第1章现场总线CAN-bus
1.1 从“罐头”说起
我们知道英文单词“can”有一个意思是罐头，那我们就借题发挥从“罐头”说起吧。

很多人小时候都自制过一种叫传声筒的玩具，就是在两个罐头的底部打孔后，用一根绳子将两个罐头系起来。

一旦绳子绷紧后，对这一个罐头喊话，另一罐头就可以传出声音。

它的原理很简单，对着喊话的那个罐头把声波产生的振动传导到绷紧的绳子上，绳子再将这种振动传导到另一个罐头上，这个罐头又把这种振动传导给空气形成声波。

这样就可以实现一侧说话一侧听了。

图1.1 童年的传声筒
因为声音在传声筒中是以振动波的形式传递的，我们可以设想，如果要一人说话多人听那该怎么办呢？这很容易实现，只要在绳子上系上更多的传声筒，让振动波可以传到更多的罐头里，自然可以就可以实现“多方通话”了。

当然，因为声波能量有限，绳子上系的罐头越多，每个罐头分配到的能量就越少，收听到的声音也就越小。

其实本章要介绍的现场总线和传声筒这种原始通信工具的原理是相通的。

只不过电电缆取代了绳子，电信号取代了振动波，电路板取代了罐头，喊话的内容则由各种需要传递的数据取代了。

典型的现场总线应用如图1.2所示，和上面的传声筒是不是很相似呢？
图1.2 现代的现场总线
1.2 通信的层次
通信是分层的，这个概念应该贯彻在我们学习任何通信系统的整个过程中。

我们仍以上面的传声筒游戏为例，假如小男孩想表达“你好”的意思，那他不会关心声音如何让罐头振动，更不会关心“你好”在绳子上是以横波还是纵波传输的，他关心的是自己表达的意思对方能不能理解。

在通信层次划分上来说，两个小朋友就处于“应用层”。

很显然，应用层是整个通信系统存在的唯一目的，任何通信系统都是为应用层服务的。

相对于“你好”这个想法，说出“你好”这个词就有很多种表达方法了，可以是中文、英
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文、日文等等。

这在通信层次划分上来说，意思的表达就处于“会话表示层”了。

显然，双方只有表示层一致才能正确理解对方的意思。

假如是两个说不同语言的小朋友一起玩传声筒的游戏，估计就没法玩了。

在说出“你好”这个词后，就轮到罐头来显身手了。

罐头可以决定以什么样的方式传输信息可以让其它罐头也获取到这些信息，这相当于通信层次中的“数据链路层”。

处于整个通信系统中最底层的是绳子，它起着传导振动信号的作用，绳子上振动信号频率与幅度的组合就反映了传递信息。

这相当于通信层次中的“物理层”。

通过上面的描述，在我们脑中已经有了一个通信系统的轮廓，我们来大致归纳一下： ● 绳子处于“物理层”，它只传输各种频率与幅度不同的振动信号，却并不关心这些信号
的意思；
● 罐头处于“数据链路层”，他负责收集信息并驱动绳子把信息传递给其它罐头；
● 说话这个动作处于“会话表示层”，该动作负责把想表达的意思用某种特定方式表达出
来；
● 小朋友们处于“应用层”，他们是整个通信系统的用户，整个通信系统就是为传递用户
的信息而设计并存在的。

尽管上面的例子不是非常贴切，但是读者应该已经清楚通信系统是分层的。

实际上，国际标准化组织（ISO ）对通信系统做了更详细的划分，如表1.1所示。

我们在学习或者调试某个通信系统时，头脑中一定要清楚当前正在分析的问题处于通信系统的哪个层面，不要出现物理层的绳子断了，却希望通过调整表示层的语言来修复通信。

表1.1 OSI 开放系统互连模型的各层定义
1.3 什么是现场总线
从字面意思和前面的内容我们可以大致归纳出现场总线的定义，就是应用于工业现场，采用总线方式连接多个设备，用于传输工业现场各种数据的一类通信系统。

注意这里的工业现场不是狭义的指车间工厂，而是指主要用于机器之间通信的场合。

所以即使在家庭中也可能存在用于安防的现场总线。

小知识点：“总线”的概念
如果读者是第一次接触“总线”的概念，可能不是很理解其含义。

我们可以把线路上传输的信号理解成要从A 地前往B 地办事的人。

点对点连接就像乘坐私人轿车出行，因为行车线路是从出发地直达目的地的。

总线连接就像乘坐公共汽车出行，公共汽车有自己的行车线路，这条线路通常会经过许多站点，只要这条线路会经过你要去的地方，你就可以乘坐这辆公共汽车。

显然乘坐私人轿车出行是最直接的，因为他不会去你不想去的地方。

但是如果所有人出行都选择私人轿车，道路将会非常拥挤（对应到设备中，点对点连接将会需要非常
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多的连线）。

