CAN總線(xiàn)在安全監控系統傳輸中的應用

1 引言
隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )的普及應用，人們從過(guò)去主要是對計算機監控系統監控功能的關(guān)注，轉移到對其數據傳輸功能的關(guān)注。人們越來(lái)越重視數據的傳輸，人們希望通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)能在世界的任何角落及時(shí)觀(guān)察到工業(yè)生產(chǎn)現場(chǎng)的各種狀態(tài)數據。目前主要是基于Profibus總線(xiàn)的數據傳輸技術(shù)，雖然這種常規的傳輸技術(shù)具有相對結構簡(jiǎn)單、易于實(shí)現等優(yōu)點(diǎn)，但是它有如下一些缺點(diǎn)不很適于作井下安全監控系統的傳輸總線(xiàn)。第一，它是主從結構，不能實(shí)現多主傳輸；第二，它的從節點(diǎn)都是固定地址，而且只能靜態(tài)設置；第三，它的節點(diǎn)的加入不能隨意動(dòng)態(tài)進(jìn)行；第四，它能夠連接的節點(diǎn)數量末段最多32個(gè)，加中繼的情況下也最多只能有三段，對于一些大礦，應用受到限制。相比之下，CAN總線(xiàn)技術(shù)具有的結構靈活性，以及它的節點(diǎn)容量（理論上是無(wú)限制的）十分適用于煤礦安全監控系統的組成特點(diǎn)和使用特點(diǎn)。所以我們選擇CAN總線(xiàn)作為煤礦安全監控系統的傳輸技術(shù)。
本文將對應用發(fā)展比較成熟的先進(jìn)的CAN總線(xiàn)技術(shù)，進(jìn)行了深入的研究。在此基礎上提出一個(gè)基于CAN總線(xiàn)的煤礦安全監控系統的數據傳輸方案，并在最后給出實(shí)現該方案的分站通信電路、分支中繼電路的設計。
2 CAN總線(xiàn)
CAN (Controller Area Network) 總線(xiàn)，又稱(chēng)控制器局域網(wǎng)，CAN 已被公認為幾種最有前途的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。CAN 總線(xiàn)規范已被ISO 國際標準組織制訂為國際標準，CAN 協(xié)議也是建立在國際標準組織的開(kāi)放系統互連參考模型基礎上的，主要工作在數據鏈路層和物理層。用戶(hù)可在其基礎上開(kāi)發(fā)適合系統實(shí)際需要的應用層通信協(xié)議，但由于CAN 總線(xiàn)極高的可靠性，從而使應用層通信協(xié)議得以大大簡(jiǎn)化。
CAN總線(xiàn)采用總線(xiàn)式拓撲結構（見(jiàn)圖1）。各節點(diǎn)可以像以太網(wǎng)節點(diǎn)那樣直接掛接在一條主干線(xiàn)上。CAN采用兩芯線(xiàn)纜，有極性連接。CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )也可以通過(guò)一個(gè)三通節點(diǎn)構成層次結構，呈現樹(shù)型拓撲。對于采用電纜介質(zhì)的CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，總線(xiàn)末端要設有匹配阻抗，防止反射產(chǎn)生駐波。

CAN協(xié)議分為二層：物理層和數據鏈路層。物理層決定了實(shí)際位傳送過(guò)程中的電氣特性，在同一網(wǎng)絡(luò )中，所有節點(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的數據鏈路層功能包括幀組織形式，總線(xiàn)仲裁和檢錯、錯誤報告及處理，確認哪個(gè)信息要發(fā)送的，確認接收到的信息及為應用層提供了接口。

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