基于CSCAN總線壓力監控系統的研究與實現

黃智淵，楊興星

（中國人民解放軍92574部隊，上海 200436）

工業現場中需要對大量壓力儀表的數據進行監控和數據共享，傳統RS485 模式下壓力儀表可實現數據的中心的集采，但是操作現場的不同位置很難實時共享以獲取不同點位的壓力數據（壓力變送器、壓力開關），應用CsCAN總線將多臺OCS 控制器實現壓力模擬量和數字量的互聯互通，可有效提升壓力儀表的監控效率和可靠性[1,2]。

1 CsCAN總線

1.1 CAN總線

CAN 是Controller Area Network 的縮寫，是由Bosch 博世公司研發。CAN 總線具有布線簡單，典型的總線型結構，可最大限度地節約布線與維護成本，穩定可靠，實時、抗干擾能力強，傳輸距離遠等特點。此后，CAN 通過ISO11898 及ISO11519 進行了標準化。由于CAN 總線本身只定義ISO/OSI 模型中的第一層（物理層）和第二層（數據鏈路層），在實際使用中，用戶還需要自己定義應用層的協議，因而在CAN 總線的發展過程中出現了各種版本的CAN 應用層協議，現階段最流行的CAN 應用層協議主要有CANopen、DeviceNet 和J1939 等協議。HORNER 的CsCAN 協議也是基于CAN2.0A 標準發展出來的一種應用層協議。OSI 參考模型包括：①物理層和；②數據鏈路層（ISO11898，ISO11519）；③網絡層；④傳輸層；⑤會話層；⑥表示層和⑦應用層（CSCAN、CANOPEN、DEVICENET和SAEJ1939）[3]。

圖1 CsCAN網絡的總線拓撲結構圖Fig.1 Bus topology of CsCAN network

圖2 CsCAN網絡的波特率和通信距離的關系圖Fig.2 Relationship between baud rate and communication distance of CsCAN network

1.2 CsCAN總線

CsCAN 協議是HORNER 公司在CAN 2.0A 基礎上開發的一種高速通信協議，主要用于實現HORNER 產品之間的數據交互。其主要特性如下：

1）通信網絡介質：CAN 總線電纜（四芯屏蔽雙絞鍍錫銅線，121Ω 特征阻抗）。

2）通信速率：目前支持50Kbps，125Kbps（默認），250Kbps，500Kbps，1Mbps。

3）通信距離：使用標準粗纜（18AWG）情況下，不加中繼器通信距離500m；網絡最多允許使用3 個中繼器，使網絡拓展到2000m。

4）接點數量：在不使用中繼器的情況下，單個網段最多有64 個節點設備；每增加1 個中繼器，網絡可增加64 個節點；最多允許使用3 個中繼器，但總節點數不超過253 個。

5）網絡終端電阻：網絡兩端需要安裝終端電阻，121 Ω，1%精度，功率不小于1/4 W。CAN 總線上的所有節點沒有主從之分，大家都處于平等的地位。反應在數據傳輸上，即是：在總線空閑狀態，任意節點都可以向總線上發送消息。CsCAN 總線可以實現點對點通信和數據的廣播交互，因此CsCAN 網絡上的任意控制器/模塊均可以接收到其他控制器/模塊的數據，也可以把自身的數據廣播到網絡中去[4,5]。

CsCAN 總線通信中，關于供電和屏蔽線纜的連接方式，請注意：網絡兩端需要安裝終端電阻。每段不相連的屏蔽電纜的屏蔽層只能單端接地；幾段屏蔽電纜的屏蔽層可以連接在一起，但是也只能單端接地。如果網絡中存在IO 模塊，一般通過總線供電，V+、V-需要連接電源。如果只是控制器間的通信，CAN 端子的V+可以不連接起來，但V-需要連接。

2 壓力數據配置

2.1 OCS設置

OCS 控制器外圍具有RS485、RS232、AI 和DI 功能，通過Modbus RTU/ASCII 協議或自定義協議采集485 輸出的壓力儀表數據，通過AI 4mA～20mA 電流采集壓力變送器的輸出，通過DI 采集壓力開關儀表的工作狀態。CAN 總線接口采用RJ45 網口形式，8 針分別對應：1-CAN 數據高、2-CAN 數據低、3-公共端、4-NC、5-NC、6-屏蔽連接、7-公共端0V 和8-NC。OCS 控制器內置120Ω 總線終端電阻，應用%SR152.4 控制是否啟用CAN 總線的終端電阻。以控制器間的CsCAN 總線通信舉例，連接兩臺用于壓力監控的OCS 控制器，實現功能如下：

