應用現場總線技術，促進廣播電視系統智能化

艾爾肯·熱和曼，張文磊，趙季偉

（1.新疆維吾爾自治區阿克蘇地區電視臺 播出部，新疆 阿克蘇 843000；2.中國人民解放軍92493部隊88分隊，遼寧 葫蘆島 125000；3.遼寧廣播電視臺 北斗傳媒，遼寧 沈陽 110820）

1 概述

在“三網融合”與NGB的政策和現實的推動下，我國廣電行業進入一個新的高速發展期。當廣電數字化以后，在IT網絡技術支持下，廣播電視系統正在向更高的技術層次發展，市場對電視設備和系統的網絡化、自動化、智能化需求日益高漲。特別是“云計算”與“物聯網”概念的出現，為廣電智能化提供了一個劃時代的嶄新思維模式。自動化控制是實現系統智能化的基礎。實現智能化需要兩個基本前提條件，一是智慧的“大腦”，除了高于人腦的運算能力和智慧效果，就是海量知識庫系統的輔佐；二是可靠的自動化控制，除了過程與現場控制的執行能力，更需要采集現場信息和數據分析，以確保“大腦”的分析運算成果和智能化控制效果[1]。

無論是將自動化與智能化作為重要賣點的錄像機、攝錄一體機、網絡前端、發射機等廣播電視設備，還是電視中心自動播出、有線電視網絡實時監控、廣播電視發射覆蓋網絡等廣播電視系統，在自動化的過程控制中，都大量采用RS-232（V.24）串行數據或RS-485/422外部總線接口標準，來提供廣播現場的自動控制。然而，隨著廣電的數字化進程，廣播電視系統規模越來越大，被控與被管理的范圍越來越寬，被控結構越來越復雜，并不斷趨向于分布式體系結構，使得傳統的RS-232/422/485接口（即EIA/TIA標準），越來越力不從心。

這種發展過程中的矛盾，技術先進國家也曾遇到。雖然RS-232被長期大量使用，畢竟是一種點對點的低速傳輸模式，沒有能力支持更高層次的計算機與網絡間的互操作。特別是在機電環境日益劣化，被干擾的可能性越來越大——失敗控制和錯誤動作此起彼伏。盡管后來出現了有所改善的RS-422/485總線模式，但與日俱增的設備與管理智能化需求仍然構成當前自動化與智能化的新矛盾。近年來，在大規模的現場自控中，傳感器、執行器和控制器的布置范圍更大，管理和控制的智能化要求更高，如果在最底層仍采用傳統拓撲結構，安裝成本和介質造價將直線上升；而采用流行的局域網（LAN組件）或RS-422/485總線拓撲結構，雖然可以減少長度，卻額外增加了介質及相關硬件與軟件，其系統造價與星型系統相差無幾，而且LAN的可靠性與安全性，普遍令人擔憂。這就使新興現場總線技術具備了誕生與發展的內外條件。

針對這種普遍矛盾，IEC TC65C WG6小組于1985年開始負責研究現場總線的網絡體系結構及標準工作。WG6小組試圖在最低層次上，設計一種造價低廉而又能經受工業現場環境考驗的標準化技術，并陸續公布了一系列現場總線（Field bus）的功能需求。 此間，美國儀器（設備）協會（Instrument Society of America，ISA）和 IEEE也相繼開始了此項技術的研究。

現場總線是在生產過程現場及控制設備之間以及對更高控制管理層次之間，構成過程自動化的智能互連互通的數字通信基礎網絡。它不僅是一個基礎網絡，還是一個開放式的、全分布的控制系統。這項以智能傳感、控制、計算機、數字通信等技術為主要內容的綜合技術一出現，立刻將計算機和互聯網與傳感器、執行器和控制器集成為一個分布式系統，從而成為世界IT與自控技術發展的熱點，廣泛應用于智能化程度要求較高的汽車、船舶、飛機、軍工制造以及醫療與環衛監控等領域。僅汽車電子一項，全球2010年將安裝5.28億個車載CAN總線節點（數據引自ABI Research《2008車載網絡研究報告》）。世界自動化系統結構與設備領域的重大科技進步，使 “云計算”與“物聯網”從概念走向現實應用。

