CAN总线与RS422A通信适配器的设计与实现及抗干扰分析

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哈尔滨工程大学

硕士学位论文

CAN总线与RS-422A通信适配器的设计与实现及抗干扰分析

姓名：林新荣

申请学位级别：硕士

专业：控制工程

指导教师：高延滨;何永前

20081201

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哈尔滨Ｔ稗大学硕十学位论文

摘要

论文介绍了ＣＡＮ总线与ＲＳ．４２２Ａ通信适配器的设计与实现。主要从硬件设计和软件设计两个方面进行了论述。

首先，对现场总线技术和所要做工作进行了简要的介绍，并讲述了ＣＡＮ总线在某型舰船综合导航系统中的应用，接着介绍了ＣＡＮ总线技术的基本原理和相关概念，着重说明了ＣＡＮ总线的分层结构和帧的结构以及ＣＡＮ总线硬件抗干扰分析及措施，在此基础上提出系统的总体设计。

在硬件设计中，采用ＡＴ８９Ｃ５２作为ＣＡＮ总线系统智能节点的微处理器，ＣＡＮ总线通信接口中，采用ＰＨＩＬＩＰＳ公司的ＳＪＡｌ０００和ＴＪＡｌ０５０芯片作为独立的ＣＡＮ通信控制器；通过了外围电路的设计实现了ＲＳ．４２２电平到ＴＴＬ电平的转换、单片机与ＣＡＮ的控制器（ＳＪＡｌ０００）和ＣＡＮ的收发器（ＴＪＡｌ０５０）的互联。软件设计包括：单片机Ｃ语言程序的编写，ＣＡＮ通信软件和总线监控软件的编写，应用Ｄｅｌｐｈｉ对用户界面进行开发。

最后，针对在实际应用中，尤其是在现场运行环境较差，干扰严重的情况下，如何提高ＣＡＮ总线的抗干扰能力，使系统能更可靠地运行，进行了一定的探索。从ＣＡＮ总线传输的原理出发，用实测ＣＡＮ总线波形的方法分析了影响ＣＡＮ可靠传输的因素，提出了ＣＡＮ总线在应用中抗干扰的硬件及软件措施。关键词：ＣＡＮ总线；ＲＳ－４２２：抗干扰；ＳＪＡｌ０００：Ｄｅｌｐｈｉ

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Ａｂｓｔｒａｃｔ

ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｓｍａｉｎｌｙｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＣＡＮｂｕｓａｎｄｏｎ

ＲＳ－４２２ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅａｄａｐｔｅｒｉｎｌｉｇｈｔｏｆｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅ．

Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｉｔｇｉｖｅｓｂｒｉｅｆｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏｔｈｅｆｉｅｌｄｂｕｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

ｗｏｒｋ，ａｎｄ

ｓｙｓｔｅｍａｎｄｉｔｓｒｅｌａｔｅｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｎａｃｃｏｕｎｔｏｆｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＣＡＮｂｕｓｉｎｔｈｅｏｎｃｏｍｐｌｅｘｏｎａｗａｒｓｈｉｐ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｉｔｄｉｓｃｏｕｒｓｅｓ

ａｎｄｆｏｃｕｓｅｓｏｎｔｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｃｏｎｃｅｐｔｏｆＣＡＮｂｕｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｈｅｈｉｅｒａｒｃｈｙｏｆｔｈｅＣＡＮｂｕｓ，ｔｈｅｆｒａｍｅ

ｏｆｔｈｅＣＡＢｂｕｓｈａｒｄｗａｒｅ．Ｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｍｅａｓｕｒｅｓ

ｔｈｉｓｂａｓｉｓ，ｉｔｐｒｏｐｏｓｅｓｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．

Ｉｎｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅａｄｏｐｔｉｏｎｏｆＡＴ８９Ｃ５２ｓｅｒｖｅｓ

ｆｏｒｔｈｅａｓｔｈｅｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｎｏｄｅｓｏｆｔｈｅＣＡＮｂｕｓｓｙｓｔｅｍ．ＩｎｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆＣＡＮｂｕｓｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅ，ｔｈｅａｄｏｐｔｉｏｎ

ＰＨＩＬＩＰＳＳｅｌＶｅｓｑｕａｏｆｔｈｅＣＭＯＳｃｈｉｐｓｏｆＳＪＡｌ０００ａｎｄＴＪＡｌ０５０ｏｆｏｆｔｈｅｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒＣＡＮ

ｔｏｂｕｓ．ＴｈｅＴＴＬ．ａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｐｅｒｉｐｈｅｒｙｃｉｒｃｕｉｔｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｒｏｍＲＳ－４２２

ｔｈｅｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｏｆＳＣＭ埘ｍｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ（ＳＪＡｌ０００）ａｎｄｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ（ＴＪＡｌ０５０）ｏｆＣＡＮ．Ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｉｎｃｌｕｄｅｓ：ｃｏｍｐｉｌｉｎｇＣｌａｎｇｕａｇｅｐｒｏｇｒａｍｏｆＳＣＭ，ｃｏｍｐｉｌｉｎｇｓｏｌ，ｒａｒｅｆｏｒＣＡＮｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｃｅａｎｄｆｏｒｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｂｕｓａｎｄａｐｐｌｙｉｎｇＤｅｌｐｈｉｔｏｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｕｓｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅ（ｕＩ）．

