CAN總線在安全監控系統傳輸中的應用

1 引言
隨著計算機網絡的普及應用，人們從過去主要是對計算機監控系統監控功能的關注，轉移到對其數據傳輸功能的關注。人們越來越重視數據的傳輸，人們希望通過互聯網能在世界的任何角落及時觀察到工業生產現場的各種狀態數據。目前主要是基于Profibus總線的數據傳輸技術，雖然這種常規的傳輸技術具有相對結構簡單、易于實現等優點，但是它有如下一些缺點不很適于作井下安全監控系統的傳輸總線。第一，它是主從結構，不能實現多主傳輸；第二，它的從節點都是固定地址，而且只能靜態設置；第三，它的節點的加入不能隨意動態進行；第四，它能夠連接的節點數量末段最多32個，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總線技術具有的結構靈活性，以及它的節點容量（理論上是無限制的）十分適用于煤礦安全監控系統的組成特點和使用特點。所以我們選擇CAN總線作為煤礦安全監控系統的傳輸技術。
本文將對應用發展比較成熟的先進的CAN總線技術，進行了深入的研究。在此基礎上提出一個基于CAN總線的煤礦安全監控系統的數據傳輸方案，并在最后給出實現該方案的分站通信電路、分支中繼電路的設計。
2 CAN總線
CAN (Controller Area Network) 總線，又稱控制器局域網，CAN 已被公認為幾種最有前途的現場總線之一。CAN 總線規范已被ISO 國際標準組織制訂為國際標準，CAN 協議也是建立在國際標準組織的開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。用戶可在其基礎上開發適合系統實際需要的應用層通信協議，但由于CAN 總線極高的可靠性，從而使應用層通信協議得以大大簡化。
CAN總線采用總線式拓撲結構（見圖1）。各節點可以像以太網節點那樣直接掛接在一條主干線上。CAN采用兩芯線纜，有極性連接。CAN總線網絡也可以通過一個三通節點構成層次結構，呈現樹型拓撲。對于采用電纜介質的CAN總線網絡，總線末端要設有匹配阻抗，防止反射產生駐波。

CAN協議分為二層：物理層和數據鏈路層。物理層決定了實際位傳送過程中的電氣特性，在同一網絡中，所有節點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，總線仲裁和檢錯、錯誤報告及處理，確認哪個信息要發送的，確認接收到的信息及為應用層提供了接口。

CAN總線與其他總線相比有如下特點：
（1）、它是一種多主總線，即每個節點機均可成為主機，且節點機之間也可進行通信；
（2）、通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維，通信速率可達1Mbps；
（3）、CAN總線通信接口中集成了CAN協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、循環冗余校驗、優先級判別等項工作；
（4）、CAN協議的一個最大特點是廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進行編碼。采用這種方法的優點可使網絡內的節點個數在理論上不受限制，數據塊的標識碼可由11位或29位二進制數組成，因此可以定義211或229個不同的數據塊，這種按數據塊編碼的方式，還可使不同的節點同時接受到相同的數據，這一點在分步式控制中非常重要；
（5）、數據段長度最多為8個字節，可滿足通常工業領域中控制命令，工作狀態及測試數據的一般要求.同時，8個字節不會占用總線時間過長，，從而保證了通信的實時性；
（6）、CAN協議采用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總線技術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。主機與多個智能終端組成的網絡系統可有效地滿足工業過程的自動控制需要。