當今的廣電數字化時代，不僅具備了提及智能化（包括技術、生產、經營和管理）的前提條件，而且，每每提到“智能化”，廣電的各個角落都透露出現場總線技術的需求愿望；只是沒有被人提領，沒有像其他行業一樣體察它的存在。然而，它卻像當初的“辦公自動化（OA）”概念一樣，引發了廣播電視系統和管理流程的“后數字時代”的深層變革。

2 現場總線控制系統架構及其由來

現場總線控制系統（Fieldbus Control System，FCS）被自控技術稱為“5G”（第五代自控系統）。FCS突破了第四代集散式分布控制系統 （Distributed Control System，DCS）的局限，以公開化、標準化的解決方案，變DCS集中與分散相結合的集散系統結構為類似“云計算平臺”的分布式結構，破除通信專網的封閉，把控制功能直接推向現場和“數物”（Cyber-Physical）的邊際端點[2]。

雖然，FCS是基于局部范圍的計算機通信網絡，但它根據全球市場的普遍需求，將現場總線設備的工作環境置于過程設備的底層，以企業現場設備級的基礎通信網絡，實現協議簡單、容錯能力強、安全性好、成本低的基本要求，并滿足較高的時間確定性和實時性要求以及網絡負載穩定、多數需要短幀傳送、信息交換頻繁等現實需求。

自從國際標準化組織ISO在1984年創建了一個分層結構的 “開放式系統互連通信的參考模型”（簡稱ISO/OSI參考模型）以來，無論是LAN還是WAN等計算機網絡，都據此而獲得高速發展。然而，從市場需求到網絡通信技術標準看，FCS都不同于上層高速數據通信網，沒有必要按照上層數據通信的ISO/OSI參考模型構建復雜的標準化開放體系；卻有必要遵循ISO國際標準化，以通信協議的低層應用，實現異構網絡與設備的互連互通。

為此，FCS協議只定義了7層結構參考模型中的最下兩層——物理層（PHY）、數據鏈路層（DLL），采用物理層、數據鏈路層和應用層（AL）的3層網絡結構。規定流量控制和差錯控制在數據鏈路層執行，而報文的可靠傳輸在數據鏈路層或應用層執行。應用層協議由用戶自定，或采用國際組織制訂的種種工業標準，如用于過程控制的DeviceNet協議和用于機電控制的CANopen協議。應用協議采用用戶自定或國際工業標準各有利弊，這取決于應用產品的經營策略：是期待局部封閉而整體獲利，還是期待開放后在產業鏈和供應鏈上循環獲利？FCS的三層結構所傳送的數據單位分別是比特（PHY）、幀（DLL）和報文（AL）。

這種網絡結構雖然簡單，但能更為直觀地執行協議，而又不降低性能，達到卓越的性價比。所以，可以認為開放性、分散性與數字通信是FCS最顯著的特征。雖然FCS簡化了網絡結構，與OSI標準模型并不完全一致，卻是一種等價的開放式實時系統，從而保證對異構系統的兼容性。對照ISO/OSI參考模型，現場總線系統體系結構模式如圖1所示。

從物理層上看，典型的FCS是由現場設備、接口與計算設備以及介質通信所組成，同時滿足過程控制和生產自動化的需要。值得注意的是，嵌入式系統正在成為FCS工業數據總線中最為活躍的一個應用領域。因為嵌入式系統為FCS的投資保護提供了非常有效的解決方案。

目前，國際上許多有實力、有影響的公司都先后在不同程度上進行了FCS系統與產品的技術開發，如影響力較大的 Foundation Fieldbus （FF）、Lon Works、Profibus、HART、Dupline和CAN Bus等，它們各有千秋，在不同應用領域形成獨自的優勢。其中CAN Bus（Controller Area Network bus，控制器局部網總線，以下簡寫為CAN）獨具特色，以其質優價廉的高可靠性，獲得絕對的應用優勢，特別適合高可靠性、高智能、高標準廣播電視系統應用[3]。