所以现在城市管理者都建议大家出行乘坐交通工具。

虽然公共汽车不如轿车直接，但是因为可以把为轿车服务的社会资源用于公共交通的建设，这会极大的提高公共交通的速度和容量，这也就弥补了其劣势。

总线的英文是“bus ”，这是非常形象的。

要传输的信号在一条公共通道上传输，信息接受者从通道上接收所有信号，并根据规则过滤出发送给自己的信号进行处理。

根据应用领域不同世界上存在很多种现场总线，有些适用于车辆，有些适用于工厂生产线，有些适用于智能楼宇，甚至还有专门为室内灯光控制而设计的总线。

表1.2列出了一些主流的现场总线。

表1.2 主流的现场总线标准
尽管现场总线种类很多，但它们具有以下一些基本的共性：
● 开放性：总线规范开放，任何厂家都可以设计生产基于某种现场总线的产品；
● 数字化及双向串行传输：以较低的布线成本实现远距离传输；
● 支持多点通信的特点：在同一个通信网络上可以挂接多个设备；
● 能够满足工业控制现场的复杂环境、实时通信、抗干扰能力等方面的要求。

现场总线的推出引起了工业通信的一场革命，其综合了数字通信、计算机、自动控制、网络、电子、智能仪表、传感器等多种技术于一体，突破了传统的点对点式模拟信号或数字/模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统。

1.4 CAN 总线简介
从19世纪发明汽车以来，人们就一直在乘坐的舒适性、安全性和操控性方面不停的改进和创新，车上的电子设备也越来越多。

这些电子设备通大多是需要协同工作的，这就要求各部件之间能互相通信。

早期的通信是采用点对点连接的，这会使车上的电缆数量随着电子部件的增加而成指数上升，到上世纪八十年代时，车身电缆及接头数量几乎到了无法管理的数量了。

过多的线路降低了汽车的可靠性和可维护性。

为了解决这一问题，聪明的工程师们开始尝试各种通信方式以减少电缆数量，其中BOSCH 与Intel 从1983年开始研究的总线型通信方式——CAN-bus 脱颖而出，并在1986年正式发布。

宝马（BMW ）公司很快在1989年推出了第一款使用CAN-bus 通信的汽车。

该款汽车因为使用了新型的通信方式，车上电缆长度至少缩短了2000米（相当于绕标准跑道5圈），重量减轻了50公斤。

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图1.3 点对点连接与总线连接的对比
从此CAN-bus 开始了其辉煌的历程：
● 1990年，奔驰发布了第一辆使用CAN-bus 的轿车。

现在，几乎每一辆新生产的汽车
均装配有CAN-bus 网络；
● 1993年，CAN-bus 总线被制定成为国际标准ISO11898（高速应用）和ISO11519（低
速应用）；
● 1994年，欧洲成立了CiA 厂商协会，美洲成立了ODV A 厂商协会，专门支持CAN-bus
总线的两大应用层协议――CANopen 协议与DeviceNet 协议；
● 1999年，接近6千万个CAN 控制器投入应用；
● 2000年，市场销售超过1亿个CAN-bus 器件。

尽管CAN-bus 最早是为解决汽车通信问题而问世的，但是其凭借可靠、实时、经济和灵活的特点，CAN 总线很快在其它行业得到广泛应用，特别是在工业控制领域更是如鱼得水。

现在CAN-bus 总线已经成为全球范围内最重要的现场总线之一，甚至领导着现场总线。

CAN-bus 的规范定义了ISO 规范中的物理层和数据链路层，一些国际组织定义了应用层，例如CiA 组织的CANopen ，ODVA 组织的DeviceNet 等，也有一些用户根据需求自行设计应用层。

ISO/OSI 模型与CAN-bus 的对应关系详见图1.4。

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图1.4 OSI 模型与CAN-bus 的对应关系
设备之间所谓的通信，其实是相同层次间的信息沟通，例如物理层与物理层的信息交换，应用层与应用层的信息交换，层与层之间是互相独立的。

就像我们给朋友写了一份书信，我们不关心这封信是用飞机还是用汽车送达，我们只关心对方在阅读这封信时能不能理解自己要表达的意思。

同样对于邮政系统，他们在邮寄这封书信时不会关心书信的内容，无论是家信还是商务信函，邮政系统都会根据实际情况尽量送达。

正是基于这种层次化的结构，才使得大家能各司其职，高效而又相互独立的工作。

接下来将对CAN-bus 各个通信层次进行介绍，请读者在阅读时提醒自己注意该层要达到怎样的目的，有哪些规定以及是如何实现的。