工業應用中的網絡主題有著悠久且相當復雜的歷史。每個單獨的行業都面臨在單個設備上部署電子控制的任務，將這些控制連接到自動化孤島，最后將這些孤島拉入工廠范圍的網絡。這些現在已鏈接到企業網絡，并與銷售預測、庫存控制和管理信息系統等相關聯。但是，這超出了本文的范圍。這種方法的問題在于不同的行業開發了不同的方法來實現網絡。在 1980 年代，有一種運動是使用 ISO 的 OSI（開放系統互連）模型創建一種描述網絡的通用方式，并找出不同網絡技術使用該模型進行交互的方式。這將通信視為一個七層模型。第 1 層是物理層，定義電線、連接器以及信號通過電線（或光纖）傳輸的方式。這些層變得越來越抽象，直到第 7 層，應用層，它是網絡之間的接口和通訊軟件。

　　圖 1：OSI 七層模型。

　　當時對 OSI 活動進行了巨額投資，其重要遺產包括能夠根據相關 OSI 層描述當前的網絡技術，即使它們不是用這種方法設計的。

　　今天有幾種網絡技術正在部署中。工業以太網正在穩步發展，特別是因為它被視為與標準以太網兼容。雖然它有很多優點，但也有一些缺點，特別是對于硬實時應用程序。盡管如此，許多早期的網絡技術，如 Modbus 和 Profibus，已被改編為以太網上的覆蓋。

　　CAN 總線越來越流行，并且可能是目前占主導地位的網絡技術（盡管不同的市場數據給出了不同的數字）。這最初是作為連接汽車中越來越多的智能節點的一種方式，由羅伯特博世在德國開發。它在一般汽車行業被廣泛采用，被 SAE（美國汽車工程師協會）接受，現在被國際標準化組織標準 ISO 11898 的多個部分所涵蓋。在當前的實施中，CAN 總線成本低、魯棒性強且能夠耐受汽車的極端環境，這些特性使其對工業控制應用具有吸引力。它已變得如此普遍，以至于許多微控制器都在芯片上包含 CAN 接口，從而無需為每個節點配備專用控制器芯片。

　　CAN 總線

　　CAN 總線專為簡化物理而設計。沒有單一的主節點，因為網絡上的每個節點都是主節點，并且節點通過單根端接雙絞線電纜連接。每個節點都可以與任何其他節點通信。最大比特率為 1 Mbit/sec，可以在 40 m 左右的正常電纜長度上維持。隨著電纜長度的延長，比特率下降，而對于理論上 10 公里的電纜，比特率將下降到大約 5 Kbit/sec。還有使用光連接甚至無線的 CAN 總線網絡。它們的數據速率會有所不同。

　　圖 2：CAN 總線連接。

　　節點沒有指定具體地址，雖然理論上這允許無限數量的節點，但網絡上的正常最大值約為 64 個。代替節點地址，消息具有確定消息優先級的標識符。CAN總線部署了CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection），這意味著任何節點都可以傳輸消息。如果兩個（或更多）節點嘗試同時傳輸，則優先級較低的節點將讓位于最高優先級并稍后重試。監聽節點將識別與它們相關的消息并下載它們。

　　消息作為四種類型的幀傳輸。數據幀是消息傳遞的基本幀。此外還有遠程幀，請求傳輸特定消息；錯誤幀，當節點檢測到錯誤時發送；和過載幀，用于在數據幀之間添加延遲。

　　數據幀本身最多可以攜帶 8 個字節的數據，并且有 7 個字段：單比特幀起始（SOF）；仲裁領域；控制字段（指定消息的字節數）；數據字段，介于 0 到 8 個字節之間；15位CRC序列和1位定界符的循環冗余校驗（CRC）字段；一個 2 位的確認 （ACK） 字段（一個用于確認收到消息，另一個是字段分隔符）；和七位幀結束（EOF）。

　　仲裁字段定義了兩種不同的數據幀類型：標準幀和擴展幀。標準幀使用 11 位標識符，而擴展幀在標識符中增加了 18 位，以應對 CAN 總線覆蓋的一些協議要求。

　　圖 3：CAN 數據幀格式。

　　網絡上的每個節點都會讀取每條消息，確定內容是否與它們相關。如果他們確定消息是相關的，則節點重置 ACK 字段位并重新傳輸消息。這允許發送節點知道至少一個節點已經接收到消息。所有的消息管理都由 CAN 總線控制器執行，最初是一個獨立的設備，通常用于工業自動化，現在是主控制器的集成部分。

　　回到 OSI 7 層模型，CAN 總線只有兩層。一，電線，對應于模型的最低或物理級別。另一個，消息格式和 CSMA/CD 過程，大致映射到數據鏈路層。這意味著 CAN 總線只定義了道路和在道路上行駛的車輛的整體形狀。車輛攜帶什么，數據字段的內容實際意味著什么，留給實現。這意味著更高級別的 OSI 模型的等價物未定義。一個定義涵蓋從網絡層到應用層的各個層，是由 560 家公司組成的聯盟 CiA（自動化中的 CAN）開發的 CAN Open 標準。對此以及可以使用 CAN 總線的其他協議的選擇在很大程度上取決于應用程序的上下文。

