CAN总线技术在过程控制系统中的应用

摘要：本文在对CAN总线技术简要介绍的基础上，重点讨论了基于SJA1000的CAN总线电路与MCU的接口设计方法，以及CAN总线调试过程中可能出现的问题。实验证明，该设计方法是行之有效的，取得了良好的结果。

关键词：CAN BUS；过程控制

引 言

随着现代化工业的不断发展，人们对生产过程控制提出了更高的要求，需要获取更多的来自现场的信息，以实现对工业过程参数的监测、控制，并将现场数据融入管理、决策以及商务等各个层次的信息交换与集成，以提高生产效率。现场总线技术便是顺应这一趋势与需求发展起来的新型技术。他将专用智能芯片植入传统的测量与控制仪表中，使其具有数字计算与数字通信能力，采用双绞线等作为通信总线，把多个测量与控制节点连接成网络，按公开、规范的通信协议，实现数据的传输与交换，在生产现场形成全分布式控制系统。新型的现场总线控制系统(FCS)突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统实现所造成的缺陷，把基于专用的、封闭的解决方案变成标准化、公开化的解决方案，把控制功能彻底放到现场，依靠现场智能设备本身便可以实现测量与控制功能。现场总线控制系统顺应了控制系统向分散化、智能化、网络化发展的趋势，现已经成为控制系统发展的主流方向。

CAN 总线简介

与主从方式的现场总线不同，CAN总线是一种对等式(peer-to-peer) 的现场总线网络，采用CAN总线连接的I/O单元，可以通过节点ID和ID掩码选择，方便地实现点对点、点对多点以及广播的多种通信方式；可以提高主控单元与I/O单元、I/O单元之间的隔离性，便于实现模块冗余和不停机拆装；可以实现无集中机柜的分散式安装方式，因此系统功能可以进一步下放。目前使用的CAN总线技术规范分为两部分：CAN2. 0A和CAN2.0B。两者相比较的区别在于：CAN2. 0B的识别码由CAN2. 0A的11位扩展到29位，使用起来更为灵活方便。CAN总线符合ISO11898标准，最大传通信率可达1MB/S，最远通信距离可达10KM。CAN总线的技术特点如下：
◆各个节点具有相同的总线访问权(peer-to-peer) 方式
◆无破坏性的基于优先权的总线仲裁策略
◆数据桢、数据请求桢、出错桢和数据超载桢等四种桢格式
◆不需要发送目的地址，借助于接收接点滤波实现点对点、点对多点的通信方式
◆5 种错误检验，保证数据通信的可靠性
◆对发送期间若丢失仲裁或由于出错而造成破坏的桢可实现自动重发
◆暂时错误和永久性故障节点判别以及永久性故障节点的自动脱离

基于CAN 总线的技术特点，把它应用于系统比较分散、现场环境干扰比较大的场合是非常适用的。

CAN 总线控制系统的总体结构

为满足现代控制系统既要集中管理，又要分散实时控制的要求，采用CAN 总线技术构成分布式过程控制系统的典型结构框图可由图1 表示。

图1 　CAN 总线过程控制系统总体结构框图
　　
该系统主要由现场监控计算机和若干个具有CAN 总线接口的智能测控节点构成。现场智能CAN 测控节点以微处理器为核心，并配有CAN 总线接口。其主要功能是实现对现场数据的实时采集与处理，并根据采集的数据实现对现场设备进行实时控制，同时通过CAN BUS 实现与监控计算机以及各个CAN 节点之间的信息交换。

监控计算机可通过插槽中的PC-CAN适配卡实现与智能CAN 测控节点的数据交换，完成一些较为复杂的信息处理。通过以太网，监控计算机实现与其它计算机的数据交换，从而实现对整个系统的信息化管理与控制。

CAN节点设计

CAN智能测控节点应具有数据采集、控制以及CAN通信能力，可与监控站以及其它节点进行各种参数的传递，并接收来自监控站的命令来调整控制状态。在硬件设计上，以80C196 KB16位单片机为核心，具有运算速度快，其内部具有8 路模拟量输入通道，数据转换速度快，可以满足大多数工业控制现场的要求，同时它对外部突发事件具有极强的捕捉能力，而看门狗电路保证了系统可以稳定可靠地工作。CAN总线接口电路采用Philips公司生产的SJA1000作为总线控制器，PCF82C250作为总线驱动器，6N137为光电隔离芯片用以提高通信系统的抗干扰能力。典型的CAN总线接口电路如图2 所示。

图2 　CAN 总线接口电路

几点注意事项

从图2 可知，硬件电路设计并不是非常困难，但有几点事项需要注意，否则会事倍功半，甚至导致通信无法工作。
(1) CAN总线通过短路器JTR连接了一个124Ω的终端反射电阻RJTR，它对于匹配总线阻抗起着相当大的作用，如果忽略它们，会使数据通信可靠性大大降低，甚至无法通信。

(2) 82C250的8脚与地之间的电阻称为斜率电阻，它的取值决定了CAN总线处于高速工作方式还是斜率控制方式。如果将JS短路，系统将处于高速工作方式，为避免射频干扰，建议使用屏蔽线作为通信总线；在波特率较低、总线较短时，一般采用斜率控制方式，既将JS断路。在这种方式下，可以使用平行线或双绞线作为通信总线。

(3) SJA1000 的TX1 脚悬空，RX1 脚电平必须维持在0. 5VCC以上，否则将不能形成CAN总线所须的逻辑电平。如果通信距离较近、环境干扰较小，可以不采用光电隔离电路，这时可以将82C250的VREF端直接与RX1脚相连接，从而简化了电路。

(4) SJA1000以中断方式与MCU接口，当系统中断允许时，一旦有中断发生，SJA1000的INT脚就会被激活使MCU及时响应，从而提高了系统的实时性。

(5) 需要特别说明的是，初始化在SJA1000的使用过程中是非常重要的一个环节。正确的初始化，可以保证可靠的数据通信，否则，系统将不可能正常地工作。图3给出了SJA1000的初始化框图(SJA1000工作晶振16M) 。

图3 　SJA1000 初始化框图

结 论

基于CAN总线的分布式过程控制系统，是采用现场总线控制系统(FCS)的特点，把信息处理过程放到现场进行，而通过操作站集中管理。运用CAN总线技术，极大提高了系统的可靠性和实时性，系统开发成本低廉、性能价格比高，测控节点安装维护简单。从该设计方案在恶劣现场环境下的运行情况和实验结果来看，能够经受住现场的考验，通信速率高，出错率极低，运行效果良好，体现了CAN总线高性能、高可靠性的优点。具有广阔的应用前景，体现了工业控制领域发展的重要方向。