3 CAN的技術內核[4]

CAN技術是“汽車文化”的結晶。20世紀80年代初，很多有實力的電子公司為了解決現代汽車中大量控制與測試傳感器間的數據交換，致力開發一種串行的數據通信協議。全球汽車電子和部件制造的“老大”——德國博世（Bosch）公司率先提出CAN，試圖以一種多主總線，通過相當于P2P對等式的網絡結構，建立車載CAN控制器局部網。1986年11月博世發布CAN技術工業規范（V1.0），獲得世界級電子公司的廣泛支持。飛利浦半導體公司于1991年9月繼承和發布了CAN技術規范（V 2.0），包括現今仍在流行的A、B兩部分，V 2.0A規范了原CAN工業標準V 1.2定義的報文格式，而V 2.0B則規范了“標準的”與“擴展的”兩種報文格式。對此研究多年的ISO，跟蹤和考證了全球CAN的發展歷程和市場需求，于1993年11月正式頒布 “數字信息交換——高速通信控制器局部網（CAN）”的國際標準（ISO11898）。從而成為當今世界應用最為廣泛的現場總線國際標準之一。

ISO11898只定義了ISO/OSI參考模型的最下面兩層——數據鏈路層和物理層，既保證了通信節點間無差錯的數據傳輸，又達到低廉的工業實現。應用層協議采用FCS系統的一貫做法，由CAN用戶自行定義。用戶應用的CAN分層體系結構如圖2所示。

從物理上看，應用CAN的實體媒介可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。直接通信距離最遠可達10 km（對應信息傳輸速率5 kbit/s以下）；傳輸速率最高可達1 Mbit/s（對應通信距離最長為40 m）。CAN的工作節點數取決于總線驅動電路（接口適配器類型），目前采用低價的通用接口器件可達110個；報文標識符可達2 032種（CAN V2.0A），而擴展標準（CAN V2.0B）的報文標識符幾乎不受限制。以最簡單的網絡結構，只需1對傳輸回路即可與外部互連，方便生產集成工藝線束，構成錯誤探測和網管的CAN模塊。從數據鏈路的邏輯結構上看，CAN具有最為重要的以下幾項技術內核：

1）非破壞性總線仲裁技術

圖2 CAN分層體系結構模式

CAN協議的總線分配方式不同于以太網的CSMA/CD協議，保證不同節點同時申請總線存取，可以明確地分配總線。CAN協議是以非破壞性的“位仲裁”方法，解決通信雙方“握手”后，同時發送數據而產生總線存取沖突的問題。而且，當總線的傳輸能力不足時，所有傳輸請求都將按重要性的優先級來順序處理。實驗和統計證明，以消息內容為優先的總線存取是一種有效的方案；在總線重負載的情況下，可以確保傳送有用消息的總線不被占用。而在CSMA/CD協議的消息仲裁系統中，往往因過載而造成系統崩潰。而且，這種非破壞性總線仲裁技術，使得網絡應用的互操作更簡單、更可靠。

2）數據塊編碼方式

CAN協議的最大特點是對通信數據塊基于報文編碼，不同于TCP/IP協議采用的地址編碼。其主要優點是可使網絡內節點的數量在理論上不受限制。數據塊的標識碼是由11位（V2.0A）或29位（V2.0B）的二進制數組成，定義211或229個不同的數據塊。這種按數據塊的編碼方式，可使不同的節點同時接收到相同的數據，構成一點對多點以至一點對全局的雙向廣播通信，非常適合分布式測控系統之間的數據通信，如分布式現場總線控制系統（FCS）。數據段長度最多為8 byte，可滿足常規工業控制領域中指令、狀態及測試數據的一般需求。而且，8 byte不會占用總線時間過長，保證了通信的實時性。CAN協議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，確保數據通信的可靠性。

