總線技術及CAN總線技術簡介

1.現場總線技術簡介

1.1 什么是現場總線

現場總線是20世紀90年代發展形成的，用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化、家庭自動化等領域的現場設備互連的通信網絡，是現場通信網絡與控制系統的集成。

1.2 現場總線的特點

1.2.1 現場總線的結構特點

與傳統的控制系統在設備之間采用一對一的連線，測量變送器、控制器、執行器、開關、電機之間均為一對一的物理連接，而在現場總線系統中，個現場設備粉筆作為總線上的一個網絡節點，設備之間采用網絡式連接是現場總線系統在結構上最顯著的特征之一。在兩根普通導線制成的雙絞線上，掛著幾個、十幾個自控設備。總線在傳輸多個設備的多宗信號，如運行參數、設備狀態、故障、調校與維護信息等的同時，還可以為總線上的設備提供直流工作電源。

1.2.2 現場總線的技術特點

現場總線是控制系統運行的命脈、通訊的樞紐，因而應關注系統的開放性、互可操作性、通訊的實時性、以及對環境的適應性等問題：

(1)系統的開放性

系統的開放性體現在通信協議公開，不同制造商提供的設備之間可實現網絡互連與信息交換。這里的開放是指對相關規范的一致與公開，強調對標準的共識與遵從。一個開放系統，是指它可以與世界上任何一家制造商提供的、遵守相同標準的其他設備或體統相互連接。用戶可以根據自己的需要，把來自不同制造商的商品組合成適合自己控制應用需要的系統。

(2)互可操作性

互可操作性，是指網絡中互連的設備之間可實現數據信息傳送與交換。也意味著，對不同生產廠家的性能類似的設備可以相互交替換。

(3)通訊的實時性與確定性

現場總線系統的基本任務是實現測量和控制，而有些測控任務是有嚴格的時序和實時性要求的，達不到這個要求或因時間同步問題影響了網絡節點間的動作時序，有時會造成災難性的后果，這就要求現場總線系統能提供相應的通信機制，提供時間發布于時間管理功能，滿足控制系統的實時性要求。

1.3 總線技術的分類

(1)CAN總線

CAN總線(Controller Area Network)是控制器局域網的簡稱，是德國Bosch公司在1986年為解決現代汽車中眾多的測量控制部件之間的數據交換而開發的一種串行數據通信總線。現在已經成為ISO國際標準ISO11898。

(2)基金會現場總線FF

基金會現場總線FF(Foundation Fieldbus)的主要組織研發者是現場總線基金會，已被列入IEC61158標準。這是為與自動化系統更好的銜接，特別是為了滿足自動化系統在功能、環境與技術上的需要而設計的。FF適合在流程的工業的生產現場工作，能適應安全防爆的需要，還可通過通信總線為現場設備供電。

(3)PROFIBUS

PROFIBUS是Process Fieldbus的縮寫，是面向工廠自動化和流程自動化的一種國際性的現場總線標準。它已被廣泛應用于制造業自動化(汽車制造、裝瓶系統、倉儲系統)、過程自動化(石油化工、造紙和紡織品工業企業)、樓宇自動化(供熱空調系統)、交通管理自動化、電子工業和電力輸送等行業[7]。

2.CAN總線技術簡介

2.1 CAN總線技術簡介

CAN全稱為Controller Area Network，即控制器局域網，CAN總線是國際上應用最為廣泛的現場總線之一。最初，CAN總線技術被應用到汽車環境中的微控制器通信，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網絡。

2.2 CAN技術的發展歷史

1986年2月，Robert Bosch公司在汽車工程協會的大會上介紹了一種新型的串行總線—CAN，那是CAN誕生的標志。今天，在歐洲幾乎每一輛新的轎車上均配有CAN總線。

在1980年的早些時候，Bosch公司的工程師就開始論證當時的串行總線用于客車系統的可能性，因為沒有一種現成的網絡方案能夠滿足汽車工程師們的要求。于是，這種新的總線系統被稱為“汽車串行控制器局域網”。這種多網絡的方案基于非破壞性的仲裁機構，能夠確保高優先級報文的無延遲傳輸，并且，不需要在總線上設置主控制器。此外，Bosch公司以及實現了數種在CAN中的錯誤檢測機制。該錯誤檢測也包括自動斷開故障節點功能，以確保能繼續進行剩余節點之間的通信。傳輸的報文并非根據報文發送器/接收器的節點地址識別，而是根據報文的內容識別。同時，用于識別報文的標識符也規定了該報文在系統中的優先級[2]。

3.CAN局域網的技術特點

3.1 CAN的性能特點

國際標準ISO11898定義的CAN(Controller Area Network)總線全稱是全數字式現場控制設備互連總線，它是有效的支持分布式控制以及實時控制的串行通信網絡。與其他總線比較起來，CAN總線的數據通訊具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其主要特點是：

CAN以多主機方式工作，網絡上任一節點均可在任意時刻主動地向網絡上其他幾點發送信息，而不分主從，通信方式靈活，且無需站地址等節點信息。利用這一特點可以方便的構成多機備份系統[8]。

CAN網絡上的節點信息分為不同的優先級，可滿足不同的實時要求，優先級的數據最快可在134μs內得到傳輸。

通信的硬件接口相對比較簡單，通信線少，通信線可以為同軸電纜、雙絞線或光纜，甚至可以通過滑環進行信息傳輸[4]。

3.2 CAN總線應用層協議

CAN總線協議本身只定義了物理層和數據鏈路層的規范，這使得CAN能夠更廣泛的適應不同的應用條件，但也給用戶使用CAN帶來了不便。用戶在應用CAN協議時，必須根據實際需要自行定義CAN高層協議。

4.結束語

現場總線控制系統FCS采用了現代計算機技術中的網絡技術、微處理技術以及軟件技術，實現了現場儀表之間的數字連接及現場儀表的數字化，給工業生產帶來了巨大的效益，降低了現場儀表的初始安裝費用，節省了電纜以及材料費和人工成本，不但曾強對現場控制的控制更為靈活，信號傳遞的精度更是提高了不少，同時還減少了系統運行維護的工作任務。現場總線技術的不斷發展，帶動了一次工廠生產中應用的自動化系統及信息集成技術的一次飛躍，新的現場總線技術已經在自動化監控系統中已經初露端倪。CAN總線及其他總線技術一定會在以后的工業生產中發揮更大的作用。

[1]姜秉梁.縣級自來水供水控制系統的研究[D].石家莊:河北農業大學,2007:1-58.

[2]仲科.基于DSP的印刷套色控制系統[D].杭州:浙江大學,2006.

[3]張曉鳴.CAN網橋的設計與實現[D].上海:華東師范大學,2007.

[4]趙興炳.溫室環境控制智能節點的開發[D].北京:中國農業大學,2004.

[5]于立.現場總線系統在化工物流園區應用[J].上海化工,2011,36(5):24-29.

[6]王清明.基于DSP的μC/OS-II移植及CAN構件設計[D].成都:西華大學,2008:1-75.

[7]唐濟揚.基于現場總線技術的先進控制系統[J].制造業自動化,2000,22(7)31-35.

[8]王影.油田大型中央潤滑站監控設備輸入系統設計[D].沈陽:沈陽理工大學,2009.

[9]周能輝.基于CAN總線的純電動轎車動力總成控制器的開發研究[D].天津:天津大學,2012.