Ｌａｓｔｌｙ，ｉｎｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｉｎｔｈｅｕｎｆａｖｏｒａｂｌｙｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｉｎｔｈｅ

ａｓｃａｓｅｏｆｓｅｖｅｒｅｌｙｊａｍｍｉｎｇ，ｔｈｅｐａｐｅｒｅｘｐｌｏｒｅｓｔｈｅｉｓｓｕｅｓｓｕｃｈａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｈｏｗｔｏｉｍｐｒｏｖｅａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇＣＡＮｂｕｓ，ｈｏｗｆｏｒｔｈｅｓｙｓｔｅｍｔｏｏｐｅｒａｔｅｍｏｒｅｒｅｌｉａｂｌｙ．ＦｒｏｍｔｈｅａｎｇｌｅｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｔｈｅｏｒｙｏｆＣＡＮｂｕｓ，、ｊｌ，ｉｍｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｍｅｔｅｒｉｎｇｔｈｅｗａｖｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆＣＡＮｂｕｓ，ｉｔａｎａｌｙｓｅｓｔｈｅｆａｃｔｏｒｓｅｆｆｅｃｔｉｎｇｒｅｌｉａｂｌｅＣＡＮｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄｓｏｍｅｐｒｏｐｏｓｉｔｉｏｎｓａｎｄｍｅａａｓｕｒｅｓａｂｏｕｔａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｉｎｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＣＡＮｂｕｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＡＮｂｕｓ；ＲＳ－４２２；ａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇ；ＳＪＡｌ０００；Ｄｅｌｐｈｉ

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

作者（签字）：前取哿、

日期：秒罗年堋硼｜

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学位论文授权使用声明

本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。

本论文（口在授予学位后即可口在授予学位１２个月后口解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。甜罱车船日期：硇罗年≯月Ｊ；硐ｔ导易嬲三日挑净哆年二月彩日’一７Ｉ’

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第１章绪论

１．１论文的研究背景和意义

工业设备通信通常涉及到很多硬件和软件产品以及用于连通标准计算机平台（个人计算机或工作站）和工业自动化应用设备的协议，而且所使用设备和协议的种类繁多。因此，大部分自动化应用设备都希望执行简单的串行命令，并希望这些命令同个人计算机或者附加的串行端口板上的标准串行端口兼容。ＲＳ－４２２Ａ是目前ＰＣ机、通信工业、舰船导航设备等应用最广泛的一种串行接口。目前绝大多数舰船导航设备包括各种型号的ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ组合导航仪、北斗一号导航仪、罗兰Ｃ、平台罗经、电磁计程仪、气象仪、测深仪、综合导航显控台等均使用ＲＳ－４２２Ａ通信接口。但是随着对通信要求的提升，其无完整的协议规约、系统的实时性差、通讯的可靠性低、后期维护成本高、传输距离不理想、应用不灵活等缺点慢慢地暴露出来，这些都将对通信、监控网络、远程技术支持等应用的延伸、功能强化、应用环境有所限制。

随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从现场设备到控制、管理的各个层次。信息技术的发展引起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线（ＦｉｅｌｄＢｕｓ）就是顺应这一形势发展起来的新技术，成为当今自动化领域技术发展的热点，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现，标志着自动化领域的又一个新时代的开始，并对该领域的发展产生重要影响。

ＣＡＮ，全称为“ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ’’，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一，ＣＡＮ总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计，ＣＡＮ总线越来越受到人们的重视。由于ＣＡＮ总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机

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械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。ＣＡＮ已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。

一个由ＣＡＮ总线构成的单一网络受到网络硬件电气特性的限制。ＣＡＮ作为一种多主方式的串行通讯总线，其基本设计规范要求高位速率和较高的抗电磁干扰性能，而且要能够检测出通讯总线上产生的任何错误。ＲＳ．４２２Ａ的最大传输距离为１２１９ｍ，而当信号传输距离达５ｋｍ时，ＣＡＮ仍可提供高达１０ｋｂｉｔ／ｓ的数据传输速率。表１．１为ＣＡＮ总线上任意两个节点之间最大传输距离与其位速率之间的对应关系。

表１．１ＣＡＮ总线系统任意两节点之间的最大距离与位速率对应关系表位速率／ｋｂｐｓ

最大距离／ｍ１０００４０５００１３０２５０２７０１２５５３０１００６２０５０１３００２０３３００１０６７００由此可见，无论从实时性、适应性、灵活性，还是可靠性上来看，ＣＡＮ总线都是一种比ＲＳ．４２２Ａ更为优秀的串行总线。当两台串口设备的相距较远，不能直接用ＲＳ．４２２Ａ把它们连接起来时，就可以把ＲＳ－４２２Ａ转换为ＣＡＮ，通过ＣＡＮ总线来实现串口设备的网络互连。ＣＡＮ总线作为当今自动化领域技术发展的趋势，研究其与ＲＳ－４２２Ａ通信适配器的设计与实现，对实现设备的远程技术支持是具有现实意义的，尤其适合应用于强干扰环境，并可推广嵌入应用于各种测控领域。

