簡析工業環境下CAN總線與以太網互聯的技術

李健偉

(新恒基(沈陽)置業有限公司，遼寧 沈陽 110013)

隨著現代工業技術的發展，對控制網絡中信息傳輸與反饋的安全性和及時性都有了更高的要求。CAN技術以其安全性和及時性首先被應用于對于設備控制較高的汽車領域，并得到更廣泛的發展。以太網技術現在以成熟的應用于信息傳遞方向。將這兩種互聯技術相結合是滿足現代工業對網絡信息傳輸的方式之一，下面我們就針對CAN和以太網各自的特點及將其結合所用的網關進行簡要的介紹。

1.CAN總線的特點

CAN(Controller Area Network)網絡稱為控制器局域網，是一種可以有效分布控制或實時控制的串行通訊網絡，屬于現場總線的范疇并被制定成了國際標準，它在可靠性、實時性和靈活性方面具有突出的優勢，下面我們就對其特點做以簡介。

1.1 CAN可多主控分ID進行信息發送

CAN總線中可以存在多個主控的信息發送方式，在總線空閑時，所有單元都可以主動向網絡發送信息，最先訪問總線的單元可以獲得發送權以進行信息發送。在CAN協議中，會為每條發送的信息分配ID，這里的ID是Identifier是優先級而非發送地址。

1.2 CAN的非破壞總線仲裁技術

CAN采用非破壞總線仲裁技術，當有多個單元同時向總線發送信息時，發送優先級高的ID獲得發送權繼續發送數據，而優先級低的單元則會主動地退出發送。這可以減小總線沖突的仲裁時間，使得即使在網絡負載很重的情況下也不會像以太網那樣出現網絡癱瘓情況。

除此之外，CAN還具有檢錯效果好、通訊介質選擇靈活等優點。

2.以太網的特點

以太網(Ethernet)是一種局域網技術，它一般使用同軸電纜或特種雙絞線為載體，并采用載波多路訪問和沖突檢測機制。它的傳輸速率可達10Mbps，并具備簡單方便、價格低、速度高等特點，在現代網絡中被普遍使用，下面就將其特點進行簡要介紹。

2.1 以太網應用在工業領域的優點

(1)以太網的互聯性較強

以太網是全開放性的、全數字化的網絡，這使得使用不同網絡協議的不同廠商設備可以實現互聯。在實現互聯的同時還可以實現工業控制網絡與信息網絡的無縫拼接，便于企業組建管控一體化的網絡。[1]這種網絡一般采用TCP/IP協議并可通過Visual C++編寫用戶層程序。

(2)以太網具有較高的通信速率

隨著技術的進步，10M/100M的快速以太網已經有了很成熟的技術，1000M的以太網也趨于成熟，逐漸還會出現10G甚至更快速的以太網。這樣高速的數據傳輸方式為工業中有時需要的聲音、視頻資料的傳輸成為可能。

2.2 以太網在工業領域應用中的不足

(1)以太網的信息實時性有著明顯的不足

實時性是指工業控制系統對某事件發生時間的可測性，它要求在事件發生后系統做出的反應必須在可以準確預測的時間內。由于以太網是采用CSMA/CD的介質訪問控制方式，其在出現多個數據同時傳輸時會平等競爭總線，網絡繁忙時有掉線的可能，這就導至了其數據傳輸的非實時性。

(2)以太網的可靠性存在局限

由于以太網是為辦公環境而設計的，所以當用于工業環境的惡劣環境中，可能會出現嚴重的線間干擾，嚴重時可能會導致網絡系統的崩潰和癱瘓，所以要想利用其優勢還要解決其可靠性的問題。[2]

3.工業領域CAN總線與以太網互聯的技術

在這種新的網絡互聯技術在工業控制網絡中，以太網不僅需要起到主干網絡的作用，還要實現與現場總線互換數據的功能。下面我們就從其原理和實現方法對這類網關加以介紹。

3.1 CAN總線與以太網互聯技術的基本原理

CAN總線和以太網使用的是兩個通信協議，是結構完全不同的兩個網絡，因此對于Ethernet/CAN網關來說，其工作實質就是對信息重新封裝以使其可以相互讀取。[3]這就要求網關應可運行在OSI模型上。OSI模型是為異種計算機間的互聯提供統一的基礎和標準框架。OSI模型共有7層，且各層功能獨立，下一層所提供的功能為上一層服務，其層次由1層開始分別為:物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層共7層。1～3層為底層，用以實現傳輸功能;4～7層為高層，用以通過網絡終端來實現通信處理功能。CAN和以太網都只支持OSI所定義的7層結構中的一部分，故為其互聯提供了可能。

3.2 CAN總線與以太網互聯網關的實現

為了實現CAN總線與以太網的互聯，較為常用的一種方法就是采用通用型微處理，同時配備一定的外圍電路來構造硬件平臺通，通過在該平臺上運行的程序來實現網關的功能。下面我們就分硬軟件來對其進行介紹。

網關硬件方面，CAN總線物理層和數據鏈路層與CAN物理接口電路和CAN控制器相對應。而以太網的物理層和數據鏈路層與以太網控制器相對應。其他部分由ARM處理器件中所運行的軟件來實現。

網關軟件方面，當連接在CAN總線上的現場設備向連接在以太網上的監控計算機發送數據時，數據會先通過網關的CAN總線接口電路送到CAN控制器中。由CAN控制器向ARM處理器發出中斷請求。當ARM處理器正在執行優先級較高的任務時，數據就暫存于CAN控制器的緩存中，待處理器任務結束后，從緩存中將數據取出。通過管理協議層中所對應程序的處理，為需要傳送的數據分別添加TCP/IP層所需的信息，由ARM處理器將處理過的數據封裝并發送給以太網控制芯，以此實現數據的互聯。

通過以上對CAN總線、以太網在工業領域的應用以及CAN與以太網的互聯技術的簡要介紹和優缺點對比，使得我們對工業環境下的網絡應用有了初步的認識，希望可以對初學者們在CAN總線與以太網技術的深入研究的道路上起到引導作用。

[1]陽憲惠.《現場總線技術及其應用[M]》.北京.清華大學出版社，1999

[2]徐皚冬，王宏，楊志家.《基于以太網的工業控制網絡[J]》.信息與控制，2000

[3]鄭建彬.《以太網和CAN現場總線網間的嵌入式網關設計》.信息技術，2002