CAN-bus现场总线基础教程【第7章】CAN总线应用层协议(DeviceNet)-DeviceNet网络的组建和配置(31)

CAN总线基础教程CAN（Controller Area Network）总线是一种串行通信协议，用于控制设备之间的通信。

它最初是由德国的BOSCH公司在1986年开发的，用于汽车电子系统中的通信。

随着时间的推移，CAN总线已在其他领域中得到广泛应用，如工业自动化、医疗设备和航空航天等。

CAN总线的基本组成包括控制器、节点和总线。

控制器是负责管理和控制通信的主要部分，它负责发送和接收数据，并处理错误。

节点是CAN总线上的设备，可以是传感器、执行器或其他装置。

总线是连接控制器和节点的物理介质，可以是双绞线、光纤或无线信号。

CAN总线的通信是基于消息的。

每个消息都有一个标识符，用于识别消息的发送者和接收者。

消息可以是数据或控制信息。

数据消息用于传输实际的数据，而控制消息用于发送命令和状态信息。

CAN总线使用优先级标识符来确定消息的发送顺序，以确保高优先级的消息优先被处理。

在CAN总线上进行通信通常涉及以下几个方面：1.消息帧格式：CAN总线使用两种不同的消息帧格式，即标准帧和扩展帧。

标准帧是11位标识符，用于较短的消息，而扩展帧是29位标识符，用于较长的消息。

2. 通信速率：CAN总线可以支持不同的通信速率，通常以位每秒（bps）为单位。

较高的通信速率可以提供更快的数据传输速度，但也可能导致较高的错误率。

3.错误检测和纠正：CAN总线具有内置的错误检测和纠正机制，以确保数据的可靠传输。

它可以检测错误帧，并采取相应的措施，如重传数据或将错误通知给其他节点。

4.总线拓扑：CAN总线可以采用不同的拓扑结构，如线性、星形或树状。

每种拓扑结构都有其优缺点，可以根据系统需求选择合适的拓扑结构。

5.错误处理：当通信中发生错误时，CAN总线可以采取一些措施来处理错误，如重传数据、更改通信速率或关闭故障节点。

总的来说，CAN总线是一种可靠且实时的通信协议，在许多应用领域中得到广泛应用。

它提供了一种可靠的通信方式，可以实现设备之间的数据传输和控制。

CAN总线协议协议名称：Controller Area Network (CAN) 总线协议协议概述：CAN总线协议是一种用于在电气控制单元（ECU）之间进行高速通信的网络协议。

它最初由Bosch公司开发，用于汽车领域，但现在已广泛应用于其他领域，如工业自动化和医疗设备等。

CAN总线协议具有高可靠性、实时性和容错性的特点，适用于多节点通信和分布式控制系统。

协议内容：1. 物理层CAN总线协议使用双绞线作为传输介质，并采用差分信号传输。

传输速率可根据需求选择，常见的速率有1 Mbps、500 kbps和250 kbps等。

总线长度和拓扑结构应根据具体应用进行规划。

2. 数据链路层2.1 帧格式CAN总线协议使用帧格式来传输数据。

帧由以下几个字段组成：- 起始位（SOF）：标识帧的开始。

- 标识符（ID）：用于识别不同的消息。

- 控制位（RTR）：用于指示数据帧还是远程帧。

- 数据长度码（DLC）：指示数据字段的长度。

- 数据字段（Data）：存储实际数据。

- CRC：用于检测传输错误。

- 确认位（ACK）：用于确认数据帧是否被接收。

- 结束位（EOF）：标识帧的结束。

2.2 帧类型CAN总线协议定义了两种帧类型：- 数据帧：用于传输实际数据。

- 远程帧：用于请求其他节点发送数据。

2.3 错误检测和恢复CAN总线协议具有强大的错误检测和恢复机制。

每个节点在发送数据时都会对其进行CRC校验，接收节点也会进行CRC校验来检测传输错误。

如果检测到错误，节点可以通过重新发送数据来进行恢复。

3. 网络层CAN总线协议使用基于优先级的非冲突访问机制。

每个消息都有一个唯一的标识符，具有较低标识符的消息具有较高的优先级。

当多个节点同时发送消息时，具有较高优先级的消息会被优先发送。

4. 应用层CAN总线协议的应用层可以根据具体需求进行定制。

常见的应用包括以下几个方面：- 传感器数据传输：CAN总线协议可以用于传输各种传感器数据，如温度、压力和位置等。

CAN总线协议入门CAN（Controller Area Network）总线协议是一种用于内部通信的网络协议，最初由德国Bosch公司于1986年开发，用于汽车电子系统的通信。