3）多主競爭式模式結構

CAN技術采用了多主競爭式總線結構，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線特征。CAN總線的任意節點，可在任意時刻主動地向其他網絡節點發送不分主次的信息，而各節點之間也可實現相互的自由通信，非常方便地構成分布式監測監控系統，并可向多機備份的智能化冗余系統延展。CAN總線適配器集成了CAN協議物理層與數據鏈路層的各種功能，直接由硬件完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環冗余檢驗、優先級判別等工作。通過通用計算機CAN總線卡和CAN串行接口芯片兩類器件，可以構成設備內部的CAN總線或設備外部的CAN現場控制網絡。通用CAN總線卡可以自由應用于普通計算機，而接口芯片則在設備端口或設備體內技術集成。

4）報文格式

CAN協議支持A/B兩種報文格式，兩者唯一的區別是標識符（ID）長度不同。標準格式為11位，擴展格式為29位。在標準格式中，報文的起始位稱為幀起始（SOF），然后是由11位標識符和遠程發送請求位（RTR）組成的仲裁場。RTR位標明是數據幀還是請求幀，在請求幀中沒有數據字節。控制場包括標識符擴展位（IDE），是指出標準格式還是擴展格式。它還包括一個預留位（RO），將來擴展使用。它的最后4 byte指明數據場中的數據長度（DLC）。數據場范圍為0～8 byte，其后有1個檢測數據錯誤的循環冗余檢查（CRC）。報文中數據幀的通用格式如表1所示。

表1 CAN數據幀通用格式示意圖表

報文的尾部由幀結束標出。在相鄰的兩條報文中間設有1個很短的間隔位，如果此時沒有站對總線存取報文，總線則處于空閑狀態。

應答場（ACK）包括應答位和應答分隔符。發送站發送此2位時顯現隱性電平（邏輯1），接收站正確接收報文時發送主控電平（邏輯0）。用這種方法，發送站可以保證網絡中至少有一個站能正確接收到報文。

4 廣電應用CAN的理由

CAN早已是舉世公認的最有前途的現場總線之一。它以卓越的性能、極高的可靠性和令人普遍接受的性價比，廣泛激起了各行各業以其實現生產自動化和智能化的夙愿。然而，多數廣電對設備和系統的需求仍在追求RS-232/485控制方式，或者僅以規模和造價含糊描述當前和未來的采購需求。而廣播電視設備制造商和服務商雖然認同CAN，但苦于市場需求而發展緩慢。

4.1 CAN特別適合廣電應用的關鍵理由

4.1.1 高成熟度

廣播電視系統作為“高標準、嚴要求”的信息系統，特別強調應用新技術的成熟度。CAN經過近20年的進步與發展，已得到各行各業的廣泛應用。在通信衛星、交通工具、機器人、樓宇自控、醫療器械、數控機床、智能傳感器、過程自動化儀表等自控設備和網絡上，甚至在奧巴馬“智慧地球”的小區域智能化方案中，都有CAN的身影。由于CAN的廣泛應用，大批供應硬件，不僅使其質優價廉的特點更為突出，而且技術成熟度也隨之更高[5]。

4.1.2 高可靠性

廣播電視系統的“高標準、嚴要求”集中體現在可靠性上。網絡傳輸數據的可靠性，可以通過統計測量系統殘余數據錯誤的概率來鑒別。它描述了傳送數據被破壞和這種破壞不能被探測出來的概率。殘余數據錯誤概率必須非常小，以至在整個系統生命周期內，按平均統計時幾乎檢測不到。倘若將殘留錯誤的概率作為具有80～90位的報文傳送時的位錯誤概率函數，來評估CAN的殘余錯誤，那么，設定系統為5～10個站，錯誤率為1/1 000，則最大位錯誤概率為10-13數量級。例如CAN網絡的數據傳輸率最大為1 Mbit/s，如果數據傳輸能力僅使用50%，對于一個工作壽命4 000 h、平均報文長度為80位的系統，所傳送的數據總量為9×1010報文。在系統運行壽命期內，不可檢測的傳輸錯誤的統計則平均小于10-2量級。換言之，一個CAN系統按每年365天，每天工作8 h，每秒錯誤率為0.7計算，統計平均后，每1 000年才會發生一個不可檢測的錯誤[5]。這樣高的可靠性，特別適合廣播電視系統“年無差錯”的高標準“安全播出”系統。