本文主要内容为ＣＡＮ总线与ＲＳ．４２２Ａ通信适配器的设计与实现，同时包括硬件电路设计与软件的编写。硬件部分实现功能为总线与ＰＣ机的互联，主要的工作是建立单片机最小系统和扩展ＲＳ一４２２Ａ串口，软件的设计将要实现对总线上的数据包进行监控。在实际应用中，尤其是在现场运行环境较差，干扰严重的情况下，如何提高ＣＡＮ总线的抗干扰能力，使系统更可靠地运行，是设计者关注的重点。本文从ＣＡＮ总线传输的原理出发，用实测ＣＡＮ总线波形的方法分析了影响ＣＡＮ可靠传输的因素，提出了ＣＡＮ总线在应用中抗干扰的硬件及软件措施。此项工作的完成既有助于笔者的深入学习又可以在相关领域内进行ＣＡＮ总线的研究。２

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１．２现场总线概述及ＣＡＮ总线的选用

１．２．１现场总线概念

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双向通信的数据总线。其中“生产过程”包括断续生产过程和连续生产过程两类。或者现场总线是以单个分散的数字化智能化的测量和控制设备作为网络节点用总线相连接实现相互交换信息共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。

现场总线是２０世纪８０年代中期发展起来的。随着微处理器与计算机的功能不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络得到迅速的发展，而处于生产过程底层的测控自动化系统，采用一对一连线，使用模拟信号进行测量控制，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换。因此必须设计出速算并能在工业环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，完成工业现场底层网络，完成现场自动化设备立意的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界信息交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。它作为过程自动化、制造自动化、楼宇、交通等领域智能设备之间互联通信网络，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系。

目前国际上存在多种总线，它们都有各自的组织、标准、芯片和应用领域。每一种现场总线都是在其支持公司或者组织多年产品技术研发成果积累的基础上产生的，其技术侧重面不一样，有特色，‘主要应用的领域也不尽相同。

从目前各种现场总线的技术来看，还没有一种现场总线能够完全适用于所有的应用领域。因此应用层的用户要根据自身系统的实际情况、工程的具体要求和经济实力选择适合自身的现场总线，使其能充分地发挥长处，同时也使我们的工作达到最好的效果。

１．２．２现场总线的特点及发展前景

现场总线的结构要求是根据国际标准化组织ＩＳＯ的开放互连系统模型３

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ＯＳＩ来制定的。目前一些公司提出了自己的现场总线，而多数厂家为了减少投资，很少将ＯＳＩ的７层协议全部采用，一般只采用其中的几层，它们是ＯＳＩ的第ｌ层（物理层）、第２层（数据链路层）、第７层（应用层）。有些现场总线还具有第４层，即网络层的功能。这种体系结构的调整有利于提高通讯的速度。其中物理层提供了物理传输介质的规范，如数字信号的比特流，０、１电平的规定，电气的联接直至机械安装方式等；数据链路层则规定了信息传输的差错检验、纠错方法和信息流控制的方法。因此，从高层看，数据链路层实际上提供了一个无差错的信息传输通道；应用层则具体定义所有传送信息，使网络上传送的信息在整个系统中有唯一的解释。这种网络具有结构简单、执行协议直观、价格低廉等优点，同时性能又令人满意。因此，现场总线是一种网络结构简单的开放式实时系统。也有的厂家采用ＯＳＩ的全部７层协议来组成自己的现场总线。如美国的Ｅｃｈｅｌｏｎ公司。也有的厂家除了用上述３层协议外，又增加了用户层，构成了ＳＰＳＯ型现场总线。

现场总线不单单是一种通讯技术，也不仅仅是用数字仪表代替模拟仪表，而是用新一代的现场总线控制系统ＦＣＳ（Ｆｉｅｌｄ

统的分布式控制系统ＤＣＳ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＣｏｎｔｒｏｌＢｕｓＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ）来代替传Ｓｙｓｔｅｍ），实现现场通讯网络与控制系统的集成。与传统的ＤＣＳ相比，ＦＣＳ采用双线制、多回路的全数字化信息传输，不仅提高了整个系统的可靠性和抗干扰能力，同时也大大节省了整个系统的投资、安装及后期的维护费用；现场设备的智能化及可互连和互操作性，有助于现场总线控制系统进一步向分散化、智能化、网络化方向发展，简而言之，以现场总线为基础的全数字化网络控制系统是２ｌ世纪控制系统的主要形式，代表着自动化技术未来的发展方向。

１．２．３几种现场总线的介绍

在现场总线形成初期，世界上有影响的仪表生产厂家为了抢占市场和争取自身的最大利益，纷纷研制开发出了自己的现场总线。目前已开发出４０多种现场总线，其中最具影响力的有５种，分别是ＦＦ、Ｐｒｏｆｉｔｂｕｓ、ＨＡＲＴ、４

