利用CAN總線通信模塊構(gòu)建高可靠工業(yè)系統(tǒng)

自二十世紀八十年代德國Bosch公司成功開發(fā)出控制器局域網(wǎng)(CAN)總線以來，它已被證明可以很好地適應(yīng)技術(shù)與市場變化的需求。目前，除了在汽車應(yīng)用中持續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位之外，它還被成功應(yīng)用于包括工業(yè)機動控制、鐵路引擎控制單元、船用電子設(shè)備、醫(yī)用設(shè)備、復(fù)雜傳感器以及煤礦系統(tǒng)等在內(nèi)的諸多領(lǐng)域。
CAN通信協(xié)議主要描述設(shè)備之間的信息傳遞方式。CAN層的定義與開放系統(tǒng)互連模型(OSI)一致，每一層與另一設(shè)備上相同的那一層通信，實際的通信發(fā)生在每一設(shè)備上相鄰的兩層，而設(shè)備只通過物理層的物理介質(zhì)互連。CAN通信協(xié)議定義了OSI模型的最低兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。應(yīng)用層協(xié)議可以由CAN用戶定義成適合特殊工業(yè)領(lǐng)域的任何方案，如已被批準為電力產(chǎn)品國家標準的DeviceNet協(xié)議以及廣泛應(yīng)用于歐洲的CANopen協(xié)議等。
極高的可靠性是CAN最值得推薦的特征，這使得它成為對可靠性與安全性要求極為苛刻的工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。利用CAN總線進行工業(yè)系統(tǒng)構(gòu)建的優(yōu)勢主要集中在如下方面：極高的可靠性、極強的容錯性、低廉的系統(tǒng)成本以及較遠的傳輸距離等。
北京華大恒泰科技有限責(zé)任公司研發(fā)的HT6200系列CAN總線通信模塊產(chǎn)品可以為工業(yè)現(xiàn)場提供完整的CAN總線系統(tǒng)構(gòu)建解決方案。該系列總線通信模塊已被成功應(yīng)用于多個工控系統(tǒng)中，實踐證明采用HT6200系列CAN總線通信模塊構(gòu)建的現(xiàn)場總線系統(tǒng)性能穩(wěn)定，工作狀況良好。
HT6200系列CAN總線通信模塊
目前，HT6200系列產(chǎn)品包括如下模塊：
1. HT6220 CAN總線與USB總線透明轉(zhuǎn)換器
2. HT6230 CAN總線與以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器
3. HT6210 CAN總線與RS232總線透明轉(zhuǎn)換器
4. HT6240 CAN集線器
HT6220是完全兼容USB2.0協(xié)議標準(全速模式)和CAN2.0B/A協(xié)議標準的總線轉(zhuǎn)換器模塊；它具有一路USB總線接口和一路電氣隔離的CAN接口,可實現(xiàn)數(shù)據(jù)在USB總線和CAN總線之間的完全透明傳輸；在CAN通信網(wǎng)絡(luò)中，與HT6220相連的PC或嵌入式設(shè)備可作為一個標準的CAN節(jié)點。HT6220具有體積小巧、即插即用的特點，方便了在便攜場合下的應(yīng)用。它支持Windows98/ME/2000/XP、linux、apple和OS2等多種操作系統(tǒng)；USB端驅(qū)動采用串口映射技術(shù)實現(xiàn)，在一次性安裝完驅(qū)動程序之后即完成串口映射，應(yīng)用程序不僅可以調(diào)用與模塊配套的函數(shù)庫來操作該模塊，還可調(diào)用與它兼容的操作系統(tǒng)所提供的任何串口API、DLL文件和第三方控件等來實現(xiàn)對HT6220的操作。
HT6230 CAN總線與以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器符合TCP/IP協(xié)議和CAN2.0B/A協(xié)議標準；具有一路10/100Mbps以太網(wǎng)接口和一路電氣隔離的CAN接口。它有兩種工作方式-串口映射工作方式和Socket工作方式：如采用串口映射工作方式，在安裝模塊的驅(qū)動程序之后，HT6230即可將模塊映射為PC的一個標準串口，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)和CAN總線之間的完全透明傳輸；若采用Socket工作方式，則PC可利用TCP/IP Socket與模塊進行數(shù)據(jù)交換，此功能可將任何具備TCP/IP連接能力的設(shè)備接入CAN總線系統(tǒng),其支持的協(xié)議包括IP、UDP、TCP等。
HT6210是兼容CAN2.0B/A協(xié)議標準的總線轉(zhuǎn)換器模塊，其具有一路RS232串行總線接口和一路電氣隔離的CAN接口；可實現(xiàn)數(shù)據(jù)在RS232總線和CAN總線之間的完全透明傳輸；和HT6220類似，在CAN通信網(wǎng)絡(luò)中，HT6210可將任何一個具有RS232接口的設(shè)備變成標準的CAN通信節(jié)點。
HT6240 CAN集線器同樣兼容CAN2.0B/A協(xié)議標準，它具有3個完全電氣隔離的CAN總線接口。該集線器主要是為了克服CAN系統(tǒng)節(jié)點數(shù)的限制及CAN系統(tǒng)總線長度的限制而設(shè)計，它也可用于在CAN系統(tǒng)中獨立子網(wǎng)絡(luò)的建立及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的改變。此外，它還能夠過濾不需要的CAN消息，降低子網(wǎng)絡(luò)的負荷。
下面以HT6220總線通信模塊為例，簡要分析模塊的實現(xiàn)原理。圖1是HT6220的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。該模塊的核心處理器采用32位CPU來實現(xiàn)，可保證利用該模塊所構(gòu)建的系統(tǒng)在大數(shù)據(jù)流量下仍不會有數(shù)據(jù)幀的丟失；模塊的電源部分采用USB供電；CPU的內(nèi)部看門狗和外部硬件看門狗配合使用，極大地提升了該模塊的抗干擾能力；USB控制器內(nèi)置了豐富的輸入輸出緩沖區(qū)，很好地協(xié)調(diào)了32位CPU與USB通信的速度差；CAN通信接口采用光電隔離技術(shù)，大大提高了系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性；浪涌保護的引入，使系統(tǒng)能滿足抗雷擊及防ESD的需要。

