引言

現(xiàn)場(chǎng)總線是指以工廠內(nèi)的測(cè)量和控制機(jī)器間的數(shù)字通訊為主的網(wǎng)絡(luò)，也稱現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)。也就是將傳感器、各種操作終端和控制器間的通訊及控制器之間的通訊進(jìn)行特化的網(wǎng)絡(luò)。原來這些機(jī)器間的主體配線是ON/OFF、接點(diǎn)信號(hào)和模擬信號(hào)，通過通訊的數(shù)字化，使時(shí)間分割、多重化、多點(diǎn)化成為可能，從而實(shí)現(xiàn)高性能化、高可靠化、保養(yǎng)簡(jiǎn)便化、節(jié)省配線（配線的共享）。CAN（Controller Area Network，即控制器局域網(wǎng)）現(xiàn)場(chǎng)總線以其多主方式，報(bào)文自動(dòng)過濾重發(fā)、極低的誤碼率和高通訊速率等特點(diǎn)，在各種低成本、高抗干擾的多機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network, CAN）的簡(jiǎn)稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國(guó)BOSCH公司開發(fā)了的，并最終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO118?8）。是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。 在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機(jī)械車輛設(shè)計(jì)的J1939協(xié)議。近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯(cuò)誤檢測(cè)能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。

CAN總線屬于總線式帶同步位的串行通信網(wǎng)絡(luò)，由于采用了許多新技術(shù)以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通信總線相比，CAN總線在遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信上具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)lOkm（通信速率5Kbps以下），通信速率最高可達(dá)lMbps（通信距離最長(zhǎng)40m）。CAN總線通過CAN收發(fā)器接口芯片82C250的兩個(gè)輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會(huì)在出現(xiàn)在RS-485網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)象，即當(dāng)系統(tǒng)有錯(cuò)誤，出現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象。而且CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響，從而保證不會(huì)出現(xiàn)象在網(wǎng)絡(luò)中，因個(gè)別節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題，使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。而且，CAN具有的完善的通信協(xié)議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實(shí)現(xiàn)，從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，這些是僅有電氣協(xié)議的RS-485所無(wú)法比擬的。

1 遠(yuǎn)程CAN總線傳輸可靠性的主要影響因素

（1）工作環(huán)境電磁干擾的影響。

（2）傳輸介質(zhì)分布電容和電阻的影響。

（3）遠(yuǎn)近端阻抗不匹配的影響。

（4）接收同步位端的相位變化和幅值變化的影響。

（5）傳送波特率位時(shí)鐘設(shè)計(jì)的影響。

（6）沒有發(fā)送和接收幀的節(jié)點(diǎn)之問高阻狀態(tài)性的漏電對(duì)CAN總線的影響。

（7）對(duì)總線短路和斷路監(jiān)測(cè)處理的影響。

2 遠(yuǎn)程CAN總線傳輸可靠性的設(shè)計(jì)方法

系統(tǒng)運(yùn)行在復(fù)雜的電磁空問里，有外界的各種電磁場(chǎng)變化，也有系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)元器件之間的電磁干擾。尤其工作現(xiàn)場(chǎng)的電磁場(chǎng)環(huán)境是最容易干擾系統(tǒng)的可靠性。CAN總線是德國(guó)BOSCH公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率可達(dá)1MBPS。

元器件是構(gòu)成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，選擇集成化程度高，抗干擾能力強(qiáng)，功耗又小的電子元器件尤為重要。選擇合適的MCU是CAN總線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。在綜合比較了當(dāng)前業(yè)界流行的幾款MCU最終選擇了Silicon Laboratories公司的C8051F040這款8位單片機(jī)作為CAN總線控制系統(tǒng)的控制核心。

