺點(diǎn)，特別是對(duì)于硬實(shí)時(shí)應(yīng)用程序。盡管如此，許多早期的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如 Modbus 和 Profibus，已被改編為以太網(wǎng)上的覆蓋。

　　CAN 總線越來(lái)越流行，并且可能是目前占主導(dǎo)地位的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（盡管不同的市場(chǎng)數(shù)據(jù)給出了不同的數(shù)字）。這最初是作為連接汽車中越來(lái)越多的智能節(jié)點(diǎn)的一種方式，由羅伯特博世在德國(guó)開發(fā)。它在一般汽車行業(yè)被廣泛采用，被 SAE（美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)）接受，現(xiàn)在被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn) ISO 11898 的多個(gè)部分所涵蓋。在當(dāng)前的實(shí)施中，CAN 總線成本低、魯棒性強(qiáng)且能夠耐受汽車的極端環(huán)境，這些特性使其對(duì)工業(yè)控制應(yīng)用具有吸引力。它已變得如此普遍，以至于許多微控制器都在芯片上包含 CAN 接口，從而無(wú)需為每個(gè)節(jié)點(diǎn)配備專用控制器芯片。

　　CAN 總線

　　CAN 總線專為簡(jiǎn)化物理而設(shè)計(jì)。沒(méi)有單一的主節(jié)點(diǎn)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是主節(jié)點(diǎn)，并且節(jié)點(diǎn)通過(guò)單根端接雙絞線電纜連接。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與任何其他節(jié)點(diǎn)通信。最大比特率為 1 Mbit/sec，可以在 40 m 左右的正常電纜長(zhǎng)度上維持。隨著電纜長(zhǎng)度的延長(zhǎng)，比特率下降，而對(duì)于理論上 10 公里的電纜，比特率將下降到大約 5 Kbit/sec。還有使用光連接甚至無(wú)線的 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)。它們的數(shù)據(jù)速率會(huì)有所不同。

　　圖 2：CAN 總線連接。

　　節(jié)點(diǎn)沒(méi)有指定具體地址，雖然理論上這允許無(wú)限數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，但網(wǎng)絡(luò)上的正常最大值約為 64 個(gè)。代替節(jié)點(diǎn)地址，消息具有確定消息優(yōu)先級(jí)的標(biāo)識(shí)符。CAN總線部署了CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection），這意味著任何節(jié)點(diǎn)都可以傳輸消息。如果兩個(gè)（或更多）節(jié)點(diǎn)嘗試同時(shí)傳輸，則優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)將讓位于最高優(yōu)先級(jí)并稍后重試。監(jiān)聽(tīng)節(jié)點(diǎn)將識(shí)別與它們相關(guān)的消息并下載它們。

　　消息作為四種類型的幀傳輸。數(shù)據(jù)幀是消息傳遞的基本幀。此外還有遠(yuǎn)程幀，請(qǐng)求傳輸特定消息；錯(cuò)誤幀，當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)發(fā)送；和過(guò)載幀，用于在數(shù)據(jù)幀之間添加延遲。

　　數(shù)據(jù)幀本身最多可以攜帶 8 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，并且有 7 個(gè)字段：?jiǎn)伪忍貛鹗迹⊿OF）；仲裁領(lǐng)域；控制字段（指定消息的字節(jié)數(shù)）；數(shù)據(jù)字段，介于 0 到 8 個(gè)字節(jié)之間；15位CRC序列和1位定界符的循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）字段；一個(gè) 2 位的確認(rèn) （ACK） 字段（一個(gè)用于確認(rèn)收到消息，另一個(gè)是字段分隔符）；和七位幀結(jié)束（EOF）。

　　仲裁字段定義了兩種不同的數(shù)據(jù)幀類型：標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀。標(biāo)準(zhǔn)幀使用 11 位標(biāo)識(shí)符，而擴(kuò)展幀在標(biāo)識(shí)符中增加了 18 位，以應(yīng)對(duì) CAN 總線覆蓋的一些協(xié)議要求。

