本文以控制器局域网总线CAN为例，主要介绍了当今被广泛使用的CAN总线的基本原理，并通过诸多实例加以说明。以空调为例构建了一个网络化的测控系统，为空调系统的发展提供一个实例。最后又根据CAN总线的原理和功能总结了时下CAN总线的优缺点，同时根据CAN总线在实际生产生活中的应用情况对CAN总线的发展趋势做出了预测。本文仅供读者参考。

关键词：网络化测控系统；控制器局域网总线CAN；工作原理；应用；优缺点；

发展趋势；

二、当前网络化测控系统的现状和发展趋势

自跨入二十一世纪以来，信息化已成为了当今社会发展的趋势，全球都步入了一个信息化的时代。而现代测控技术是集计算机技术、微电子技术、信息论、控制论、测量技术、传感技术等学科发展的产物，是这些学科在解决系统、设备、部件性能检测和故障诊断的技术问题中相结合的产物。凡是需要进行性能测试和故障诊断的系统、设备、部件，均可以采用测控技术，它既适用于电系统也适用于非电系统。电子设备的自动检测与机械设备的自动检测在基本原理上是一样的，均采用计算机/微处理器作控制器通过测试软件完成对性能数据的采集、变换、处理、显示/告警等操作程序，而达到对系统性能的测试和故障诊断的目的。信息交换共享这个时代主题是测控系统的发展方向之一，所以，通过组建网络来形成使用测控系统已成为现代测控技术的发展趋势。作为代表，测控仪器仪表单元微小型化、智能化日趋明显。

测控技术的两个方面，一个是测一个是控。“测”是依靠传感器和信号传输电路，即测控电路；“控”则是依靠现代计算机的计算 处理能力，根据数据得出相应结果，通过反馈等方式控制整个系统。

计算机已经成为测控技术中的中坚力量，于是，网络技术也就自然而然的越来越成为测控技术满足实际需求的关键支持。但是不可否认，测控电路依然是测控技术发展的基础，和另一个重要的发展方向。

20世纪50年代初，计算机就开始应用于工业生产过程控制，控制理论与计算机技术的结合，产生了新型计算机控制系统，为自动控制系统的应用与发展开辟了新的阶段。

目前，应用较多的现代控制策略主要有自适应控制、变结构控制、鲁棒控制和预测控制等。

就应用而言，现代测控技术在当今社会的各个行业中,起着举足轻重的作用。无论科学研究、产品质量及自动控制都需要检测。例如现代检测技术的一个主要发展方向光电检测技术，它由于具有测量精度高、速度快、非接触、频宽与信息容量极大、信息效率极高以及自动化程度高等突出特点而广泛应用于工业、农业、家庭、医学、军事和空间科学技术等领域。

其中，现场仪表与控制室装置之间通信采用模拟信号4～20mA，数字控制仪表内部的信号处理为数字信号，但输入仍为4～20mA，控制装置之间和控制装置与上位计算机之间采用数字通信技术。例如目前数字控制仪表，DCS系统，PLC系统，FCS系统等。

从20世纪80年代中期以来，CIMS日渐成为制造工业的热点。其原因不仅在于CIMS具有提高生产率、缩短生产周期以及提高产品质量等一系列极有吸引力的有点，也不完全在于一些大公司采用CIMS取得了显著的经济效益，最根本的原因在于CIMS是在新的生产组织原理和概念指导下形成的一种新型生产模式。

世界上很多国家和企业把发展CIMS定为本国制造工业或企业的发展战略，制定了很多由政府和工业界支持的计划，用以推动CIMS的开发与应用。但随着工业向大型、连续、综合化发展，所构成的系统会越来越复杂。

随着信息时代的发展，现代测控技术在追求仪表智能化的同时，还对其稳定性、可靠性和适应性要求也不断提高，相应的，随着技术发展，测控技术大量应用高新技术和新的科学研究成果，测控技术的技术指标与功能不断提高。