C8051F040（以下簡(jiǎn)稱F040）單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與MCS一5l完全兼容的指令內(nèi)核。由于采用了流水線處理技術(shù)，大大提高了指令執(zhí)行效率。F040還采用了Flash ROM技術(shù)，集成了JTAG，實(shí)現(xiàn)了真正的在線編程和片上調(diào)試。它比SJAl000等片外CAN總線控制器具有更好的可靠性和集成度高的特點(diǎn)。F040的CAN控制器完全硬件化，解決了CPU與CAN,總線控制器之間的競(jìng)爭(zhēng)矛盾。

在主機(jī)CAN節(jié)點(diǎn)中，如圖1所示，選擇Silicon Laboratories公司的USB轉(zhuǎn)UART橋接芯片CP2101，內(nèi)部自帶512B收發(fā)緩沖器，進(jìn)一步從芯片本身上解決了數(shù)據(jù)沖突的問題。它還有300bps至921.6Kbps的波特率變化范圍，滿足高速通訊要求，外圍電路十分簡(jiǎn)單；另外，CP2101還集成了5V轉(zhuǎn)3V電壓調(diào)節(jié)器，可以由USB總線來對(duì)整個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)供電，USB總線為通用串行總線，USB接口位于PS/2接口和串并口之間，允許外設(shè)在開機(jī)狀態(tài)下熱插拔，最多可串接下來127個(gè)外設(shè)，傳輸速率可達(dá)480MB/S，P它可以向低壓設(shè)備提供5伏電源，同時(shí)可以減少PC機(jī)I/O接口數(shù)量。通用串行總線USB（universal serial bus）是由Intel、 Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等7家世界著名的計(jì)算機(jī)和通信公司共同推出的一種新型接口標(biāo)準(zhǔn)。它基于通用連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)外設(shè)的簡(jiǎn)單快速連接，達(dá)到方便用戶、降低成本、擴(kuò)展PC連接外設(shè)范圍的目的。它可以為外設(shè)提供電源，而不像普通的使用串、并口的設(shè)備需要單獨(dú)的供電系統(tǒng)。另外，快速是USB技術(shù)的突出特點(diǎn)之一，USB的最高傳輸率可達(dá)12Mbps比串口快100倍，比并口快近10倍，而且USB還能支持多媒體

圖1主機(jī)CAN節(jié)點(diǎn)的硬件連接圖

ADuMl20l是ADI公司生產(chǎn)的隔離器，采用平面磁場(chǎng)專利隔離技術(shù)，取消了光電耦合器中的光電轉(zhuǎn)換過程。因此ADuMl201具有優(yōu)于光電隔離器的優(yōu)點(diǎn)：速度更高（最高速率達(dá)到25 Mbps）、功耗更低（最小工作電流為0.8mA）、性能更高、體積更小、價(jià)格更便宜、應(yīng)用更靈活。選擇ADuMl201用來實(shí)現(xiàn)CAN控制器和CAN驅(qū)動(dòng)器之問的電氣隔離，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通訊可靠性，選擇TI公司生產(chǎn)的芯片SN65HVD251作為CAN總線收發(fā)器。SN65HVD251能以高達(dá)1Mbps的速度提供到總線的差動(dòng)傳輸功能，以及到CAN控制器的差動(dòng)接收功能。具有差分收發(fā)能力、高抗電磁干擾、超小封裝、低功耗性能。與F040配合使用，可使外圍電路更加簡(jiǎn)潔，如圖2所示。

CAN收發(fā)器SN65HVD251在CANH和CANL輸出引腳間并聯(lián)一個(gè)電阻，作為CAN總線的終端電阻，在本節(jié)點(diǎn)作CAN總線終端節(jié)點(diǎn)時(shí)，閉合跳線片JPl，使終端電阻工作。終端電阻值R6等于傳輸電纜的特性阻抗，一般取值120Ω在文獻(xiàn)中有詳細(xì)的討論，解決了遠(yuǎn)近端阻抗不匹配的影響。SN65HVD25l的Rs引腳為斜率電阻輸入引腳，可以改變收發(fā)器工作的方式。在CANH和CANL上各自串聯(lián)電阻R2、R3限流，再通過一組上下拉電阻R4、R5，有效抑制反射波干擾，保持總線處于高阻態(tài)時(shí)，接收端收到的始終是“l(fā)”電平，這樣拉高信號(hào)的幅度，減少誤碼率。

