CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )應用例舉

　　現場(chǎng)總線(xiàn)的工業(yè)過(guò)程智能自動(dòng)化儀表和現代總線(xiàn)的開(kāi)放自動(dòng)化系統構成了新一代全開(kāi)放自動(dòng)化控制糸統的體系結構。

　　目前國際上公認的現場(chǎng)總線(xiàn)有10多種,各有其特點(diǎn),并在一定范圍內得剄應用。 其CAN總線(xiàn)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 )、醫療設備、軌道交通信號、樓宇控制及其它眾多系統中得到應用。而本文要對CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )應用例舉及其拓寬的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(FCS)作其說(shuō)明。

　　CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )

　　CAN采用多主工作方式，節點(diǎn)之間不分主從，但節點(diǎn)之間有優(yōu)先級之分，通信方式靈活，可實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及廣播方式傳輸數據，無(wú)需調度。也就是說(shuō),它可向系統中的所有節點(diǎn)進(jìn)行報文發(fā)送廣播，即CAN系統中的每個(gè)節點(diǎn)均同時(shí)接收到同樣的數據。缺省情況下,CAN是基于報文而非地址的。系統采用分布式控制實(shí)現方法集成了多節點(diǎn)(見(jiàn)圖1a所示分布式網(wǎng)絡(luò ))。這種拓撲結構的好處之一是,節點(diǎn)的增加和去除非常簡(jiǎn)單,對軟件的影響也很小。CAN網(wǎng)絡(luò )要求每個(gè)節點(diǎn)均具備智能,但智能化水平可根據節點(diǎn)所承載的任務(wù)進(jìn)行調整。因此CAN系統中使用的單片機通常較簡(jiǎn)單并且引腳數也較少。圖1a進(jìn)一步顯示了CAN網(wǎng)絡(luò )可實(shí)現分布式網(wǎng)絡(luò )，從系統中增加或刪除節點(diǎn)只需改變少量的固件。由于使用的導線(xiàn)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)現集中控制(見(jiàn)圖1b所示集中式網(wǎng)絡(luò ))的以太網(wǎng)區別所在。

　　其圖1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,如果在系統中增加節點(diǎn),則要求對系統MCU(多芯片單元)作很大的變動(dòng);而CAN網(wǎng)絡(luò )可實(shí)現分布式網(wǎng)絡(luò ),從系統中增加或刪除節點(diǎn)只需改變少量的固件。

　　CAN采用的是非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)。按優(yōu)先級發(fā)送，可以大大節省總線(xiàn)沖突仲裁時(shí)間。而CAN總線(xiàn)上的通信結構與實(shí)現技術(shù)如下述：

　　·CAN采用短幀結構傳輸，每幀有效字段為6-8個(gè)，傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。而且每幀信息都有CRC校驗和其他檢錯措施，保證數據出錯率極低。當節點(diǎn)嚴重錯誤時(shí)，具有自動(dòng)關(guān)閉功能，使總線(xiàn)上其他節點(diǎn)不受影響?？梢?jiàn)，CAN是所有總線(xiàn)中最為可靠的。

　　·CAN總線(xiàn)上的通信是通過(guò)報文幀來(lái)實(shí)現的。幀有三種類(lèi)型,即數據幀、遠程幀和錯誤幀。每一個(gè)幀內部都具備一些字段,對發(fā)送的幀類(lèi)型做出定義并提供相關(guān)信息。比如,數據幀由6個(gè)字段組成,分別是：仲裁字段、控制字段、數據宇段、CRC(循環(huán)冗余校驗)宇段、確認字段以及幀結束。在幀發(fā)送期間,仲裁字段被網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)節點(diǎn)用來(lái)識別和/或解決沖突。仲裁字段還用來(lái)識別報文的類(lèi)型及其發(fā)送目的地?？刂谱侄味x了數據幀的長(cháng)度。數據幀包含數據,其字節數在控制宇段中作了規定。CRC字段用來(lái)檢測數據錯誤。最后,每次發(fā)送均需取得CAN網(wǎng)絡(luò )上所有接收節點(diǎn)的確認幀。

　　CAN網(wǎng)絡(luò )應用舉例

　　基于CAN總線(xiàn)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、雷達等探測器獲得運動(dòng)目標在其視場(chǎng)內與視場(chǎng)中心的變化偏差，再通過(guò)伺服控制系統進(jìn)行校正跟蹤，使儀器瞄準該目標并引導其他跟蹤設備或根據激光測距和儀器本身位置數據計算出運動(dòng)目標的精確軌跡。