圖1：HT6220內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

利用CAN總線通信模塊構(gòu)建典型系統(tǒng)
下面以采用HT6200系列CAN總線通信模塊構(gòu)建的數(shù)字礦山系統(tǒng)為例，給出利用CAN總線通信模塊構(gòu)建工控系統(tǒng)的典型方法。
由于煤礦行業(yè)生產(chǎn)過程復(fù)雜、信息源多、分布性強，因此需要對整個礦山的自然信息、設(shè)備和人員信息實時地進行準確統(tǒng)計和綜合處理，數(shù)字礦山系統(tǒng)就是對整個礦山進行統(tǒng)一信息采集和管理的工控系統(tǒng)。圖2是利用HT6200系列CAN總線通信模塊構(gòu)建的數(shù)字礦山系統(tǒng)的框圖。

圖2：數(shù)字礦山的系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)由礦山主干網(wǎng)和子礦區(qū)網(wǎng)共同組成。由于礦山的面積比較大，在不加中繼器的情況下，CAN網(wǎng)絡(luò)的總線長度是有限的，所以將整個礦山分成四個子礦區(qū)網(wǎng)，而在系統(tǒng)的中央控制中心鋪設(shè)主干網(wǎng)。子礦區(qū)網(wǎng)和主干網(wǎng)之間的通信采用HT6240來實現(xiàn)，采用這種結(jié)構(gòu)以后，在子礦區(qū)網(wǎng)一側(cè)，由于HT6240的數(shù)據(jù)過濾功能，濾除了系統(tǒng)中與該子網(wǎng)無關(guān)的信息，可以使其能夠采用較低的通信波特率(5Kbps)而系統(tǒng)信道不會出現(xiàn)堵塞，藉此可以將CAN總線延伸到更遠的巷道。在礦山主干網(wǎng)一側(cè)，可使其最長總線距離縮減為各個集線器之間的最遠距離(而不是整個CAN網(wǎng)絡(luò)中最遠兩個節(jié)點的距離)，極大地縮短總線的距離，從而使礦山主干網(wǎng)可以采用更快的通信速率(250Kbps)，提升了系統(tǒng)的整體速度。
礦山主干網(wǎng)用于連接系統(tǒng)的管理信息系統(tǒng)(MIS)主機、地理信息系統(tǒng)(GIS)主機以及各子礦區(qū)網(wǎng)的CAN集線器。由于通信距離較近，數(shù)據(jù)流量較大，所以主干網(wǎng)采用高傳輸速率。其中，MIS主機和GIS主機均采用雙機冗余的工控機來實現(xiàn)，工控機通過HT6220和HT6230接入CAN網(wǎng)絡(luò)，管理軟件通過串口映射技術(shù)與CAN網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交換，礦區(qū)的其他授權(quán)用戶可通過以太網(wǎng)訪問整個數(shù)字礦山系統(tǒng)。
子礦區(qū)網(wǎng)主要用于巷道內(nèi)各種參數(shù)的采集及對礦下設(shè)備進行控制。需采集的參數(shù)包括：巷道中的溫、濕度信號、瓦斯?jié)舛刃盘柕龋硗猓到y(tǒng)中還加入了采用RFID(射頻識別)技術(shù)的人員和設(shè)備位置采集器，系統(tǒng)給出的控制信號包括聲光報警信號和進行設(shè)備控制的I/O輸出控制信號等。上述功能均采用安裝在現(xiàn)場的儀器儀表和HT6210共同構(gòu)成的CAN子系統(tǒng)來實現(xiàn)。采集到的所有信息均通過CAN集線器最終發(fā)送給MIS主機或GIS主機，所有的控制信號也都由MIS主機或GIS主機發(fā)出。
本文小結(jié)
現(xiàn)場總線以其獨有的技術(shù)優(yōu)勢和特點，在現(xiàn)代工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域中得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用。但在目前已經(jīng)投入使用的工業(yè)控制系統(tǒng)中，各儀器設(shè)備或裝置之間進行通信所使用的大部分仍是傳統(tǒng)的RS232或RS485(RS422)。工業(yè)企業(yè)在不斷投入新型現(xiàn)場總線系統(tǒng)的同時，要在短期內(nèi)淘汰那些舊系統(tǒng)是不現(xiàn)實的，況且在許多應(yīng)用系統(tǒng)中，新老系統(tǒng)的功能是相似或兼容的。所以在一定時期內(nèi)，新老總線系統(tǒng)同時并存是客觀現(xiàn)實的需要。采用HT6200系列CAN總線通信模塊對傳統(tǒng)的通信接口進行數(shù)據(jù)的透明轉(zhuǎn)換，使整個系統(tǒng)成為CAN總線系統(tǒng)，則能在較短的時間，花費較少的投資獲得高可靠的工控系統(tǒng)。