CAN总线网络应用例举

前言
　　现场总线的工业过程智能自动化仪表和现代总线的开放自动化系统构成了新一代全开放自动化控制糸统的体系结构。目前国际上公认的现场总线有10多种,各有其特点,并在一定范围内得刭应用。 其CAN总线网络是炙手可热的技术,目前它正在工业网络、医疗设备、轨道交通信号、楼宇控制及其它众多系统中得到应用。而本文要对CAN总线网络应用例举及其拓宽的现场总线控制系统(FCS)作其说明。

CAN总线网络
　　CAN采用多主工作方式，节点之间不分主从，但节点之间有优先级之分，通信方式灵活，可实现点对点、一点对多点及广播方式传输数据，无需调度。也就是说,它可向系统中的所有节点进行报文发送广播，即CAN系统中的每个节点均同时接收到同样的数据。缺省情况下,CAN是基于报文而非地址的。系统采用分布式控制实现方法集成了多节点(见图1a所示分布式网络)。这种拓扑结构的好处之一是,节点的增加和去除非常简单,对软件的影响也很小。CAN网络要求每个节点均具备智能,但智能化水平可根据节点所承载的任务进行调整。因此CAN系统中使用的单片机通常较简单并且引脚数也较少。图1a进一步显示了CAN网络可实现分布式网络，从系统中增加或删除节点只需改变少量的固件。由于使用的导线较少并且采用分散式智能，而且CAN网络还具有较高的可靠性。这是与需用星形配置实现集中控制(见图1b所示集中式网络)的以太网区别所在。

其图1进一步显示了,在多任务网络中,集中式网络通常用于以太网系统,如果在系统中增加节点,则要求对系统MCU(多芯片单元)作很大的变动;而CAN网络可实现分布式网络,从系统中增加或删除节点只需改变少量的固件。
　　CAN采用的是非破坏性总线仲裁技术。按优先级发送，可以大大节省总线冲突仲裁时间。而CAN总线上的通信结构与实现技术如下述：
　　·CAN采用短帧结构传输，每帧有效字段为6-8个，传输时间短，受干扰的概率低。而且每帧信息都有CRC校验和其他检错措施，保证数据出错率极低。当节点严重错误时，具有自动关闭功能，使总线上其他节点不受影响。可见，CAN是所有总线中最为可靠的。
　　·CAN总线上的通信是通过报文帧来实现的。帧有三种类型,即数据帧、远程帧和错误帧。每一个帧内部都具备一些字段,对发送的帧类型做出定义并提供相关信息。比如,数据帧由6个字段组成,分别是：仲裁字段、控制字段、数据宇段、CRC(循环冗余校验)宇段、确认字段以及帧结束。在帧发送期间,仲裁字段被网络中的每个节点用来识别和／或解决冲突。仲裁字段还用来识别报文的类型及其发送目的地。控制字段定义了数据帧的长度。数据帧包含数据,其字节数在控制宇段中作了规定。CRC字段用来检测数据错误。最后,每次发送均需取得CAN网络上所有接收节点的确认帧。

　　CAN网络应用举例
　　基于CAN总线网络的光电经纬仪通信方案
　　经纬仪利用激光、红外、电视、雷达等探测器获得运动目标在其视场内与视场中心的变化偏差，再通过伺服控制系统进行校正跟踪，使仪器瞄准该目标并引导其他跟踪设备或根据激光测距和仪器本身位置数据计算出运动目标的精确轨迹。
　　经纬仪系统风险是主控制机要负担大量的数据计算和交换任务，控制功能不能分散，导致任务风险集中于主控制机,一旦主机出现问题将导致整个系统设备瘫痪。那种传统点对点的连接方式不仅使接口结构复杂而且大量的电缆也增加了设备内部的电磁辐射和干扰，设备的体积庞大，布线的难度高。
　　基于CAN总线网络的光电经纬仪结构框图如图2所示。
　　其结构特征：使用单一的串行总线结构代替了多种通信方式的并行结构。主控制机所需信息可以从CAN总线上取得图像处理、位置元。其它数据采集等分系统通过CAN总线与主控制机交换数据的同时还可以从总线上直接获取其他分系统的数据，这不仅提高了总线利用率、数据传输的实时性还减轻了主控制机的压力、提高了系统工作的稳定性。所有的分系统都可以通过一对双绞线串接在一起，节省了空间、简化了布线。由于CAN总线本身所具有的突出特性，设备的抗干扰性、可靠性、实时性等几项指标均能得到提高。

　　CAN总线网络在医疗机械上的应用-病理分布式监控系统(或病理远程式监控系统)
　　病理分布式(或远程式)监控系统分别由中央控制式的中央监控单元和现埸采集单元(或远程采集单元)组成(图3)。 现埸采集单元对医院各室诊断测量仪器(或设备)进行数据、图像的实时采集,同时完成数据统计、存贮; 中央监控单元可以定期或不定期地从现埸采集单元获取数据并完成图像监测、数据统计、报表、打印及数据库管理。中央监控单元和现埸采集单元之间通过CAN总线连接在一起,在这个网络中, 中央监控单元处于主控位置,而现埸采集单元可以随时响应中央监控单元的命令。其现埸采集单元由单片机8C552及采集、存储、显示、遥控和通信模块组成,每个现埸采集单元可与10个测量仪器(或设备)相接。

该病理分布式监控系统可拓宽为病理远程式监控系统，可以监控一个都市内的各大医 院或几个城市的中心医院。
　　拓宽CAN应用的现场总线控制系统(FCS)
　　基于CAN总线结构性能与应用,可以拓宽出应用CAN的现场总线控制系统(FCS)所具的优越性,即大大提高了准确性与可靠性。
　　由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。此外，由于它的设备标准化，功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点。
　　为此, 通过图4所示可以对该类应用CAN的现场总线控制系统(FCS)与集散控制系统(DCS)作出比较，进而说明FCS的优点。在图4中，可看出其FCS打破了DCS的结构形式,这是因为：第一，FCS采用了智能设备，把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、输入／输出模块置于现场设备中，实现了彻底的分散控制;第二,采用数字信号代替模拟信号，可以实现一对电线上传输多个信号，同时可以为多个设备供电，这样为简化系统结构、节约硬件设备、节约连接电缆与各种安装、维护费用创造了条件。

　　结语
　　CAN总线的性能经过时间的考验,确保了在需要安全保障的应用环境中能进行可预测而无错误的通讯。它能通过仲裁划分报文的优先级,其硬件和数据链接层的配置灵活，设计时可对许多发送细节进行更改,而更改后整个系统的数据一致性仍然能够得到保证。当然CAN不足之处是不能用于防爆区。