　　圖 3：CAN 數(shù)據(jù)幀格式。

　　網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)讀取每條消息，確定內(nèi)容是否與它們相關(guān)。如果他們確定消息是相關(guān)的，則節(jié)點(diǎn)重置 ACK 字段位并重新傳輸消息。這允許發(fā)送節(jié)點(diǎn)知道至少一個(gè)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)接收到消息。所有的消息管理都由 CAN 總線控制器執(zhí)行，最初是一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備，通常用于工業(yè)自動(dòng)化，現(xiàn)在是主控制器的集成部分。

　　回到 OSI 7 層模型，CAN 總線只有兩層。一，電線，對(duì)應(yīng)于模型的最低或物理級(jí)別。另一個(gè)，消息格式和 CSMA/CD 過(guò)程，大致映射到數(shù)據(jù)鏈路層。這意味著 CAN 總線只定義了道路和在道路上行駛的車輛的整體形狀。車輛攜帶什么，數(shù)據(jù)字段的內(nèi)容實(shí)際意味著什么，留給實(shí)現(xiàn)。這意味著更高級(jí)別的 OSI 模型的等價(jià)物未定義。一個(gè)定義涵蓋從網(wǎng)絡(luò)層到應(yīng)用層的各個(gè)層，是由 560 家公司組成的聯(lián)盟 CiA（自動(dòng)化中的 CAN）開發(fā)的 CAN Open 標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)此以及可以使用 CAN 總線的其他協(xié)議的選擇在很大程度上取決于應(yīng)用程序的上下文。

　　FlexCAN

　　CAN 的擴(kuò)展，F(xiàn)lexCAN 以及相關(guān)的協(xié)議 SafeCAN，已在美國(guó)開發(fā)并在安全關(guān)鍵應(yīng)用中取得了一些成功，因?yàn)樗鼛?lái)了確定性和實(shí)時(shí)性。通常，在微控制器上實(shí)現(xiàn) FlexCAN 時(shí)，它向后兼容 CAN。

　　林

　　LIN，Local Interconnect Network，也來(lái)自汽車行業(yè)。它的開發(fā)是為了在 CAN 總線提供的高帶寬和錯(cuò)誤處理相關(guān)成本過(guò)高的應(yīng)用中提供 CAN 總線的替代和擴(kuò)展。在汽車應(yīng)用中，這些是簡(jiǎn)單的東西，如窗戶控制、雨量傳感器和門鎖，而在工業(yè)應(yīng)用中，溫度和壓力傳感器、非關(guān)鍵開關(guān)和簡(jiǎn)單的執(zhí)行器自然是 LIN 網(wǎng)絡(luò)的候選者。LIN 常用于創(chuàng)建 CAN 子網(wǎng)。

　　CAN 總線控制器往往是高 16 位和 32 位微控制器中提供的選項(xiàng)的一部分，LIN 可以使用標(biāo)準(zhǔn)串行通用異步接收器/發(fā)送器 （UART），即使是成本最低的 8 位微控制器或?qū)Ｓ肔IN接口。

　　LIN 總線不是同等狀態(tài)節(jié)點(diǎn)，而是主從。任何 LIN 總線都會(huì)有一個(gè)主機(jī)和一個(gè)或多個(gè)從機(jī)（最多 16 個(gè)）。主機(jī)還包括從機(jī)。主機(jī)以預(yù)定義的順序和頻率輪詢從機(jī)。該消息可以是對(duì)信息的指令或請(qǐng)求。奴隸通過(guò)訂閱（執(zhí)行指令）或發(fā)布（提供信息）來(lái)響應(yīng)。

　　圖 4：LIN 消息幀。

　　一個(gè) LIN 消息幀有一個(gè)消息頭和一個(gè)消息響應(yīng)，頭由主機(jī)發(fā)送，響應(yīng)由其中一個(gè)從機(jī)發(fā)送。Header 包含三個(gè)元素：Break、Sync 和 Identifier，而 Response 包含兩個(gè)元素，Data 和 Checksum。Break 用于提醒所有從站消息即將到來(lái)，而 Sync 允許從站同步到傳輸速度。標(biāo)識(shí)符既為消息提供標(biāo)識(shí)，又向從站警告特定消息是相關(guān)的。然后相關(guān)從機(jī)使用響應(yīng)，在數(shù)據(jù)字段中提供最多 8 字節(jié)的有效負(fù)載并計(jì)算校驗(yàn)和值。標(biāo)識(shí)符的映射和數(shù)據(jù)格式的內(nèi)容是依賴于實(shí)現(xiàn)的。

