CAN總線網絡應用

　　現場總線的工業過程智能自動化儀表和現代總線的開放自動化系統構成了新一代全開放自動化控制糸統的體系結構。

　　目前國際上公認的現場總線有10多種,各有其特點,并在一定范圍內得剄應用。 其CAN總線網絡是炙手可熱的技術,目前它正在工業網絡、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總線網絡應用例舉及其拓寬的現場總線控制系統(FCS)作其說明。

　　CAN總線網絡

　　CAN采用多主工作方式，節點之間不分主從，但節點之間有優先級之分，通信方式靈活，可實現點對點、一點對多點及廣播方式傳輸數據，無需調度。也就是說,它可向系統中的所有節點進行報文發送廣播，即CAN系統中的每個節點均同時接收到同樣的數據。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現方法集成了多節點(見圖1a所示分布式網絡)。這種拓撲結構的好處之一是,節點的增加和去除非常簡單,對軟件的影響也很小。CAN網絡要求每個節點均具備智能,但智能化水平可根據節點所承載的任務進行調整。因此CAN系統中使用的單片機通常較簡單并且引腳數也較少。圖1a進一步顯示了CAN網絡可實現分布式網絡，從系統中增加或刪除節點只需改變少量的固件。由于使用的導線較少并且采用分散式智能，而且CAN網絡還具有較高的可靠性。這是與需用星形配置實現集中控制(見圖1b所示集中式網絡)的以太網區別所在。

　　進一步顯示了,在多任務網絡中,集中式網絡通常用于以太網系統,如果在系統中增加節點,則要求對系統MCU(多芯片單元)作很大的變動;而CAN網絡可實現分布式網絡,從系統中增加或刪除節點只需改變少量的固件。

　　CAN采用的是非破壞性總線仲裁技術。按優先級發送，可以大大節省總線沖突仲裁時間。而CAN總線上的通信結構與實現技術如下述：

　　·CAN采用短幀結構傳輸，每幀有效字段為6-8個，傳輸時間短，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。當節點嚴重錯誤時，具有自動關閉功能，使總線上其他節點不受影響。可見，CAN是所有總線中最為可靠的。

　　·CAN總線上的通信是通過報文幀來實現的。幀有三種類型,即數據幀、遠程幀和錯誤幀。每一個幀內部都具備一些字段,對發送的幀類型做出定義并提供相關信息。比如,數據幀由6個字段組成,分別是：仲裁字段、控制字段、數據宇段、CRC(循環冗余校驗)宇段、確認字段以及幀結束。在幀發送期間,仲裁字段被網絡中的每個節點用來識別和／或解決沖突。仲裁字段還用來識別報文的類型及其發送目的地。控制字段定義了數據幀的長度。數據幀包含數據,其字節數在控制宇段中作了規定。CRC字段用來檢測數據錯誤。最后,每次發送均需取得CAN網絡上所有接收節點的確認幀。

　　CAN網絡應用舉例

　　基于CAN總線網絡的光電經緯儀通信方案

　　經緯儀利用激光、紅外、電視、雷達等探測器獲得運動目標在其視場內與視場中心的變化偏差，再通過伺服控制系統進行校正跟蹤，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目標的精確軌跡。

　　經緯儀系統風險是主控制機要負擔大量的數據計算和交換任務，控制功能不能分散，導致任務風險集中于主控制機,一旦主機出現問題將導致整個系統設備癱瘓。那種傳統點對點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，布線的難度高。

　　基于CAN總線網絡的光電經緯儀結構框圖如圖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總線上取得圖像處理、位置元。其它數據采集等分系統通過CAN總線與主控制機交換數據的同時還可以從總線上直接獲取其他分系統的數據，這不僅提高了總線利用率、數據傳輸的實時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一對雙絞線串接在一起，節省了空間、簡化了布線。由于CAN總線本身所具有的突出特性，設備的抗干擾性、可靠性、實時性等幾項指標均能得到提高。

　　CAN總線網絡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儀器(或設備)進行數據、圖像的實時采集,同時完成數據統計、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CAN總線連接在一起,在這個網絡中, 中央監控單元處于主控位置,而現埸采集單元可以隨時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,每個現埸采集單元可與10個測量儀器(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，可以監控一個都市內的各大醫 院或幾個城市的中心醫院。

　　拓寬CAN應用的現場總線控制系統(FCS)

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

　　由于現場總線設備的智能化、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，由于系統的結構簡化，設備與連線減少，現場儀表內部功能加強，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，因而還具有設計簡單，易于重構等優點。

　　為此, 通過圖4所示可以對該類應用CAN的現場總線控制系統(FCS)與集散控制系統(DCS)作出比較，進而說明FCS的優點。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／輸出模塊置于現場設備中，實現了徹底的分散控制;第二,采用數字信號代替模擬信號，可以實現一對電線上傳輸多個信號，同時可以為多個設備供電，這樣為簡化系統結構、節約硬件設備、節約連接電纜與各種安裝、維護費用創造了條件。

　　結語

　　CAN總線的性能經過時間的考驗,確保了在需要安全保障的應用環境中能進行可預測而無錯誤的通訊。它能通過仲裁劃分報文的優先級,其硬件和數據鏈接層的配置靈活，設計時可對許多發送細節進行更改,而更改后整個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。