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ＬｏｎＷｏｒｋｓ和ＣＡＮ，它们己分别在不同的地区和领域发挥出了自身的优势。现主要对几种常见的现场总线作如下简单介绍。

（１）基金会现场总线ＦＦ（ＦｉｅｌｄｂｕｓＦｏｕｎｄａｔｉｏｎ）

ＦＦ由美国仪器协会（ＩＳＡ）１９９４推出，代表公司有Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ和Ｒｏｓｅｍｏｕｎｔ，主要应用于石油化工、连续工业过程控制中的仪表。是国际上公认的唯一一家不属于某企业的公正的非商业化的国际标准化组织，其宗旨在与制定单一的国际现场总线标准，组织相关技术的发展信息的扩散和发布以及人员的培训教育等，即任何人使用无专利许可要求。

ＦＦ的特色是其通讯协议在ＩＳＯ的ＯＳＩ物理层、数据链路层和应用层３层之上附加了用户层，用户层主要针对自动化测控应用的需要，采用设备描述语言制定通用的功能块集和信息存取的统一规则。通过对象字典ＯＤ（ＯｂｊｅｃｔＤｉｃｔｉｏｎａｒｙ）和设备描述语言ＤＤＬ（ＤｅｖｉｃｅＤｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎＬａｎｇｕａｇｅ）实现可互操作性。目前基于ＦＦ的现场总线产品有，美国Ｓｍａｒ公司生产的压力温度变送器，Ｈｏｎｅｙｗｅｉｌｌ＆Ｒｏｃｋｗｅｉｌｌ推出的ＰｒｏｃｅｓｓＬｏｇｉｘ系统，Ｆｉｓｈｅｒ－Ｒｏｓｃｍｏｕｎｔ推出的ＰｌａｎｔＷｒｅｂ。

（２）过程现场总线ＰＲＯＦＩＢＵＳ（ＰｒｏｃｅｓｓＦｉｅｌｄｂｕｓ）

ＰＲＯＦＩＢＵＳ由德国西门子公司１９８７年推出，主要应用于ＰＬＣ。是德国国家标准ＤＩＮｌ９２４５和欧洲标准ＥＮ５０１７０的现场总线标准。ＰＲＯＦＩＢＵＳ有三种改进类型ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ，ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＦＭＳ，ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＰＡ，它们分别适用于不同的场合。ＤＰ型用于制造行业从站之间的通讯，即分散设备间的高速数据传输，适合于加工自动化领域；ＦＭＳ的含义是现场信息规范，ＦＭＳ型适用于主站之间的通讯，如纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等；而ＰＡ型则是用于过程行业从站之间的通讯，即过程自动化的总线类型，遵从ＩＥＣｌｌ５８．２标准。

由于早在十年前，Ｐｒｏｆｉｂｕｓ开发生产了现场总线产品，限于当时计算机网络水平，大多建立在ＩＴ网络标准基础上。随着应用领域不断扩大和用户要求越来越高，现场总线的产品却只能在原有ｒｒ协议框架上进行局部的修改和补充，以致在控制系统内增加了很多的转换单元（如各种耦合器），这为该产

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品今后的进一步发展带来了一定的局限性。

（３）可寻址远程传感器数据通路ＨＡＲＴ（ＨｉｇｈｗａｙＡｄｄｒｅｓｓａｂｌｅＲｅｍｏｔｅＴｒａｎｄｕｃｅｒ）

ＨＡＲＴ由美国Ｒｏｓｅｍｏｕｎｔ公司１９８９年推出，主要应用于智能变送器。ＨＡＲＴ为一过渡性标准，它通过在４．２０ｍＡ电源信号线上叠加不同频率的正弦波（２２００ＨＺ表“０＂，１２００ＨＺ表“１＂）来传送数字信号，从而保证了数字系统和传统模拟系统的兼容性，预计其生命周期为最近２０年。

（４）局部操作网络（ＬｏＮＷＯＩⅨＳ）

ＬｏｎＷｏｒｋｓ由美国Ｅｃｈｅｌｏｎ公司１９９１年推出，主要应用于楼宇自动化、工业自动化和电力等行业。ＬｏｎＷｏｒｋｓ采用ＩＳＯ中全部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讯的实时性，安全机制采用证实方式，因此能构建大型网络控制系统。Ｅｃｈｅｌｏｎ公司推出的Ｎｅｕｒｏｎ神经元芯片实质为网络型微控制器。该芯片强大的网络通讯处理功能配以面向对象的网络通讯方式，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，大大降低了开发人员在构造应用网络通讯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ＬｏｎＷｏｒｋｓ总线是一种很有希望的现场总线。其通信速率从３００ｂｐｓ到１Ｍｂｐｓ不等，直接通信距离可达２７００ｍ（７８ｋｂｐｓ，双绞线）；通信介质可用双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等。基于ＬｏｎＷｏｒｋｓ的总线产品有美国Ａｃｔｉｏｎ公司的Ｆｌｅｘｎｅｔ＆Ｆｌｅｘｌｉｎｋ等。