如今，CAN总线协议已被广泛应用于各种领域，包括工业控制、医疗设备、航空航天等。

CAN总线协议采用串行通信方式，可以连接多个节点。

每个节点通过一个唯一的地址来进行识别，可以同时发送和接收数据。

这使得CAN总线协议非常适用于需要高可靠性和实时性的应用。

相比之下，传统的并行总线协议（如RS-485）在连接多个节点时会存在数据传输冲突的问题。

1.高可靠性：CAN总线协议采用冲突检测和错误检测机制，可以及时发现传输中的错误，并且可以处理错误，确保数据的可靠传输。

即使在系统故障的情况下，CAN总线协议也可以保持正常通信。

2.高实时性：CAN总线协议的数据传输速度很快，具有微秒级的响应时间。

这使得CAN总线协议非常适用于对实时性要求较高的应用，如发动机控制、制动系统控制等。

3.灵活性：CAN总线协议可以连接多个节点，节点可以根据需要随时加入或退出总线。

这使得系统的可扩展性非常强，方便了系统的维护和升级。

4.低功耗：CAN总线协议的设计非常精简，数据传输时的能耗非常低。

这使得CAN总线协议非常适用于需要长时间运行的应用，如汽车电子系统。

在CAN总线协议中，节点之间的数据传输通过消息进行。

每个消息由一个标识符、数据字段和错误检测字段组成。

标识符用于标识消息的类型和发送的节点。

数据字段是实际的数据内容，可以包含8字节的数据。

错误检测字段用于检测传输中的错误。

任何节点都可以发送消息，并且消息的优先级由标识符决定。

当多个节点同时发送消息时，优先级高的消息会被优先传输，确保实时性。

在实际应用中，CAN总线协议一般需要配合相应的控制器和驱动器使用。

控制器负责对CAN总线的管理和数据传输，驱动器负责将CAN总线的电信号转换成适合目标设备的信号。

总的来说，CAN总线协议具有高可靠性、高实时性、灵活性和低功耗的特点，广泛应用于各种领域。

CAN总线应用层通信协议的实现CAN总线的底层硬件工作于OSI的数据链路层和物理层，CAN网络通信协议仅解决了数据发送、接收、错误处理等底层硬件数据传输问题，对于应用层数据并没有规定相应的解析协议，应用层协议需要使用者自定[22]，主要应考虑以下三个方面：确定数据帧格式、总线资源的分配、发送接收数据帧分配。

CAN协议分为标准桢和扩展桢，考虑到兼容性，这里采用标准帧。

总线资源的分配是指总线上的ID标识符分配。

本系统设置多台电机和其它设备作为下位机，每个下位机应该具有总线唯一的ID以便上位机和其它下位机节点对其寻址并控制，所以用CAN验收码寄存器(ACR)的值代表CAN节点的ID。

CAN 节点的接受是指：验收屏蔽寄存器(AMR)统一设置为0x00h，也就是说只有当接收缓冲器描述符区的识别码的(ID10~ID.3)位与CAN验收码寄存器(ACR)中的值一致，才能通过验收滤波器，确认该数据帧是发送给本节点的，继而引起SJA1000接收中断，在主程序读取接收缓冲器中的数据。

而CAN节点的发送是指：发送缓冲器的(ID10~ID.3)位我们设置为目的节点的ID，并将自己的ID设为数据帧的第一个字节，以便通信握手确认，明确数据来源。

总线资源的分配总线资源的分配指总线上的ID标识符分配。

每个下位机应该具有总线唯一的ID以便上位机和其它下位机节点对其寻址并控制。

①CAN节点接收：验收屏蔽寄存器(AMR)统一设置为0x00h，也就是说只有当接收缓冲器描述符区的识别码的(ID10~ID.3)位与CAN验收码寄存器(ACR)中的值一致，才能通过验收滤波器，确认该数据帧是发送给本节点的，继而引起DSP 接收中断，在主程序读取接收缓冲器中的数据。

