现场总线VS工业以太网

现场总线
- CAN总线（Control Area Network）
- - 一、CAN总线是什么？
  - CAN总线的作用？
  - CAN总线的优点
  - CAN总线拓扑图
- 各接口协议速率对比
- - IIC
  - SPI
  - CAN
  - 485
  - USB
工业以太网
- EtherCAT
- - EtherCAT传输性能
  - EtherCAT应用层
  - - 协议层
    - CoE协议

现场总线

最近的实验需要较高的运动控制速率。市场上大部分的驱动板目前只支持CAN通信。毕竟CAN通信配置简单而且便宜。通信速率在500kbps，当使用多个驱动器时，一拖多不能达到想要的控制速率。所以选择EtherCAT转CAN。采用树形网络来作为通信网络结构。

CAN总线（Control Area Network）

一、CAN总线是什么？

CAN是Controller Area Network的简称，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，最早是由以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，1986年，BOSCH开发出面向汽车的CAN通信协议，后来，CAN总线通过ISO 11898和ISO 11595进行了标准化，现在在欧洲是汽车网络的标准协议。

把汽车比如成人体，那CAN总线就是神经系统，电子控制单元（ECU）就是身体的一部分，身体是由多个ECU组成的，各个ECU之间通过神经系统进行通信，一个部分感知到的信息可以与另一部分共享。

CAN的应用非常广泛，工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。

CAN总线的作用？

在汽车上，CAN总线的作用就是把不同的部件连接起来，然后这些部件都执行同一套标准协议，这样的好处是兼容性高，信息可以可靠共享，并且能减少整车的线束数量。

CAN总线的优点

简单低成本： ECU通过单个CAN系统进行通信，而不是直接的复杂模拟信号线通信，这样减少了错误，重量，接线和成本。
完全集中： CAN总线提供了一个接入点，可以与所有网络ECU进行通信，——支持集中诊断，数据记录和配置。
稳定： CAN总线具有强大的抗电干扰和抗电磁干扰能力，非常适合对安全要求严格的应用（例如车辆）。
高效：通过ID对CAN帧进行优先级排序，以便优先级最高的数据可以立即访问总线，而不会引起其他帧的中断。

CAN总线拓扑图

从拓扑图中可以看到一个CAN节点，主要由CPU，CAN控制器，CAN收发器组成

CAN总线是差分线，有CAN_H和CAN_L两根线，差分线的抗干扰能力强，外界有干扰时，几乎同时会耦合到差分线的两根线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消，图中箭头所示，虽然两根线都受到干扰，但是两者差值不变。

1 CAN控制器的作用
CAN控制器一方面接收收发器的数据，进行解析后发送给CPU；另一方面接收CPU的指令数据，然后发送给CAN收发器。

120Ω终端电阻
高频信号传输时，信号波长相对传输线较短，信号在传输线终端会形成反射波，干扰原信号，所以需要在传输线末端加终端电阻，使信号到达传输线末端后不反射。

对于低频信号则不用CAN总线两端必须连接终端电阻才可以正常工作，终端电阻应该与通讯电缆的阻抗相同，典型值为120欧姆，其作用是匹配总线阻抗，提高数据通信的抗干扰性及可靠行。

各接口协议速率对比

IIC

S（标准模式）测量与控制场合，100kb/s
F（快速模式），速率为 400kb/s
Hs（高速模式），速率为 3.4Mb/s。
具体看器件要求，单片机一般是400k或以下常用。IIC协议是有规定的，其总线的容性负载要求，目前最高的1M左右。普通的芯片只有 低速 100K 与 高速 400K 两种规格。
如果通信距离较远，导线的分布电容较大，而上拉电阻又取得太时，信号上升时间不够，接收方就可能会读不到高电平。我们知道IIC是靠上拉出来的高电平，信号上升所需的时间正比于上拉电阻值和该点对地电容的乘积。