（５）控制局域网络（ＣＡＮ）

ＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）是由德国Ｂｏｓｃｈ公司１９９３年推出，为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，现己逐步发展到用于其它工业部门，且其总线规范被ＩＳＯ制定为国际标准。在现场总线中，目前是唯一被批准为国际标准的现场总线。ＣａＮ现场总线也是以ＩＳＯ／ＯＳＩ为基础，采用其中的物理层、数据链路层和应用层三层。６

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它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。其通信速率最高达１Ｍｂｐｓ／４０ｍ，直接传输距离最远可达１０ｋｍ／５ｋｂｐｓ。可挂设备最多可达１１０个。ＣＡＮ的信号传输采用短帧结构，每一帧有效字节数为８个。因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该接点与总线的联系，使总线上的其他接点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。ＣＡＮ支持多主方式工作，网络上任何接点均可在任何时刻主动向其他接点发送信息，支持点对点，一点对多点和全局广播方式接收／发送数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可继续发送数据，而优先级低的节点则主动停止发送从而避免了总线冲突。

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。

ＣＡＮ总线介质访问方式为非破坏性位仲裁方式，适用于实时性要求很高的小型网络，且开发工具廉价。Ｍｏｔｏｒａｌａ、Ｉｎｔｅｌ、Ｐｈｉｌｉｐｓ均生产独立的ＣＡＮ芯片和带有ＣＡＮ接口的８０Ｃ５１芯片，还有插在ＰＣ机上的ＣＡＮ总线接口卡，具有接口简单、编程方便、开发系统价格便宜等优点。ＣＡＮ型总线产品有７

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ＡＢ公司的ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ、台湾研华的ＡＤＡＭ数据采集产品等。

１．２．４ＣＡＮ总线的选用

ＣＡＮ总线作为现场总线的一种在组网和通信功能上的优点以及它的高性能价格比决定了它在许多领域都有广阔的应用前景和发展潜力。大型仪器设备系统复杂，对多种信息进行采集、处理、控制、输出等操作。在众多应用过程中，为保证其可靠工作，在数据通信上要求功能块间可随意进行数据交换、通信能以多种方式进行、简单经济的硬件接口、通信线尽量少、抗干扰能力强、可靠性高并能自动进行故障识别和自动恢复。但是，这些要求长时间未能得到很好的解决，直至ＣＡＮ总线技术出现才提供了一个较好的解决方法。

测控系统中离不开传感器，由于各类传感器的工作原理不同，其最终输出的电量形式也各不相同，为了便于系统连接，通常要考虑将传感器的输出变换成标准电压或电流信号。即便是这样，在与计算机相连时，必须增加Ａ／Ｄ环节。如果传感器能以数字形式输出，就可以方便地与计算机直接相连，从而简化系统结构，提高精度。这种传感器与计算机相连的总线可称为传感器总线。实际上传感器总线仍属于现场总线，关键的问题在于如何将总线接口与传感器一体化。在广泛的工业控制领域，ＣＡＮ总线可作为现场设备级的现场总线，与其它总线相比，具有很高的可靠性和性价比。这必将是ＣＡＮ技术开发应用的一个主要方向。

在以往的国内测控领域，由于没有更好的选择，大多采用ＢＩＴＢＵＳ或ＲＳ－４８５作为通信总线。其不足主要有：一主多从，无冗余；数据通信为命令响应，传输率低；错误处理能力弱。采用ＣＡＮ总线技术后即可解决上述问题。

由于ＬｏｎＷｏｒｋ采用的ＩＳＯ中的全部７层协议，功能比较齐全，比如与Ｉｎｔｅｍｅｔ互联提供了方便，但是其开发成本及控制芯片成本让人难以承受。而ＣＡＮ总线结构简单、操作方便、规模适中，并且ＣＡＮ总线通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，其速度在４０米内可达到１Ｍｂｉｔ／ｓ，其产品多受到

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工程师的钟爱，因此发展相当迅速。

由于ＣＡＮ为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。为此，１９９１年９月ＰＨＩＬＩＰＳＳＥＭＩＣｏＮＤＵＣＴＯＲＳ制订并发布了ＣＡＮ技术规范（ＶＥＲＳＩＯＮ２．０）。该技术规范包括Ａ和Ｂ两部分。２．０Ａ给出了曾在ＣＡＮ技术规范版本１．２中定义的ＣＡＮ报文格式，而２．０Ｂ给出了标准的和扩展的两种报文格式。此后，１９９３年１１月ＩＳＯ正式颁布了道路交通运载工具一数字信息交换一高速通信控制器局部网（ＣＡＮ）国际标准（ＩＳ０１１８９８），为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路。１９９３年３月国际ＣＡＮ总线用户及制造商协会在欧洲正式成立，协会的名称简写为ＣＩＡ，其任务为制订修改ＣＡＮ的有关协议，解决ＣＡＮ总线应用中的一些问题，提供ＣＡＮ总线开发工具及产品，推广ＣＡＮ总线的应用，并定期出版刊物。

