CAN總線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

　　現(xiàn)場總線的工業(yè)過程智能自動化儀表和現(xiàn)代總線的開放自動化系統(tǒng)構(gòu)成了新一代全開放自動化控制糸統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。

　　目前國際上公認(rèn)的現(xiàn)場總線有10多種,各有其特點(diǎn),并在一定范圍內(nèi)得剄應(yīng)用。 其CAN總線網(wǎng)絡(luò)是炙手可熱的技術(shù),目前它正在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療設(shè)備、軌道交通信號、樓宇控制及其它眾多系統(tǒng)中得到應(yīng)用。而本文要對CAN總線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用例舉及其拓寬的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)作其說明。

　　CAN總線網(wǎng)絡(luò)

　　CAN采用多主工作方式，節(jié)點(diǎn)之間不分主從，但節(jié)點(diǎn)之間有優(yōu)先級之分，通信方式靈活，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及廣播方式傳輸數(shù)據(jù)，無需調(diào)度。也就是說,它可向系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行報文發(fā)送廣播，即CAN系統(tǒng)中的每個節(jié)點(diǎn)均同時接收到同樣的數(shù)據(jù)。缺省情況下,CAN是基于報文而非地址的。系統(tǒng)采用分布式控制實(shí)現(xiàn)方法集成了多節(jié)點(diǎn)(見圖1a所示分布式網(wǎng)絡(luò))。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的好處之一是,節(jié)點(diǎn)的增加和去除非常簡單,對軟件的影響也很小。CAN網(wǎng)絡(luò)要求每個節(jié)點(diǎn)均具備智能,但智能化水平可根據(jù)節(jié)點(diǎn)所承載的任務(wù)進(jìn)行調(diào)整。因此CAN系統(tǒng)中使用的單片機(jī)通常較簡單并且引腳數(shù)也較少。圖1a進(jìn)一步顯示了CAN網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)，從系統(tǒng)中增加或刪除節(jié)點(diǎn)只需改變少量的固件。由于使用的導(dǎo)線較少并且采用分散式智能，而且CAN網(wǎng)絡(luò)還具有較高的可靠性。這是與需用星形配置實(shí)現(xiàn)集中控制(見圖1b所示集中式網(wǎng)絡(luò))的以太網(wǎng)區(qū)別所在。

　　進(jìn)一步顯示了,在多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)中,集中式網(wǎng)絡(luò)通常用于以太網(wǎng)系統(tǒng),如果在系統(tǒng)中增加節(jié)點(diǎn),則要求對系統(tǒng)MCU(多芯片單元)作很大的變動;而CAN網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò),從系統(tǒng)中增加或刪除節(jié)點(diǎn)只需改變少量的固件。

　　CAN采用的是非破壞性總線仲裁技術(shù)。按優(yōu)先級發(fā)送，可以大大節(jié)省總線沖突仲裁時間。而CAN總線上的通信結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)如下述：

　　·CAN采用短幀結(jié)構(gòu)傳輸，每幀有效字段為6-8個，傳輸時間短，受干擾的概率低。而且每幀信息都有CRC校驗(yàn)和其他檢錯措施，保證數(shù)據(jù)出錯率極低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯誤時，具有自動關(guān)閉功能，使總線上其他節(jié)點(diǎn)不受影響?？梢?，CAN是所有總線中最為可靠的。

　　·CAN總線上的通信是通過報文幀來實(shí)現(xiàn)的。幀有三種類型,即數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀和錯誤幀。每一個幀內(nèi)部都具備一些字段,對發(fā)送的幀類型做出定義并提供相關(guān)信息。比如,數(shù)據(jù)幀由6個字段組成,分別是：仲裁字段、控制字段、數(shù)據(jù)宇段、CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn))宇段、確認(rèn)字段以及幀結(jié)束。在幀發(fā)送期間,仲裁字段被網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)用來識別和／或解決沖突。仲裁字段還用來識別報文的類型及其發(fā)送目的地。控制字段定義了數(shù)據(jù)幀的長度。數(shù)據(jù)幀包含數(shù)據(jù),其字節(jié)數(shù)在控制宇段中作了規(guī)定。CRC字段用來檢測數(shù)據(jù)錯誤。最后,每次發(fā)送均需取得CAN網(wǎng)絡(luò)上所有接收節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)幀。

　　CAN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用舉例

　　基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)的光電經(jīng)緯儀通信方案

　　經(jīng)緯儀利用激光、紅外、電視、雷達(dá)等探測器獲得運(yùn)動目標(biāo)在其視場內(nèi)與視場中心的變化偏差，再通過伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行校正跟蹤，使儀器瞄準(zhǔn)該目標(biāo)并引導(dǎo)其他跟蹤設(shè)備或根據(jù)激光測距和儀器本身位置數(shù)據(jù)計算出運(yùn)動目標(biāo)的精確軌跡。

