简析工业环境下CAN总线与以太网互联的技术

李健伟

(新恒基(沈阳)置业有限公司，辽宁 沈阳 110013)

随着现代工业技术的发展，对控制网络中信息传输与反馈的安全性和及时性都有了更高的要求。CAN技术以其安全性和及时性首先被应用于对于设备控制较高的汽车领域，并得到更广泛的发展。以太网技术现在以成熟的应用于信息传递方向。将这两种互联技术相结合是满足现代工业对网络信息传输的方式之一，下面我们就针对CAN和以太网各自的特点及将其结合所用的网关进行简要的介绍。

1.CAN总线的特点

CAN(Controller Area Network)网络称为控制器局域网，是一种可以有效分布控制或实时控制的串行通讯网络，属于现场总线的范畴并被制定成了国际标准，它在可靠性、实时性和灵活性方面具有突出的优势，下面我们就对其特点做以简介。

1.1 CAN可多主控分ID进行信息发送

CAN总线中可以存在多个主控的信息发送方式，在总线空闲时，所有单元都可以主动向网络发送信息，最先访问总线的单元可以获得发送权以进行信息发送。在CAN协议中，会为每条发送的信息分配ID，这里的ID是Identifier是优先级而非发送地址。

1.2 CAN的非破坏总线仲裁技术

CAN采用非破坏总线仲裁技术，当有多个单元同时向总线发送信息时，发送优先级高的ID获得发送权继续发送数据，而优先级低的单元则会主动地退出发送。这可以减小总线冲突的仲裁时间，使得即使在网络负载很重的情况下也不会像以太网那样出现网络瘫痪情况。

除此之外，CAN还具有检错效果好、通讯介质选择灵活等优点。

2.以太网的特点

以太网(Ethernet)是一种局域网技术，它一般使用同轴电缆或特种双绞线为载体，并采用载波多路访问和冲突检测机制。它的传输速率可达10Mbps，并具备简单方便、价格低、速度高等特点，在现代网络中被普遍使用，下面就将其特点进行简要介绍。

2.1 以太网应用在工业领域的优点

(1)以太网的互联性较强

以太网是全开放性的、全数字化的网络，这使得使用不同网络协议的不同厂商设备可以实现互联。在实现互联的同时还可以实现工业控制网络与信息网络的无缝拼接，便于企业组建管控一体化的网络。[1]这种网络一般采用TCP/IP协议并可通过Visual C++编写用户层程序。

(2)以太网具有较高的通信速率

随着技术的进步，10M/100M的快速以太网已经有了很成熟的技术，1000M的以太网也趋于成熟，逐渐还会出现10G甚至更快速的以太网。这样高速的数据传输方式为工业中有时需要的声音、视频资料的传输成为可能。

2.2 以太网在工业领域应用中的不足

(1)以太网的信息实时性有着明显的不足

实时性是指工业控制系统对某事件发生时间的可测性，它要求在事件发生后系统做出的反应必须在可以准确预测的时间内。由于以太网是采用CSMA/CD的介质访问控制方式，其在出现多个数据同时传输时会平等竞争总线，网络繁忙时有掉线的可能，这就导至了其数据传输的非实时性。

(2)以太网的可靠性存在局限

由于以太网是为办公环境而设计的，所以当用于工业环境的恶劣环境中，可能会出现严重的线间干扰，严重时可能会导致网络系统的崩溃和瘫痪，所以要想利用其优势还要解决其可靠性的问题。[2]

3.工业领域CAN总线与以太网互联的技术

在这种新的网络互联技术在工业控制网络中，以太网不仅需要起到主干网络的作用，还要实现与现场总线互换数据的功能。下面我们就从其原理和实现方法对这类网关加以介绍。

3.1 CAN总线与以太网互联技术的基本原理

CAN总线和以太网使用的是两个通信协议，是结构完全不同的两个网络，因此对于Ethernet/CAN网关来说，其工作实质就是对信息重新封装以使其可以相互读取。[3]这就要求网关应可运行在OSI模型上。OSI模型是为异种计算机间的互联提供统一的基础和标准框架。OSI模型共有7层，且各层功能独立，下一层所提供的功能为上一层服务，其层次由1层开始分别为:物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层共7层。1～3层为底层，用以实现传输功能;4～7层为高层，用以通过网络终端来实现通信处理功能。CAN和以太网都只支持OSI所定义的7层结构中的一部分，故为其互联提供了可能。

3.2 CAN总线与以太网互联网关的实现

为了实现CAN总线与以太网的互联，较为常用的一种方法就是采用通用型微处理，同时配备一定的外围电路来构造硬件平台通，通过在该平台上运行的程序来实现网关的功能。下面我们就分硬软件来对其进行介绍。

网关硬件方面，CAN总线物理层和数据链路层与CAN物理接口电路和CAN控制器相对应。而以太网的物理层和数据链路层与以太网控制器相对应。其他部分由ARM处理器件中所运行的软件来实现。

网关软件方面，当连接在CAN总线上的现场设备向连接在以太网上的监控计算机发送数据时，数据会先通过网关的CAN总线接口电路送到CAN控制器中。由CAN控制器向ARM处理器发出中断请求。当ARM处理器正在执行优先级较高的任务时，数据就暂存于CAN控制器的缓存中，待处理器任务结束后，从缓存中将数据取出。通过管理协议层中所对应程序的处理，为需要传送的数据分别添加TCP/IP层所需的信息，由ARM处理器将处理过的数据封装并发送给以太网控制芯，以此实现数据的互联。

通过以上对CAN总线、以太网在工业领域的应用以及CAN与以太网的互联技术的简要介绍和优缺点对比，使得我们对工业环境下的网络应用有了初步的认识，希望可以对初学者们在CAN总线与以太网技术的深入研究的道路上起到引导作用。

[1]阳宪惠.《现场总线技术及其应用[M]》.北京.清华大学出版社，1999

[2]徐皑冬，王宏，杨志家.《基于以太网的工业控制网络[J]》.信息与控制，2000

[3]郑建彬.《以太网和CAN现场总线网间的嵌入式网关设计》.信息技术，2002