【嵌入式-＞ROS2】嵌入式通信总线知识过渡：CAN、Modbus、EtherCAT

各位小伙伴好，今天来介绍一下通信总线的知识。

通信总线（Bus）是连接多个设备或模块的公共传输通道，用于在系统内部或设备间传输数据、地址和控制信号。

在嵌入式的学习中，你肯定听说过IIC、SPI、UART这些通信方式，他们都有着各自的特点。但是对于大型的机器人或者工业机器人，CAN总线通信、Modbus、EtherCAT更为常用，今天我们大概了解这几种通信的方式。

在此之前我们需要做一些知识铺垫。

1.知识铺垫

串行和并行是按照每次传输的数据的方式进行区分。顾名思义，串行就是数据按位依次传输，并行就是多位数据同时并行线传输。

串行通信，就像豌豆射手，只能一个一个发送数据。

对于并行通信，就像超级机枪豌豆，一次可以发送好几位数据。

这就是两者之间的区别。

在串行通信之下，还有同步和异步之分，并行通信一次发送多组数据，没有同步异步的问题。

同步串行通信需要时钟线同步，发送端和接收端除了数据线，还需要时钟线进行同步，IIC就是代表，发送端和接收端在同一个时钟节拍下进行工作。同步通信发送数据后，等待接收端发回响应后再发下一个数据。

异步串行通信没有时钟线，只是在发送数据中包含起始和结束标志位，接收端根据标志位使用本地时钟进行采样，例如UART。异步通信不需要等待接收端的响应就可以发送下一个数据。异步通信没有统一的时钟节拍，按照各自的内部的时钟节拍进行通信。

三者代表的是传输方向的差异。

单工通信，数据只能从发送端到接收端，只能单向传输。

半双工通信，可以双向传输，但是发送和接收不能同时进行。状态只能是发送或是接收。

全双工通信，可以双向传输且可以同时发送和接收数据。

CAN总线通信，类似于串口通信是一种异步通信，有CANH和CANL这两根通信线，传输的是差分信号，差分信号的抗干扰能力强，传输距离远，在工业上使用的多。

CAN总线通信的协议有原始CAN和CANopen，一种是非标准的，一种是标准的。

CANopen 是基于 CAN 总线的一种高层通信协议和应用层标准。

它定义了标准的通信对象、设备描述文件（EDS/DCF）以及一系列用于实时数据交换、网络管理、同步和紧急事件处理的服务数据对象（SDO）和过程数据对象（PDO）。CANopen 将复杂的通信任务标准化，使得不同厂商的设备能够方便地集成到同一个网络中，广泛应用于工业自动化、医疗设备、交通运输等领域。

CANOpen包括多种通信方式:主从站方式、客户服务器方式以及生产者消费者模式。SDO使用客户服务器模式。其中PDO采用生产者消费者模式。

SDO 属于“服务器客户端”的通信模型，有指定被接收节点的地址（Node-ID），并且需要指定的接收节点回应 CAN 报文来确认已经接收，。

PDO 基于生产者/消费者的通讯模式，每个 PDO 有一个唯一的标识符且可以通过一个节点发送，但有多个节点可以接收。PDO 的接收不需要消费者的确认。

RS485 是半双工异步串行通信，同样使用采用差分信号传输，常使用Modbus RTU协议通信。

Modbus RTU是一种基于串行通信的协议。基于一个主/从模式，其中一个设备充当主设备（或称为Master），负责发起请求；其他设备作为从设备（或称为Slave），响应主设备的请求。

EtherCAT 是一种基于标准以太网的高性能、高实时性的工业现场总线协议。接口是标准以太网 RJ45 网线，和 Modbus 一样是单主多从；区别：Modbus 一问一答多帧轮询，EtherCAT一帧遍历全部从站。其主要特点包括：

基于以太网：使用标准的以太网物理层和数据链路层，兼容现有网络基础设施，同时通过独特的“飞读飞写”机制实现极高的实时性。
高实时性与确定性：数据帧在传输过程中，每个从站节点在数据帧经过时实时读取和写入属于自己的数据，无需存储转发，从而实现了极低的通信延迟和极高的数据刷新率，适用于对时序要求严格的运动控制等场景。
主从结构：网络由一个主站（Master）和多个从站（Slave）组成。主站负责发起和控制整个通信过程，从站则响应主站的命令并处理数据。
应用广泛：凭借其卓越的性能，EtherCAT 已成为工业自动化领域的核心通信标准之一，广泛应用于机器人、数控机床、包装机械、半导体设备等高端制造领域。