ＣＡＮ网络上任何一个节点均可作为主节点主动地与其它节点交换数据：ＣＡＮ网络节点的信息帧可以分出优先级，这对于有实时性要求的控制提供了方便：ＣＡＮ的物理层及数据链路层有独特的设计技术，使其在抗干扰以及错误检测等方面的性能均大大提高。ＣＡＮ的上述特点使其成为诸多工业测控领域中首选的现场总线之一。根据国内外资料报道，ＣＡＮ技术已应用于家用电器和智能楼宇以及小区建设中。如安防系统、抄表系统、家电控制等。它投资少，每个节点可以随机访问，通信速度完全满足要求，且在这类应用中数据交换量都很少。适当的网关如ＣＡＮ与ＴＣＰ／ＩＰ协议的转换，可以使一个居室或一栋大楼的现场ＣＡＮ信息转变为Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的形式外传，或反过来通过这类网关把外部网传来的信息转换为ＣＡＮ的形式，此即实现了所谓的远程控制。可以预料，控制器局部网在我国迅速发展和普及是指日可待的。１．３ＣＡＮ总线在某型舰船综合导航系统中的应用

目前，国内舰船各主要系统网络主要采用串行通讯方式，但信息时代的现代化战争对舰艇各系统提出了更高的要求。在海军舰艇中，各系统及系统内部传输的信息量越来越大，要求的传输速度越来越快。同时，为了将各系９

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统有机结合、形成整体，必须建设完备的舰船网络平台，实现舰船信息的网络化。在传统的舰船信息网络中，采用的是点对点串行口通信，当网络节点数目比较多时，其不足之处就暴露出来：走线复杂、占地面积大、无法实现真正的信息共享。伴随着计算机技术和网络技术的进步，国内舰艇在作战系统上首先实现了网络化改造。国内舰艇作战系统广泛使用了１５５３Ｂ总线技术。而导航系统则主要以ＲＳ．４２２总线为主，采用点对点的方式来进行通讯。由于ＣＡＮ总线的诸多优点和技术的发展，ＣＡＮ总线技术在越来越多的领域内得到应用，某型舰船的综合导航系统初次采用了基于现场总线的舰船导航系统网络方案，采用了ＣＡＮ总线作为传输网络。该方案中，综合导航显控台、各导航设备和各分系统都作为网络节点挂接在ＣＡＮ总线上，各节点可以根据自己的需要从总线上获取导航信息。这样设计提高了整个导航系统的自动化程度及可靠性。该型舰船的综合导航系统采用了两个ＣＡＮ接线盒分别连接不同的节点设备，整个综合导航系统通过双冗余的ＣＡＮ总线连接了１３个节点设备，内部设备通过ＣＡＮ总线连接的网络逻辑机构图如下图１．１所示。

图１．１ＣＡＮ总线连接的网络逻辑机构图

该型舰船的综合导航系统采用了双冗余ＣＡＮ总线代替了以往ＲＳ４２２的串行接口和部分模拟接口来连接导航系统内部的各个设备。该方案还包括两种异构网络互连设备一ＡＮ总线／ＲＳ４２２转换器和ＣＡＮ总线／Ｅｔｈｅｒｎｅｔ网

１０关，用于ＣＡＮ总线、以太网、串行总线之间的网络互连和数据交换。本文重点介绍了ＣＡＮ总线与ＲＳ．４２２Ａ通信适配器的设计与实现及其抗干扰分析。

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１．４论文研究内容及章节安排

论文的主要研究内容如下：

ＣＡＮ总线与ＲＳ．４２２Ａ通信适配器的设计与实现，同时包括硬件电路设计与软件的编写。硬件部分实现功能为总线与ＰＣ机的互联，主要的工作是建立单片机最小系统和扩展ＲＳ－４２２Ａ串口。软件的设计将要实现对总线上的数据包进行监控。在实际应用中，尤其是在现场运行环境较差，干扰严重的情况下，如何提高ＣＡＮ总线的抗干扰能力，使系统更可靠地运行，是设计者关注的重点。本文从ＣＡＮ总线传输的原理出发，用实测ＣＡＮ总线波形的方法分析了影响ＣＡＮ可靠传输的因素，提出了ＣＡＮ总线在应用中抗干扰的硬件及软件措施。

