开关量属于数字信号的一种，是电器最基本、最典型的功能。开关量，指控制继电器的接通或者断开所对应的值，即“1”和“0”。现代工业制造业和生活中需要大量处理开关量信号，比如智能监控、智能控温、振动监测、电机开关、自动报警等。与之相对的是模拟量，模拟量输出的是有源信号而开关量输出的是无源信号。

CAN是控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）的简称, 在汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN 通信协议。此后，CAN 通过ISO11898及ISO11519 进行了标准化，在欧洲已是汽车网络的标准协议。

尽管 CAN 协议已经有15年的历史，但它仍处在改进之中。从2000年开始，一个由数家公司组成的ISO任务组织定义了一种时间触发CAN报文传输的协议。Bernd Mueller博士、Thomas Fuehrer、Bosch公司人员和半导体工业专家、学术研究专家将此协议定义为“时间触发通讯的CAN（TTCAN）”，计划在将来标准化为ISO11898-4。这个CAN的扩展已在硅片上实现，不仅可实现闭环控制下支持报文的时间触发传输，而且可以实现CAN的x-by-wire应用。因为CAN协议并未改变，所以，在同一个的物理层上，既可以实现传输时间触发的报文，也可以实现传输事件触发的报文。TTCAN将为CAN延长5-10年的生命期。现在，CAN在全球市场上仍然处于起始点，当得到重视时，谁也无法预料CAN总线系统在下一个10－15年内的发展趋势。这里需要强调一个现实：近几年内，美国和远东的汽车厂商将会在他们所生产汽车的串行部件上使用CAN。另外，大量潜在的新应用（例如：娱乐）正在呈现——不仅可用于客车，也可用于家庭消费。同时，结合高层协议应用的特殊保安系统对CAN的需求也正在稳健增长。德国专业委员会BIA和德国安全标准权威TUuml;V已经对一些基于CAN的保安系统进行了认证。CANopen-Safety是第一个获得BIA许可的CAN解决方案，DeviceNet-Safety也会马上跟进。全球分级协会的领导者之一，Germanischer Lloyd正在准备提议将CANopen固件应用于海事运输。在其他事务中，规范定义可以通过自动切换将CANopen网络转换为冗余总线系统。

CAN的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。但是国内的CAN总线技术仍然主要依赖国外，所以在这方面CAN总线有良好的研究前景。

2. 研究的基本内容与方案

本课题的基本内容：通过对一个数控系统CAN总线的通信数据的分析，制作一款数控主机的扩展模块，使之具备8个开关量输入和 8个开关量输出。主要内容是CAN总线结构的技术分析和8个开关量输入 8个开关量输出。然后根据设计目的选择电器元件和设计平台，并完成CAN总线软件程序的编写。最后在单片机基础上实现对CAN总线功能的仿真并完成实物设计。

本课题的目标：设计完成的数控主机扩展模块具有8个开关量输入和8个开关量输出，完成硬件电路和软件设计并对整个系统进行仿真调试。

本课题的基本技术方案：使用继电器完成开关量信号的输入单片机，再转化为和单片机匹配的电压信号，然后经过CAN总线后可以输由单片机处理器输出八路开关量信号。然后运用脉冲宽度调剂控制电机，将现场开关量信号传递来的数据通过CAN节点传送到CAN总线上，然后传输到CAN总线通信接口输出开关量。所以整体的设计模块有两部分，一部分是开关量输入模块，通过继电器驱动，输入到单片机，并完成保护电路。另一部分是CAN总线节点模块，选择合适的CAN总线控制器，然后配置配套的CAN总线收发器。系统结构框图如图一所示。

图1 系统结构框图

[1]张洋，刘军. 原子教你玩STM32(库函数版)[M].北京：北京航空航天大学出版社,2013.