测控系统中，就控制仪表与装置涉及的面而言便是非常的广泛的，如DCS、PLC、新型控制仪表、变送器及执行器等都有自己的发展轨迹，但它们的发展都围绕着实现工厂整体自动化（FA）这个总目标，即将自动控制装置用于生产流程的整个操作过程，从开机到停机的全程控制及将控制、生产计划安排和工厂全面管理有机的结合起来，实现工厂整体的自动化、综合化、最佳化。

测量单元微小型化、智能化测量控制与仪器仪表大量采用新的传感器、大规模和超大规模集成电路、计算机及专家系统等信息技术产品，不断向微小型化、智能化发展，从目前出现的“芯片式仪器仪表”，“芯片实验室”、“芯片系统”等看，测量单元的微小型化和智能化将是长期发展趋势。从应用技术看，微小型化和智能化测量单元的嵌入式连接和联网应用技术得到重视。

测控范围向立体化、全球化扩展，测量控制向系统化、网络化发展。随着仪器仪表所测控的既定区域不断向立体化、全球化甚至星球的发展，仪器仪表和测控装置已不再呈单个装置形式，它必然向测控装置系统化、网络化方向发展。例如一个大型水电站的测控系统，仅检测大坝安全性的传感器就达数千个，此外各个发电机组状态及水位情况的检测控制点（ I/O 测控点）将超过万点，要达到大型水电站的正常发电和送电，必须将各个测控点的测控装置形成一个有机的测控网络系统。又例如卫星测控系统，运载火箭上配置的各种传感器就达到数千，而卫星上各种测控装置构成一个完整的自动测控系统，然后和多个地面站的测控系统构成一个广域测控系统。

三、CAN总线的基本原理

控制器局域网总线（CAN，Controller Area Network）是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN协议由德国的Robert Bosch公司开发，用于汽车中各种不同

元件之间的通信，以此取代昂贵而笨重的配电线束。该协议的健壮性使其用途延伸到其他自动化和工业应用。CAN协议的特性包括完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传输速率高达1Mb/s、同时具有11位的寻址以及检错能力。

CAN总线是一种多主 方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电子干扰性，并且能够检测出 产生的任何错误。CAN总线可以应用于汽车电控制系统、电梯控制系统、安全监测系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输等领域。

CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义211或229个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。

1.CAN总线的特点

具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点；采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作；

具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN 控制器挂到CAN-bus 上，形成多主机局部网络；

可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；

可靠的错误处理和检错机制；

发送的信息遭到破坏后，可自动重发；

节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；

报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。

2.CAN总线的工作原理

CAN总线使用串行数据传输方式，可以1Mb/s的速率在40m的双绞线上运行，也可以使用光缆连接，而且在这种总线上总线协议支持多主控制器。CAN与I2C总线的许多细节很类似，但也有一些明显的区别。

当CAN总线上的一个节点(站)发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点。对每个节点来说，无论数据是否是发给自己的，都对其进行接收。每组报文开头的11位字符为标识符，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的，不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。当几个站同时竞争总线读取时，这种配置十分重要。

当一个站要向其它站发送数据时，该站的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN芯片，并处于准备状态；当它收到总线分配时，转为发送报文状态。CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时网上的其它站处于接收状态。每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。

由于CAN总线是一种面向内容的编址方案，因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。我们可以很容易地在CAN总线中加进一些新站而无需在硬件或软件上进行修改。当所提供的新站是纯数据接收设备时，数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址。它允许分布过程同步化，即总线上控制器需要测量数据时，可由网上获得，而无须每个控制器都有自己独立的传感器。

3.CAN总线的应用

CAN总线在组网和通信功能上的优点以及其高性价比据定了它在许多领域有广阔的应用前景和发展潜力。这些应用有些共同之处：CAN实际就是在现场起一个总线拓扑的计算机局域网的作用。不管在什么场合，它负担的是任一节点之间的实时通信，但是它具备结构简单、高速、抗干扰、可靠、价位低等优势。

