多通道ＣＡＮ總線組網研究

摘 要：在工業監控系統中，建立高速、可靠的數據通信通道是其中的關鍵技術。針對實際監控系統超過500個現場節點的要求，應用可靠快捷的CAN總線組網技術，并對各種CAN總線擴展組網方案進行研究，分析各組網方案的原理，比較其優缺點，在實際系統中采用通過多串口卡擴展CAN通道組網方案，充分利用計算機高速分時采集數據、處理數據的特點，提高系統的可靠性。并給出系統中部分電路原理圖和軟件程序流程圖。

關鍵詞：CAN總線；多串口卡；轉換卡；流程圖

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2008)06-095-04

Research on Multi-channel CAN Bus Networking

SONG Yuqin 2，GONG Chao3，ZHANG Wanjiang4

(1.College of Automation，Northwestern Polytechnical University ，Xi′an，710072，China；

2.College of Electronics and Information，Xi′an Polytechnical University，Xi′an，710048，China；

3.Sale Department，Xi′an Coal Mining Machinery Plant，Xi′an，710032，China；4.Xi′an Electric Power Institute，Xi′an，710032，China)

Abstract：Building high-speed and reliable communication channel is crucial technology in industry monitor system.Aiming at requirements over 500 field nodes in practical monitor system，the reliable and fast CAN bus technology is used.Various extended CAN bus networking schemes are studied.The theories of schemes are analyzed.Advantages and disadvantages are compared.The extended networking project through multi-serial port card is adopted in the practical system.It makes good use of the computer characteristics of high speed and time-sharing dada collection and processing.The reliability of system is improved.Parts of circuit theory chart and program flow chart are illustrated.

Keywords：CAN bus；multi-serial port card；conversion card；flow chart

1 引 言

在工業過程的數據采集、監控管理及分布式控制中，要求車間監控室通過高速數據通道對生產現場的運行數據進行實時、準確監控，從而改善控制性能，提高控制精度，有效進行設備故障檢測和診斷，及時反映企業生產狀況，提高企業的生產效率。因此在監控系統中采用何種技術組建網絡數據通道就成為一個關鍵問題，由于采用CAN現場總線技術構建網絡通道具有良好的故障隔離能力和可靠性，因此在工業控制系統中得到了廣泛的應用。本文根據實際監控系統超過500個現場節點的要求，對各種CAN總線擴展組網方案進行了比較研究，最終采用擴展多通道串口CAN總線組網方案，提高系統通信速度和可靠性，完全滿足系統要求。

2 多通道CAN總線組網方案

監控系統采用CAN總線作為數據通道，具有數據傳輸速率快、可靠性高的優點。但CAN總線組網節點有限，網絡中最多只能有110個節點，在系統節點眾多時，采用單一CAN總線網絡就無法滿足系統要求，必須對CAN總線網絡進行擴展。

(1) 組網方案1：采用多個CAN卡進行直接組網。

購買市場上成熟的CAN卡產品，把多個CAN卡直接插入到監控室PC機的擴展插槽中，利用CAN卡組成多個CAN網絡，實現對現場節點的監控。例如對于具有150個節點的系統，可以采用2塊CAN卡，每塊CAN卡實現對75個節點數據的監控。這種方案，系統結構簡單，組網方便，但對于節點眾多的監控系統，卻難以實現。如本系統要求對500多個現場節點進行監控，至少需要5塊CAN卡，而PC機的擴展插槽有限，因此本系統只適用于網絡節點數較少的系統。

(2) 組網方案2：采用分級監控的方案。

采用單路輸出的CAN卡和CAN中間轉換系統組成一級CAN總線網絡，再通過CAN中間轉換系統和現場節點組成二級CAN網絡，從而擴展了現場監測系統的節點數，級數越多，可監控的現場節點數也就越多。分級擴展的方案可擴充的節點多，但由于需要中間轉換系統，使系統的級數增加，現場信息必需經過中級才能傳送到主計算機處理，信息傳送速率較慢，且在中間級出現故障時會使系統局部癱換，此種方案適用與監測節點在千點以上的系統。

