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

0 引言
    現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能設(shè)備和自動(dòng)化控制設(shè)備的雙向串行、數(shù)字化、多節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)，它也稱為現(xiàn)場(chǎng)底層設(shè)備控制網(wǎng)絡(luò)(Infranet)?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)因其集多種優(yōu)勢(shì)于一體的優(yōu)點(diǎn)很快獲得控制界的認(rèn)同，引起了世界性的控制技術(shù)變革浪潮?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System)，它在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，從而可將各種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過總線與控制系統(tǒng)連接起來，實(shí)現(xiàn)雙向、多節(jié)點(diǎn)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(diǎn)：

1. 多點(diǎn)通信結(jié)構(gòu)：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采用一對(duì)傳輸線連接起來；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，擴(kuò)展、維護(hù)方便。
2. 可靠性高：由于數(shù)字信號(hào)在傳輸、處理過程中與模擬信號(hào)相比，具有抗干擾能力強(qiáng)，精度高等特點(diǎn)。
3. 網(wǎng)絡(luò)開放性：現(xiàn)場(chǎng)總線是開放互連網(wǎng)絡(luò)，用戶可將其與其它網(wǎng)絡(luò)互連，以實(shí)現(xiàn)信息共享。
4. 互換性和互操作性：用戶可根據(jù)具體應(yīng)用情況，靈活選用不同廠家的設(shè)備，統(tǒng)一組態(tài)。

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

1 CAN總線的特點(diǎn)：

1 CAN總線的特點(diǎn)：
    CAN總線是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，早期為汽車的控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，用于汽車內(nèi)部測(cè)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(hào)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(yīng)用。它也是基于OSI模型，但進(jìn)行了優(yōu)化，采用了其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，提高了實(shí)時(shí)性。由于其采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與其它現(xiàn)場(chǎng)總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。其特點(diǎn)可概括如下：

•  多主方式工作，通信方式靈活。利用這一特點(diǎn)可方便地構(gòu)多機(jī)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(luò)癱瘓情況。
•  通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km(速率5kbps以下)，通信速率最高可達(dá)1Mbps。
•  采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯(cuò)效果。
•  每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。
•  節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。

2 CAN總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
 
圖1 CAN總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
    CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)(Device Network)采用CAN，位于現(xiàn)場(chǎng)的智能模塊(節(jié)點(diǎn))和智能儀表等以及位于控制室的顯示操作單元、聲光報(bào)警單元、智能儀表等通過總線連接，完成數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、調(diào)節(jié)、控制等任務(wù)?，F(xiàn)場(chǎng)智能模塊接收來自傳感器的被控參數(shù)信號(hào)，完成實(shí)時(shí)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(shè)備間的協(xié)議互轉(zhuǎn)換，在SCADA上實(shí)現(xiàn)集中顯示、管理，控制室內(nèi)儀表與現(xiàn)場(chǎng)智能模塊(儀表)通過總線實(shí)現(xiàn)資源共享，實(shí)現(xiàn)控制徹底分散、管理集中的分布式控制系統(tǒng)。同時(shí)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(chǎng)總線通信控制器設(shè)計(jì)
3.1功能描述
    現(xiàn)場(chǎng)總線通信控制器包括RS232、RS485、CAN三個(gè)通信接口，實(shí)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(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)的采集。
• RS232與擴(kuò)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(shí)現(xiàn)與帶RS485接口的下位控制儀器、儀表等設(shè)備的連接，完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的接收和命令的發(fā)送。
• CAN與擴(kuò)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(shè)備交換信息，實(shí)現(xiàn)信息共享。

3.2現(xiàn)場(chǎng)總線通信控制器硬件設(shè)計(jì)
    在設(shè)計(jì)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(shí)將實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)電路圖如圖
 
圖2 現(xiàn)場(chǎng)總線通信控制器(通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器)硬件設(shè)計(jì)
    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(jī)作為中央處理單元，在軟件的支持下實(shí)現(xiàn)命令、數(shù)據(jù)的收發(fā)。電路中采用了IMP813L作為單片機(jī)上電復(fù)位及看門狗監(jiān)控電路，該電路與軟件陷阱、熱啟動(dòng)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(chǔ)單元IDT7132將兩個(gè)互為獨(dú)立的通訊接口電路連接起來，用于存放網(wǎng)絡(luò)配置和智能模塊、儀表信息，同時(shí)作為通信接收和發(fā)送緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)單片機(jī)實(shí)時(shí)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(dòng)器。SJA1000具有基本模式和增強(qiáng)型CAN模式，支持11位ID或29位ID，自動(dòng)檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力高，多主仲裁結(jié)構(gòu)，支持主從、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及廣播通信方式。PCA82C250為CAN總線收發(fā)器具有
總線保護(hù)能力和驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。在電路中CAN總線收發(fā)部分與主控電路部分通過6N137進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(dòng)部分、以及擴(kuò)展RS485總線驅(qū)動(dòng)部分電路。

.3擴(kuò)展RS485接口
    EIA RS485是工業(yè)界廣泛使用的雙向、平衡傳輸標(biāo)準(zhǔn)，它支持多點(diǎn)通信。在設(shè)計(jì)CAN總線系統(tǒng)時(shí)，為了兼容工廠原有RS485接口的工控儀表，設(shè)計(jì)了一個(gè)RS485擴(kuò)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(dòng)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(bào)文中的位流采用NRZ(Non-Return to Zero)編碼，這意味著一個(gè)完整的位的位電平要么是顯性要么是隱性。CAN2.0A標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)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(gè)字符時(shí)間間隔(3.5T)，整個(gè)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(shí)間，接收設(shè)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(rèn)為00H，所以在CAN中智能模塊(儀表)等節(jié)點(diǎn)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(diǎn)定義，如讀4號(hào)現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)地址為10H～1AH)
 
4號(hào)現(xiàn)場(chǎng)智能模塊應(yīng)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(fù)操作站信息幀：
 
4.2.2 操作站向CAN的智能模塊(儀表)節(jié)點(diǎn)寫一個(gè)數(shù)據(jù)，如寫5號(hào)地址現(xiàn)場(chǎng)智能模塊PID給定值#3E8H)：
操作站信息幀(現(xiàn)場(chǎng)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(hào)現(xiàn)場(chǎng)智能模塊應(yīng)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(fù)操作站信息幀
 
通信控制器CAN總線控制器SJA1000驗(yàn)收碼設(shè)定為#00H，驗(yàn)收屏蔽碼設(shè)定為#0FFH，表示可接收任何地址的信息幀。在現(xiàn)場(chǎng)智能模塊中驗(yàn)收碼設(shè)定對(duì)應(yīng)其地址碼，驗(yàn)收屏蔽碼設(shè)定為#00H，表示只能接收地址為該地址碼的信息幀。擴(kuò)展RS485接口通信協(xié)議在應(yīng)用時(shí)以上潤(rùn)儀表廠的通信協(xié)議進(jìn)行的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)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。

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