CAN總線在安全監(jiān)控系統(tǒng)傳輸中的應(yīng)用

1 引言
隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及應(yīng)用，人們從過去主要是對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控功能的關(guān)注，轉(zhuǎn)移到對(duì)其數(shù)據(jù)傳輸功能的關(guān)注。人們?cè)絹碓街匾晹?shù)據(jù)的傳輸，人們希望通過互聯(lián)網(wǎng)能在世界的任何角落及時(shí)觀察到工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)。目前主要是基于Profibus總線的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，雖然這種常規(guī)的傳輸技術(shù)具有相對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但是它有如下一些缺點(diǎn)不很適于作井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸總線。第一，它是主從結(jié)構(gòu)，不能實(shí)現(xiàn)多主傳輸；第二，它的從節(jié)點(diǎn)都是固定地址，而且只能靜態(tài)設(shè)置；第三，它的節(jié)點(diǎn)的加入不能隨意動(dòng)態(tài)進(jìn)行；第四，它能夠連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)量末段最多32個(gè)，加中繼的情況下也最多只能有三段，對(duì)于一些大礦，應(yīng)用受到限制。相比之下，CAN總線技術(shù)具有的結(jié)構(gòu)靈活性，以及它的節(jié)點(diǎn)容量（理論上是無限制的）十分適用于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成特點(diǎn)和使用特點(diǎn)。所以我們選擇CAN總線作為煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸技術(shù)。
本文將對(duì)應(yīng)用發(fā)展比較成熟的先進(jìn)的CAN總線技術(shù)，進(jìn)行了深入的研究。在此基礎(chǔ)上提出一個(gè)基于CAN總線的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案，并在最后給出實(shí)現(xiàn)該方案的分站通信電路、分支中繼電路的設(shè)計(jì)。
2 CAN總線
CAN (Controller Area Network) 總線，又稱控制器局域網(wǎng)，CAN 已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN 總線規(guī)范已被ISO 國際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國際標(biāo)準(zhǔn)，CAN 協(xié)議也是建立在國際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互連參考模型基礎(chǔ)上的，主要工作在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。用戶可在其基礎(chǔ)上開發(fā)適合系統(tǒng)實(shí)際需要的應(yīng)用層通信協(xié)議，但由于CAN 總線極高的可靠性，從而使應(yīng)用層通信協(xié)議得以大大簡(jiǎn)化。
CAN總線采用總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（見圖1）。各節(jié)點(diǎn)可以像以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)那樣直接掛接在一條主干線上。CAN采用兩芯線纜，有極性連接。CAN總線網(wǎng)絡(luò)也可以通過一個(gè)三通節(jié)點(diǎn)構(gòu)成層次結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)樹型拓?fù)?。?duì)于采用電纜介質(zhì)的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，總線末端要設(shè)有匹配阻抗，防止反射產(chǎn)生駐波。

CAN協(xié)議分為二層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層決定了實(shí)際位傳送過程中的電氣特性，在同一網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)的物理層必須保持一致，但可以采用不同方式的物理層。CAN的數(shù)據(jù)鏈路層功能包括幀組織形式，總線仲裁和檢錯(cuò)、錯(cuò)誤報(bào)告及處理，確認(rèn)哪個(gè)信息要發(fā)送的，確認(rèn)接收到的信息及為應(yīng)用層提供了接口。

CAN總線與其他總線相比有如下特點(diǎn)：
（1）、它是一種多主總線，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)均可成為主機(jī)，且節(jié)點(diǎn)機(jī)之間也可進(jìn)行通信；
（2）、通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，通信速率可達(dá)1Mbps；
（3）、CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余校驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng)工作；
（4）、CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由11位或29位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義211或229個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接受到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分步式控制中非常重要；
（5）、數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令，工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求.同時(shí)，8個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線時(shí)間過長(zhǎng)，，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性；
（6）、CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。
基于CAN總線技術(shù)的遠(yuǎn)程分布式智能控制系統(tǒng)，可運(yùn)用在被監(jiān)控單元設(shè)備分散而且間距相對(duì)較遠(yuǎn)，如幾公里范圍內(nèi)的復(fù)雜系統(tǒng)監(jiān)控上。主機(jī)與多個(gè)智能終端組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可有效地滿足工業(yè)過程的自動(dòng)控制需要。