摘 要：本文介紹了CAN總線的主要性能及特點，并結(jié)合自行開發(fā)設計的現(xiàn)場總線智能模塊和通信控制器提出了CAN總線在實際工業(yè)應用中的總體結(jié)構(gòu)，同時給出了CAN總線協(xié)議轉(zhuǎn)換器的硬件設計方法和通信協(xié)議。

0 引言
    現(xiàn)場總線是連接智能設備和自動化控制設備的雙向串行、數(shù)字化、多節(jié)點通信網(wǎng)絡，它也稱為現(xiàn)場底層設備控制網(wǎng)絡(Infranet)。現(xiàn)場總線技術(shù)因其集多種優(yōu)勢于一體的優(yōu)點很快獲得控制界的認同，引起了世界性的控制技術(shù)變革浪潮?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System)，它在現(xiàn)場級采用現(xiàn)場總線技術(shù)，從而可將各種工業(yè)現(xiàn)場設備通過總線與控制系統(tǒng)連接起來，實現(xiàn)雙向、多節(jié)點的數(shù)字通信。與傳統(tǒng)的過程控制系統(tǒng)相比，它具有如下優(yōu)點：

1. 多點通信結(jié)構(gòu)：現(xiàn)場設備采用一對傳輸線連接起來；結(jié)構(gòu)簡單，擴展、維護方便。
2. 可靠性高：由于數(shù)字信號在傳輸、處理過程中與模擬信號相比，具有抗干擾能力強，精度高等特點。
3. 網(wǎng)絡開放性：現(xiàn)場總線是開放互連網(wǎng)絡，用戶可將其與其它網(wǎng)絡互連，以實現(xiàn)信息共享。
4. 互換性和互操作性：用戶可根據(jù)具體應用情況，靈活選用不同廠家的設備，統(tǒng)一組態(tài)。

    應用于工業(yè)過程控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線技術(shù)主要有：基金會現(xiàn)場總線FF(Foundation Fieldbus)、控制器局域網(wǎng)CAN(Controller Area Network)、局部操作網(wǎng)絡LON Works、過程現(xiàn)場總線PROFIBUS和HART協(xié)議等。下面就CAN現(xiàn)場總線網(wǎng)絡在工業(yè)過程中的實際應用情況給出CAN總線通信控制器設計方法。

1 CAN總線的特點：

1 CAN總線的特點：
    CAN總線是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網(wǎng)絡，早期為汽車的控制系統(tǒng)而設計，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。由于其卓越的信號傳輸性能及極高的可靠性， 目前在很多行業(yè)已得到廣泛的應用。它也是基于OSI模型，但進行了優(yōu)化，采用了其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，提高了實時性。由于其采用了許多新技術(shù)及獨特的設計，與其它現(xiàn)場總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其特點可概括如下：

•  多主方式工作，通信方式靈活。利用這一特點可方便地構(gòu)多機備份系統(tǒng)。
•  介質(zhì)訪問控制子層采用非破壞總線仲裁技術(shù)，從而避免了網(wǎng)絡癱瘓情況。
•  通信距離最遠可達10km(速率5kbps以下)，通信速率最高可達1Mbps。
•  采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯效果。
•  每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低。
•  節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。

2 CAN總線的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)
 
圖1 CAN總線的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖
    CAN總線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中現(xiàn)場設備網(wǎng)(Device Network)采用CAN，位于現(xiàn)場的智能模塊(節(jié)點)和智能儀表等以及位于控制室的顯示操作單元、聲光報警單元、智能儀表等通過總線連接，完成數(shù)據(jù)采集和實時數(shù)據(jù)處理、調(diào)節(jié)、控制等任務?，F(xiàn)場智能模塊接收來自傳感器的被控參數(shù)信號，完成實時參數(shù)的變送、控制、執(zhí)行功能。隔離型通信控制器完成CAN、數(shù)據(jù)操作站SCADA及RS485接口設備間的協(xié)議互轉(zhuǎn)換，在SCADA上實現(xiàn)集中顯示、管理，控制室內(nèi)儀表與現(xiàn)場智能模塊(儀表)通過總線實現(xiàn)資源共享，實現(xiàn)控制徹底分散、管理集中的分布式控制系統(tǒng)。同時可方便地與工業(yè)以太網(wǎng)(Ethernet)連接，提高工廠的信息化管理水平。