　　經(jīng)緯儀系統風(fēng)險是主控制機要負擔大量的數據計算和交換任務(wù)，控制功能不能分散，導致任務(wù)風(fēng)險集中于主控制機,一旦主機出現問(wèn)題將導致整個(gè)系統設備癱瘓。那種傳統點(diǎn)對點(diǎn)的連接方式不僅使接口結構復雜而且大量的電纜也增加了設備內部的電磁輻射和干擾，設備的體積龐大，布線(xiàn)的難度高。

　　基于CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的光電經(jīng)緯儀結構框圖如圖2所示。

　　其結構特征：使用單一的串行總線(xiàn)結構代替了多種通信方式的并行結構。主控制機所需信息可以從CAN總線(xiàn)上取得圖像處理、位置元。其它數據采集等分系統通過(guò)CAN總線(xiàn)與主控制機交換數據的同時(shí)還可以從總線(xiàn)上直接獲取其他分系統的數據，這不僅提高了總線(xiàn)利用率、數據傳輸的實(shí)時(shí)性還減輕了主控制機的壓力、提高了系統工作的穩定性。所有的分系統都可以通過(guò)一對雙絞線(xiàn)串接在一起，節省了空間、簡(jiǎn)化了布線(xiàn)。由于CAN總線(xiàn)本身所具有的突出特性，設備的抗干擾性、可靠性、實(shí)時(shí)性等幾項指標均能得到提高。

　　CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )在醫療機械上的應用-病理分布式監控系統(或病理遠程式監控系統)

　　病理分布式(或遠程式)監控系統分別由中央控制式的中央監控單元和現埸采集單元(或遠程采集單元)組成(圖3)。 現埸采集單元對醫院各室診斷測量?jì)x器(或設備)進(jìn)行數據、圖像的實(shí)時(shí)采集,同時(shí)完成數據統計、存貯; 中央監控單元可以定期或不定期地從現埸采集單元獲取數據并完成圖像監測、數據統計、報表、打印及數據庫管理。中央監控單元和現埸采集單元之間通過(guò)CAN總線(xiàn)連接在一起,在這個(gè)網(wǎng)絡(luò )中, 中央監控單元處于主控位置,而現埸采集單元可以隨時(shí)響應中央監控單元的命令。其現埸采集單元由單片機8C552及采集、存儲、顯示、遙控和通信模塊組成,每個(gè)現埸采集單元可與10個(gè)測量?jì)x器(或設備)相接。

　　該病理分布式監控系統可拓寬為病理遠程式監控系統，可以監控一個(gè)都市內的各大醫 院或幾個(gè)城市的中心醫院。

　　拓寬CAN應用的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(FCS)

　　基于CAN總線(xiàn)結構性能與應用,可以拓寬出應用CAN的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(FCS)所具的優(yōu)越性,即大大提高了準確性與可靠性。

　　由于現場(chǎng)總線(xiàn)設備的智能化、數字化，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(shí)，由于系統的結構簡(jiǎn)化，設備與連線(xiàn)減少，現場(chǎng)儀表內部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統的工作可靠性。此外，由于它的設備標準化，功能模塊化，因而還具有設計簡(jiǎn)單，易于重構等優(yōu)點(diǎn)。

　　為此, 通過(guò)圖4所示可以對該類(lèi)應用CAN的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(FCS)與集散控制系統(DCS)作出比較，進(jìn)而說(shuō)明FCS的優(yōu)點(diǎn)。在圖4中，可看出其FCS打破了DCS的結構形式,這是因為：第一，FCS采用了智能設備，把原先DCS系統中處于控制室的控制模塊、輸入/輸出模塊置于現場(chǎng)設備中，實(shí)現了徹底的分散控制;第二,采用數字信號代替模擬信號，可以實(shí)現一對電線(xiàn)上傳輸多個(gè)信號，同時(shí)可以為多個(gè)設備供電，這樣為簡(jiǎn)化系統結構、節約硬件設備、節約連接電纜與各種安裝、維護費用創(chuàng )造了條件。

　　結語(yǔ)

　　CAN總線(xiàn)的性能經(jīng)過(guò)時(shí)間的考驗,確保了在需要安全保障的應用環(huán)境中能進(jìn)行可預測而無(wú)錯誤的通訊。它能通過(guò)仲裁劃分報文的優(yōu)先級,其硬件和數據鏈接層的配置靈活，設計時(shí)可對許多發(fā)送細節進(jìn)行更改,而更改后整個(gè)系統的數據一致性仍然能夠得到保證。當然CAN不足之處是不能用于防爆區。