控制器局部网(Controller Area Network )是为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网,由于其卓越性能现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。控制器局部网将在我国迅速普及推广。
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控制器区域网(Controller Area Network)CAN现场总线已经成为在仪表装置通讯的新标准。它提供高速数据传送, 在短距离(40m)条件下具有高速(1Mbit/s)数据传输能力,而在最大距离10000m时具有低速(5kbits/s)传输能力, 极适合在高速的工业自控应用上。CAN总线可在同一网络上连接多种不同功用的传感器(如位置,温度或压力等)。
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CAN是一种基于广播的通讯机制,广播通讯依靠报文(Message)的传送机制来实现,因此CAN并未定义站及站地址,而仅仅定义了报文,这些报文依靠报文确认区(Identifier)来进行识别,一个消息报文确认区在一个网络中必须是唯一的,它不但描述了某一报文的意义,而且还定义了报文的优先级,当很多站都在访问总线时,优先级是很重要的,因此,CAN是通过报文的确认区来决定报文的优先级的。
CAN使用地址访问的方法,使网络系统的配置变得非常灵活,用户很容易可以增加一个新的站到一个已经存在CAN网络里,而不用对已经存在的站进行任何硬件或软件上的修改,但必须此新增的站为完全的接收者,这样它将不会对网络上各节点的通讯产生影响。
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在实时处理系统中,通过网络交换紧急报文存在很大的不同:一个迅速改变的值,如发动机负载必须频繁的进行传送且要求延迟比其它的值如发动机温度要小。发送的报文都要和其它的不太紧急的报文进行优先级的比较,在系统设计中,报文的优先级体现在写入报文确认区的二进制值,这些值不能被动态的改变。确认区中的值越小,其报文的优先级越高(也就是0比1的优先级高)。
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CAN协议支持两种帧格式,它们只是在确认区存在差异,一种被称为CAN标准帧,在CAN2.0协议的Part A进行定义,标准帧支持11bit的确认区长度,;另一种称为CAN扩展帧,在CAN2.0协议的Part B进行定义,支持29bit的确认区。
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CAN-Bus系统通过相应的CAN接口连接工业设备(如限位开关、光电传感器、管道阀门、电机启动器、过程传感器、变频器、显示板、PLC和PCI作站等)构成低成本网络。直接连接不仅提供了设备级故障诊断方法,而且提高了通信效率和设备的互换性。CAN-Bus数据传输速率为1Mbit/s,线路距离lkm,基本站点数64,传输媒体是屏蔽双绞线或光纤。
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CAN-Bus数据链路层协议采用平等式(Peer to peer)通信方式,即使主机出现故障,系统其余部分仍可运行(当然性能受一定影响)。当一个站点状态改变时,它可广播发送信息到所有站点。
CAN-Bus的信息传输通过报文进行,报文帧有4种类型:数据帧、远程帧、出错帧和超载帧,其中数据帧格式如图8所示。CAN-Bus帧的数据场较短,小于8B,数据长度在控制场中给出。短帧发送一方面降低了报文出错率,同时也有利于减少其他站点的发送延迟时间。帧发送的确认由发送站与接收站共同完成,发送站发出的ACK场包含两个“空闲”位(recessive bit),接收站在收到正确的CRC场后,立即发送一个“占有”位(dominant bit),给发送站一个确认的回答。CAN-Bus还提供很强的错误处理能力,可区分位错误、填充错误、CRC错误、形式错误和应答错误等。
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CAN-Bus应用一种面向位型的损伤仲裁方法来解决媒体多路访问带来的冲突问题。其仲裁过程是:当总线空闲时,线路表现为“闲置”电平(recessive level),此时任何站均可发送报文。发送站发出的帧起始字段产生一个“占有”电平(dominant level),标志发送开始。所有站以首先开始发送站的帧起始前沿来同步。若有多个站同时发送,那么在发送的仲裁场进行逐位比较。仲裁场包含标识符ID(标准为llbit),对应其优先级。每个站在发送仲裁场时,将发送位与线路电平比较,若相同则发送;若不同则得知优先级低而退出仲裁, 不再发送。系统响应时间与站点数无关,只取决于安排的优先权。可以看出,这种媒体访问控制方式不像Ethetnet的CSMA/CDCA协议那样会造成数据与信道带宽受损。
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CAN-Bus除配置设备网(DevicnNet)协议外,还提供基于CAL(CANA pllicationlayer) 的CANopen协议(CiA DS-301),即支持设备参数的直接访问,又可实现有苛刻时间要求的过程数据通信。
