工業(yè)應(yīng)用中的網(wǎng)絡(luò)主題有著漫長(zhǎng)而又糾結(jié)的歷史。每個(gè)行業(yè)都接近在各個(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，最后將這些島嶼拉到工廠范圍的網(wǎng)絡(luò)中。它們現(xiàn)在鏈接到企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，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20世紀(jì)80年代，有一種運(yùn)動(dòng)來(lái)創(chuàng)建一種用ISO的OSI（開放系統(tǒng)互連）模型描述網(wǎng)絡(luò)的通用方法，并找到不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用該模型進(jìn)行交互的方式。這將通信視為七層模型。 1級(jí)是物理層，定義了電線，連接器以及信號(hào)穿過(guò)電線（或光纖）的方式。層變得越來(lái)越抽象，直到第7層，即應(yīng)用層，即網(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)行了大量投資，其重要的遺產(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)，即使它們不是采用這種方法設(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)，但它確實(shí)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，已經(jīng)被改編為以太網(wǎng)上的覆蓋。

CAN總線越來(lái)越受歡迎，也許目前占主導(dǎo)地位的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（雖然不同的市場(chǎng)數(shù)據(jù)給出了不同的數(shù)字）。這開始是將汽車中越來(lái)越多的智能節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)的一種方式，由Robert Bosch在德國(guó)開發(fā)。它被廣泛應(yīng)用于一般汽車行業(yè)，被SAE（美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)）接受，現(xiàn)在由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織標(biāo)準(zhǔn)ISO 11898涵蓋，有幾個(gè)部分。在當(dāng)前的實(shí)施方式中，CAN總線成本低，魯棒且容許汽車的極端環(huán)境，這些特性使其對(duì)工業(yè)控制應(yīng)用具有吸引力。它已經(jīng)變得如此普遍，以至于許多微控制器在芯片上都包含CAN接口，因此無(wú)需為每個(gè)節(jié)點(diǎn)提供專用控制器芯片。一些估計(jì)表明，有超過(guò)20家公司為微控制器提供CAN功能，通常是16位或32位。

CAN總線

CAN總線的設(shè)計(jì)是為了簡(jiǎn)化物理。沒有單個(gè)主設(shè)備，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是主設(shè)備，節(jié)點(diǎn)通過(guò)單個(gè)端接雙絞線連接。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，可以在大約40 m的正常電纜長(zhǎng)度上維持。隨著電纜長(zhǎng)度的增加，比特率下降，對(duì)于理論上10千米的電纜，比特率將降至約5 Kbit/sec。還有使用光學(xué)連接甚至無(wú)線的CAN總線網(wǎng)絡(luò)。他們的數(shù)據(jù)率會(huì)有所不同。

圖2：CAN總線連接。

節(jié)點(diǎn)沒有給定特定地址，雖然理論上這允許無(wú)限數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，但網(wǎng)絡(luò)上的正常最大值大約為64。消息具有確定消息優(yōu)先級(jí)的標(biāo)識(shí)符，而不是節(jié)點(diǎn)地址。 CAN總線部署CSMA/CD（帶沖突檢測(cè)的載波偵聽多路訪問(wèn)），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)進(jìn)行傳輸，那些優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)將產(chǎn)生最高優(yōu)先級(jí)并稍后重試。偵聽節(jié)點(diǎn)將識(shí)別與其相關(guān)的消息并下載它們。

消息以四種類型的幀傳輸。數(shù)據(jù)框是消息傳遞的基本框架。另外還有遠(yuǎn)程幀，請(qǐng)求傳輸特定消息;錯(cuò)誤幀，在節(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)幀本身最多可攜帶8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，并有7個(gè)字段：?jiǎn)蝹€(gè)幀起始幀（SOF）;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比特的確認(rèn)（ACK）字段（一個(gè)用于確認(rèn)接收消息，另一個(gè)用于字段定界符）;和幀結(jié)束（EOF）的七位。

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)展幀又為標(biāo)識(shí)符添加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，并確定內(nèi)容是否與它們相關(guān)。如果他們確定該消息是相關(guān)的，則該節(jié)點(diǎn)重置ACK字段位并重新發(fā)送該消息。這允許發(fā)送節(jié)點(diǎn)知道至少一個(gè)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)接收到該消息。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。

簡(jiǎn)要回到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層。另一種是消息格式和CSMA/CD過(guò)程，大致映射到數(shù)據(jù)鏈路層。這意味著CAN總線僅定義道路和在道路上行駛的車輛的整體形狀。車輛攜帶的內(nèi)容，數(shù)據(jù)字段的內(nèi)容實(shí)際意味著什么，留待實(shí)施。這意味著更高級(jí)別的OSI模型的等價(jià)物未定義。一個(gè)涵蓋從網(wǎng)絡(luò)層到應(yīng)用層的層的定義是由CiA（CAN in Automation）開發(fā)的CAN Open標(biāo)準(zhǔn)，這是一個(gè)由560家公司組成的聯(lián)盟。這種以及可以使用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。 CAN現(xiàn)已標(biāo)準(zhǔn)化為ISO 11898，ISO 16845和SAE J1939，適用于汽車，工業(yè)和通用嵌入式通信。