4.1.3 高安全性

“安全播出”是廣播電視系統中第一位重要的職責，任何一級廣電機構都將安全置于高過一切的地位。而廣播電視系統安全性的基本矛盾是：分布比較分散、實時性要求高、現場環境干擾大。如此“三大矛盾”，恰恰可以發揮CAN的超群優勢。CAN的設計初衷，就是為了在汽車的自控通信環境中減少線束的數量，通過多個LAN進行大量數據的高速通信，以達到各種電子控制系統之間不同數據類型的安全通信。這與廣電要求解決安全矛盾的需求不謀而合。經過20年的實踐，CAN以其卓越的抗電磁干擾性能、快速優良的檢錯能力以及對病毒、黑客、木馬等惡意攻擊的天生免疫力，獲得極高的安全性能，并為安全要求更高的尖端國防科技所大量采用。

4.1.4 最低成本

在廣電招標項目中，常常把規模和成本作為第一要務。而CAN歷來是以低成本與高總線利用率而著稱，遍及從高速網到多線網的低成本工業自動化的應用。而當前的市場價格，國際上構成CAN神經元網絡的接口芯片，每片約3.2美元（已低于RS－232接口處理芯片價格）；國內市場每個CAN節點的成本至多也不超過30元，而LAN局域網節點的最低成本也要160元。當前廣電正處于系統發展的成長壯大期，再工程與再建設在所難免。而CAN是基于發送報文的編碼，并不對控制節點編碼，因此，增添或刪除CAN節點不會直接影響系統，系統的可擴展性較高，可得到高效的投資保護。具有投資保護的低成本、高性能的CAN解決方案，對廣電特別有益。

4.2 同質對比當前同類技術的應用

4.2.1 對比EIA/TIA接口標準

當前，在廣播電視現場控制系統中，EIA/TIA控制接口標準最為普遍，先將CAN與其進行同類同質對比，見表2。從中可見，CAN比EIA/TIA更適合廣電應用。

表2 CAN Bus總線與RS－422/485總線及RS－232特性對比表

4.2.2 對比現場總線的同類主要協議

伴隨市場需求現場控制系統的快速增長，除了EIA/TIA標準和CAN以外，串行數據通信的現場總線新技術層出不窮，可選的廣播電視系統現場總線協議及控制網絡協議很多，擇其重點與CAN進行同質同類對比，見表3。可知，與同類主要協議相比，CAN最適合廣電應用。

盡管應用現場總線技術，實現廣播電視系統智能化的解決方案各異，但是，仍然存在共性的基本特征。廣電系統采用CAN現場控制的典型應用原理如圖3所示。

表3 廣電應用串行數據現場控制總線協議特性對比表

5 應用舉例

5.1 設備應用一：數字發射機

鞍山嘉惠電子采用Microchip公司dsPIC系列16位單片機構成發射機設備的現場控制系統。設備以主控單元構成管理級主控PC機的下位機，接收和執行來自專網（虛擬）的管理策略和系統指示，同時對發射機輸出傳感器和現場敏感數據進行多通道并行采集，此間采用遞推平均濾波法使采集的數據達到實時可取值，經數據格式變換后，按知識模型進行邏輯判別，再依據管理級指定的控制策略，對CAN總線控制器接口輸出自適應的發射機現場控制信息；同時，按照CAN上位機指定的接口和地址發送本級發射機的共享數據，以達到全系統、全網絡的智能化運行和管理。嘉惠數字發射機CAN平臺原理結構和功能控制詳見圖4。

CAN的總線控制下位機以激勵器控制器為例，經過主控單元對輸出電流、電壓、溫度、入射、反射、頻偏和帶肩、調制誤差率（Modulation Error Ratio，MER）等數據分析，以CAN總線對激勵器控制器發出指令，快速響應并自動執行（可通過控制面板人工干預）預處理參數調整、冗余備份切換、狀態聲光報警、回路門限控制等，使得發射機能夠以智能化適應無人值守的工作環境。