②CAN节点发送：发送缓冲器的(ID10~ID.3)位设置为目的节点的ID，并将自己的ID设为数据帧的第一个字节，以便通信握手确认，明确数据来源。

下位机接收，上位机发送协议在BasicCAN模式下，每次接收或者发送的数据字节最多只有8个字节，如表5.1所示。

CAN总线教程详解CAN总线是一种现代的、高性能的通信总线技术，被广泛应用于汽车电子、工业控制、航空航天等领域。

CAN总线具有高可靠性、高带宽、低延迟等优点，能够满足实时性要求较高的应用场景。

本文将对CAN总线的基本原理、通信方式、物理层、协议以及应用进行详细介绍。

首先是CAN总线的基本原理。

CAN（Controller Area Network）总线是一种串行通信总线，其基本原理是利用差分信号传输数据，实现多个节点之间的通信。

CAN总线采用一种分布式的控制方式，多个节点可以同时进行发送和接收数据，而不会造成冲突。

此外，CAN总线还采用了一种优先级的机制，更高优先级的节点可以中断低优先级节点的传输，从而实现数据的有序传输。

接下来是CAN总线的通信方式。

CAN总线支持两种通信方式：广播和点对点。

在广播方式中，一个节点发送的数据可以被其他所有节点接收，而在点对点方式中，数据只能被指定的接收节点接收。

广播方式适用于需要向所有节点发送相同的数据的应用场景，而点对点方式适用于需要向指定节点发送数据的场景。

然后是CAN总线的物理层。

CAN总线的物理层采用了差分信号传输，即通过两根线分别传输正负两个相位相反的信号。

这种差分传输方式具有抗噪声能力强、抗干扰性好等优点。

CAN总线采用了标准的线缆以及连接器，可以实现节点间的高速可靠通信。

此外，CAN总线还具有自动的错误检测和纠正机制，能够实时检测线路的故障情况。

接下来是CAN总线的协议。

CAN总线采用了一种先进的帧格式，用于定义数据的传输规则。

每一帧包括了数据、标志位、ID等字段，多个帧组成了一个消息。

CAN总线使用了基于标识符的帧过滤机制，能够实现高效的消息传输。

此外，CAN总线还支持远程帧，即节点可以向其他节点发送请求，请求其发送指定的数据。

最后是CAN总线的应用。

CAN总线被广泛应用于汽车电子领域，用于汽车内部各个控制单元之间的通信。

例如，发动机控制单元、制动系统控制单元、仪表盘控制单元等可以通过CAN总线进行数据交互。

CAN总线原理与应用基础CAN总线（Controller Area Network）是一种多控制器通信协议，广泛应用于汽车电子、工业自动化和其他领域的实时通信系统。

CAN总线的原理与应用基础包括物理层、数据链路层和应用层三个方面。

物理层是CAN总线的最底层，用于传输电信号。

CAN总线使用差分信号传输，即利用两根线分别传输CAN_H和CAN_L两个信号。

CAN_H和CAN_L之间的电压差为2V，CAN_H为高电平，CAN_L为低电平。

这种差分传输方式能够抵抗干扰噪声，并提供良好的通信质量和稳定性。

数据链路层是CAN总线的核心部分，用于实现节点之间的高效通信。

CAN总线采用CSMA/CR（Carrier Sense Multiple Access withCollision Resolution）的访问机制。

节点在发送数据前检测总线是否闲置，如果闲置则发送数据；如果检测到总线中有节点正在发送数据，则等待该节点发送完毕后再发送。

若多个节点同时发送数据导致冲突，CAN总线使用位决策算法进行冲突解决。

数据链路层还包括帧格式的定义和错误检测与纠正机制。

CAN总线数据帧分为标准帧和扩展帧两种格式。

标准帧包括ID优先级、数据长度码和数据域等组成部分，总长度为11位。

扩展帧增加了消息标识码的长度，总长度为29位。

CAN总线还使用CRC（循环冗余检验）和ACK（确认）机制来检测和纠正传输过程中的错误。

应用层是CAN总线的最上层，用于定义具体应用场景下的数据传输协议和通信规则。

不同的应用场景需要定义不同的数据内容和帧格式。

例如，在汽车电子中，CAN总线应用层定义了诸如引擎控制、仪表盘显示、安全气囊等功能的通信协议。

在工业自动化中，CAN总线应用层定义了诸如传感器数据采集、控制指令传输等功能的通信协议。

CAN总线在汽车电子领域有着广泛的应用。

它能够同时连接多个电子控制模块，实现实时高效的数据传输和控制。

通过CAN总线，不同的模块可以实现相互之间的通信和协调工作。

厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通讯，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。