FlexCAN

CANC的擴(kuò)展，F(xiàn)lexCAN以及相關(guān)協(xié)議SafeCAN已在美國(guó)開發(fā)，并且在安全關(guān)鍵應(yīng)用方面取得了一些成功，因?yàn)樗鼛?lái)了確定性和實(shí)時(shí)性方面。通常，在微控制器上實(shí)現(xiàn)FlexCAN的情況下，它向后兼容CAN。

LIN LIN，本地互連網(wǎng)絡(luò)，也來(lái)自汽車行業(yè)。它的開發(fā)是為了提供CAN總線的替代和擴(kuò)展，在與CAN總線提供的高帶寬和錯(cuò)誤處理相關(guān)的成本太高的應(yīng)用中。在汽車應(yīng)用中，這些是簡(jiǎn)單的事情，如窗戶控制，雨水傳感器和門鎖，而在工業(yè)應(yīng)用中，溫度和壓力傳感器，非關(guān)鍵的通斷開關(guān)和簡(jiǎn)單的執(zhí)行器是LIN網(wǎng)絡(luò)的自然候選者。 LIN通常用于為CAN創(chuàng)建子網(wǎng)。

CAN總線控制器往往是高端16位和32位微控制器提供的選項(xiàng)的一部分，LIN可以使用甚至成本最低的8位微控制器上的標(biāo)準(zhǔn)串行通用異步接收器/發(fā)送器（UART）或?qū)Ｓ玫腖IN接口。

LIN總線不是等狀態(tài)節(jié)點(diǎn)，而是主從。任何LIN總線都有一個(gè)主站和一個(gè)或多個(gè)從站（最多16個(gè)）。主人還包括一個(gè)奴隸。主設(shè)備以預(yù)定義的順序和頻率輪詢從設(shè)備。該消息可以是指令或信息請(qǐng)求。奴隸通過(guò)訂閱（執(zhí)行指令）或發(fā)布（提供信息）來(lái)回應(yīng)。

圖4：LIN消息幀。

LIN消息幀具有消息頭和消息響應(yīng)，主節(jié)點(diǎn)發(fā)送標(biāo)頭，其中一個(gè)從節(jié)點(diǎn)響應(yīng)。 Header有三個(gè)元素：Break，Sync和Identifier，而Response有兩個(gè)，Data和Checksum。 Break用于警告所有從站即將發(fā)送消息，而Sync允許從站同步到傳輸速度。標(biāo)識(shí)符既提供消息的標(biāo)識(shí)，也提醒特定消息相關(guān)的從屬設(shè)備。然后，相關(guān)從站使用響應(yīng)，在數(shù)據(jù)字段中提供最多8個(gè)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)時(shí)段由開發(fā)人員定義，并由任何節(jié)點(diǎn)結(jié)束，主節(jié)點(diǎn)工作到預(yù)定義的調(diào)度，或者從屬應(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，這些可從各種供應(yīng)商處獲得。

飛思卡爾擁有基于PowerPC架構(gòu)的大量微控制器選項(xiàng)。 MPC8306/9系列是PowerQUICC II Pro產(chǎn)品，具有e300 PowerPC內(nèi)核和基于QUICC，RISC的通信引擎。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)鏈接到更廣泛的企業(yè)。在MPC8306/9系列中，可提供各種速度/功率折衷，飛思卡爾是少數(shù)幾家實(shí)施FlexCAN的制造商之一。飛思卡爾擁有跨越MPC830X系列的開發(fā)套件。產(chǎn)品的低功耗端是Silicon Labs C8051F5XX微控制器。這些是基于8位8051的，采用小型封裝，并提供用戶對(duì)所有外設(shè)的控制，允許它們斷電以節(jié)省功耗。可用的工具包括一個(gè)可以容納兩個(gè)處理器的開發(fā)套件，允許運(yùn)行LIN 2.1主從網(wǎng)絡(luò)。

德州儀器（TI）的Stellaris系列提供基于ARM Cortex內(nèi)核的大量功率/速度選項(xiàng)。 Stellaris 2000，5000，8000和9000系列都具有CAN功能。 TI提供了一系列用于使用Stellaris開發(fā)CAN網(wǎng)絡(luò)的電路板和套件，采用不同的開發(fā)環(huán)境，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系列的成員; Sitara ARM微處理器，基于ARM9或Cortex-A8內(nèi)核;和Hercules安全微控制器平臺(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還提供大多數(shù)PIC變體的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，這些都得到了各種開發(fā)套件的支持。

參數(shù)

這只是一些可用微控制器選項(xiàng)的簡(jiǎn)短摘要。選擇微控制器的問(wèn)題不在于它是否有CAN。相反，選擇標(biāo)準(zhǔn)將是通常使用的選擇標(biāo)準(zhǔn)，使用諸如功率/性能，其他外圍設(shè)備和可用軟件之類的參數(shù)。通常關(guān)鍵的因素是，特定建筑的內(nèi)部投資，包括工具和人工年數(shù)，是否能夠讓這個(gè)項(xiàng)目在高質(zhì)量，時(shí)間和預(yù)算范圍內(nèi)完成。