利用CAN總線通信模塊構建高可靠工業系統

自二十世紀八十年代德國Bosch公司成功開發出控制器局域網(CAN)總線以來，它已被證明可以很好地適應技術與市場變化的需求。目前，除了在汽車應用中持續占據主導地位之外，它還被成功應用于包括工業機動控制、鐵路引擎控制單元、船用電子設備、醫用設備、復雜傳感器以及煤礦系統等在內的諸多領域。
CAN通信協議主要描述設備之間的信息傳遞方式。CAN層的定義與開放系統互連模型(OSI)一致，每一層與另一設備上相同的那一層通信，實際的通信發生在每一設備上相鄰的兩層，而設備只通過物理層的物理介質互連。CAN通信協議定義了OSI模型的最低兩層：數據鏈路層和物理層。應用層協議可以由CAN用戶定義成適合特殊工業領域的任何方案，如已被批準為電力產品國家標準的DeviceNet協議以及廣泛應用于歐洲的CANopen協議等。
極高的可靠性是CAN最值得推薦的特征，這使得它成為對可靠性與安全性要求極為苛刻的工業應用的理想選擇。利用CAN總線進行工業系統構建的優勢主要集中在如下方面：極高的可靠性、極強的容錯性、低廉的系統成本以及較遠的傳輸距離等。
北京華大恒泰科技有限責任公司研發的HT6200系列CAN總線通信模塊產品可以為工業現場提供完整的CAN總線系統構建解決方案。該系列總線通信模塊已被成功應用于多個工控系統中，實踐證明采用HT6200系列CAN總線通信模塊構建的現場總線系統性能穩定，工作狀況良好。
HT6200系列CAN總線通信模塊
目前，HT6200系列產品包括如下模塊：
1. HT6220 CAN總線與USB總線透明轉換器
2. HT6230 CAN總線與以太網轉換器
3. HT6210 CAN總線與RS232總線透明轉換器
4. HT6240 CAN集線器
HT6220是完全兼容USB2.0協議標準(全速模式)和CAN2.0B/A協議標準的總線轉換器模塊；它具有一路USB總線接口和一路電氣隔離的CAN接口,可實現數據在USB總線和CAN總線之間的完全透明傳輸；在CAN通信網絡中，與HT6220相連的PC或嵌入式設備可作為一個標準的CAN節點。HT6220具有體積小巧、即插即用的特點，方便了在便攜場合下的應用。它支持Windows98/ME/2000/XP、linux、apple和OS2等多種操作系統；USB端驅動采用串口映射技術實現，在一次性安裝完驅動程序之后即完成串口映射，應用程序不僅可以調用與模塊配套的函數庫來操作該模塊，還可調用與它兼容的操作系統所提供的任何串口API、DLL文件和第三方控件等來實現對HT6220的操作。
HT6230 CAN總線與以太網轉換器符合TCP/IP協議和CAN2.0B/A協議標準；具有一路10/100Mbps以太網接口和一路電氣隔離的CAN接口。它有兩種工作方式-串口映射工作方式和Socket工作方式：如采用串口映射工作方式，在安裝模塊的驅動程序之后，HT6230即可將模塊映射為PC的一個標準串口，進而實現數據在以太網和CAN總線之間的完全透明傳輸；若采用Socket工作方式，則PC可利用TCP/IP Socket與模塊進行數據交換，此功能可將任何具備TCP/IP連接能力的設備接入CAN總線系統,其支持的協議包括IP、UDP、TCP等。
HT6210是兼容CAN2.0B/A協議標準的總線轉換器模塊，其具有一路RS232串行總線接口和一路電氣隔離的CAN接口；可實現數據在RS232總線和CAN總線之間的完全透明傳輸；和HT6220類似，在CAN通信網絡中，HT6210可將任何一個具有RS232接口的設備變成標準的CAN通信節點。
HT6240 CAN集線器同樣兼容CAN2.0B/A協議標準，它具有3個完全電氣隔離的CAN總線接口。該集線器主要是為了克服CAN系統節點數的限制及CAN系統總線長度的限制而設計，它也可用于在CAN系統中獨立子網絡的建立及系統網絡拓撲結構的改變。此外，它還能夠過濾不需要的CAN消息，降低子網絡的負荷。
下面以HT6220總線通信模塊為例，簡要分析模塊的實現原理。圖1是HT6220的內部結構框圖。該模塊的核心處理器采用32位CPU來實現，可保證利用該模塊所構建的系統在大數據流量下仍不會有數據幀的丟失；模塊的電源部分采用USB供電；CPU的內部看門狗和外部硬件看門狗配合使用，極大地提升了該模塊的抗干擾能力；USB控制器內置了豐富的輸入輸出緩沖區，很好地協調了32位CPU與USB通信的速度差；CAN通信接口采用光電隔離技術，大大提高了系統在惡劣環境中使用的可靠性；浪涌保護的引入，使系統能滿足抗雷擊及防ESD的需要。