　　當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)是 LIN 2.1，這為節(jié)點(diǎn)提供了睡眠模式。觸發(fā)睡眠模式的不活動(dòng)周期由開發(fā)人員定義，并由任何節(jié)點(diǎn)結(jié)束，無(wú)論是主節(jié)點(diǎn)按照預(yù)定義的時(shí)間表工作，還是從節(jié)點(diǎn)被應(yīng)用軟件的預(yù)定義狀態(tài)觸發(fā)。

　　實(shí)現(xiàn) CAN

　　大多數(shù)微控制器開發(fā)人員都提供 CAN 接口。通常，微控制器上的 CAN 接口將連接到 CAN 收發(fā)器，這些接口可從眾多供應(yīng)商處獲得。

　　飛思卡爾擁有大量基于 PowerPC 架構(gòu)的微控制器選項(xiàng)。MPC8306 /9系列是 PowerQUICC II Pro 產(chǎn)品，具有 e300 PowerPC 內(nèi)核和基于 RISC 的 QUICC 通信引擎。它們?cè)O(shè)計(jì)為通信處理器，提供多種不同接口選擇，可用于將 CAN 橋接到其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在工業(yè)應(yīng)用中，這通常是以太網(wǎng)，用于將 CAN 網(wǎng)絡(luò)連接到更廣泛的企業(yè)。在 MPC8306/9 系列中，有多種速度/功率權(quán)衡可供選擇，而飛思卡爾是少數(shù)實(shí)施 FlexCAN 的制造商之一。飛思卡爾有一個(gè)涵蓋MPC830X系列的開發(fā)套件。產(chǎn)品的低功率端是Silicon Labs C8051F5XX微控制器。它們基于 8 位 8051，采用小型封裝，并提供用戶對(duì)所有外圍設(shè)備的控制，允許它們斷電以節(jié)省電力?？捎玫墓ぞ甙ㄒ粋€(gè)可以容納兩個(gè)處理器的開發(fā)套件，允許使用 LIN 2.1 主從網(wǎng)絡(luò)。

　　Texas Instruments 的 Stellaris系列提供了基于 ARM Cortex 內(nèi)核的大量功率/速度選項(xiàng)。Stellaris 2000、5000、8000 和 9000 系列都有具有 CAN 功能的成員。TI 提供了一系列板卡和套件，用于使用 Stellaris 開發(fā) CAN 網(wǎng)絡(luò)，并采用不同的開發(fā)環(huán)境，例如 IAR、Keil 和 CodeSourcery。TI 還提供具有 CAN 功能的其他微控制器架構(gòu)，包括Piccolo的成員范圍; Sitara ARM 微處理器，基于 ARM9 或 Cortex-A8 內(nèi)核；以及Hercules安全微控制器平臺(tái)，該平臺(tái)專為使用 ARM Cortex-M3 和 Cortex-R4F 內(nèi)核的 IEC 61508 和 ISO 26262 安全關(guān)鍵應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

　　Atmel 還有幾個(gè)支持 CAN 的系列，包括 32 位 AVR AT32UC3C和基于 ARM9 的SAM9的成員。此外，Microchip的大多數(shù) PIC 變體都提供 CAN，包括 8 位PIC 10/12/16 和 18、16位PIC24和 32 位PIC32。與大多數(shù)制造商一樣，這些都得到了廣泛的開發(fā)套件的支持。

　　參數(shù)

　　這只是一些可用的微控制器選項(xiàng)的簡(jiǎn)短摘要。選擇微控制器的問(wèn)題不在于它是否具有 CAN。相反，選擇標(biāo)準(zhǔn)將是那些通常使用的標(biāo)準(zhǔn)，使用諸如電源/性能、其他外圍設(shè)備和可用軟件等參數(shù)。通常，關(guān)鍵因素將是對(duì)特定架構(gòu)的內(nèi)部投資，包括工具和多年的經(jīng)驗(yàn)，是否能夠保證該項(xiàng)目將在預(yù)算內(nèi)按時(shí)高質(zhì)量完成。