3 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)以上器件組建一個(gè)可靠的CAN總線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。本系統(tǒng)由一個(gè)主機(jī)CAN節(jié)點(diǎn)通過USB接口與上位PC機(jī)相連，主節(jié)點(diǎn)采用總線方式與下面各個(gè)功能節(jié)點(diǎn)連接，如圖3所示，其中主機(jī)CAN節(jié)點(diǎn)主要用來發(fā)送遠(yuǎn)程控制廣播命令，收集所有節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)，并上傳給上位機(jī)軟件進(jìn)行識(shí)別分類和統(tǒng)計(jì)，它實(shí)現(xiàn)了總線偵聽、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和上位機(jī)接口功能。而底層節(jié)點(diǎn)則控制系統(tǒng)中的底層設(shè)備，發(fā)送包含節(jié)點(diǎn)信息的8字節(jié)數(shù)據(jù)CAN總線報(bào)文，并偵聽主機(jī)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)廣播指令，調(diào)整節(jié)點(diǎn)功能。

圖3 CAN總線控制系統(tǒng)多機(jī)測(cè)試平臺(tái)

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 不同公里數(shù)通訊結(jié)果分析

將系統(tǒng)總線與模擬的1公里一5公里遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)相連。為了更好分析CAN總線可靠性，使示波器更好的觀察報(bào)文波形。將示波器CHl兩端與距主節(jié)點(diǎn)0公里處相連，CH2兩端與距主節(jié)點(diǎn)5公里處相連，如圖4所示。這樣，可以觀察到相對(duì)主機(jī)CAN節(jié)點(diǎn)5公里通訊的近端（CHl）和遠(yuǎn)端（CH2）的通訊報(bào)文波形。

CHl測(cè)試出來的波形位于上端，CH2測(cè)試的波形位于下端。CHl端標(biāo)識(shí)為1的一段波形是主節(jié)點(diǎn)發(fā)出的報(bào)文，2是位于CH2端底層節(jié)點(diǎn)接收到的報(bào)文，4是底層節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)報(bào)文，3是主機(jī)CAN節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)，稱1和2、3和4為一組報(bào)文。每幀數(shù)據(jù)的最后一位是應(yīng)答位。每?jī)蓭瑘?bào)文之間有時(shí)間間隙，其中一段是主機(jī)CAN節(jié)點(diǎn)和上位PC機(jī)處理數(shù)據(jù)的時(shí)間，另外一段是底層測(cè)量節(jié)點(diǎn)處理數(shù)據(jù)的時(shí)間。

經(jīng)過觀察，近端發(fā)送的1報(bào)文經(jīng)過5公里距離到遠(yuǎn)端接收到的2報(bào)文的幅值發(fā)生了衰減；同樣近端收到的3報(bào)文也在遠(yuǎn)端4報(bào)文的幅值基礎(chǔ)上發(fā)生衰減。分別測(cè)試1公里到4公里通訊的波形圖，可以發(fā)現(xiàn)通訊距離越長(zhǎng)，幅值衰減得越多。

在其他條件不變的情況下，分別對(duì)1公里一5公里做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊距離的變化會(huì)對(duì)報(bào)文傳輸速率有影響但很小，將得出的數(shù)據(jù)制表如表1。

由表1可見，1公里處傳輸速率最大，每秒傳輸13.2972I幀，即0.0752秒傳輸一幀數(shù)據(jù)，所謂一幀實(shí)際一次發(fā)送，一次接收，對(duì)于CAN總線實(shí)際是2幀。隨著傳輸距離的增大，傳輸速率稍有減小的趨勢(shì)，說明遠(yuǎn)程傳輸有一定的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延， 但是在低波特率下影響不大。