本论文主体部分分四个章节，主要内容安排如下：

第一章介绍本论文的研究背景、意义，现场总线的一些基本知识，目前国际上比较流行的几种现场总线，ＣＡＮ总线的选用以及ＣＡＮ在某型舰船综合导航系统中的应用。

第二章介绍ＣＡＮ的基本概念和主要性能特点以及串口通信的一些基本概念，还介绍了ＰＣ机与单片机接收／发送数据的流程。

第三章着重根据终端电阻配置对ＣＡＮ波形的影响，电缆长度对传输波形的影响，加装屏蔽电缆并接地对传输波形的影响介绍了ＣＡＮ总线硬件抗干扰分析及措施。

第四章着重介绍了ＣＡＮ与ＲＳ．４２２Ａ通信适配器的实现，包括硬件电路的设计、各功能模块的简要说明和外围电路的设计介绍。

第五章介绍了软件抗干扰措施、设计、及基于硬件的编程和用户界面的开发。

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第２章ＣＡＮ总线及串口概述

２．１ＣＡＮ总线的概念［３３】

ＣＡＮ，全称为“ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初，ＣＡＮ被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ＥＣＵ之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入ＣＡＮ控制装置。一个由ＣＡＮ总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。例如，当使用ＰｈｉｌｉｐｓＴＪＡｌ０５０作为ＣＡＮ收发器时，同一网络中允许挂接１１０个节点。ＣＡＮ可提供高达１Ｍｂｉｔ／ｓ的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。另外，硬件的错误检定特性也增强了ＣＡＮ的抗电磁干扰能力。

ＣＡＮ通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。ＣＡＮ层的定义与开放系统互连模型（ＯＳＩ）一致。每一层与另一设备上相同的那一层通讯。实际的通讯发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互连。ＣＡＮ的规范定义了模型的最下面两层：数据链路层和物理层。

表２．１ＯＳＩ开放系统互连模型

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３应用层最高层。用户、软件、网络终端等之间用来进行信息交换。如：ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ将两个应用不同数据格式的系统信息转化为能共同理解的格式依靠低层的通信功能来进行数据的有效传递两通讯节点之间数据传输控制。操作如：数据重发，数据错误修复规定了网络连接的建立、维持和拆除的协议。如：路由和寻址表示层会话层传输层网络层

数据链

２规定了在介质上传输的数据位的排列和组织。如：数据校验和帧结构

路层

１物理层规定通讯介质的物理特性。如：电气特性和信号交换的解释表中展示了ＯＳＩ开放式互连模型的各层。应用层协议可以由ＣＡＮ用户

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定义成适合特别工业领域的任何方案。已在工业控制和制造业领域得到广泛应用的标准是ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ，这是为ＰＬＣ和智能传感器设计的。在汽车工业，许多制造商都应用他们自己的标准。

２．２ＣＡＮ总线的特点

ＣＡＮ属于总线式串行通信网络，由于采用了许多新技术以及独特的设计，与一般的通信总线相比，ＣＡＮ总线的数据通信具有突出的性能、可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括如下：

一低成本

一极高的总线利用率

一很远的数据传输距离（长达１０Ｋｉｎ）

一高速的数据传输速率（高达ＩＭｂｉｔ／ｓ）

一可根据报文的ＩＤ决定接收或屏蔽该报文

一可靠的错误处理和检错机制

一发送的信息遭到破坏后，可自动重发

一节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能

一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。

２．３ＣＡＮ总线的分层结构和通信协议‘１】

ＣＡＮ的分层结构２．３．１

为使设计透明和执行灵活，遵循ＩＳＯ／ＯＳＩ标准模型，ＣＡＮ分为数据链路层和物理层，其中数据链路层又包括逻辑链路子层ＬＬＣ和媒体访问子层ＭＡＣ。而在ＣＡＮ技术规范中，数据链路层的ＬＬＣ和ＭＡＣ子层的服务和功能被描述为目标层和传输层。图２．１解释了ＣＡＮ的分层结构和功能。

其中，逻辑链路子层主要负责为远程数据请求以及数据传输提供服务，确定哪些报文实际上被验收，同时，为恢复管理和过载通知提供手段：而介

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质访问子层的作用主要是定义传送的规则，控制帧的结构，执行仲裁，错误检测，错误标定，故障界定以及总线的开启关闭报文的接收和发送都在此层描述。

图２．１ＣＡＮ协议的分层结构

２．３．２ＣＡＮ的通信协议

ＣＡＮ总线协议已经被ＩＳ０１１８９８定为国际标准∞【３７１，同时也已经通过了ＩＳ０１６８４５的一致性测试，保证了使用ＣＡＮ总线协议芯片在实际应用中的可互换性。以下所介绍的ＣＡＮ协议的基本内容是协议的核心部分，也是在具体应用和后面设计时所必须满足的基本要点。１４

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（１）信息路由（ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＲｏｕｔｉｎｇ）

在ＣＡＮ系统里，节点可使用任何关于系统配置的信息（比如，站地址）。以下是几个重要的概念。

系统灵活性：不需要改变任何节点的应用层及相关的软件或硬件，就可以在ＣＡＮ网络中直接添加。

报文路由：报文的内容由识别符命名。识别符不指出报文的目的地，但解释数据的含义。因此，网络上所有的节点可以通过报文滤波确定是否应对该数据做出反应。

广播：由于引入了报文滤波的概念，任何数目的节点都可以接收报文，

并同时对此报文做出反应。

数据连贯性：在ＣＡＮ网络内，可以确保报文同时被所有的节点接收（或同时不被接收）。因此，系统的数据连贯性是通过广播和错误处理的原理实现的。不同的系统，ＣＡＮ的速度不同。可是，在一给定的系统里，位速率是唯一的。并且是圃定的。在总线访问期间，识别符定义一静态的报文优先权。

