一种基于CAN总线的通信系统设计与实现
摘 要： 本文设计了应用于分布式控制结构的CAN总线通信系统，采用总线型拓扑结构以及分布式控制思想，在CAN控制器的链路层网络协议基础上，设计了应用层协议和传输层协议，实现批量数据透明块传输及自动错误重传，提高了数据通信的可靠性。系统已应用于微量元素检测仪器开发，运行结果表明，该通信系统工作稳定、实时性好、执行效率高。
关键词：CAN总线；总线型拓扑结构；应用层协议
控制器局域网（CAN:Controller Area Network）总线，是德国BOSCH公司首先应用于汽车内部的一种串行数据通信协议，是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mbps[1]，由于结构简单、通信质量好，在国内外已经得到较广泛的应用，已成为工业采集领域中首选的现场总线之一。
从OSI网络模型角度出发，现场总线网络一般只实现了第1层（物理层）、第2层（数据链路层）、第7层（应用层）。而CAN现场总线仅仅定义了第1层、第2层，这两层完全由硬件实现，无需再为此开发相应软件或固件。由此，为网络中每一个有效设备提供一组有用的服务与协议，CAN应用层设计至关重要，甚至影响整个CAN通信效率的高低。在CAN应用层设计中，CANopen协议是一个通用的、开放的、标准的CAN应用层协议。在CANopen协议基础上，确定自己的产品所需要的功能，然后选择最适合自己的硬件系统。开发周期相对较长，后期验证也需要较长的时间，对协议的不同理解造成的开发的兼容性差[2]。鉴于本分析仪器硬件特点以及各模块通信的易可行性，CANopen协议相对复杂，为此设计了专门用于本仪器系统的专用CAN应用层协议。
本文设计系统采用单主方式工作，PC机作为主控，其它五个模块为从节点，主控和从节点之间通过USB-CAN板卡实现通信。从节点采用Cortex-M4为内核的
STM32F407VGT6作为主控制器，其内置CAN总线控制器，使得该节点体积小、功耗低、抗干扰性能好。
1 系统总体设计方案
该分析仪器基于分布式测量控制的思想，按照仪器各模块功能和物理位置将功能分散到主控及五个从模块。整体系统的功能由这六个子模块协同完成，这些模块均挂接在CAN通信总线上，从模块通过USB-CAN板卡作为桥梁与主控通信，通过Can控制网络连接起来构
成一个分布式处理仪器系统。
主控通过USB-CAN板卡作为桥梁与从模块进行通信。各个从模块之间也需要通信，由于某些命令需要某两个模块同步协调完成，除了CAN信号线外，还需要在某些从模块之间添加几根同步信号线，用来进行时间同步指示和数据的传送。图示系统网络总体结构。
图1 系统网络总体结构
Fig.1 System Network Architecture
2 网络拓扑结构
网络的拓扑结构是指网络中节点的互连形式，是影响网络性能的主要因素。最常用的CAN网络拓扑结构是总线型拓扑与星型拓扑。
星型结构中，网络中的每一个节点通过一个中央设备连接在一起，各节点将数据发送到中央设备，再由中央设备将数据转发到目标节点。星型网络中任何单根电缆只连接两个设备（如一个节点和一个集线器），各节点相互独立。
在星型网络中，中央设备故障会导致整个网络的瘫痪。另外，星型结构所需的线缆和配置明显多于总线型网络，但其总长度与总线型网络一样受波特率、节点数量等因素制约[3]。
在本分析仪器系统中，各节点之间都存在通信的可能，与星型网络的节点独立性原则相违背。总线型网络相对于星型网络，网络布线更简单，工作量更少。因此，本系统采用总线型网络拓扑结构设计，也可采用优化的总线型结构——菊花链型网络。
3 网络设计
本系统CAN-bus网络采用总线拓扑结构，在网络中有六个CAN-bus节点。在总线的两个终端各安装一个120欧姆终端电阻。在同一CAN-bus通信网络中所有CAN节点的通信波特率必须一致，同时计算得出的CAN通信波特率也仅是适合一个具体数值范围内的通信波特率，即意味着标称通信速率为100kbps的CAN节点一般能够与通信速率为90kbps～110kbps的CAN节点正常通信。在该网络中，CAN总线使用速率1Mbps，在实际连接时，使用屏蔽双绞线，且要求网络中的分支线小于3m，最大干线长度小于40m。
图2中示出CAN收发器是驱动CAN控制器和物理总线间的接口，总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力都由其提供，具有抗恶劣环境的瞬间干扰、保护总线的能力，而且即使在某一节点掉电也不会影响总线。
基于CAN总线的通信系统设计
