CAN總線的淺析CANopen協(xié)議

摘  要： 本文分析了CAN總線的一些特點(diǎn)以及在國(guó)內(nèi)的的應(yīng)用狀況，提出了引入國(guó)際上通用的CAN總線高層應(yīng)用協(xié)議，以提高國(guó)內(nèi)CAN系統(tǒng)應(yīng)用水平的建議，并簡(jiǎn)要介紹了一種CAN的高層協(xié)議—CANopen協(xié)議。文章最后部分介紹了國(guó)際上一些較先進(jìn)的CAN產(chǎn)品和開(kāi)發(fā)方法。
關(guān)鍵詞： CAN-bus協(xié)議；CANopen協(xié)議；嵌入式軟件中間件

在設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)，尤其是分布式嵌入式系統(tǒng)時(shí)，解決好系統(tǒng)各單元間可靠、有效的通信是系統(tǒng)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵，對(duì)實(shí)時(shí)性和安全可靠性要求高的網(wǎng)絡(luò)而言就更是如此。解決這一問(wèn)題有多種方案，如RS232/485串行總線、CAN、ProfitBus、FF、WorldFIP、LonWorks等各類(lèi)型的現(xiàn)場(chǎng)總線，還有嵌入式以太網(wǎng)等。其中，盡管RS485串行總線協(xié)議的性能不高，但由于其在硬件成本以及開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便性上的巨大優(yōu)勢(shì)，目前仍然是國(guó)內(nèi)廣泛的總線應(yīng)用。
隨著嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的發(fā)展，RS485性能上的不足逐漸顯露出來(lái)，已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)一個(gè)高性能、高實(shí)時(shí)性系統(tǒng)的要求。盡管還需要實(shí)踐的證明，但筆者經(jīng)過(guò)多年的觀察和實(shí)踐，感覺(jué)到CAN總線是其中最有希望成功的。

選擇CAN總線實(shí)現(xiàn)
通信的原因
選擇CAN總線作為最佳候選者，主要是基于以下幾方面原因：
CAN串行總線具有高性能
CAN的傳輸距離可以達(dá)到10公里；通信速率最高可達(dá)1Mbps；具有完善的錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制；采用“多重訪問(wèn)沖突仲裁”機(jī)制的幀傳輸方式，可保證不丟失信息；每一幀中最多可以傳輸8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，可提供很高的實(shí)時(shí)性等等。性能上的優(yōu)勢(shì)保證了CAN可以應(yīng)用在很多的領(lǐng)域，在汽車(chē)工業(yè)、船舶運(yùn)輸、機(jī)械控制、工廠自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化等都可以看到CAN的應(yīng)用。
CAN在硬件成本上很具優(yōu)勢(shì)
除了性能外，和其它現(xiàn)場(chǎng)總線相比，CAN總線在硬件成本上也有很大優(yōu)勢(shì)。從硬件芯片上來(lái)說(shuō)，智能節(jié)點(diǎn)要收發(fā)信息需要一個(gè)CAN控制器和一個(gè)CAN收發(fā)器。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，CAN已經(jīng)獲得了國(guó)際上各大半導(dǎo)體制造商的大力支持，據(jù)CAN最主要的推廣組織CIA(自動(dòng)化CAN)統(tǒng)計(jì)，目前已經(jīng)有20余種CAN控制器和收發(fā)器可供選擇，片內(nèi)集成CAN控制器的單片機(jī)更多達(dá)100余種。CAN在開(kāi)發(fā)成本上的優(yōu)勢(shì)也很明顯
目前，從廣泛應(yīng)用的8位/16位單片機(jī)，到DSP和32位的PowerPC、ARM等嵌入式處理器，均在芯片內(nèi)部含有CAN總線硬件接口單元。因此，從硬件角度看，CAN具備其它現(xiàn)場(chǎng)總線無(wú)法比擬的高集成化優(yōu)勢(shì)和廣泛的市場(chǎng)支持基礎(chǔ)。
CAN的開(kāi)發(fā)平臺(tái)也比較簡(jiǎn)單，用戶(hù)如果選擇普通單片機(jī)加上CAN控制器進(jìn)行開(kāi)發(fā)，則CAN的開(kāi)發(fā)平臺(tái)和普通單片機(jī)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)完全相同；如果選擇帶有片內(nèi)CAN控制器的單片機(jī)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，則只要換用支持該單片機(jī)的仿真器就可以了，其他開(kāi)發(fā)設(shè)備完全相同。開(kāi)發(fā)CAN也需要相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。用戶(hù)可以自行根據(jù)選擇的CAN控制器開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序。


