基于CAN總線新型分布式數據采集系統的研發

摘要:基于CAN總線新型分布式數據采集系統的研發。

關鍵詞:CAN總線 環網 I/O模塊 隔離

0 引言

本文介紹了CAN-bus，以及基于CAN-bus通用I/O模塊的應用與組網，利用控制主機的雙CAN控制器來控制鏈接通用I/O智能模塊，根據控制系統需要可自由、靈活組成控制采集系統。

1 CANbus簡述

CAN-bus(Controller Area Network)即控制器局域網，是國際上應用最廣泛的開放式現場總線之一。作為一種技術先進、可靠性高、功能完善、成本合理的遠程網絡通訊控制方式，CAN-bus已被廣泛應用到各個自動化控制系統中。例如，在汽車電子、自動機械、智能大廈、電力系統、安防監控、船舶海運、電梯控制、消防安全等各領域，CAN-bus都具有不可比擬的優越性。

CAN-bus以其開發維護的低成本、高總線利用率、很遠的傳輸距離(最遠可達10Km)、高速的傳輸速率(最高可達1Mbps)、根據優先級的多主結構、可靠的錯誤檢測和處理機制，全面彌補了傳統RS-485網絡的低總線利用率、單主從結構、無硬件錯誤檢測的不足，使用戶能組建起穩定、高效的現場總線控制系統，從而產生最大的實際價值。

2 原理、作用及特點

如圖1所示，主機通過CAN-bus與現場CAN通用I/O智能模塊鏈接。CAN通用I/O智能模塊完成現場的數據采集以及初期的數據處理，并把數據提供給主機。其中，CAN通用I/O智能模塊，有數字量輸入(DI)、數字量輸出(DO)、模擬量輸入(AI)、模擬量輸出(AO)和脈沖輸入計數(PI)模塊，不再累述。主要介紹主機的作用和特點。

主機作用是完成于下面各個智能模塊的連接通訊，讀取現場數據，并把數據歸總，形成一定協議模式。或者進行一定的運算，以及保護輸出。除此之外，還要實現與人機界面的通訊。

主機是采集系統的一部分，系統的特點是要把數據形成標準的，透明的，公開的標準通訊協議，讓系統更易于上位的HMI(人機界面)、組態軟件、DCS(分散控制系統)以及用戶自己開發軟件界面系統通訊，實現完整的數據采集系統。

3 實現方法及電路

為提高現場CAN通信的可靠性，我們開發出一種采用MB90F543微控制器的雙CAN冗余通信系統。雖然CAN協議本身具有較強的檢錯糾錯能力，但在工業控制現場，插頭連接的不牢固、傳輸介質的損壞或總線驅動器的損壞等都會破壞CAN的可靠通信。在要求高可靠性的應用系統中，這些故障如不能自動檢測到并采取相應措施克服，將使系統部分甚至完全失去通信能力。而解決這一問題的有效途徑就是采用冗余通信控制。從而保證通信系統主要功能正常運行，以此提高系統的可靠性。

MB90F543是Fujitsu公司推出的一款帶2個CAN控制器的16位微控制器。系統使用兩套總線(CAN0、CAN1)，每一套包含獨立的總線電纜、總線驅動器和總線控制器，可以實現物理介質、物理層、數據鏈路層及應用層的全面冗余。兩套總線采用熱備份方式運行:一個CAN控制器作為系統上電后默認的CAN(可稱為主CAN);另一個為系統的備用CAN(稱之為從CAN)，作為主CAN的冗余。系統正常工作時，主CAN總線(CAN0)投入運行。當主CAN總線發生故障時，從CAN總線(CAN1)投入運行。如上電檢測到主CAN總線故障，則從CAN總線自動投入運行。這樣在一套總線發生故障時，另一套總線自動繼續工作，保證整個系統的通信功能正常運行，大大提高了系統的可靠性，實現了CAN總線的全面冗余設計。CAN驅動電路如圖2所示。

MB90F543的一個RS232口用于驅動通用的RS485總線，協議用標準的MODBUS協議，能與各種控制系統連接，形成一套完整的數據采集系統。

4 結論

本系統用于DCS的現場數據采集中多年，包括135MW、300MW和600MW火力發電主控DCS的現場控制總線級的采集模塊(卡件)，實踐證明，本系統工作穩定，數據傳輸可靠，可靠性良好。

參考文獻:

[1]鄔寬明.CAN總線原理與應用系統設計.北京:北京航空航天大學出版社.1996.

[2]FUJITSU LIMITED. F2MC-16LX 16-BIT MICROCONTROLLER MB90540/545 Series HARDWARE MANUAL，2001.

[3]FUJITSU LIMITED.F2MC-16LX 16-BIT MICROCONTROLLER MB90500 Series PROGRAMMING MANUAL，1998.

作者簡介:康孝高(1978-)，男，浙江平陽人，助理工程師，工學士，主要研究方向:電子儀表研發。