1）控制器A 發送1 個16 位的整數到控制器B。

2）控制器B 發送1 個16 位的整數到控制器A。

3）控制器A 發送16 個數字量到控制器B。

4）控制器B 發送16 個數字量到控制器A。

5）控制器A 需要知道當前網絡的通信狀態，B 是否能和它通信正常。

因為CsCAN 網絡上的每個設備需要有不重復的ID，所以這里把控制器A 的ID 設置為1，B 的ID 設置為2。此項操縱可以在控制器屏幕上的系統菜單中完成，也可以在Cscape 編程軟件中的Controller -> Set Local Network ID 實現。設置完成后，編程軟件右下方連接到的控制器的Local ID 地址就會變為所設定的地址。OCS 控制器將壓力數據進行本地和服務器同步存儲，本地采用SD 卡進行數據記錄（CSV 格式），服務器側通過串口或網口將數據實時傳輸。所獲取的壓力數據都帶有時間戳標識，可以進行曲線繪制和閾值邏輯判斷。

圖3 CsCAN模擬量OCS發送配置圖Fig.3 Configuration diagram of CsCAN analog quantity OCS transmission

2.2 壓力數據共享

2.2.1 壓力模擬量發送

壓力數據通過CsCAN 協議在OCS 控制器之間實現數據共享，以控制器A 和B 的收發為例?？刂破鰽 發送1 個16 位的整數（壓力值）到控制器B，發送數據包所使用的CsCAN ID 號，可以使用常數或者寄存器，范圍1～253。Format 中選擇全局數據模式Global Data，Data 中因為要發送模擬量值，選Analog，CsCAN 中每個ID 號下可以最多發送32 個模擬量值。這個WORD Offset 指的是該功能塊發送的數據的偏移量是多少，如果是0，便是這32 個值中的第1 個數，相應的接收塊的偏移量也應為0。如果Send on Change of State 選上，里面設定為%S8，只有當從%R1 開始的要發送的數據發生變化時，控制器才向總線發送1 次數據；如果不勾選，則只要該功能塊在掃描周期導通，都會向總線發送1 次數據。所以，本例中這樣配置的優勢在于可以控制控制器CsCAN 網絡的通信量。綜上所述，該功能塊實現了把從%R1 開始的連續1 個字長的數據，以CsCAN 節點號1 發送到網絡中，%R1 在該數據包中所處的位置為模擬量第1 個數據（偏移量0）。

圖4 CsCAN模擬量OCS接收配置圖Fig.4 CsCAN Analog quantity OCS receiving configuration diagram

2.2.2 壓力模擬量接收

OCS 控制器A 接收1 個控制器B 發出的模擬量（壓力值），Network Data 中ID 是要接收的數據包所使用的CsCAN ID 號，可以使用常數或者寄存器，范圍1～253。依舊選擇全局數據Global Data，因為要接收模擬量值，選Analog；因為在控制器B 中發出的數據偏移量為1，所以這里接收也配置為1。在Destination Data 的Address 中配置要接收的寄存器的起始地址，如%R2。Num Words 是從Destination Data 開始的要接收的數據字長，1～32。該功能塊實現了把網絡中以CsCAN 節點ID2 發送的模擬量數據，從其第2 個數據（偏移量1）開始的連續1 個字的數據接收到本機從%R2 開始的連續寄存器中。

2.2.3 壓力數字量發送

OCS 控制器A 發送16 個數字量（壓力開關狀態量）到OCS 控制器B。發送數據包所使用的CsCAN ID 號，可以使用常數或者寄存器，范圍1～253。Format 中選擇全局數據模式Global Data，因為要發送開關量值，選Digital，CsCAN 中每個ID 號下可以最多發送64 個數字量值。這個WORD Offset 指的是該功能塊發送的數據的偏移量是多少，如果是0，便是這64 個值中的第1 個數，相應的接收塊的偏移量也應為0，數字量模式下的數據起始地址必須為%T1,%T17,%T33,%M49……這類地址，即每16 個位中的第1 位地址開始。如果把Send on Change of State 選上，里面設定為%S8，只有當從%T1 開始的要發送的數據發生變化時，控制器才向總線發送1 次數據；如果不勾選，則只要該功能塊在掃描周期導通，都會向總線發送1 次數據。所以，本例中這樣配置的優勢在于可以控制控制器CsCAN網絡的通信量。該功能塊實現了把從%T1 開始的連續1 個字長的數據，以CsCAN 節點號1 發送到網絡中，%T1 在該數據包中所處的位置為數字量第1 個數據（偏移量0）。

