BACnet标准与CAN总线网络技术

2023-08-29 理论教育版权反馈

【摘要】：5）CAN总线网络上的节点数可多达110个。9）CAN总线网络应用器件可被设置为休眠方式，相当于同总线断开，降低系统功耗。10）CAN节点在系统出现严重错误时可自动关闭输出，使总线上其他节点的操作不受影响。2）CAN总线网络数据传送具有较强的差错控制能力，保证数据传送的准确性。4）CAN总线网络成本低，许多厂商生产的相关设备都带有CAN接口。图1-20给出了CAN总线网络控制方式。最后，每次发送均需取得CAN总线上所有接收节点的确认帧。

1.CAN通信技术的特点

CAN（Controller Area Network，控制局域网）总线网络技术是由德国Bosch公司为汽车的监测和控制而开发设计的一种串行数据通信总线技术，CAN总线网络有很高的可靠性，适用于低成本、高性能的现场控制设备及其互联，可构成智能化系统的实时过程监测控制与管理系统。由于CAN总线具有优越的性能和较广的应用范围，现已成为ISO 11898标准，并成为工业数据通信的主流技术之一。

CAN作为数字串行通信技术，在可靠性、实时性和灵活性方面具有较强的技术优势。CAN通信技术的主要特点如下：

1）挂接在CAN总线网络上的节点不分主从，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发起一个通信进程，通信方式灵活。

2）CAN总线网络上的节点信息可划分为不同的优先级，使用优先级来控制网络节点间传输数据的紧迫程度和不同的实时性要求。高优先级的数据传输等待不会超过134μs。

3）CAN总线采用总线仲裁技术，当出现多个节点同时向总线发送信息时，优先级高的节点可以继续，优先级较低的节点会主动退出发送。

4）网络节点间的通信速率在5kbit／s以下时，CAN总线网络的最大直接通信距离为10km；最高通信速率可达1Mbit／s，对应的通信距离为40m。

5）CAN总线网络上的节点数可多达110个。

6）CAN总线网络采用短帧结构，每一帧的有效字节为8个，这样传输时间短，受干扰的概率低，具有极好的检错效果。

7）CAN总线网络每帧都有循环冗余校验（CRC）及其他检错手段，数据出错率低。

8）CAN总线网络的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。

9）CAN总线网络应用器件可被设置为休眠方式，相当于同总线断开，降低系统功耗。其休眠状态可借助任何总线激活或者系统的内部条件被唤醒。

10）CAN节点在系统出现严重错误时可自动关闭输出，使总线上其他节点的操作不受影响。

CAN总线网络具有以下一些鲜明的优点：

1）CAN总线网络信息传输采用短帧结构，每一个数据帧的数据量仅为8B，传输时间短、抗干扰性强。

2）CAN总线网络数据传送具有较强的差错控制能力，保证数据传送的准确性。

3）CAN总线网络采用总线仲裁技术，出现多个节点同时向总线发送信息时，优先级高的节点可以继续，而优先级低的节点将停止发送，以此保证重要数据传送的可靠性。

4）CAN总线网络成本低，许多厂商生产的相关设备都带有CAN接口。

随着CAN总线在各种领域成功应用和推广，CAN于1993年11月成为ISO 11898标准。图1-20给出了CAN总线网络控制方式。

图1-20 CAN总线网络控制方式

2.使用优先级控制结合CSMA／CA媒体访问控制模式

CAN是一种对等式的现场总线，其物理层使用双绞线。在数据链路层上，CAN总线使用的是一种叫做“带碰撞检测的载波侦听多址访问”（CSMA／CA）的媒体访问控制方式。容许总线上面的任何设备有一定的机会获取总线的控制权来向外发送信息，如果同一时刻有两个以上的设备欲发送信息，就会发生数据碰撞，CAN总线能够实时地监测这些碰撞情况，并作出相应的位仲裁，而使获得仲裁的信息帧不受任何损坏地继续传送。

CSMA／CA媒体访问控制模式的最大缺点就是：网络上不同的站点发送数据时，首先要对传输信道进行侦听，来避免碰撞，导致数据传送的实时性变差。在CAN总线技术中，尽管使用了CSMA／CA媒体访问控制模式，但同时有实施优先级控制机制，使得具有高优先权的数据帧可以不受阻碍地立即传送，避免了CSMA／CD媒体访问控制模式的缺点。

CAN总线的主要缺点是：CAN总线挂接负荷的能力不是很强，因为CAN总线可挂接的设备数量最多为110个，对于智能楼宇来讲，楼宇控制系统中要监测的控制点数可能很大，因此不能满足整个智能楼宇的需求。解决的办法是：使用中继器对CAN总线网段进行扩展，从而解决挂接大量监控点的系统使用问题。

3.CAN通信节点和报文帧

（1）CAN通信节点

CAN总线技术中的CAN通信控制器芯片就是一个CAN总线中节点的重要组成部分。要构成一个具有CAN通信能力的控制应用节点，一般还需要有CPU的支持。一个CAN通信节点就是由CAN通信控制器、一定位数的CPU（高性能16位CPU或高性能8位CPU）以及部分外设及存储器组成的应用节点。CAN通信节点通过模拟与数字I／O接口与其他通信组件或设备相连。

CAN通信节点可以直接挂接在总线上使用。由于考虑到总线信号的驱动能力、短路保护、过热保护等环节，实际使用CAN通信节点时，一般在在总线与CAN通信节点接口之间增加一个CAN总线收发器。

（2）CAN总线通信中的报文帧

CAN总线上的通信是通过报文帧来实现的。报文帧分三种类型：即数据帧、远程帧和错误帧。每一个报文帧都由特定的结构组成，报文帧内都具备一些字段，对发送的帧类型做出定义，并提供相关信息。比如，数据帧由6个字段组成，分别是仲裁字段、控制字段、数据字段、CRC（循环冗余校验）字段、确认字段以及帧结束字段。在帧发送期间，仲裁字段被网络中的每个节点用来识别或解决碰撞；仲裁字段还用来识别报文的类型及其发送目的地；控制字段定义了数据帧的长度；数据帧包含数据，其字节数在控制字段中作了规定；CRC字段用来检测数据错误。最后，每次发送均需取得CAN总线上所有接收节点的确认帧。

4.使用CAN组织系统方式灵活

工业控制和楼宇自动化控制中，大量地使用RS-232／RS-485串行总线，在CAN总线应用系统中，可以方便地接力传递RS-232／RS-485数据块，如图1-21所示。

图1-21 接力传递RS-232／RS-485数据块

CAN总线和以太网组成的数据传输方案如图1-22所示。

CAN总线能够在安全运行要求较高的应用环境中进行可预测的可靠通信，可以通过仲裁划分报文的优先级，硬件和数据链接层配置灵活。但CAN总线技术不适合在有防爆要求的场所使用，对于这位一点，应用时务必注意。

BACnet标准与CAN总线网络技术

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