　　FlexCAN

　　CAN 的擴展，FlexCAN 以及相關的協議 SafeCAN，已在美國開發并在安全關鍵應用中取得了一些成功，因為它帶來了確定性和實時性。通常，在微控制器上實現 FlexCAN 時，它向后兼容 CAN。

　　林

　　LIN，Local Interconnect Network，也來自汽車行業。它的開發是為了在 CAN 總線提供的高帶寬和錯誤處理相關成本過高的應用中提供 CAN 總線的替代和擴展。在汽車應用中，這些是簡單的東西，如窗戶控制、雨量傳感器和門鎖，而在工業應用中，溫度和壓力傳感器、非關鍵開關和簡單的執行器自然是 LIN 網絡的候選者。LIN 常用于創建 CAN 子網。

　　CAN 總線控制器往往是高 16 位和 32 位微控制器中提供的選項的一部分，LIN 可以使用標準串行通用異步接收器/發送器 （UART），即使是成本最低的 8 位微控制器或專用LIN接口。

　　LIN 總線不是同等狀態節點，而是主從。任何 LIN 總線都會有一個主機和一個或多個從機（最多 16 個）。主機還包括從機。主機以預定義的順序和頻率輪詢從機。該消息可以是對信息的指令或請求。奴隸通過訂閱（執行指令）或發布（提供信息）來響應。

　　圖 4：LIN 消息幀。

　　一個 LIN 消息幀有一個消息頭和一個消息響應，頭由主機發送，響應由其中一個從機發送。Header 包含三個元素：Break、Sync 和 Identifier，而 Response 包含兩個元素，Data 和 Checksum。Break 用于提醒所有從站消息即將到來，而 Sync 允許從站同步到傳輸速度。標識符既為消息提供標識，又向從站警告特定消息是相關的。然后相關從機使用響應，在數據字段中提供最多 8 字節的有效負載并計算校驗和值。標識符的映射和數據格式的內容是依賴于實現的。

　　當前標準是 LIN 2.1，這為節點提供了睡眠模式。觸發睡眠模式的不活動周期由開發人員定義，并由任何節點結束，無論是主節點按照預定義的時間表工作，還是從節點被應用軟件的預定義狀態觸發。

　　實現 CAN

　　大多數微控制器開發人員都提供 CAN 接口。通常，微控制器上的 CAN 接口將連接到 CAN 收發器，這些接口可從眾多供應商處獲得。

　　飛思卡爾擁有大量基于 PowerPC 架構的微控制器選項。MPC8306 /9系列是 PowerQUICC II Pro 產品，具有 e300 PowerPC 內核和基于 RISC 的 QUICC 通信引擎。它們設計為通信處理器，提供多種不同接口選擇，可用于將 CAN 橋接到其他網絡技術。在工業應用中，這通常是以太網，用于將 CAN 網絡連接到更廣泛的企業。在 MPC8306/9 系列中，有多種速度/功率權衡可供選擇，而飛思卡爾是少數實施 FlexCAN 的制造商之一。飛思卡爾有一個涵蓋MPC830X系列的開發套件。產品的低功率端是Silicon Labs C8051F5XX微控制器。它們基于 8 位 8051，采用小型封裝，并提供用戶對所有外圍設備的控制，允許它們斷電以節省電力。可用的工具包括一個可以容納兩個處理器的開發套件，允許使用 LIN 2.1 主從網絡。

　　Texas Instruments 的 Stellaris系列提供了基于 ARM Cortex 內核的大量功率/速度選項。Stellaris 2000、5000、8000 和 9000 系列都有具有 CAN 功能的成員。TI 提供了一系列板卡和套件，用于使用 Stellaris 開發 CAN 網絡，并采用不同的開發環境，例如 IAR、Keil 和 CodeSourcery。TI 還提供具有 CAN 功能的其他微控制器架構，包括Piccolo的成員范圍; Sitara ARM 微處理器，基于 ARM9 或 Cortex-A8 內核；以及Hercules安全微控制器平臺，該平臺專為使用 ARM Cortex-M3 和 Cortex-R4F 內核的 IEC 61508 和 ISO 26262 安全關鍵應用而設計。

　　Atmel 還有幾個支持 CAN 的系列，包括 32 位 AVR AT32UC3C和基于 ARM9 的SAM9的成員。此外，Microchip的大多數 PIC 變體都提供 CAN，包括 8 位PIC 10/12/16 和 18、16位PIC24和 32 位PIC32。與大多數制造商一樣，這些都得到了廣泛的開發套件的支持。

　　參數

　　這只是一些可用的微控制器選項的簡短摘要。選擇微控制器的問題不在于它是否具有 CAN。相反，選擇標準將是那些通常使用的標準，使用諸如電源/性能、其他外圍設備和可用軟件等參數。通常，關鍵因素將是對特定架構的內部投資，包括工具和多年的經驗，是否能夠保證該項目將在預算內按時高質量完成。