4.2 相同公里數(shù)不同測(cè)試點(diǎn)通訊結(jié)果

接下來以通訊5公里距離為例，觀察將CHl兩端連接到0公里處的測(cè)試點(diǎn)，CH2兩端連接到1公里、2公里、3公里、4公里、5公里處的測(cè)試點(diǎn)，可以看到報(bào)文波形幅值發(fā)生了相應(yīng)的變化。經(jīng)過1公里的衰減，同一組報(bào)文幅值降低了約O.2V；2公里距離的通訊會(huì)造成同一組報(bào)文幅值上發(fā)生約0.4V的變化；同理3公里、4公里、5公里傳輸同一組報(bào)文分別發(fā)生了0.6V、0.8V和lV的幅值衰減。

4.3 CAN收發(fā)器SN65FIVD251工作電壓的影響

在實(shí)驗(yàn)的過程中，觀察到SN65HVD251工作電壓VCC端的大小對(duì)于傳輸距離的影響很大，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，得出1-5公里距離成功通訊的VCC臨界電壓值（精確到O.1V），所謂臨界電壓值是在確定距離內(nèi)能正常傳送數(shù)據(jù)的最小值。如表2所示。

從表中可以得出，保證l公里成功通訊的前提是VCC端電壓大于等于3.6V。VCC端電壓越高，可以通訊的距離越遠(yuǎn)，在1-5公里實(shí)驗(yàn)中，每增加1公里，VCC端電壓相應(yīng)提高了約0.3V。

遠(yuǎn)程通訊距離對(duì)于報(bào)文信號(hào)的幅值有比較大的影響，每公里約衰減O.2V；同時(shí)CAN收發(fā)器SN65HVD251的輸入電壓對(duì)于遠(yuǎn)程通訊距離有一定的影響，確保在電壓正常范圍內(nèi)的高電壓輸入可以提高系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通訊距離。

5 CAN總線遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)的性能總結(jié)

CAN總線傳輸距離在驅(qū)動(dòng)芯片工作電壓和傳送波特率確定之后，主要決定如下二個(gè)因素：（1） 發(fā)送端的應(yīng)答位的隱性電壓和接收端把隱形變成顯性電平以后又傳送到發(fā)送端時(shí)的電平差值；（2）發(fā)送端發(fā)的應(yīng)答位到接收端被確認(rèn)后又發(fā)回到發(fā)送端時(shí)該位相位變化。前者電平差值為0.6V，后者不能滯后每位的時(shí)間的一半。0.6V電平差比RS485、RS422識(shí)別“l(fā)”和“0”差值100mv要大很多。這也就是說同樣傳送條件下，RS485比CAN總線傳送距離遠(yuǎn)。同樣RS485、RS422因閾值過小，易受干擾。另外CAN總線其他性能優(yōu)于RS485和RS422，因此要提高遠(yuǎn)程傳送可靠性可以采取如下方法：

（1）增加驅(qū)動(dòng)芯片的工作電壓。

（2）降低發(fā)送的波特率，減少相位滯后的影響。

（3）使用更粗雙絞線，減小通訊導(dǎo)線電阻，從而減少傳送損耗。

（4）用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，減少驅(qū)動(dòng)芯片的內(nèi)阻，提高驅(qū)動(dòng)電流，即減少0.1V內(nèi)部損耗。

（5）選用分布電容較小的雙絞線，降低分布電容對(duì)同步位相位的影響。

總體來說， 本文設(shè)計(jì)的CAN總線控制系統(tǒng)無(wú)論從可靠性，還是從其他性能指標(biāo)上來分析，都達(dá)到了很好的效果。并且在拉西瓦水電站邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中承擔(dān)數(shù)據(jù)采集通訊的任務(wù)。