3 現(xiàn)場總線通信控制器設計
3.1功能描述
    現(xiàn)場總線通信控制器包括RS232、RS485、CAN三個通信接口，實現(xiàn)功能如下：

• RS232與CAN的通信協(xié)議適配
  帶有RS232接口的數(shù)據(jù)操作站可以通過RS232接口接入，實現(xiàn)與CAN智能模塊的信息通訊，完成操作命令的下發(fā)及智能模塊實時數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)的采集。
• RS232與擴展RS485的通信協(xié)議適配
  帶RS232接口的數(shù)據(jù)采集站通過RS232接口接入，實現(xiàn)與帶RS485接口的下位控制儀器、儀表等設備的連接，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的接收和命令的發(fā)送。
• CAN與擴展RS485的通信協(xié)議適配
  連接到CAN上的智能模塊、儀表通過通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換器與RS485接口的控制儀器、儀表等設備交換信息，實現(xiàn)信息共享。

3.2現(xiàn)場總線通信控制器硬件設計
    在設計中我們采用北京亞控公司的組態(tài)王作為操作站操作軟件，通信協(xié)議選用通用Modbus RTU串行通訊協(xié)議。該協(xié)議轉(zhuǎn)換器的主要功能是完成將操作站基于Modbus RTU串行通訊協(xié)議的命令及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CAN2.0協(xié)議所要求的通信格式傳送給智能模塊、儀表；同時將實時信息及狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換為Modbus RTU串行通訊協(xié)議格式提供給SCADA。其硬件設計電路圖如圖
 
圖2 現(xiàn)場總線通信控制器(通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器)硬件設計
    從圖中可以看出，該通信控制器的硬件電路包含了與數(shù)據(jù)操作站連接的RS232接口電路和CAN接口電路，均采用ATMEL公司的AT89C51單片機作為中央處理單元，在軟件的支持下實現(xiàn)命令、數(shù)據(jù)的收發(fā)。電路中采用了IMP813L作為單片機上電復位及看門狗監(jiān)控電路，該電路與軟件陷阱、熱啟動判別等軟件技術(shù)配合使用確?？偩€協(xié)議轉(zhuǎn)換器安全、可靠地工作。雙口RAM存儲單元IDT7132將兩個互為獨立的通訊接口電路連接起來，用于存放網(wǎng)絡配置和智能模塊、儀表信息，同時作為通信接收和發(fā)送緩沖區(qū)實現(xiàn)兩個單片機實時數(shù)據(jù)和命令傳遞。CAN總線通信接口電路采用PHILIPS公司的SJA1000 CAN總線控制器和PCA82C250 CAN總線驅(qū)動器。SJA1000具有基本模式和增強型CAN模式，支持11位ID或29位ID，自動檢錯和糾錯能力高，多主仲裁結(jié)構(gòu)，支持主從、點對點及廣播通信方式。PCA82C250為CAN總線收發(fā)器具有
總線保護能力和驅(qū)動能力強的特點。在電路中CAN總線收發(fā)部分與主控電路部分通過6N137進行光電隔離。RS232接口芯片采用Maxim公司的MAX232。
    該通信控制器電源的輸人為24VDC工業(yè)標準供電電源，采用DC／DC模塊電源提供兩路輸出相互隔離的5VDC電源，一路給主控電路提供電源，另一路供CAN總線驅(qū)動部分、以及擴展RS485總線驅(qū)動部分電路。

.3擴展RS485接口
    EIA RS485是工業(yè)界廣泛使用的雙向、平衡傳輸標準，它支持多點通信。在設計CAN總線系統(tǒng)時，為了兼容工廠原有RS485接口的工控儀表，設計了一個RS485擴展接口，它通過圖2中右側(cè)MCU 的異步串行口RXD、TXD 經(jīng)6N137光電隔離后與RS485總線驅(qū)動器MAX1487連接，其接收發(fā)送控制端由P1.2(RP12)經(jīng)4N35光電隔離完成接收與發(fā)送選擇。由該部分的電路圖如圖3所示。
 