现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运产生的。

它作为过程自动化、制造自动化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互连通信网络，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。

由于标准实质上并未统一，所以对现场总线的定义也是各有各的定义。

下面给出的是现场总线的两种有代表性的定义。

(l) ISA SP50中对现场总线的定义。

现场总线是一种串行的数字数据通讯链路，它沟通了过程控制领域的基本控制设备(即场地级设备)之间以及与更高层次自动控制领域的自动化控制设备(即车间级设备)之间的联系。

这里的现场设备指最底层的控制监测、执行和计算设备，包括传感器、控制器、智能阀门、微处理器和内存等各种类型的仪表产品。

(2)根据国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通讯网路。

现场总线的本质含义表现在以下6个方面：a)现场通讯网路：用于过程以及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通讯网路。

b)现场设备互连：现场设备或现场仪表是指传感器、变送器和执行器等，这些设备通过一对传输线互连，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等，并可根据需要因地制宜地选择不同类型的传输介质。

c)互操作性：现场设备或现场仪表种类繁多，没有任何一家制造商可以提供一个工厂所需的全部现场设备，所以，互相连接不同制造商的产品是不可避免的。

用户不希望为选用不同的产品而在硬件或软件上花很大气力，而希望选用各制造商性能价格比最优的产品，并将其集成在一起，实现“即接即用；用户希望对不同品牌的现场设备统一组态，构成他所需要的控制回路。

这些就是现场总线设备互操作性的含义。

现场设备互连是基本的要求，只有实现互操作性，用户才能自由地集成FCS。

文库资料 ©2017 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd.第7章 CAN 总线应用层协议——DeviceNet1.1 DeviceNet 规范DeviceNet 是全球使用最广泛的现场总线之一。

DeviceNet 是基于CAN 总线技术并符合全球工业标准的开放型通信网络。

虽然定位于工业控制的设备级网络，但是它采用了先进的通信概念和技术，仅通过一根电缆将工业设备接成网络。

网络中不仅有底端的工业设备，还有像变频器、HMI 这样复杂的设备，这样不仅降低了系统的复杂性，还减少了设备通信的电缆硬件接线，提高系统可靠性，降低安装、维护成本，是分布式控制系统的理想解决方案，因而在世界范围内获得了大力推广和广泛应用，并已成为国际标准、欧洲标准和我国的国家标准。