　　經(jīng)緯儀系統(tǒng)風(fēng)險是主控制機(jī)要負(fù)擔(dān)大量的數(shù)據(jù)計算和交換任務(wù)，控制功能不能分散，導(dǎo)致任務(wù)風(fēng)險集中于主控制機(jī),一旦主機(jī)出現(xiàn)問題將導(dǎo)致整個系統(tǒng)設(shè)備癱瘓。那種傳統(tǒng)點(diǎn)對點(diǎn)的連接方式不僅使接口結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且大量的電纜也增加了設(shè)備內(nèi)部的電磁輻射和干擾，設(shè)備的體積龐大，布線的難度高。

　　基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)的光電經(jīng)緯儀結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　其結(jié)構(gòu)特征：使用單一的串行總線結(jié)構(gòu)代替了多種通信方式的并行結(jié)構(gòu)。主控制機(jī)所需信息可以從CAN總線上取得圖像處理、位置元。其它數(shù)據(jù)采集等分系統(tǒng)通過CAN總線與主控制機(jī)交換數(shù)據(jù)的同時還可以從總線上直接獲取其他分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，這不僅提高了總線利用率、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性還減輕了主控制機(jī)的壓力、提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。所有的分系統(tǒng)都可以通過一對雙絞線串接在一起，節(jié)省了空間、簡化了布線。由于CAN總線本身所具有的突出特性，設(shè)備的抗干擾性、可靠性、實(shí)時性等幾項(xiàng)指標(biāo)均能得到提高。

　　CAN總線網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療機(jī)械上的應(yīng)用-病理分布式監(jiān)控系統(tǒng)(或病理遠(yuǎn)程式監(jiān)控系統(tǒng))

　　病理分布式(或遠(yuǎn)程式)監(jiān)控系統(tǒng)分別由中央控制式的中央監(jiān)控單元和現(xiàn)埸采集單元(或遠(yuǎn)程采集單元)組成(圖3)。 現(xiàn)埸采集單元對醫(yī)院各室診斷測量儀器(或設(shè)備)進(jìn)行數(shù)據(jù)、圖像的實(shí)時采集,同時完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計、存貯; 中央監(jiān)控單元可以定期或不定期地從現(xiàn)埸采集單元獲取數(shù)據(jù)并完成圖像監(jiān)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、報表、打印及數(shù)據(jù)庫管理。中央監(jiān)控單元和現(xiàn)埸采集單元之間通過CAN總線連接在一起,在這個網(wǎng)絡(luò)中, 中央監(jiān)控單元處于主控位置,而現(xiàn)埸采集單元可以隨時響應(yīng)中央監(jiān)控單元的命令。其現(xiàn)埸采集單元由單片機(jī)8C552及采集、存儲、顯示、遙控和通信模塊組成,每個現(xiàn)埸采集單元可與10個測量儀器(或設(shè)備)相接。

　　該病理分布式監(jiān)控系統(tǒng)可拓寬為病理遠(yuǎn)程式監(jiān)控系統(tǒng)，可以監(jiān)控一個都市內(nèi)的各大醫(yī) 院或幾個城市的中心醫(yī)院。

　　拓寬CAN應(yīng)用的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)

　　基于CAN總線結(jié)構(gòu)性能與應(yīng)用,可以拓寬出應(yīng)用CAN的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)所具的優(yōu)越性,即大大提高了準(zhǔn)確性與可靠性。

　　由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的精確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強(qiáng)，減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。此外，由于它的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，功能模塊化，因而還具有設(shè)計簡單，易于重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。

　　為此, 通過圖4所示可以對該類應(yīng)用CAN的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)與集散控制系統(tǒng)(DCS)作出比較，進(jìn)而說明FCS的優(yōu)點(diǎn)。在圖4中，可看出其FCS打破了DCS的結(jié)構(gòu)形式,這是因?yàn)椋旱谝?，F(xiàn)CS采用了智能設(shè)備，把原先DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、輸入／輸出模塊置于現(xiàn)場設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制;第二,采用數(shù)字信號代替模擬信號，可以實(shí)現(xiàn)一對電線上傳輸多個信號，同時可以為多個設(shè)備供電，這樣為簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)約硬件設(shè)備、節(jié)約連接電纜與各種安裝、維護(hù)費(fèi)用創(chuàng)造了條件。

　　結(jié)語

　　CAN總線的性能經(jīng)過時間的考驗(yàn),確保了在需要安全保障的應(yīng)用環(huán)境中能進(jìn)行可預(yù)測而無錯誤的通訊。它能通過仲裁劃分報文的優(yōu)先級,其硬件和數(shù)據(jù)鏈接層的配置靈活，設(shè)計時可對許多發(fā)送細(xì)節(jié)進(jìn)行更改,而更改后整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一致性仍然能夠得到保證。當(dāng)然CAN不足之處是不能用于防爆區(qū)。