CAN-Bus的DeviceNet协议具有开放性,用户无须购买加入系统所需的硬件、软件和允许权,多厂家设备能够在单一网络上相互操作。CANhs也允许与Ethernet或其他局域网相连,接人控制算法组态及管理信息PC系统,从而形成管控一体化的工业网络。
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CAN-Bus的通讯协议建立在国际标准组织的开放系统互联参考模型基础上,主要工作在数据链路层和物理层,用户可在其基础上开发适应系统实际需要的应用层通信协议。CAN的信号传输采用短帧结构,每一帧的有效字节数为8个,因而传输时间短,受干扰的概率低。当节点严重错误时,具有自动关闭的功能,以切断该节点与总线的联系,使总线上的其他节点及通信不受影响,故具有较强的抗干扰能力。
典型应用
● 现有RS232设备连接CAN-Bus网络
● 扩展标准RS232网络通讯长度
● PLC设备连接CAN-Bus网络通讯
● CAN-Bus与串行总线之间的网关网桥
● 工业现场网络数据监控
● CAN教学应用远程通讯
● CAN工业自动化控制系统
● 低速CAN网络数据采集数据分析
● 智能楼宇控制数据广播系统等CAN-Bus应用系统。
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现场总线技术以其独有的技术优势和特点,在现代分布式测量与控制技术领域中应用已愈来愈广泛。各种现场总线的主控制器一般都内嵌有相当完善的、开放式的互联通信协议,它具有通信速度快、误码率低、开发设计简单及网络使用维护方便等诸多特点,是实现网络化现场测量与控制技术的一个发展方向。但目前,的许多现场已投入使用的测量与控制系统中,各仪器设备或装置之间通信所使用的仍是传统的RS-485或RS-422总线。在不断投入新型现场总线系统的同时,要在短期内改造或淘汰那些旧系统是不现实的。况且,在许多应用场合,新老系统中主机的控制算法及功能是相似或兼容的,所以在一定时欷新老总线系统同时并存是客观的现实需要。对此,若能将新老仪器设备或装置通过一种透明转换装置而有机地揉合在一起,去掉老系统中重复的部分,是一种很好的选择。
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随着汽车制造技术中不断应用高新技术,CAN总线这个名词逐渐被人们所熟知,CAN总线是对汽车中标准的串行传输系统的一种简缩习惯的叫法。CAN的英文全称是:Controller Area Network,既控制器局域网络,属于工业现场总线的范畴,是现场总线的新一代局域通讯网络,又称为控制器局域网现场总线(CAN)。
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现代汽车中所使用的电子控制系统和通讯系统越来越多,如发动机电控系统、防抱死系统(ABS)、自动巡航系统(ACC)和车载多媒体系统,这些系统之间,系统和汽车显示仪表之间,系统和汽车故障诊断系统之间均需要进行数据交换,如此巨大的数据交换量,如仍然采用传统数据交换的方法,用导线进行点对点连接的传输方式将是复杂的工程,据统计,如果一个中级轿车需要线束插头300个以上,插针总数1800~2200个,线束总长超过1.5~2.0km,装配复杂而且故障率很高。CAN总线能够以较低的成本、高级的时实处理能力在强电磁干扰环境下高安全工作。
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所有参加CAN总线的分系统都可以通过其控制单元上的CAN总线接口进行数据的发送和接收,他设计了高效率的仲裁机制来解决传输冲突问题,具有高优先级的系统总能优先得到总线的使用权。
CAN同时采用了其他防范措施,能够准确判断出错的节点并关闭,有效保证了总线的可靠性,比如:总线对不同数据的传输速度是不一样的,对发动机电控系统和ABS等实时控制用数据实施高速传输,对车身调节系统(如空调)的数据实施低速传输,其他如多媒体系统则和诊断系统为中速传输,速率在两者之间,这样的区分提高了总线的传输效率和安全。
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CAN-Bus的通讯协议建立在国际标准组织的开放系统互联参考模型基础上,主要工作在数据链路层和物理层,用户可在其基础上开发适应系统实际需要的应用层通信协议。CAN的信号传输采用短帧结构,每一帧的有效字节数为8个,因而传输时间短,受干扰的概率低。当节点严重错误时,具有自动关闭的功能,以切断该节点与总线的联系,使总线上的其他节点及通信不受影响,故具有较强的抗干扰能力。
典型应用
● 现有RS232设备连接CAN-Bus网络
● 扩展标准RS232网络通讯长度
● PLC设备连接CAN-Bus网络通讯
● CAN-Bus与串行总线之间的网关网桥
● 工业现场网络数据监控
● CAN教学应用远程通讯
● CAN工业自动化控制系统
● 低速CAN网络数据采集数据分析
● 智能楼宇控制数据广播系统等CAN-Bus应用系统。
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