摘 要： 本文分析了CAN总线的一些特点以及在国内的的应用状况，提出了引入国际上通用的CAN总线高层应用协议，以提高国内CAN系统应用水平的建议，并简要介绍了一种CAN的高层协议—CANopen协议。文章最后部分介绍了国际上一些较先进的CAN产品和开发方法。
关键词： CAN-bus协议；CANopen协议；嵌入式软件中间件
在设计嵌入式系统，尤其是分布式嵌入式系统时，解决好系统各单元间可靠、有效的通信是系统设计成败的关键，对实时性和安全可靠性要求高的网络而言就更是如此。解决这一问题有多种方案，如RS232/485串行总线、CAN、ProfitBus、FF、WorldFIP、LonWorks等各类型的现场总线，还有嵌入式以太网等。其中，尽管RS485串行总线协议的性能不高，但由于其在硬件成本以及开发简便性上的巨大优势，目前仍然是国内广泛的总线应用。
随着嵌入式系统应用的发展，RS485性能上的不足逐渐显露出来，已经不能满足设计一个高性能、高实时性系统的要求。尽管还需要实践的证明，但笔者经过多年的观察和实践，感觉到CAN总线是其中最有希望成功的。
选择CAN总线实现通信的原因
选择CAN总线作为最佳候选者，主要是基于以下几方面原因：
CAN串行总线具有高性能
CAN的传输距离可以达到10公里；通信速率最高可达1Mbps；具有完善的错误检测机制；采用“多重访问冲突仲裁”机制的帧传输方式，可保证不丢失信息；每一帧中最多可以传输8个字节数据，可提供很高的实时性等等。性能上的优势保证了CAN可以应用在很多的领域，在汽车工业、船舶运输、机械控制、工厂自动化、楼宇自动化等都可以看到CAN的应用。
CAN在硬件成本上很具优势
除了性能外，和其它现场总线相比，CAN总线在硬件成本上也有很大优势。从硬件芯片上来说，智能节点要收发信息需要一个CAN控制器和一个CAN收发器。经过20多年的发展，CAN已经获得了国际上各大半导体制造商的大力支持，据CAN最主要的推广组织CIA（自动化CAN）统计，目前已经有20余种CAN控制器和收发器可供选择，片内集成CAN控制器的单片机更多达100余种。CAN在开发成本上的优势也很明显.
目前，从广泛应用的8位/16位单片机，到DSP和32位的PowerPC、ARM等嵌入式处理器，均在芯片内部含有CAN总线硬件接口单元。因此，从硬件角度看，CAN具备其它现场总线无法比拟的高集成化优势和广泛的市场支持基础。
CAN的开发平台也比较简单，用户如果选择普通单片机加上CAN控制器进行开发，则CAN的开发平台和普通单片机的开发平台完全相同；如果选择带有片内CAN控制器的单片机进行开发，则只要换用支持该单片机的仿真器就可以了，其他开发设备完全相同。开发CAN也需要相应的驱动程序。用户可以自行根据选择的CAN控制器开发驱动程序。
图1 CANopen协议通信模型
通过采用高层协议将CAN的应用推向深化
和其他的现场总线相比，CAN只定义了物理层和数据链路层的规范（遵循OSI标准），这种设计和CAN规范定义时的历史条件有关，也可以使CAN能够更广泛地适应不同的应用条件，但必然给用户应用带来一些不便。用户在应用CAN协议时，必须自行定义高层协议。
如何将CAN协议的应用推向更深的层次，同时满足产品的兼容和互操作性？国际上通行的办法是发展基于CAN的高层应用协议，只用在应用层上，不同公司的产品才可能实现互操作，好的应用层协议更可以为用户带来系统性能的飞跃。
在CAN总线协议飞速发展的20年中，很多领域都制定了CAN在该领域应用时所采用的高层协议规范。其中，比较著名的有美国汽车工程师协会（SAE）制定的车内通信规范J1939等。这些协议和规范对CAN的推广起了很大的作用，但总体来说，协议的模块化特性都不太好，一般只能应用于特定的领域。为了能够把CAN推广到更多的领域，欧洲一些公司推出了CAL（应用层CAN）协议，尽管CAL在理论上正确，并在工业上可以投入应用，但每个用户都必须设计一个新的子协议，因为CAL 是一个真正的应用层协议。CAL 可以被看作一个应用CAN 方案的必要理论步骤，但在这一领域它不会被推广。从1993 年起，由Bosch公司领导的一个欧洲机构研究出一个协议原型，由此发展成为CANopen规范。
CANopen是一个基于CAL的子协议，采用面向对象的思想设计，具有很好的模块化特性和很高的适应性，通过扩展可以适用于大量的应用领域。在CANopen规范基本完成之后，Bosch将其移交给CIA组织，由其进行维护与发展。在1995年，CIA发表了完整版的CANopen通信子协议；仅仅用了5年的时间，它已成为全欧洲最重要的嵌入式网络标准。