圖1 CANopen協(xié)議通信模型


圖2  CANopen設(shè)備模型


通過(guò)采用高層協(xié)議將CAN的應(yīng)用推向深化
和其他的現(xiàn)場(chǎng)總線相比，CAN只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的規(guī)范（遵循OSI標(biāo)準(zhǔn)），這種設(shè)計(jì)和CAN規(guī)范定義時(shí)的歷史條件有關(guān)，也可以使CAN能夠更廣泛地適應(yīng)不同的應(yīng)用條件，但必然給用戶(hù)應(yīng)用帶來(lái)一些不便。用戶(hù)在應(yīng)用CAN協(xié)議時(shí)，必須自行定義高層協(xié)議。
如何將CAN協(xié)議的應(yīng)用推向更深的層次，同時(shí)滿足產(chǎn)品的兼容和互操作性？國(guó)際上通行的辦法是發(fā)展基于CAN的高層應(yīng)用協(xié)議，只用在應(yīng)用層上，不同公司的產(chǎn)品才可能實(shí)現(xiàn)互操作，好的應(yīng)用層協(xié)議更可以為用戶(hù)帶來(lái)系統(tǒng)性能的飛躍。
在CAN總線協(xié)議飛速發(fā)展的20年中，很多領(lǐng)域都制定了CAN在該領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)所采用的高層協(xié)議規(guī)范。其中，比較著名的有美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)(SAE)制定的車(chē)內(nèi)通信規(guī)范J1939等。這些協(xié)議和規(guī)范對(duì)CAN的推廣起了很大的作用，但總體來(lái)說(shuō)，協(xié)議的模塊化特性都不太好，一般只能應(yīng)用于特定的領(lǐng)域。為了能夠把CAN推廣到更多的領(lǐng)域，歐洲一些公司推出了CAL(應(yīng)用層CAN)協(xié)議，盡管CAL在理論上正確，并在工業(yè)上可以投入應(yīng)用，但每個(gè)用戶(hù)都必須設(shè)計(jì)一個(gè)新的子協(xié)議，因?yàn)镃AL 是一個(gè)真正的應(yīng)用層協(xié)議。CAL 可以被看作一個(gè)應(yīng)用CAN 方案的必要理論步驟，但在這一領(lǐng)域它不會(huì)被推廣。從1993 年起，由Bosch公司領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)歐洲機(jī)構(gòu)研究出一個(gè)協(xié)議原型，由此發(fā)展成為CANopen規(guī)范。
CANopen是一個(gè)基于CAL的子協(xié)議，采用面向?qū)ο蟮乃枷朐O(shè)計(jì)，具有很好的模塊化特性和很高的適應(yīng)性，通過(guò)擴(kuò)展可以適用于大量的應(yīng)用領(lǐng)域。在CANopen規(guī)范基本完成之后，Bosch將其移交給CIA組織，由其進(jìn)行維護(hù)與發(fā)展。在1995年，CIA發(fā)表了完整版的CANopen通信子協(xié)議；僅僅用了5年的時(shí)間，它已成為全歐洲最重要的嵌入式網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。
CANopen 不僅定義了應(yīng)用層和通信子協(xié)議，而且為可編程系統(tǒng)、不同器件、接口、應(yīng)用子協(xié)議定義了大量的行規(guī)，遵循這些行規(guī)開(kāi)發(fā)出的CANopen設(shè)備將能夠?qū)崿F(xiàn)不同公司產(chǎn)品間的互操作。另外，CANopen協(xié)議是免許可證的，任何組織和個(gè)人都可以開(kāi)發(fā)支持CANopen協(xié)議的設(shè)備而不用支付版稅，這也是CANopen得到迅猛發(fā)展的重要原因之一。CANopen目前已在汽車(chē)工業(yè)控制系統(tǒng)，公共交通運(yùn)輸系統(tǒng)，醫(yī)療設(shè)備，海運(yùn)電子設(shè)備和建筑自動(dòng)化系統(tǒng)中取得了廣泛的應(yīng)用，是將CAN應(yīng)用推向深化的理想選擇。

采用CANopen協(xié)議
實(shí)現(xiàn)通信
CANopen協(xié)議中包含了標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用層規(guī)范和通信規(guī)范，其通信模型如圖1所示。在CANopen的應(yīng)用層，設(shè)備間通過(guò)相互交換通信對(duì)象進(jìn)行通信。良好的分層和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想將帶給用戶(hù)一個(gè)清晰的通信模型。

CANopen設(shè)備模型
一個(gè)CANopen設(shè)備模塊可以被分為3部分，如圖2所示。
通信接口和協(xié)議軟件提供在總線上收發(fā)通信對(duì)象的服務(wù)。不同CANopen設(shè)備間的通信都是通過(guò)交換通信對(duì)象完成的。這一部分直接面向CAN控制器進(jìn)行操作。
對(duì)象字典描述了設(shè)備使用的所有的數(shù)據(jù)類(lèi)型，通信對(duì)象和應(yīng)用對(duì)象。是一個(gè)CANopen設(shè)備的核心部分。對(duì)象字典位于通信程序和應(yīng)用程序之間，向應(yīng)用程序提供接口，應(yīng)用程序?qū)?duì)象字典進(jìn)行操作就可以實(shí)現(xiàn)CANopen通信。理解對(duì)象字典的概念是理解CANopen模型的關(guān)鍵。
應(yīng)用程序由用戶(hù)編寫(xiě)，包括功能部分和通信部分。通信部分通過(guò)對(duì)對(duì)象字典進(jìn)行操作實(shí)現(xiàn)CANopen通信，而功能部分由用戶(hù)根據(jù)應(yīng)用要求實(shí)現(xiàn)。
CANopen網(wǎng)絡(luò)的通信和管理都是通過(guò)不同的通信對(duì)象來(lái)完成的，為了能夠?qū)崿F(xiàn)通信，網(wǎng)絡(luò)管理，緊急情況處理等功能，CANopen規(guī)范定義了四類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)的通信對(duì)象：