一种基于CAN总线的通信系统设计与实现
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
[1]光导纤维，通信速率可达1Mbps，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
[2]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。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。
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。 主控
USB-CAN板卡
ID:1SYNC_1SYNC_2模块2
ID:2模块3ID:3SYNC_1SYNC_2模块4
ID:4模块5ID:5
图1 系统网络总体结构
Fig.1 System Network Architecture
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
[3]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。
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。
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。 ARM控制器TXD
收发器CAN_HCAN物理总线CAN
控制器RXDCAN_L
图2 ARM与CAN总线连接图
Fig.2 ARM and CAN-bus Connection Diagram
CAN-bus信号采用查分传输方式，当总线上有“0”信号时，CAN_L和CAN_H之间
电压差大于最小值的差分电压，称“显性”；当总线上有“1”信号时，CAN_H和CAN_L
[4]电压被固定在平均电压附近，电压差近似为0，称“隐形”。
CAN_H端的状态只能是高电平或者悬浮状态，CAN_L端的状态只能是低电平或者悬
浮状态，这就保证不会出现如RS-485网络中常有的现象：当因系统错误而出现多节点同时
向总线发送数据时，导致总线出现短路，从而损坏某节点。CAN节点在错误严重的情况下
具有自动关闭输出的功能，从而使总线上其他节点不受影响，以此确保在网络中不会出现因
个别节点出现问题而使总线“死锁”的状态。
通信协议概述
相对于复杂的CANopen协议，本系统应用层协议结构简单，报文分段清晰，用尽可
能少的报文信息表达每个节点设备所有必需的通信信息，减少了实现的工作量。
本系统中用户通信作为一种高层通信协议，本文以下简称用户层。
用户层使用CAN总线的具有29位标识符的扩展帧格式，且只使用CAN总线中的数据
帧类型（没有使用远程帧）；总线通信模型采用单主结构，即主控为主节点，其它节点为从
节点；通信方法包括主从命令/响应方式和从站事件触发方式两种；用户层定义了用户层数
据帧，该数据帧数据部分的长度可达512字节，完全符合该分析仪器的通信需求，在进行数
据帧收发时需要拆封和封装成CAN总线的扩展数据帧格式。
设备节点编址
系统中每个总线节点均有一个ID编号，用于CAN总线网络节点寻址。如图1所示，
主控ID编号为0，模块1～模块5的ID编号分别为1～5，编址ID使用4个二进制位，ID
编号6～14保留使用，ID编号15（即0xF）为广播地址。
通信中每帧数据需要源节点ID和目的节点ID，以完成网络数据交换的寻址实现。源
节点ID和目的节点ID需要使用1个字节，使用29位标识符的头8位。
协议报文格式
这部分包括用户协议报文格式和用户定义CAN协议报文格式，用户协议报文在发送前
需要重新封装为用户定义CAN协议报文格式，CAN总线上收到的用户定义CAN协议报文，
需要解封并重新封装为用户协议报文。
（1） 用户协议报文格式
用户协议报文格式
其中SrcID为发送数据帧设备的ID编号，DestID为接收数据帧设备的ID编号（注：
SrcID地址不能是广播地址0xF）。
FuncID（功能码）使用了8位，具体定义了系统中数据和命令交换或传递的种类，具
体种类和细节涉及到整个系统的功能实现，且这些功能码没有考虑到通用性，仅对本系统进
行优化设计。
Type（2位）和subType（3位）表示数据帧的类型，具体含义见表2：
数据帧类型字段说明
用户定义Can协议报文格式
User-defined Can Protocol Packet Format
其中，SegPolo和SegNum用于对用户协议报文分段处理，SegPolo表示分段标志，SegNum表示分段编号，其含义如表4所示：
SegPolo和SegNum说明如何解决总线通讯数据冲突的问题
> 如何解决总线通讯数据冲突的问题
如何解决总线通讯数据冲突的问题
　　现场总线作为工业自动化系统中最后一段通讯的桥梁，越来越多的传感器和执行机构都集成了总线之类的通讯接口，但其固化的几个通讯数据格式，面对当前众多复杂的大系统，时常会给设计者带来底层数据冲突的困扰，如何完美解决这一难题，至关重要。本文引用地址：
　　一、问题描述
　　大家都知道，一个网络中不同节点发出的报文的ID也应是不同的，否则当ID冲突的两个节点同时上传数据时会产生错误。但是我们时常会发现某些接口的传感器或者控制器的报文ID是固定的，不具备硬件地址区分。以下图为例，某电机控制器有三条标准帧功能报文，ID分别为0x2、0x0003。那么如何在同一个CAN网络中使用多个同样的电机控制器既可以防止ID冲突又可以识别硬件地址呢?
