CAN總線在新型自動氣象站中的應用與故障分析

汪軍 饒傳新 王華 陳星

摘要：指出了現場總線是如今自動化領域技術發展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。我國現有新型自動氣象站多采用現場總線來進行設備間的通信和控制，CAN總線是應用最廣泛的現場總線之一，新型自動氣象站主采集器和各分采集器之間多用CAN總線進行通信。運用CAN總線有諸多的優點，但也時有故障發生，能夠及時排除CAN總線故障，保證設備的正常運行顯得尤為重要。對CAN總線的概念、特點和各種故障進行了分析，提出了相應的解決辦法，供各位維護人員參考。

關鍵詞：CAN總線;新型站;通訊;故障分析

中圖分類號：P412.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）16-0242-03

1CAN總線簡介

為了弄清楚CAN總線的概念，應先了解現場總線的概念，現場總線是如今自動化領域技術發展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。它主要解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題。它的出現為分布式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支持。現場總線的種類眾多，CAN總線是應用最廣泛最有前途的現場總線之一，CAN總線是英文Con-troller Area Network的縮寫，是ISO國際標準化的串行通信協議。

1.1CAN總線在氣象部門新型自動氣象站中的應用

隨著我國氣象現代化的發展，各種氣象要素的新型設備得到了廣泛的應用，為了滿足靈活多變擴展的需求，新型自動氣象站從原來集中式結構改成了分布式結構。整個系統主要由數據采集系統、傳感器、電源部件、數據傳輸模塊和GPS授時模塊五部分組成，數據采集系統包括主采集器、溫濕度分采集器、地溫分采集器、土壤水分觀測分采集器、輻射分采集器以及可擴展的氣候分采集器。各采集器之間采用CAN總線進行雙工通信，執行11898總線標準（圖1）。

1.2新型自動站氣象站中采用CAN總線的優點

（1）靈活擴展的能力。已建自動氣象站需要增加新的觀測要素或傳感器時，不需要對系統已有的傳感器連接、布線作改動，只需要將新的分采集器或傳感器加入到系統中，并進行簡單的軟件升級和配置就行。

（2）互換兼容。新型自動氣象站采用的現場總線是基于CAN總線技術和國際標準CANopen協議進行設計，涉及數據鏈路層、物理層和應用層的標準定義。按照統一設計要求，只要滿足功能規格書要求的主分采集器，具備統一的物理接口和應用接口，就可以實現各廠家采集器兼容、互換的目的。

（3）支持多主方式，可以實現熱備份或系統冗余。

（4）可靠的檢錯機制和錯誤處理，節點出現嚴重錯誤時可自動關閉輸出，發送的信息受到破壞后可自動重發，具備很高的網絡可靠性。

（5）允許多個節點同時發送信息，具有極高的總線利用率。

（6）可實現點對點、一點對多點及全局廣播。

（7）由硬件實現數據鏈路層通信協議。

（8）通信介質為雙絞線，抗干擾能力強。

（9）通信距離較遠，速率為5Kbps時，直接通信距離最遠達10km。

2CAN總線故障分類

由于多個分采集器的CAN總線的連接電纜是并聯在一起的，任何一個分采集器CAN總線出現故障，都會導致一個分采集器或整個與CAN總線相連的其它分采集器數據異常，至使整個CAN總線網絡癱。在檢修過程中，應查看具體的故障癥狀，根據故障癥狀并結合線路結構圖來初步分析有可能是哪些原因造成的，做到心中有數。CAN總線故障主要有斷路、短路、互相接反等。下面就逐個分析，分析中主要用到電壓法和電阻法。由于CAN網絡的特性，在新型自動氣象站系統設時CAN H或CAN L在正常的情況下都有一個對地標準電壓，在輸入電壓為13.8V（12V）時，CAN H或CAN L對地的標準電壓均約為3.45V。電壓測量法可用于判斷線路是否有對地或電源短路、斷路等問題。電阻法是在電壓法無法判斷的情況下用于判斷CAN網絡的電阻值與正常情況下電阻值的差別來判斷CAN總線網絡故障。