（1）汽车生产中的应用

CAN总线最初是为汽车的电子控制系统而设计的，目前在欧洲生产的汽车中CAN的应用已非常普遍，不仅如此，这项技术已推广到火车、轮船等交通工具中。应用CAN总线，可以减少车身布线，进一步节省了成本，由于采用总线技术，模块之间的信号传递仅需要两条信号线。布线局部化，车上除掉总线外其他所有横贯车身的线都不再需要了，节省了布线成本。CAN总线系统数据稳定可靠，CAN总线具有线间干扰小、抗干扰能力强的特点。CAN总线专为汽车量身定做，充分考虑到了汽车上恶劣工作环境，比如点火线圈点火时产生的强大的反充电压，电涡流缓冲器切断时产生的浪涌电流及汽车发动机仓100℃左右的高温。

随着安全性能日益受到重视,安全气囊也将逐渐增多,以前是在驾驶员前面安装一个,今后侧面与后座都会安装安全气囊,这些气囊通过传感器感受碰撞信号,通过CAN总线将传感器信号传送到一个中央处理器内,控制各安全气囊的启动弹出动作。同时,先进的防盗设计也正基于CAN总线网络技术。首先,确认钥匙合法性的校验信息通过CAN网络进行传递,改进了加密算法,其校验的信息比以往的防盗系统更丰富;其次,车钥匙、防盗控制器和发动机控制器相互储存对方信息,而且在校验码中搀杂随机码,无法进行破译,从而提高防盗系统的安全性。而这些功能的实现无一不借助CAN总线来完成,CAN总线成为汽车智能化控制的“定海神针”。

在现代轿车的设计中,CAN已经成为必须采用的装置。奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺等汽车都采用了CAN作为控制器联网的手段。据报道,中国首辆CAN网络系统混合动力轿车已在奇瑞公司试装成功,并进行了初步试运行。在上海大众的帕萨特和POLO汽车上也开始引入了CAN总线技术。但总的来说,目前CAN总线技术在我国汽车工业中的应用尚处于试验和起步阶段,绝大部分的汽车还没有采用汽车总线设计。国内在技术、设计和应用上进行网络总线的“深造”势在必行。

（2）大型仪器设备中的应用

大型仪器设备是一种参照一定步骤对多种信息采集、处理、控制、输出等操作的复杂系统。过去这类仪器设备的电子系统往往是在结构和成本方面占据相当大的部分，而且可靠性不高。采用CAN总线技术后，在这方面有了明显改观。

以医疗设备为例，病理分布式监控系统分别由中央控制式的中央监控单元和现场采集单元。现场采集单元对医院各室诊断测量仪器进行数据、图像的实时采集，同时完成数据统计、存贮；中央监控单元可以定期或不定期地从现场采集单元获取数据并完成图像监测、数据统计、报表、打印及数据库管理。中央监

篇三：现场总线技术发展及应用

现场总线技术的发展及应用

专业：控制理论与控制工程 学号：132030032

随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，20世纪80年代中期产生了现场总线。根据国际电工委员会IEC1158定义，现场总线是“安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线”现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使之数字化、智能化，采用可进行简单连接的双绞线等介质将位于现场的各种智能设备及各种控制设备连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议进行数据传输与信息交换。它突破了DCS相对封闭的限制，将测控任务分散到现场设备中，上位计算机只负责监控以及一些复杂的优化和先进控制的功能。以现场总线技术为基础形成了一种新型的网络集成式全开放控制系统—现场总线控制系统FCS(Fieldbus Control System)，它适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化的发展方向，成为全球工业自动化领域的研究热点。

1.现场总线的体系结构

现有各种现场总线的协议体系大多参照了国际标准化组织(ISO)的开放系统互联协议(OSI)七层模型，实现了其中的物理层、数据链路层和应用层，有些总线还按照自己的需要进行了适当的扩充。以现场总线基金会FF制定的现场总线标准为例，它的体系结构包括了物理层、数据链路层和应用层，另外又在应用层上增加了一层用户层。

（1）物理层

该层规定了现场总线的传输介质、传输速率、最大传输距离、拓扑结构及其信号类型等。以FF现场总线为例，其传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤和无线电等；传输速率有低速的H1现场总线和高速的H2现场总线。H1的传输速率为31 kbps或25 kbps，传输距离为200~1 900 m，总线最多可连接4台中继器。H2的传输速率为1Mbps/750 m或2.5 Mbps/500 m。H1每段最多节点数为32个，H2每段最多节点数为124个。

