基于CAN現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的機艙報警系統

1　CAN總線(xiàn)概述

CAN (Controller Area Network) ,即控制局域網(wǎng),是 一種具有高可靠性、支持分布式和實(shí)時(shí)控制的串行通 信網(wǎng)絡(luò )。CAN為多主方式工作,網(wǎng)絡(luò )上任意節點(diǎn)均可 在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò )上其他節點(diǎn)發(fā)送信息,而不 分主從,且無(wú)需站地址等節點(diǎn)信息,通信靈活。CAN 協(xié)議模型結構只有3層,即只取OSI模型底層的物理 層、數據鏈路層和頂層的應用層。物理層使用雙絞線(xiàn), 數據鏈路層采用了具有優(yōu)先級控制的載波偵聽(tīng)及沖突 檢驗機制(CSMA /CD) 。CAN 的最大特點(diǎn)是可靠性 高,其節點(diǎn)在錯誤嚴重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉總線(xiàn)的 功能,切斷與總線(xiàn)的聯(lián)系,使總線(xiàn)上其他操作不受影 響。CAN總線(xiàn)的速率在40m內可達1Mbit/ s,最大傳 輸距離為10km,最大傳輸距離時(shí)的速率可達5kbit/ s。 每條CAN總線(xiàn)可掛接設備數最多可達110個(gè),多條連 用時(shí),容量基本不受限制。

2　CAN總線(xiàn)在船舶中的應用

目前, CAN總線(xiàn)應用于船舶的基本網(wǎng)絡(luò )模型如圖 1所示。

模型中網(wǎng)絡(luò )分為2層結構,分別為上層網(wǎng)和下層 網(wǎng)(子網(wǎng)) ,子網(wǎng)通過(guò)網(wǎng)橋與上層網(wǎng)相連接。采用這種 結構,網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)數理論上可以達到1000個(gè),大大擴 充了CAN網(wǎng)絡(luò )容量,完全可以滿(mǎn)足船舶監控系統的需 要。

因為CAN協(xié)議本身沒(méi)有考慮冗余的結構,所以各 CAN系統自行設計了冗余方案,其中常見(jiàn)的做法有2 種:一種是子網(wǎng)中每個(gè)CAN節點(diǎn)都有2個(gè)CAN通信 模塊,同時(shí)鋪設2路總線(xiàn),當一路總線(xiàn)出現故障時(shí),自 動(dòng)啟用備用總線(xiàn)通信;另一種是每個(gè)子網(wǎng)采用環(huán)形拓 撲結構,實(shí)現方法是只在CAN網(wǎng)橋與子網(wǎng)連接的一端 保留2個(gè)CAN通信模塊(主干網(wǎng)可采用類(lèi)似的方法) , 分別接子網(wǎng)總線(xiàn)的兩端,構成環(huán)形,這樣每個(gè)節點(diǎn)可以 在兩個(gè)方向上與其他節點(diǎn)通信,某一處總線(xiàn)斷開(kāi)不影 響系統正常工作。

3　CAN通信模塊的設計

下面結合所開(kāi)發(fā)的模塊實(shí)例,簡(jiǎn)要介紹以CAN通 信模塊開(kāi)發(fā)的一般方法及軟硬件問(wèn)題的解決。

3. 1　下位節點(diǎn)的設計

本例中CAN網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的結構如圖2所示。

其中, 80C196KC是Intel 16 位微控制器,內置有 16K ROM, 488B寄存器RAM,A /D轉換器,看門(mén)狗定時(shí) 器等。其工作頻率可達20MHz,適用于實(shí)時(shí)控制系統。 SJA1000是新型的CAN 獨立通信控制器, 支持 CAN2. 0A和2. 0B兩種規范,可完成物理層和數據鏈路 層的所有功能。通信波特率最高可達1Mbit/ s。另外, PeliCAN擴展了很多新功能,包括:可讀/寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)的錯 誤計數器;可編程的錯誤報警限值;最近一次錯誤代碼 寄存器;具體控制位控制的位仲裁丟失;單次發(fā)送(失 敗后無(wú)重發(fā)) ;支持熱插拔等。

82C250是CAN控制器與物理總線(xiàn)之間的接口部 件,可完成對總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。82C250與 ISO /D IS 11898標準完全兼容,具有抗瞬間干擾、降低 射頻干擾、熱保護、總線(xiàn)與電源及地之間的短路保護等 能力,可支持多達110個(gè)節點(diǎn)相連。

本例中, 程序固化在EPROM 中, 80C196KC 與 SJA1000分別使用各自的外接晶振,傳感器信號經(jīng)過(guò) 采集電路處理后,接入80C196KC的A /D引腳。本系 統中, CAN總線(xiàn)通信波特率為100kbit/ s,數據采集模 塊每隔0. 5 s向網(wǎng)絡(luò )發(fā)送一次數據。

3. 2　CAN網(wǎng)橋

CAN網(wǎng)橋的結構如圖3所示。CAN的數據幀內 容由其頭部的11位(CAN2. 0A)或者29位(CAN2. 0B) 標志符命名。標志符可用于描述數據含義,每個(gè)接收 器通過(guò)對標志符的選擇濾波確定此幀。網(wǎng)橋有2 個(gè) CAN通信控制器背對背相接而成,每個(gè)通信控制器根 據所收到的數據幀的某2個(gè)標志位判斷是否需要將其 向其他子網(wǎng)轉發(fā)。

3. 3　CAN - PC接口卡

PC機與CAN 網(wǎng)絡(luò )的連接卡有2 種, 即內置式 卡———插在PC機的擴展插槽中,和外置式卡———與 PC機串口相連。當然,目前市場(chǎng)上已經(jīng)可以買(mǎi)到此類(lèi) 產(chǎn)品,不過(guò),通常價(jià)格較高,而且,對于用戶(hù)所要搭建的 具體系統,不一定完全適用。因此,用戶(hù)完全可以根據 自己的要求,開(kāi)發(fā)自己的轉接卡部件。