（２）远程数据请求（ＲｅｍｏｔｅＤａｔａＲｅｑｕｅｓｔ）

通过发送远程帧，需要数据的节点可以请求另一节点发送相应的数据帧。数据帧和相应的远程帧是由相同的识别符（ＩＤＥＮＴＩＦＩＥＲ）命名的。

（３）多主机（Ｍｕｌｔｉ．ｍａｓｔｅｒ）

总线空闲时，任何单元都可以开始传送报文。具有较高优先权报文的单元可以获得总线访问权。

（４）仲裁（Ａｒｂｉｔｒａｔｉｏｎ）

只要总线空闲，任何单元都可以开始发送报文。如果２个或２个以上的单元同时开始传送报文，那么就会有总线访问冲突。通过使用识别符的位形式仲裁可以解决这个冲突。仲裁的机制确保信息和时间均小会损失。当具有相同识别符的数据帧和远程帧同时初始化时，数据帧优先于远程帧。仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。如果电平相同，则这个单元可以继续发送。如果发送的是一“隐性”电平而监控视１５

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到一“显性’’电平，那么该单元就失去了仲裁，必须退出发送状态。

（５）安全性（Ｓａｆｅｔｙ）

为了获得最安全的数据发送，ＣＡＮ的每一个节点均采取了强有力的措施以进行错误检测、错误标定及错误自检。

（６）错误检测（ＥｒｒｏｒＤｅｔｅｃｔｉｏｎ）

为了检测错误，必须采取以下措施：

～监视（发送器对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较）

一循环冗余检查

一位填充

一报文格式检查

（７）错误检测的执行（Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ

错误检测的机制要具有以下的属性：

一检测到所有的全局错误

一检测到发送器所有的局部错误

一可以检测到一报文里多达５个任意分布的错误

一检测到一报文里长度低１５（位）的突发性错误

一检测到一报文里任一奇数个的错误

对于没有被检测到的错误报文，其残余的错误可能性概率低于报文错误率×４．７×１０一１１。

（８）错误标定和恢复时间（ＥｒｒｏｒＳｉｇｎａｌｉｎｇａｎｄＲｅｃｏｖｅｒｙＴｉｍｅ）ｏｆＥｒｒｏｒＤｅｔｅｃｔｉｏｎ）

任何检测到错误的节点会标志出已损坏的报文。此报文会失效并将自动地开始重新传送。如果不再出现新错误的话，从检测到错误到下一报文的传送开始为止，恢复时间最多为２９个位的时间。

（９）故障界定（ＦａｕｌｔＣｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）

ＣＡＮ节点能够把永久故障和短暂扰动区分开来。永久故障的节点会被关闭。（１０）连接（Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ）

ＣＡＮ串行通讯链路是可以连接许多单元的总线。理论上，可连接无数多１６

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的单元。但由于实际上受延迟时间以及／或者总线线路上电气负载的影响，连接单元的数量是有限的。

（１１）单通道（ＳｉｎｇｌｅＣｈａｎｎｅｌ）

总线是由单一进行双向位信号传送的通道组成。通过此通道可以获得数据的再同步信息。要使此通道实现通讯，有许多的方法可以采用，如使用单芯线（加上接地）、２条差分线、光缆等等。具体细节中未定义物理层。

（１２）总线值（ＢｕｓＶａｌｕｅ）

总线可以具有两种互补的逻辑值之一：“显性”或“隐性”。“显性＂位和“隐性”位同时传送时，总线的结果值为“显性”。比如，在执行总线的“线与＂时，逻辑０代表“显性＂等级，逻辑１代表“隐性”等级。本技术规范不给出表示这些逻辑电平的物理状态。

（１３）应答（Ａｃｋｎｏｗｌｅｄｇｍｅｎｔ）

所有的接收器检查报文的连贯性。对于连贯的报文，接收器应答；对于不连贯的报文，接收器做出标志。

（１４）睡眠模式／唤醒（ＳｌｅｅｐＭｏｄｅ／Ｗａｋｅ－ｕｐ）

为了减少系统电源的功率消耗，可以将ＣＡＮ器件设为睡眠模式以便停止内部活动及断开与总线驱动器的连接。ＣＡＮ器件可由总线激活，或系统内部状态而被唤醒。唤醒时，虽然传输层要等待一段时间使系统振荡器稳定，然后还要等待一段时间直到与总线活动同步，但在总线驱动器被重新设置为“总线在线＂之前，内部运行已重新开始。为了唤醒系统上正处于睡眠模式的其他节点，可以使用特殊的唤醒报文，此报文具有专门的、最低等级的识别符。

以上是ＣＡＮ总线２．０Ａ、Ｂ的协议基本内容和通讯原理，在实际使用中通常称为基本ＣＡＮ协议。

２．３．３ＣＡＮ协议的报文传输原理及波形特征

ＣＡＮ中的总线数值为两种互补逻辑数值之一：“显性”或“隐性”。“显性”（“Ｄｏｍｉｎａｎｔ＂）数值表示逻辑“０＂，而“隐性玎（“Ｒｅｃｅｓｓｉｖｅ＂）表示逻辑

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