（2）数据链路层

该层FF规定所有连接到同一物理通道的应用进程都是通过数据链路层的实时管理来协调的，采用集中式的管理方式减少了实时通信的时延，该层将设备

分为基础设备和链主设备两种。前者不能主动发起一次通信，只能接受查询，后者则可以在得到令牌时发起一次通信。在每一网段中都有一个特殊的链主设备，它能调度本网段各个设备的通信，称为LINKACTIVITYSCHEDULER(LAS)。LAS通过调度表指示一个设备发送周期数据，当没有周期性数据发送时，LAS循环地向所有链主设备发送令牌，使其获得发送非周期性数据的机会。此外，该层还要完成两条总线间通信的桥路连接管理。

（3）应用层

该层主要定义现场总线的命令、响应、数据和事件。FF现场总线应用层可分为现场总线报文规范(FMS)和现场总线访问(FAS)子层，FAS与数据链路层连接，可提供发布/索取方式、客户机/服务器方式和报文分发3种类型服务，FMS规定了用于向用户进程对象提供的服务及报文格式，通过调用FAS层的服务，在现场设备之间传送报文。

（4）用户层

该层是FF现场总线在OSI模型上增加的一层，用于规定一些标准的功能模块供用户组构成系统。其中基本功能模块10个，先进功能模块7个，计算功能模块7个，辅助功能模块5个，这些功能模块由输入、输出、算法和参数等4部分构成，以满足不同的控制需求。为了支持不同厂商间功能模块的互操作性，FF定义了设备描述语言(DDL)和对象字典(OD)2个工具。DDL是一种解释语言，用于描述应用进程对象的行为和操作接口；OD用于定义字典及设备，功能模块的目录信息。

2.现场总线的特点

由于现场总线系统采用智能设备，通过标准协议在一根总线上实现所有信号的数字化传输。因此，现场总线系统具有如下特点：

（1）开放，互操作性好。现场总线采用标准的通信协议，是开放式的互联网络，用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。

（2）彻底的分散控制。现场总线将控制功能下放到作为网络节点的现场智能仪表和设备中，做到彻底的分散控制，提高了系统的灵活性、自治性和安全可靠性。

（3）成本降低。由于现场总线完全采用数字通信，控制功能下放到现场。由现场总线组成的FCS硬件相对简化，简化了控制系统内部的连接，节省了大量的导线，成本减少，同时系统的可靠性和抗干扰能力都会有很大的提高。

（4）安装、维护、使用方便。正因为FCS的互操作性和开放性好。使用现场总线接口技术，无需用很多控制电缆连接各控制单元，只需将各控制设备挂接在总线上，显著减少连接导线，便于安装、维护和使用。

（5）对现场环境的适应性高。工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足安全防爆要求等。

3.现场总线的主要形式

现场总线技术是当今世界各国关注的热点课题，以现场总线为基础的全数字控制系统是21世纪自动化控制系统的主流。世界各国的技术协会(学会)、各大公司、各国的标准化组织，还有国际电工委员会(IEC)及国际标准化组织(ISO)对于本项技术的标准化工作都给予了极大的关注，也使得目前现场总线国际标准化工作出现了复杂的局面。目前已开发出40多种现场总线，其中最具影响力的有4种，分别是CAN总线、Lon Works、Profibus、和FF总线。

（1） CAN总线

CAN (Control Area Network)即控制局域网络，由德国Bosch公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准。CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，不过，其模型结构只有三层，即只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。其信号传输介质为双绞线，在40m内的最高传输速率可达1Mbps，传输速率降低为5kbps时的最高传输距离可达10km，可挂接设备最多可达110个。

（2）Lon Works

Lon Works由美国Echelon公司1991年推出，主要应用于楼宇自动化、工业自动化和电力行业等。Lon Works采用全部7层协议，介质访问方式为P -PCSMA (预测P-坚持载波监听多路复用)，采用网络逻辑地址寻址方式，优先权机制保证