　　图 1 相同CANID设备组网
　　二、解决方案
　　针对这一问题，可以将致远电子的CAN网桥CANbridge+加装在各个设备与总线之间，利用其ID映射功能，将每台设备的功能ID映射为一个带地址字段的新ID。这样既可以防止设备上传的报文产生ID冲突错误，又可以通过添加的地址字段区分不同的设备。如下图所示，将标准帧ID的高8位定义为地址字段，这样就可以通过ID区分不同设备的上行下行报文。
　　图 2 使用CAN网桥实现相同CANID设备组网
　　三、设置流程
　　1、 波特率设置
　　使用通讯线连接CANbridge+和PC机，打开CANCfg软件，在基本信息选项卡里点击CAN1、CAN2波特率的下拉菜单，均选择所接CAN设备的对应波特率。
　　图 3 CANbridge+的波特率设置
　　2、 帧映射设置
　　在帧映射选项卡里点击使能帧映射，假定网桥的CAN1端口连接CAN设备，网桥的CAN2端口连接CAN网络。添加如下图所示的映射关系，即可将1号设备的所有功能ID关联上硬件地址。同样对其他设备连接的CAN网桥做类似的设置，即可实现相同CANID设备的组网。
　　图 4 CANbridge+的帧映射设置
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& && &&&我想咨询一下，利用OMRON的 RS485模块接口能否与CAN 总线设备进行通讯？能读取CAN总线设备的 数据和写入数据吗？ CAN 设备的波特率为19.2Kpbs 、12Mpbs，请问用自由协议能与这个CAN 协议设备通讯吗？谢谢！
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你好，欧姆龙没有CAN 通讯模块。& &你可以把对方的CAN 转换成485. 有这样的模块购买。
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jc_tang 发表于
你好，欧姆龙没有CAN 通讯模块。& &你可以把对方的CAN 转换成485. 有这样的模块购买。 ...
那我现在的情况是 不知道CAN 设备的任何 信息.&&也就是说我不知道他的can 地址& &地表的 什么含义. 我只有 CAN设备厂家提供过来的 (CAN 转MODBUS&&)和 (CAN转profibus&&)模块的&&经过转换之后的&&通讯地址含义,而且这个转换后的接口多是RS485接口,&&而且这两款转换模块也都是原厂家自己的产品,&&试问:我如果从市面上购买一个 CAN 转485 模块.那转换后的地址能跟他们自己准换过来的地址一样吗?&&很是疑惑!
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(CAN 转MODBUS&&)和 (CAN转profibus&&)模块的&&是符合RS495物理接口传输的。& & 不需要再重新购买了。直接走MODBUS 协议即可。&&地址需要对照说明书查看的。 不能凭空想象的。一定会有对照地址的。
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jc_tang 发表于
(CAN 转MODBUS&&)和 (CAN转profibus&&)模块的&&是符合RS495物理接口传输的。& & 不需要再重新购买了。直接 ...
我说的这两个模块是 阿特拉斯自己的模块.&&我是想自己购买其他品牌的CAN 转换模块儿,, 然后按照他们提供的转换以后的地址&&去写PLC 通讯 这样能行吗?& & 每个厂家跟每个厂家转换的过程都一样吗?& & 我担心的是CAN 转 MODBUS或PROFIBUS 的过程不一样,,,,因此我如果还按照阿特拉斯提供过来的转换后的地址格式.恐怕会有问题吧?
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你在外面买的转换模块，这个转换模块只能转换接口电路，并不能转换协议的。 要转换协议，必须还是厂家自己提供为好。
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jc_tang 发表于
你在外面买的转换模块，这个转换模块只能转换接口电路，并不能转换协议的。 要转换协议，必须还是厂家自己 ...
不是的. 就是协议转换!&&如附件!& &是不是任何厂家的转换模块 只要是CAN转换为PROFIBUS 之后的格式都遵循 同样的格式呢?
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阿特拉斯CAN转PROFIBUS后的通讯格式
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另外一款其他品牌CAN转PROFIBUS后的通讯格式
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