4 通信協(xié)議
4.1 CAN的數(shù)據(jù)(信息)幀結(jié)構(gòu)
    報文中的位流采用NRZ(Non-Return to Zero)編碼，這意味著一個完整的位的位電平要么是顯性要么是隱性。CAN2.0A標準據(jù)幀結(jié)構(gòu)如下所示：

4.2隔離型總線通信控制器與操作站的通信協(xié)議
    采用北京亞控公司的組態(tài)王啡為操作站組態(tài)和運行軟件，選用Modbus RTU串行通信協(xié)議做為通信控制器與操作站之間的通信協(xié)議，信息幀結(jié)構(gòu)如下所示：

3.5T

地址

功能代碼

數(shù)據(jù)數(shù)量

數(shù)據(jù)1

……

數(shù)據(jù)N

CRC高字節(jié)

CRC低字節(jié)

3.5T

使用RTU模式，通信數(shù)據(jù)之間發(fā)送至少有3.5個字符時間間隔(3.5T)，整個消息幀必須連續(xù)傳輸。如果在幀完成之前有超過3.5T停頓時間，接收設備將刷新不完整的消息。地址范圍為00H-0F7H，在CAN中通信控制器的地址默認為00H，所以在CAN中智能模塊(儀表)等節(jié)點地址及RS485地址為01H～0F7H。

4.2.1 操作站讀CAN的智能模塊(儀表)節(jié)點定義，如讀4號現(xiàn)場采集模塊的四路采集數(shù)據(jù)：
操作站信息幀：
 
CAN總線控制器SJA1000發(fā)送緩沖區(qū)（存儲地址為10H～1AH)
 
4號現(xiàn)場智能模塊應答(例四路采集數(shù)據(jù)均為3E8H)CAN總線控制器SJA1000接收緩沖區(qū)：
 
轉(zhuǎn)化為回復操作站信息幀：
 
4.2.2 操作站向CAN的智能模塊(儀表)節(jié)點寫一個數(shù)據(jù)，如寫5號地址現(xiàn)場智能模塊PID給定值#3E8H)：
操作站信息幀(現(xiàn)場智能模塊調(diào)節(jié)給定值參數(shù)寄存器0010H)：
 
CAN總線控制器SJA1000發(fā)送緩沖區(qū)：
 
4號現(xiàn)場智能模塊應答(例四路采集數(shù)據(jù)均為3E8H)CAN總線控制器SJA1000接收緩沖區(qū)：
 
轉(zhuǎn)化為回復操作站信息幀
 
通信控制器CAN總線控制器SJA1000驗收碼設定為#00H，驗收屏蔽碼設定為#0FFH，表示可接收任何地址的信息幀。在現(xiàn)場智能模塊中驗收碼設定對應其地址碼，驗收屏蔽碼設定為#00H，表示只能接收地址為該地址碼的信息幀。擴展RS485接口通信協(xié)議在應用時以上潤儀表廠的通信協(xié)議進行的設計，在設計中RS485接口儀表地址范圍為0C8H～0FTH，CAN智能模塊地址范圍為01～0C7H。

參考文獻
[1]PHILIPS SJA1000 Data Handbook[M]．PHILIPS Semiconductors Corpoation，1999．
[2]PHILIPS PCA82C250 Data Handbook[M]．PHILIPS Semiconductors Corporation，1999．
[3]IDT 71 32SA／LA High-Speed Dual-Port Static SRAM Datasheet[M]，The IDT Product&Company Information CD，1999．
[4]干樹川．基于CAN的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡實現(xiàn)．工業(yè)自動化應用實踐[C]．北京：電子工業(yè)出版社，2002．
[5]陽憲惠．現(xiàn)場總線技術(shù)及其應用[M]．北京：清華大學出版社，1999．
[6]組態(tài)王6.02用戶手冊[M]．北京：北京亞控公司，1999．