了通信的实时性，安全机制采用证实方式，其最大传输速率为115Mbps，传输距离为2700m，传输介质可以是双绞线、光缆、射频、红外线和电力线等，因此能构建大型网络控制系统。由Echelon公司推出的Neuron神经元芯片实质为网络型微控制器，封装了LonTalk协议在Neuron芯片中，内含3个8位微处理器，分别负责介质访问控制、网络处理和应用处理[3]。该芯片强大的网络通信处理功能配以面向对象的网络通信方式，大大降低了开发人员在构造应用网络通信方面所需花费的时间和费用，而可将精力集中在所擅长的应用层进行控制策略的编制，因此业内许多专家认为Lon works总线是一种很有希望的现场总线。

（3） Profibus

Profibus (Process Fieldbus)现在已是欧洲首屈一指的开放式现场总线系统，它已被全世界所接受。Profibus是德国于20世纪90年代初制定的国家工业现场总线协议标准，代号DIN19245。1987年由13家大公司(如著名的SIEMENS、AGE、ABB公司等)及5家研究所经过两年多的时间完成。Profibus遵循ISO/OSI模型，包括Profibus-DP、Profibus -PA、Profibus -FMS三部分。其中DP协议主要用于现场级的高速数据传输，最高传输速率可达15Mpbs。Profibus是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通讯与控制的现场总线技术，可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通讯网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。

（4） FF总线

现场总线基金会（Fieldbus Foundation，简称FF）是1994年由包括世界著名的DCS和PLC厂商、研究机构和最终用户等120余个成员组成的一个非盈利性非商业性的学术和标准化组织，它组织相关技术的发展、标准制定、试验工作、信息的扩散和分布以及人员的教育培训。FF结合IEC/ISA的现有标准以及其它成熟技术，推出了“现场总线基金会现场总线”标准。

FF有如下四个最显著的特点：全数字化通信；完全分散式；可互操作性；专门为过程控制而设计。

4.现场总线的发展趋势

现场总线技术的产生促进了现场设备的数字化和网络化，并使现场控制功能更加强大。为了更好地适应过程工业控制的需要，现场总线技术的发展方向将体

现在以下几个方面。

（1）基于现场总线的一次仪表和二次仪表的研制：如采用开放式混合通信协议，HART的优点为可以在局部进行系统升级，并且只涉及到需用HART智能仪表装置的系统部分。

（2）基于现场总线网络设备的软硬件开发：系统的开放性和通信问题是分散控制系统的突出问题，它需要解决不同厂家软、硬件产品能否集中到一个系统的问题，所以在进行网络设备研制时必须遵循某一现场总线接口的统一标准。

（3）开放的组态技术研究：目前现场总线系统的组态是比较复杂的，需要组态的参数多，各参数之间的关系比较复杂，如果不是对现场总线非常熟悉，很难将系统设置到最佳状态。所以研究开放的组态技术也是现场总线的发展趋势。

（4）基于现场总线技术的全开放控制系统：自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向发展，并且涉及的应用领域十分广阔，几乎覆盖了所有的过程控制领域。

（5）控制网络与数据网络的结合：如远程监控系统就是该体系在生产控制领域内的应用之一。现场总线系统接入Internet或以太网，在一定的条件下便可通过网络监视并控制这些生产系统和现场设备的运行状况和各种参数。通过网络实现对远程被控对象的监控，可以节省大量的人力、物力和财力。

总结

现场总线自产生以来至今不过十几年时间，但却在全世界范围内得到了非常地重视，其应用范围之广已涉及到工业过程控制领域、制造业自动化领域、石油化工领域、能源领域、楼宇自动化领域等几乎每一个行业。在我国，90年代中期以来，国家有关部门已投入巨资用于现场总线技术及其产品的研究开发，已有相关科研院所、公司企业加入相关现场总线国际组织，如中国仪器仪表行业协会成立了FF现场总线专业委员会及最终用户委员会，中国机电一体化技术应用协会成立了Profibus现场总线专业委员会(简称CPO)等。我们相信，随着政府相关部门、科研开发单位以及企业用户对现场总线技术这一革命性新技术的进一步认识和开发应用，现场总线技术将对我国自动化行业产生巨大的影响。我们更希望，现场总线这一新技术在生产安全监测与控制领域能发挥重大作用。

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