(3) 組網方案3：通過擴展串行端口，結合多路RS 232轉CAN總線的轉換卡，實現對CAN網絡的擴展。

即購買多路輸出的串口卡，比如MOXA公司生產的4路或8路輸出的多串口卡C104P/C168P，再配以多路RS 232輸入多路CAN總線輸出的轉換卡，分時對各路掛接的節點掃描監測，從而擴展所監測的節點數。采用多串口卡的方案，可充分利用計算機高速分時采集數據、處理數據的特點，多路“同時”發送及接收數據，采集現場數據快捷及時，即采集數據的速率高。并且由于每路的CAN總線直接與現場監測系統相連，可以很好地實現現場數據的分散采集，主計算機對數據的集中處理，系統的危險分散，可靠性高。但此種方案需要購買多串口卡，并對每個串口輸出配置RS 232轉CAN的轉換卡。此種方案最適用于一千個節點以下的系統。系統組網結構圖如圖1所示。

(4) 組網方案4：通過單一串口，配置RS 232轉CAN的專用轉換卡，實現多通道CAN總線組網。

為此，在系統中采用模擬開關，如4路雙向模擬開關CD4066，低電壓雙路模擬開關MAX4684等。當模擬開關導通時，導通電阻低，相當于接通電路；模擬開關截止時，呈現很高的阻抗，可以看成為開路。計算機通過命令來選擇所要監控數據的通道，由RS 232轉CAN轉換卡上的微處理器控制模擬開關的通斷，從而選中所要采集數據的通道，實現對通道切換。這種設計將使系統簡單，占用系統資源少，系統組成就具有很大的靈活性。但模擬開關接通時有一定的電阻，相當于在CAN回路中串聯了電阻，如果該接通電阻很大，信號在模擬開關處的損耗變大，造成信號衰減，影響CAN信號的通信距離和效果，為此，在實際組網過程中要選用低接通阻值的模擬開關。同時由于增加了對模擬電子開關的控制，所以系統軟件編程較復雜。系統組網原理框圖如圖2所示。

3 RS 232轉CAN總線轉換卡

根據對以上方案的綜合比較，由于本監控系統需要對現場500多個節點實現實時監控，因此組網方案3與組網方案4都可以考慮，方案4雖然簡化了系統結構，但當模擬電子開關出現故障時，整個網絡都會陷入癱瘓狀態，而且軟件編程較復雜，因此本系統采用方案3實現多通道CAN總線組網。

在此，使用MOXA公司提供的C168P八端口串行通信卡，擴展8路串行通信端口。C168P多端口串行通信卡，用于PC/AT總線，采用ASIC芯片代替了傳統的ICS芯片。其傳輸速度范圍可達到50～115.2 b/s。支持RS 232標準電平信號，8個端口可以分配不同中斷向量或同一中斷向量。并且，MOXA公司提供了基于Microsoft Win32 API函數下開發的PComm軟件庫，可用于上層多進程或多線程串行通信的軟件開發，適用于VB，VC，Delphi等高級語言軟件開發環境。由于其性能優良，使用方便，所以被廣泛應用于多端口串行通信中。該卡具體設置如表1所示：

由于擴展的8路串行通信端口都為RS 232標準接口。所以他與CAN現場總線不能直接相連，每一路串行端口都需通過轉換卡進行轉換。此外，CAN現場總線是以報文幀為單位進行數據通信的，且每個報文幀均攜帶對應的ID標識符，而RS 232是以字節為單位的。所以，需要將RS 232的字節轉換成CAN的報文幀形式，或者將CAN的報文幀分解，以字節的形式發送給計算機。這就需要設計一塊由RS 232轉為CAN總線的轉換卡。此轉換卡應能將計算機要發送的數據轉換成CAN的格式，通過總線發送出去。而且也能將其他節點的數據轉換成RS 232信號傳送給計算機。為了將計算機轉換成為CAN格式，在轉換卡中使用AT89C51作為處理器。其中1路轉換卡的具體電路圖見圖3所示，其他7路與此相同。

圖3中將串口RS 232電平經過MAX202轉化為TTL電平，然后經過光耦6N137進行光電隔離后和AT89C51的串口相連。此轉換卡的核心器件為CAN控制器SJA1000。CAN控制器用來執行完整的CAN協議，完成CAN通信功能。圖3中AT89C51和CAN控制器SJA1000相連。SJA1000有2種模式，分別是Intel模式和Motorola模式。SJA1000的MODE腳決定選用何種模式；當該腳接高電平時，SJA1000是Intel模式，當該腳接低電平時，SJA1000是Motorola模式。本系統中，SJA1000 的MODE腳接高電平，選用的是SJA1000的Intel模式。圖3中使用PCA82C250CAN驅動器作為CAN總線收發器。PCA82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口，該器件可以提供對總線的差動發送和接收功能；他能夠抗瞬間干擾，具有保護總線能力和斜率控制降低射頻干擾功能；具備熱保護功能；實現總線與電源及地之間的短路保護；掉電能夠自動關閉輸出；并可與多達110個節點相連接。CAN接收發送器實現將CAN控制器送出的邏輯電平轉化為總線上的物理電平。

