RS-485和CAN總線到底是什么

前言

RS-485和CAN都是串行通信協(xié)議。它們允許在單個系統(tǒng)中布置多點設(shè)備，大大縮短了電纜長度，差分設(shè)計適用于強(qiáng)干擾的環(huán)境，兩者都使用120 Ω電阻端接，并配有內(nèi)部過壓電路以進(jìn)行故障保護(hù)。RS-485和CAN有太多的共同點，但無疑是不一樣的。

RS-485更多的是應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，CAN被廣泛設(shè)計用于汽車行業(yè)。但現(xiàn)在，不僅汽車行業(yè)廣泛使用CAN，而且航空航天等其他行業(yè)也開始轉(zhuǎn)向CAN。

但是要了解使這些協(xié)議與眾不同的差異，我們必須知道它們到底是什么。

先簡要介紹一下RS-485。

RS-485：自20世紀(jì)80年代中期以來一直存在的串行通信協(xié)議。最初是為工業(yè)市場的應(yīng)用而定義的，或者更好的說，它是為工業(yè)應(yīng)用而開發(fā)的。

RS-485由電信行業(yè)協(xié)會和電子工業(yè)聯(lián)盟聯(lián)合發(fā)布，因此它也被稱為TIA / EIA-485。但更能被業(yè)界接受的名字是RS-485，它的應(yīng)用在：

運(yùn)動控制設(shè)備

旋轉(zhuǎn)編碼器接口

計算機(jī)自動化系統(tǒng)(鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)等)

工業(yè)控制系統(tǒng)

劇院應(yīng)用

PLC

雖然RS-485被應(yīng)用到多種場合，但越來越多的行業(yè)似乎轉(zhuǎn)向CAN用于其工業(yè)機(jī)械。

為什么要“切換”到CAN總線?

RS-485未能成為通信協(xié)議。它只是被證明是一個電氣接口。它確實提供了多點通信功能，但僅適用于至少具有UART的設(shè)備。

01一主多從系統(tǒng)

從技術(shù)上講，它是一個半雙工系統(tǒng)，一次只能有一個設(shè)備可以傳輸，其他設(shè)備必須監(jiān)聽。因此，它只能為多個節(jié)點串行地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換提供基本的物理鏈路。即：一主多從。

與CAN不同，CAN總線的設(shè)備，每個節(jié)點都可以充當(dāng)主節(jié)點，并確切地知道如何以及何時發(fā)送信號。RS-485遵循典型的主從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)通信處于活動狀態(tài)時，所有從站/節(jié)點都接收主站單元發(fā)送的數(shù)據(jù)。如果一個“從機(jī)”必須回答“主機(jī)”的信息，它就必須切換為“主機(jī)”，這樣才能發(fā)送它的信息。這種連接的一個特殊功能是，連接到線路的所有設(shè)備都會接收傳遞的所有內(nèi)容。當(dāng)設(shè)備必須發(fā)送時，它通過RTS信號(傳輸請求)激活其傳輸線。傳輸數(shù)據(jù)的元素也接收傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。當(dāng)RS-485總線出現(xiàn)多個設(shè)備同時發(fā)送消息時，會導(dǎo)致過載或可能信號碰撞，進(jìn)而使整個消息無效或?qū)е聰?shù)據(jù)錯誤。

02容錯機(jī)制

對于RS-485，這還不是它唯一的缺點。在定義方面，沒有明確規(guī)定以下的內(nèi)容：

尋址節(jié)點的過程

避免數(shù)據(jù)沖突的方法

框架結(jié)構(gòu)

溝通程序

錯誤檢測等，

3個理由了解為什么CAN總線更好

CAN總線的顯著優(yōu)勢在于它高度靈活并提供許多獨特的功能，從而導(dǎo)致其他行業(yè)的采用率大幅增加。CAN總線是一種雙線、多點的串行通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。就像RS-485一樣，通過CAN的信號以CAN-H和CAN-L作為差分電壓流動。差分信號的傳輸類似于RS-485，但事實差異很大。CAN總線的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下三個方面：

01消息傳輸

CAN指定了總線上的完整數(shù)據(jù)包，而不僅僅是物理層。CAN硬件自動處理數(shù)據(jù)包的開始/結(jié)束檢測、沖突檢測、回退、重試、校驗和生成、驗證，以及與處理硬件故障相關(guān)的更多功能。用戶只需要傳輸消息標(biāo)識符和有效負(fù)載，CAN硬件負(fù)責(zé)添加數(shù)據(jù)包的其他部分。使用RS-485時，其實RS-485底層未進(jìn)行任何定義：如數(shù)據(jù)來自何處、誰可以發(fā)送它、正在發(fā)送哪些數(shù)據(jù)、接收的數(shù)據(jù)是否損壞等。(除非在軟件中指定，否則什么都不知道)。

02仲裁

RS-485的主要問題是信號擁塞。這通常是由于多個節(jié)點試圖在總線上同時發(fā)送數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致過載。CAN遵循仲裁，其中消息按狀態(tài)順序排列和接收。失去仲裁的節(jié)點將重新發(fā)送其消息。對于所有節(jié)點，這種情況將繼續(xù)進(jìn)行，直到只剩下一個節(jié)點正在傳輸。由于消息式仲裁，CAN無需采取額外的預(yù)防措施即可實現(xiàn)多主機(jī)操作。對于RS-485，這只能通過特定協(xié)議來實現(xiàn)。

03協(xié)同和錯誤檢測及糾正

當(dāng)CAN總線的一個節(jié)點將隱性狀態(tài)“寫入”總線并看到它實際上處于主導(dǎo)狀態(tài)時，它知道另一個節(jié)點正在驅(qū)動它。嘗試寫入隱性狀態(tài)的節(jié)點將后退并等待消息的結(jié)束。寫入主導(dǎo)狀態(tài)的節(jié)點永遠(yuǎn)不會知道發(fā)生了這種情況。它的消息通常由所有其他節(jié)點發(fā)送和接收。這種沖突檢測功能允許在沒有任何中央仲裁的情況下實現(xiàn)對等網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。節(jié)點發(fā)送消息，但在檢測到?jīng)_突時后退，然后在當(dāng)前數(shù)據(jù)包完成后重試。最終，總線可用時發(fā)送這些其他消息，并且發(fā)送先前碰撞的消息時不會發(fā)生沖突，包括 16 位 CRC 校驗和。RS-485不能觸發(fā)任何消息沖突，系統(tǒng)的應(yīng)用軟件必須保證避免碰撞。

綜述

雖然RS-485端口仍然被應(yīng)用到到許多新開發(fā)的設(shè)備中中，但CAN功能的如仲裁、錯誤消息檢查、改進(jìn)的帶寬和更大的數(shù)據(jù)場，加速了對CAN總線的需求。

審核編輯：湯梓紅