工業(yè)應用中的網(wǎng)絡(luò)主題有著漫長而又糾結(jié)的歷史。每個行業(yè)都接近在各個設(shè)備上部署電子控制的任務(wù)，將這些控制連接到自動化孤島，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，并與銷售預測，庫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。這種方法的問題在于不同的行業(yè)開發(fā)了不同的方法來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。在20世紀80年代，有一種運動來創(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)使用該模型進行交互的方式。這將通信視為七層模型。 1級是物理層，定義了電線，連接器以及信號穿過電線（或光纖）的方式。層變得越來越抽象，直到第7層，即應用層，即網(wǎng)絡(luò)之間的接口和通訊軟件。

圖1：OSI七層模型。

當時對OSI活動進行了大量投資，其重要的遺產(chǎn)包括能夠根據(jù)相關(guān)OSI層描述當前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，即使它們不是采用這種方法設(shè)計的。

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，特別是因為它被視為與標準以太網(wǎng)兼容。雖然它有很多優(yōu)點，但它確實有一些缺點，特別是對于硬實時應用程序。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總線越來越受歡迎，也許目前占主導地位的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（雖然不同的市場數(shù)據(jù)給出了不同的數(shù)字）。這開始是將汽車中越來越多的智能節(jié)點連接起來的一種方式，由Robert Bosch在德國開發(fā)。它被廣泛應用于一般汽車行業(yè)，被SAE（美國汽車工程師協(xié)會）接受，現(xiàn)在由國際標準組織標準ISO 11898涵蓋，有幾個部分。在當前的實施方式中，CAN總線成本低，魯棒且容許汽車的極端環(huán)境，這些特性使其對工業(yè)控制應用具有吸引力。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，因此無需為每個節(jié)點提供專用控制器芯片。一些估計表明，有超過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)計是為了簡化物理。沒有單個主設(shè)備，因為網(wǎng)絡(luò)上的每個節(jié)點都是主設(shè)備，節(jié)點通過單個端接雙絞線連接。每個節(jié)點都可以與任何其他節(jié)點通信。最大比特率為1 Mbit/sec，可以在大約40 m的正常電纜長度上維持。隨著電纜長度的增加，比特率下降，對于理論上10千米的電纜，比特率將降至約5 Kbit/sec。還有使用光學連接甚至無線的CAN總線網(wǎng)絡(luò)。他們的數(shù)據(jù)率會有所不同。

圖2：CAN總線連接。

節(jié)點沒有給定特定地址，雖然理論上這允許無限數(shù)量的節(jié)點，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)先級的標識符，而不是節(jié)點地址。 CAN總線部署CSMA/CD（帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問），這意味著任何節(jié)點都可以傳輸消息。如果兩個（或更多）節(jié)點嘗試同時進行傳輸，那些優(yōu)先級較低的節(jié)點將產(chǎn)生最高優(yōu)先級并稍后重試。偵聽節(jié)點將識別與其相關(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。另外還有遠程幀，請求傳輸特定消息;錯誤幀，在節(jié)點檢測到錯誤時發(fā)送;和過載幀，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個字節(jié)的數(shù)據(jù)，并有7個字段：單個幀起始幀（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個字節(jié)之間; 15位CRC序列和1位定界符的循環(huán)冗余校驗（CRC）字段;一個2比特的確認（ACK）字段（一個用于確認接收消息，另一個用于字段定界符）;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：標準幀和擴展幀。標準幀使用11位標識符，而擴展幀又為標識符添加18位，以應對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)上的每個節(jié)點都會讀取每條消息，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)點重置ACK字段位并重新發(fā)送該消息。這允許發(fā)送節(jié)點知道至少一個節(jié)點已經(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，最初是一個獨立的設(shè)備，通常用于工業(yè)自動化，現(xiàn)在是主控制器的集成部分。

簡要回到OSI 7層模型，CAN總線只有兩層。一，電線，對應于模型的最低或物理層。另一種是消息格式和CSMA/CD過程，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)容實際意味著什么，留待實施。這意味著更高級別的OSI模型的等價物未定義。一個涵蓋從網(wǎng)絡(luò)層到應用層的層的定義是由CiA（CAN in Automation）開發(fā)的CAN Open標準，這是一個由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用程序的上下文。 CAN現(xiàn)已標準化為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的擴展，F(xiàn)lexCAN以及相關(guān)協(xié)議SafeCAN已在美國開發(fā)，并且在安全關(guān)鍵應用方面取得了一些成功，因為它帶來了確定性和實時性方面。通常，在微控制器上實現(xiàn)FlexCAN的情況下，它向后兼容CAN。

LIN LIN，本地互連網(wǎng)絡(luò)，也來自汽車行業(yè)。它的開發(fā)是為了提供CAN總線的替代和擴展，在與CAN總線提供的高帶寬和錯誤處理相關(guān)的成本太高的應用中。在汽車應用中，這些是簡單的事情，如窗戶控制，雨水傳感器和門鎖，而在工業(yè)應用中，溫度和壓力傳感器，非關(guān)鍵的通斷開關(guān)和簡單的執(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位微控制器上的標準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，而是主從。任何LIN總線都有一個主站和一個或多個從站（最多16個）。主人還包括一個奴隸。主設(shè)備以預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求。奴隸通過訂閱（執(zhí)行指令）或發(fā)布（提供信息）來回應。

圖4：LIN消息幀。

LIN消息幀具有消息頭和消息響應，主節(jié)點發(fā)送標頭，其中一個從節(jié)點響應。 Header有三個元素：Break，Sync和Identifier，而Response有兩個，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。標識符既提供消息的標識，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，在數(shù)據(jù)字段中提供最多8個字節(jié)的有效負載，并計算校驗和值。標識符的映射和數(shù)據(jù)格式的內(nèi)容是依賴于實現(xiàn)的。

當前標準是LIN 2.1，這為節(jié)點提供了睡眠模式。觸發(fā)睡眠模式的不活動時段由開發(fā)人員定義，并由任何節(jié)點結(jié)束，主節(jié)點工作到預定義的調(diào)度，或者從屬應用軟件的預定義狀態(tài)觸發(fā)。

實現(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。 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。它們設(shè)計為通信處理器，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可以容納兩個處理器的開發(fā)套件，允許運行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。 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，專為使用ARM Cortex-M3和Cortex-R4F內(nèi)核的IEC 61508和ISO 26262安全關(guān)鍵應用而設(shè)計。

Atmel還有幾個支持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的簡短摘要。選擇微控制器的問題不在于它是否有CAN。相反，選擇標準將是通常使用的選擇標準，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)，是否能夠讓這個項目在高質(zhì)量，時間和預算范圍內(nèi)完成。