SPI

SPI是一种高速的，全双工，同步的通信总线，由Motorola开发，并没有一个官方标准。
已知的有的器件SPI已达到50Mbps。
具体到产品中SPI的速率主要看主从器件SPI控制器的性能限制。
对于STM32器件，如果用的固件库，那就是更改SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler参数。
赋值在stm32xxxxx_spi.h中有定义，是APB2或者APB1总线频率的1/2~1/256。

CAN

理论上，CAN总线在速率小于5K时，距离可达10km；速率接近1M时，距离小于40m。
现实中常用的高速CAN总线速率有500k或250k，
低速CAN总线有125k和62.5k，
传输距离在几米到几十米间。
速率和传输距离的选择还有考虑硬件的要求。
理论上，一条CAN总线上可以连接无数个CAN设备，但实际上受到其他条件限制，数量总是有限的。
例如，使用了更上层的CANOPEN协议，则一条总线上只能有128个设备。

485

RS-485/422采用平衡发送和差分接收方式实现通信：发送端将串行口的TTL电平信号转换成差分信号 A,B两路输出，经过线缆传输之后在接收端将差分信号还原成TTL电平信号。
由于传输线通常使用双绞线，又是差分传输，所以又极强的抗共模干扰的能力，总线收发器灵敏度很高，可以检测到低至200mV电压。
RS-485/422最大的通信距离约为1219M，最大传输速率为10Mb/S，传输速率与传输距离成反比，
在100Kb/S的传输速率下，才可以达到最大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加485中继器。
RS-485标准采有用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，具体规格要求：1. 接收器的输入电阻RIN≥12kΩ2. 驱动器能输出±7V的共模电压3. 输入端的电容≤50pF4. 在节点数为32个，配置了120Ω的终端电阻的情况下，驱动器至少还能输出电压1.5V（终端电阻的大小与所用双绞线的参数有关）5. 接收器的输入灵敏度为200mV（即（V+）-（V-）≥0.2V，表示信号“0”；（V+）-（V-）≤-0.2V，表示信号“1”）

USB

USB1.1：
1. 低速模式(low speed)：1.5Mbps
2. 全速模式(full speed)： 12Mbps
USB2.0：向下兼容。增加了高速模式，最大速率480Mbps。
1. 高速模式(high speed)： 25~480Mbps
USB3.0：向下兼容。
2.super speed ：理论上最高达4.8Gbps，实际中，也就是high speed 的10倍左右。

工业以太网

EtherCAT

还有其他可以代替的工业以太网协议，比如powerlink。Etherc

EtherCAT传输性能

传输速率:
– 2 x 100 Mbit/s (高速以太网, 全双工模式)
• 刷新时间:
– 256 数字量 I/O：11 µs
– 分布于 100 节点的 1000 开关量 I/O：30 µs = 0.03 ms
– 200 模拟量 I/O (16 bit) ：50 µs, 采样率 20 kHz
– 100 伺服轴 (每个 8 Byte IN+OUT) ： 100 µs = 0.1 ms
– 12000 数字量 I/O： 350 µs
• 40 轴 (每轴 20 Byte 输入和输出数据)
• 50 I/O 站，共计560个EtherCAT总线端子模块
• 2000 个数字量 + 200个模拟量, 总线长度500米
• EtherCAT: 循环时间 = 276 µs
• 总线负载44%, 报文长度 = 122 µs

EtherCAT应用层

协议层

EtherCAT应用层支持多种设备行规以实现邮箱通讯，包括CANopen、SERCOS、HTTP等，基于EtherCAT的应用层行规被称为xoE协议（xxx over EtherCAT）。设备开发中，从站设备无需支持所有行规，根据其应用选择最合适的一种即可。下面将以应用最为广泛的CoE协议举例描述。

CoE协议

CoE全称CAN application protocol over EtherCAT，是EtherCAT应用层协议实现的一种，其特点是根据CiA402协议编写，使用对象和对象字典的功能实现邮箱通讯。
CANopen协议已经有成熟且大规模的应用，使用CoE协议，相关设备只需要经过少量的更改即可应用于EtherCAT协议上，大部分CANopen的固件也可以得到重复利用。

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