2.1CAN斷路

當某個分采集器CAN H或CAN L導線斷路時，會導致該分采集器無法實現通信，其他分采集器的通信不受影響。根據CAN總線網絡特性一般會在線纜末端串入120Ω的終端電阻，終端電阻因自動氣象站生產廠家的不同，終端電阻的串人位置略有不同，無錫公司生產的自動氣象站在CAN總線終端，華云公司生產的自動氣象站在采集器內CAN總線接入處。在CAN總線接入分采集器的情況下，關閉電源后可以用萬用表電阻檔測量CAN H與CANL之間的電阻來判斷是否斷路。正常情況下電阻值在幾十歐姆，若電阻變得無窮大則說明CAN H或CAN L其中有一根或兩根線有斷路。

2.2CAN短路

2.2.1CANH與CANL短路

當任一分采集器CAN H與CANL出現短路，CAN總線網絡會關閉，無法進行通信，與CAN總線相連的分采集器均無法上傳數據，采集軟件中相關要素顯示缺測。在輸入電壓為13.8V時，CANH與CANL對地電壓均約3.45V，與正常時對地電壓基本相同。此時用下面的方法進行排除。

在CAN總線接人設備的情況下，關閉電源后可以用萬用表電阻檔測量CAN H與CAN L之間的電阻，正常情況下電阻值在幾十歐左右，若電阻值很小只有1—2fl說明CAN H與CAN L短路。在判斷具體哪個分采的CAN總線短路時，應逐個斷開分采集器的CAN總線連接電纜再測量，否則容易誤判。

2.2.2CAN H對電源（正極）短路

當任一分采集器出現CAN H對電源（正極）短路故障時，可導致整個CAN網絡無法通信，與CAN總線相連的分采集器均無法上傳數據，采集軟件中相關要素顯示缺測。當輸入電壓為13.8V時，用萬用表測得CAN H對地電壓約為13.5V，CAN L對地電壓約為11.6V。

2.2.3CAN H對地短路

當任一分采集器出現CAN H對地短路故障時，可導致整個CAN網絡無法通信，與CAN總線相連的分采集器均無法上傳數，采集軟件中相關要素顯示缺測。當輸入電壓為13.8V時，用萬用表測得CAN H和CAN L對地電壓均為0V。

2.2.4CAN L對地短路

當任一分采集器出現CAN L對地短路故障時，因CAN總線的容錯特性，此時各采集器的通信不受影響。當輸入電壓為13.8V時，用萬用表測得CAN H和CAN L對地電壓均為OV。

2.2.5CANL對電源（正極）短路

當任一分采集器出現出現CAN L對電源（正極）短路故障時，可導致整個CAN網絡無法通信，與CAN總線相連的分采集器均無法上傳數據，采集軟件中相關要素顯示缺測。當輸入電壓為13.8V時，用萬用表測得CAN H對地電壓約為13.5V，CANL對地電壓約為13.8V。

2.3CANL與CAN H導線互相接反

當任一分采集器出現CANL與CANH導線互相接反這種故障時，一般情況下，接錯的那個分采集器將無法通信，其他分采集器的通信不受影響。遇到這種情況時，可在斷電的情況下用萬用表電阻檔測量分采集器和主采集器CANL（CANH）是否在同一路徑上。

3CAN故障總結

實際應用中各分采集器與主采集器的CAN總線和供電線多由同一根多芯電纜擔負，并且多芯電纜埋于地溝或管道中，隱蔽不易察看，因鼠咬、損毀、腐蝕等出現短路、斷路的情況時有發生。當出現采集軟件中由CAN總線網絡負責通信的氣象要素無數據顯示時，按上述所列方法檢查線路，一般很快就可排除故障。