此轉換卡的工作原理為：當PC機向其他節點發送數據時，PC機發出的數據經過MAX202先變成TTL電平送入89C51。89C51接收到PC機發來的全部數據后，按照SJA1000要求格式把這些數據重新組裝，通過SJA1000發送給82C250。最后82C250把這些數據發送到CAN總線上。PC機接收數據的過程則與此相反。

4 系統通信軟件設計

4.1 PC機通信程序

PC機上安裝的監控程序要求能夠實現對各現場節點數據的實時監控與采集，通信過程是通過擴展串行口進行的。在Windows操作系統提供的串行通信驅動程序的基礎上，利用Windows API函數就可實現串行口的編程。但在本系統中，使用VC⁺⁺為編程環境， 基于MOXA公司提供的Pcomm軟件庫實現串口數據采集。他把Win32 API封裝在自己的軟件包內，簡化編程步驟，縮短了編程時間。PComm對串口進行編程通信涉及下面的4步處理過程：打開一個要通信的串行端口； 配置串口；通過串口收發數據；釋放串口。函數形式如下所示：

(1) sio_open (port)；

(2) sio_ioctl (port，B38400，P_NONE | BIT_8 | STOP_1 )；

(3) sio_write (port，\"ABCDE\"，5)； sio_read (port，ibuf，length)；

(4) sio_close (port)；

掌握了對串口通信的關鍵步驟后，在PC機與現場節點之間還需要建立通信協議，以保證數據收發的正確性。本系統定義的通信數據幀共24個字節，包含地址區、命令區、數據區和校驗區4個部分，其中校驗采用校驗和的方法。在軟件監控程序中自定義通信函數，程序其他部位需要通信時，只要給此函數傳遞適合的參數，正確調用函數，就可實現通過串口收發數據。PC機通信函數流程圖如圖4所示。

4.2 轉換卡通信程序

RS 232轉CAN總線轉換卡一方面要將PC機發送的數據幀通過SJA1000發送到本轉換卡組成的CAN網絡上；同時對于現場節點送回的數據，轉換卡也需要接收后轉發給PC機；因此轉換卡通信程序是整個系統中非常重要的部分。轉換卡中，接收PC機擴展串行口發來的數據和回送給PC機的數據都是通過單片機89C51的串口通信完成，采用單片機串口中斷的方式進行。而轉換卡和現場節點之間的數據發送和接收采用CAN總線通信完成，因為數據幀共有24個字節，但CAN控制器SJA1000每次最多只能發送和接收8個字節，要完成每個數據幀24個字節的通信，SJA1000需要發送或接收3次才能實現。轉換卡中SJA1000發送和接收都采用中斷方式，中斷信號連接到轉換卡單片機的外部中斷1上，單片機在外部中斷程序中完成數據的發送和接收。因此轉換卡上通信程序主要包括：單片機串口發送/接收中斷服務程序、SJA1000的發送/接收中斷服務程序。單片機串口通信程序較為常用，在此不進行詳述。圖5給出了SJA1000發送中斷服務程序流程圖，SJA1000接收中斷服務程序流程圖原理與此相似。

5 結 語

當監控系統中CAN網絡節點數超過110個時，必須采用多通道組網方式。本文針對各種多通道CAN總線組網方式進行了研究，在系統實際組網中選擇通過多串口卡擴展CAN通道組網方案，很好地實現了CAN總線工業監控網絡的數據通信和現場監控管理功能。

參考文獻

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[2]陽憲惠.工業數據通信與控制網絡[M].北京：清華大學出版社，2003.

[3]饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現場總線CAN原理與應用技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

作者簡介 宋玉琴 女，1972年出生，安徽合肥人，西安工程大學講師，西北工業大學在讀博士研究生。研究方向為故障診斷與容錯控制、智能控制、嵌入式系統等。