圖1：HT6220內部結構框圖

利用CAN總線通信模塊構建典型系統
下面以采用HT6200系列CAN總線通信模塊構建的數字礦山系統為例，給出利用CAN總線通信模塊構建工控系統的典型方法。
由于煤礦行業生產過程復雜、信息源多、分布性強，因此需要對整個礦山的自然信息、設備和人員信息實時地進行準確統計和綜合處理，數字礦山系統就是對整個礦山進行統一信息采集和管理的工控系統。圖2是利用HT6200系列CAN總線通信模塊構建的數字礦山系統的框圖。

圖2：數字礦山的系統框圖

系統由礦山主干網和子礦區網共同組成。由于礦山的面積比較大，在不加中繼器的情況下，CAN網絡的總線長度是有限的，所以將整個礦山分成四個子礦區網，而在系統的中央控制中心鋪設主干網。子礦區網和主干網之間的通信采用HT6240來實現，采用這種結構以后，在子礦區網一側，由于HT6240的數據過濾功能，濾除了系統中與該子網無關的信息，可以使其能夠采用較低的通信波特率(5Kbps)而系統信道不會出現堵塞，藉此可以將CAN總線延伸到更遠的巷道。在礦山主干網一側，可使其最長總線距離縮減為各個集線器之間的最遠距離(而不是整個CAN網絡中最遠兩個節點的距離)，極大地縮短總線的距離，從而使礦山主干網可以采用更快的通信速率(250Kbps)，提升了系統的整體速度。
礦山主干網用于連接系統的管理信息系統(MIS)主機、地理信息系統(GIS)主機以及各子礦區網的CAN集線器。由于通信距離較近，數據流量較大，所以主干網采用高傳輸速率。其中，MIS主機和GIS主機均采用雙機冗余的工控機來實現，工控機通過HT6220和HT6230接入CAN網絡，管理軟件通過串口映射技術與CAN網絡進行數據交換，礦區的其他授權用戶可通過以太網訪問整個數字礦山系統。
子礦區網主要用于巷道內各種參數的采集及對礦下設備進行控制。需采集的參數包括：巷道中的溫、濕度信號、瓦斯濃度信號等，另外，系統中還加入了采用RFID(射頻識別)技術的人員和設備位置采集器，系統給出的控制信號包括聲光報警信號和進行設備控制的I/O輸出控制信號等。上述功能均采用安裝在現場的儀器儀表和HT6210共同構成的CAN子系統來實現。采集到的所有信息均通過CAN集線器最終發送給MIS主機或GIS主機，所有的控制信號也都由MIS主機或GIS主機發出。
本文小結
現場總線以其獨有的技術優勢和特點，在現代工業控制技術領域中得到了愈來愈廣泛的應用。但在目前已經投入使用的工業控制系統中，各儀器設備或裝置之間進行通信所使用的大部分仍是傳統的RS232或RS485(RS422)。工業企業在不斷投入新型現場總線系統的同時，要在短期內淘汰那些舊系統是不現實的，況且在許多應用系統中，新老系統的功能是相似或兼容的。所以在一定時期內，新老總線系統同時并存是客觀現實的需要。采用HT6200系列CAN總線通信模塊對傳統的通信接口進行數據的透明轉換，使整個系統成為CAN總線系統，則能在較短的時間，花費較少的投資獲得高可靠的工控系統。