嘉惠數字發射機重要特點之一，是利用CAN允許與以太網或其他局域網相連的特性，在系統管理級的下位構成本級設備的CAN總線平臺（參考圖3）。由CAN接口接入功能模塊的控制指令和應用程序，管理和執行整機的智能化機電現場控制。這一特點與德國R&S數字發射機的CAN平臺類似，將發射站的設備現場控制由近端引向遠端，以便提供單頻網 （Single Frequency Network，SFN）系統的智能化網管控制。

5.2 設備應用二：播控中心矩陣

被大連捷成稱為“銀河”的GALAXY大型高可靠矩陣，還有新型X-PLUS全規模、多格式混插矩陣，以及EXCEED系列大型VGA視頻矩陣等，都能按需達到256×256的控制規模，甚至還可以再提高。它的成功之處在于采用了獲市政府獎的 “i-MOD系列智能化信號處理平臺”。這個平臺的基礎結構為兩部分：一部分是信號處理的CAN平臺，使其能夠實現自適應的智能化信號處理和調度；另一個是工藝結構平臺，使其達到工業化的通用生產，還可拓展到各種廣播電視系統設備的模塊化工藝結構。從i-MOD智能平臺上得到的RS-232/422/485、TCP/IP、C-BUS等標準的自適應接口控制，均在接口硬件中自動地快速實現，不需人工干預。以廣電應用最多的RS-232接口為例，CAN接口控制的主程序流程如圖5所示。

圖5 CAN/RS-232接口主程序圖

其實，國外主流的廣播電視設備早已在應用CAN技術。如10年前NVision的智能矩陣就出現了應用CAN技術的控制接口。當用戶不采用CAN接口時，器件呈現睡眠狀態，并不耗電，而當啟用時則通過總線激活，被系統控制所喚醒，從而達到低能耗的應用。決不像現在廣電系統中大量閑置不用的接口，依然在吞噬著人類的綠色資源。然而，大連捷成公司每年供應國內大小幾百部（件）中心矩陣，無一在廣播電視信號處理系統中啟用CAN平臺或接口。

5.3 系統應用一：數字電視自動播出控制系統

廣電的設備應用忽視了CAN，而系統應用更是如此。在各地廣播電視中心自動播出控制系統中，占有70%以上市場份額的北京格非視頻SuperVision系列自動播控系統，雖然早已完備了CAN平臺，但市場還是熱衷于傳統的RS-232/422控制接口，結果在日益強大的現場機電干擾下，RS-232/422接口終于出現了可怕的 “偽動作”。聯想通信衛星將RS-485總線改為現場總線控制，解決了失敗控制的國際成功案例，充分驗證了存活期超過30年的EIA/TIA接口標準，將走完其生命周期[6]。

5.4 系統應用二：現場實況轉播系統

南非2010世界杯剛剛結束就傳來消息：64場全部賽事的實況現場轉播，只使用1對CAN總線駁接大小轉播車43臺，將全部賽場置于世界足聯的“一人之下”，平息和證實了足球現場判裁“萬人之上”的爭議。如同露天礦的大型作業現場以及銀行網點安防系統應用CAN一樣，在大型電視實況轉播現場建立分布式集群控制的智能化中樞上，充分展示了CAN的特殊作用和卓越貢獻。

6 結論

未來廣播電視的技術攻堅戰，將逾越“數字化”與“網絡化”的歷史進程，直逼系統與管理的“智能化”。而當前廣播電視系統實現智能化過程控制的瓶頸，不在于“想不到”，而在于“不信任”。伴隨汽車文化的普及，現場總線控制和CAN技術將如同豪門名車、知名汽車新技術一樣，變少數人尊崇為多數人共享的智能化手段之一。

[1] 章劍雄，馮浩.現場總線技術概述[J].自動化與儀表，2002（6）：1-3.

[2] 楊春杰，王曙光，亢紅波.CAN總線技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

[3] 劉澤祥.現場總線技術[M].北京：機械工業出版社，2005.

[4] 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.

[5] 邵旻.CAN總線綜述[EB/OL].[2010-02-03].http：//gongxue.cn/xuexishequ/ShowArticle.asp?ArticleID=15939.

[6] 文全剛.嵌入式系統接口原理與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.