圖5 CsCAN數字量OCS發送配置圖Fig.5 CsCAN Digital quantity OCS transmission configuration diagram

2.2.4 壓力數字量接收

OCS 控制器A 接收16 個OCS 控制器B 發出的數字量（壓力開關的當前狀態），要接收的數據包所使用的CsCAN ID 號可以使用常數或者寄存器，范圍1～253。選擇全局數據Global Data，因為要接收數字量值，選Digital，因為在控制器B 中發出的數據偏移量為1，所以這里接收也配置為1，Destination Data 是要接收的寄存器的起始地址，從Destination Data 開始的要接收的數據字長，1～4。該功能塊實現了把網絡中以CsCAN 節點ID2 發送的數字數據，從其第2 個數據（偏移量1）開始的連續1 個字的數據接收到本機從%T17 開始的連續寄存器中。

3 壓力數據通信狀態

壓力儀表數據的實時監控和共享，需要知道當前的網絡通信狀態，以確保數據真實有效。如OCS 控制器A 需要知道當前網絡的通信狀態，判斷OCS 控制器B 是否能和它通信正常。使用Network Get/Put Heart Beat 模塊，配置Network ID 要接收的心跳包所使用的CsCAN ID 號，可以使用常數或者寄存器，范圍1～253。Timeout(ms)項通信超時時間，單位ms，范圍1～6553：在控制器B 的程序中，會看到一段心跳發送程序以100ms 為周期向網絡發送心跳。本例中，如果A 站300ms 接收不到B 的心跳，則認為通信超時，%T101 會從ON 變為OFF，直到再次收到心跳。一般地，該超時時間應該大于心跳發送時間?？刂破鰾 的程序和A 基本一致，只是心跳塊不同。要發送的心跳包所使用的CsCAN ID 號，可以使用常數或者寄存器，范圍1～253。%SR29 是系統寄存器，表示本機的CsCAN 網絡ID。心跳包發送間隔時間，單位1ms，范圍1～6553，配置為100 時，B 站以100ms 為間隔向網絡發送心跳。Status狀態寄存器用于內部使用，無意義，占用1 個字[6-8]。

4 大數據量處理

壓力儀表的模擬量數據一般使用浮點數float 類型，占用兩個%R 字。從上面可以看到，1 個ID 號最多只能發送32 個模擬量，64 個開關量。如果需要傳遞的數據比較多，可以讓1 個控制器占用多個ID 號，進而發送更多的數據。要實現該功能，首先要進入Program 菜單下的Network Configuration，在彈出的窗口中的Number of Network 項，給控制器分配連續的ID 號。下例中控制器占用3 個網絡ID，故填3。另外，在做此類通信時，使用時需要注意CAN 總線的網絡負荷，系統寄器%SR187～%SR192 分別給出了網絡和本機的實時CAN 總線負荷率，數據類型為INT，單位0.1%。比如，如果看到的數值為123，則網絡占用率為12.3%。多個OCS 控制器監控壓力儀表時，盡量控制平均網絡負荷在85%以下，否則可能造成通信數據失。%SR187代表平均網絡負荷，%SR188 代表最小網絡負荷，%SR189代表最大網絡荷，%SR190 代表本機使用網絡造成的平均負荷，%SR191 代表本機使用網絡造成的最小負荷，%SR192代表本機使用網絡造成的最大負荷。

5 結論

應用CsCAN 協議將多臺OCS 控制實現CAN 總線連接，并使用OCS 控制器的RS485、RS23、AI、DO 采集壓力儀表的模擬量和數字量以實現工業現場中多個壓力儀表數據的實時監控和數據共享。以兩臺OCS 控制器的數據交互為例，詳細介紹了壓力變送器模擬量和壓力開關數字量數據發送和接收，大量數據共享及OCS 控制器通信狀態的配置方法。經測試比較，基于CsCAN 總線的壓力儀表監控系統具有良好的交互性能，有效地提高了現場計量效率和操作可靠性，達到了預期的設計效果。