1.1.1 DeviceNet 规范简介DeviceNet 规范定义了一个网络通信标准，以便组成工业控制系统的各个设备之间可以进行数据通信。

DeviceNet 规范除了提供ISO 模型的应用层定义之外，还定义了部分物理层和数据链路层。

规范中不仅对DeviceNet 节点的物理连接也作了规定，连接器、电缆类型、长度以及与通信相关的指示器、开关、相关的室内铭牌都作了详细规定。

DeviceNet 是建立在CAN 协议基础之上，沿用了CAN 协议所规定的物理层和数据链路层，并补充了不同的报文格式、总线访问仲裁规则及故障检测和隔离方法。

DeviceNet 的功能和特点如表7.1所示。

表7.1 DeviceNet 特点DeviceNet 的应用层协议则采用的是通用工业协议（CIP ）。

CIP 是一个在高层面上严格面向对象的协议。

每个CIP 对象具有属性（数据），服务（命令），连接和行为（属性值与服务间的关系），其主要功能有两个：一是面向连接的通信；二是定义了标准的工业应用对象。

下文详细介绍通信部分。

CIP 通信最重要的特点是它用不同的方式传输不同类型的报文，根据报文质量要求将需要发送的报文分为：显式报文和隐式报文。

CAN总线的原理及使用教程CAN总线的基本原理是基于广播通信和多主机通信机制。

多个节点可以同时发送和接收消息，消息被广播到所有其他节点，每个节点根据消息中包含的标识符来判断该消息是否与自己相关。

如果消息与节点相关，节点将处理该消息；如果消息与节点不相关，节点将忽略该消息。

这种机制使得多个节点可以在同一个总线上同时进行通信，大大提高了总线的利用率。

CAN总线的传输速率通常为1Mbps或以上，并且支持长距离传输。

它采用差分信号线进行传输，其中CAN_H和CAN_L线分别携带正向和负向信号，通过比较CAN_H和CAN_L之间的电压差来判断数值。

差分信号线的使用可以有效地抑制电磁干扰和噪声，提高传输的可靠性。

在CAN总线中，每个节点都有一个唯一的标识符用于区分不同的节点。

当节点需要发送消息时，它会将消息封装成一个帧，包括标识符、数据和一些控制字段。

帧被发送到总线上，其他节点可以接收到该帧并进行相应的处理。

节点还可以发送错误帧来检测和纠正总线上的错误。

为了保证多个节点之间的通信顺序和优先级，CAN总线采用了基于优先级的仲裁机制。

当多个节点同时发送消息时，节点根据自己的标识符计算一个仲裁值，仲裁值越小的节点具有较高的优先级，可以发送消息。

其他节点将立即停止发送，并等待仲裁完成后再发送。

这种仲裁机制保证了消息的有序发送，避免了冲突。

除了基本的消息传输外，CAN总线还支持远程帧和错误帧等功能。

远程帧用于请求其他节点发送指定标识符的消息，而错误帧用于报告总线上的错误情况。

这些功能使得CAN总线更加灵活和可靠。

在使用CAN总线时，首先需要选取合适的硬件设备和控制器。

接下来，需要进行总线的布线和连接，保证差分信号线的正确连接和屏蔽的使用。

然后，需要编写相应的软件程序来控制节点的行为，包括发送和接收消息、处理错误等。

最后，进行系统的调试和测试，确保CAN总线的正常工作。

总之，CAN总线是一种高性能的串行通信协议，具有多节点同时通信、高速传输、抗干扰能力强等优势。

文库资料 ©2017 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd.第7章 CAN 总线应用层协议——DeviceNet1.1 DeviceNet 主站设备的实现在整个DeviceNet 网络中主站扮演着最重要的角色，它负责整个网络的通信和管理，功能强大和复杂，但是DeviceNet 2.0版本的规范中又未对主站进行详细描述，使其设计起来更加困难。

上节我们介绍了如何快速实现DeviceNet 从站，本小节我们将介绍如何基于PCI-5010-D 接口卡快速实现DeviceNet 主站设备。

1.1.1 DeviceNet 典型网络拓扑结构DeviceNet 网络大都采用主干-分支网络拓扑结构，以主/从连接方式通信。

实际应用中一个网络通常有一个主站设备和最多63个从站设备，从站设备需要依靠主站的管理来完成数据交换。

图7.1所示为PCI-5010-D 在DeviceNet 网络中的典型应用形式。

1.1.2 PCI-5010-D DeviceNet 主站卡简介PCI-5010-D 是广州致远电子股份有限公司研发的新一代PCI 接口DeviceNet 主站卡，它可以使计算机快速连接到DeviceNet 网络，不但可以在最短时间内应用DeviceNet 从站设备，实现可视化、参数化的网络分析及控制，而且更能减少开发DeviceNet 系统的时间，组建稳定、健硕的DeviceNet 网络。

它提供多种操作系统的设备驱动、工具软件等，能真正的满足客户的各种应用需求，为工业通信DeviceNet 网络提供了可靠性、高效率的解决方案。

在计算机中的硬件与软件结构如图7.2所示。

图7.1 PCI-5010-D 典型应用文库资料 ©2017 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd.图7.2 PCI-5010-D 在计算机中的硬件与软件结构PCI-5010-D 具有如下特性： ● 支持ODVA 一致性测试软件（A21 DeviceNet Conform ）；● 带有微处理器的DeviceNet 主站卡，完全遵循DeviceNet 2.0协议规范； ● 支持最多63个从站节点；● 支持自动检测失效节点位、空闲节点位、错误节点位映射； ● 支持标准波特率： 125 kbps 、250 kbps 、500 kbps ； ● 支持用户自设定的MAC ID ，范围：0～63； ● 支持无需断开网络，在线移除/安装从站设备； ● 自供电DeviceNet 设备兼容网络的连接； ●PCI 板卡所有元器件均符合工业级要求。