CANopen 不仅定义了应用层和通信子协议，而且为可编程系统、不同器件、接口、应用子协议定义了大量的行规，遵循这些行规开发出的CANopen设备将能够实现不同公司产品间的互操作。另外，CANopen协议是免许可证的，任何组织和个人都可以开发支持CANopen协议的设备而不用支付版税，这也是CANopen得到迅猛发展的重要原因之一。CANopen目前已在汽车工业控制系统，公共交通运输系统，医疗设备，海运电子设备和建筑自动化系统中取得了广泛的应用，是将CAN应用推向深化的理想选择。
采用CANopen协议实现通信
CANopen协议中包含了标准的应用层规范和通信规范，其通信模型如图1所示。在CANopen的应用层，设备间通过相互交换通信对象进行通信。良好的分层和面向对象的设计思想将带给用户一个清晰的通信模型。
CANopen设备模型
一个CANopen设备模块可以被分为3部分，如图2所示。
通信接口和协议软件提供在总线上收发通信对象的服务。不同CANopen设备间的通信都是通过交换通信对象完成的。这一部分直接面向CAN控制器进行操作。
对象字典描述了设备使用的所有的数据类型，通信对象和应用对象。是一个CANopen设备的核心部分。对象字典位于通信程序和应用程序之间，向应用程序提供接口，应用程序对对象字典进行操作就可以实现CANopen通信。理解对象字典的概念是理解CANopen模型的关键。
应用程序由用户编写，包括功能部分和通信部分。通信部分通过对对象字典进行操作实现CANopen通信，而功能部分由用户根据应用要求实现。
CANopen网络的通信和管理都是通过不同的通信对象来完成的，为了能够实现通信，网络管理，紧急情况处理等功能，CANopen规范定义了四类标准的通信对象：
·进程数据对象（PDO）
第一类通信对象为进程数据对象。PDO被映射到单一的CAN帧中，使用所有的8个字节的数据域来传输应用对象。每个PDO有一个独立的标识符并且可能只被一个节点发送，但它可以被多于一个节点接收，这种模式被称之为生产者/消费者通信模式。PDO可以通过多种模式传送，内部事件，外部时钟，远程帧请求以及从特定节点接收到同步报文都可以启动PDO发送。
·服务数据对象（SDO）
第二类通信对象为服务数据对象，该对象可以传输大于8个字节的配置信息。也就是说，SDO传送协议允许传送任意长度的对象。接收者将确认收到的每个段信息，发送和接收者间将建立点对点的通信，称之为客户机/服务器模式。未来，CANopen将允许快速传输SDO，不必对传送的每个段都进行确认，只要在整个对象传送完毕后进行确认即可。
·网络管理对象（NMT）
第三类通信对象是网络管理对象，包括节点警戒对象以及NMT对象。节点警戒对象是由NMT主节点远程请求发送的带有1字节数据的CAN帧，一个字节的数据中包含1个触发位以及7个用于表示节点状态的数据位。NMT主节点将周期性地发送节点警戒对象。发送周期（警戒时间）的长度在对象字典中规定并且可以通过SDO进行配置。另外，系统还定义了生命警戒时间，NMT主节点要在生命警戒时间过后向NMT从节点发送远程请求。这种机制保证了即使NMT主节点不在了，系统中的其他节点也可以通过用户定义的方式进行回应。
·特殊功能对象
CANopen还为同步，紧急状态表示以及时间标记传送定义了三个特定的对象。同步对象由同步制造者向网络进行周期性广播，该对象将提供基本的网络时钟。当设备发生严重的内部错误时，相关的一个紧急状态客户机将发送一个紧急状态对象。时间标记对象将为应用设备提供公共的时间帧参考。
要理解CANopen规范，核心是要理解CANopen的设备模型和各类型的通信对象。掌握了这两者后，通过利用各类标准的设备描述就可以开发出符合国际标准的CANopen设备了。
展望
最近一段时期，国内开发、应用CAN系统的人员正在逐渐增多，对CAN协议的研究也在不断加深。在很多领域，如研制电动汽车和混合动力汽车的863重大课题，已经将CAN作为标准的车内通信协议确定下来。电力，航天等部门也在CAN方面取得了不小的应用成绩。
在CAN应用蓬勃发展的时候，我们也应当清醒地看到，尽管CAN协议在欧美已经发展了20年，应用层协议的发展也差不多有10年时间，但目前国内大多数的应用系统仍然基于CAN2.0B规范开发，还不能在应用层的水平上进一步深入，这不能不说是很遗憾的事情。另外，国内研究、开发CAN协议，尤其是CAN高层协议的组织和人员还太少，这对CAN在中国的推广是十分不利的，笔者诚切希望更多的有识之士能够加入这一行列。
参考文献
1 'CiA Draft Standard 301 （Version 4.02）.'
2 Prof. Dr.-Ing. K. Etschberger, 'CAN-based Higher Layer Protocols and Profiles.'
