引 言
現(xiàn)場的總線控制系統(tǒng)(FCS)將是新世紀(jì)自動控制系統(tǒng)發(fā)展的主流，是繼DCS后新一代的控制系統(tǒng)。現(xiàn)場總線是綜合自動化發(fā)展的需要，同時智能儀器儀表則為現(xiàn)場總線的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。
CAN(Controller Area Network)是現(xiàn)場總線的一種，最早是德國Bosch公司在上世紀(jì)80年代推出的，主要應(yīng)用于汽車內(nèi)部檢測以及控制系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信。CAN總線通信協(xié)議充分考慮了工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，采用了ISO-OSI模型中的三層，即物理層，數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層。CAN總線規(guī)范已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制訂為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898，并得到了多家著名半導(dǎo)體器件生產(chǎn)商的支持，推出了各種集成CAN協(xié)議的芯片產(chǎn)品。CAN總線目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，CAN總線被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。
CAN總線的功能與特點
CAN總線的通信介質(zhì)一般采用雙絞線、同軸電纜或光纖等，能夠?qū)崿F(xiàn)在強電磁干擾環(huán)境下數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)墓δ埽溆布杀镜停瑐鬏斂煽啃愿撸浖_銷小，是屬于總線型串行通訊網(wǎng)絡(luò)，具有與其它通訊協(xié)議所不同的特點。
總線支持載波監(jiān)測與多主站控制以及沖突檢測的通訊模式
“載波監(jiān)測”是指在總線上每一節(jié)點在發(fā)送信息報文前都必須檢測到總線上有一段空閑狀態(tài)，任一節(jié)點都有發(fā)送報文的機會。而報文信息優(yōu)先級的高低取決于信息的最終發(fā)送，在CAN中采用非破壞性的基于優(yōu)先級競爭的總線仲裁方式，這便是沖突檢測。通過報文濾波可實現(xiàn)多種傳輸方式，具有靈活的工作方式。
CAN總線協(xié)議是基于報文而不是基于站點地址的協(xié)議
CAN總線上報文所含內(nèi)容只有優(yōu)先級標(biāo)志區(qū)和傳送的數(shù)據(jù)內(nèi)容，所有節(jié)點都會收到報文，對報文的取舍取決于節(jié)點本身，同一報文可傳送給所有站點，也可以傳送給特定的站點。基于報文協(xié)議的另一個特點是新的節(jié)點可以隨時被加入到總線系統(tǒng)中，一旦加入到系統(tǒng)中，該節(jié)點便能接收信息，有很強的實用性。
CAN總線的高速性，以及錯誤檢測和恢復(fù)能力的高可靠性
CAN采用面向數(shù)據(jù)塊的通信方式，信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，CAN能自動地檢測出錯誤信息，保證信息的正確性和完整性，記錄出錯信息的次數(shù)，“故障界定隔離”使故障節(jié)點被及時關(guān)斷而不會永久占用總線。
靈活數(shù)據(jù)編碼方式
CAN總線通信控制器集成了CAN的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可以完成通信數(shù)據(jù)的成幀處理，可以定義211或229個不同的數(shù)據(jù)塊。
總之，CAN總線具有實時性強、可靠性高、抗干擾性強、結(jié)構(gòu)簡單、操作性好、價格低廉等優(yōu)點，是目前國際上公認(rèn)的最具有前途的幾種總線之一。
在發(fā)動機測試系統(tǒng)中的應(yīng)用
發(fā)動機測試系統(tǒng)簡介
發(fā)動機測試系統(tǒng)是汽車發(fā)動機生產(chǎn)廠家在發(fā)動機出廠前抽樣測試系統(tǒng)的總成，傳統(tǒng)的汽車發(fā)動機試驗臺的組成是單臺的測功機和被測發(fā)動機組成的獨立系統(tǒng)，每臺被測發(fā)動機的測試周期為720小時的連續(xù)各種路況測控。該系統(tǒng)引入CAN總線將其中的8個試驗臺組成一個同步測試系統(tǒng)，可大大簡化測試過程，同時減少了重復(fù)勞動，取得較好的效果。
由于該發(fā)動機測控設(shè)備是由作者在1997年研制成功的，當(dāng)時考慮到今后系統(tǒng)的擴展以及完善整個試驗系統(tǒng)的通信功能，在系統(tǒng)中預(yù)留了RS-422通信功能接口。原系統(tǒng)采用STD總線鼠籠式的8098式結(jié)構(gòu)搭建了試驗臺測控系統(tǒng)，而其通信接口是標(biāo)準(zhǔn)的RS-422串行通信協(xié)議，這種結(jié)構(gòu)只能采用主從式結(jié)構(gòu)，且只有物理層，故而采用了CAN橋接器，使其能夠組成一個標(biāo)準(zhǔn)的CAN總線系統(tǒng)。
CAN橋接器的軟硬件設(shè)計
CAN橋接器的設(shè)計是將RS-422電平與CAN標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平能夠相互轉(zhuǎn)換，同時使得RS-422和CAN的幀格式能夠相互轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)采用了SJA1000控制接口芯片，SJA1000有BasicCAN模式和PeliCAN模式兩種工作模式，本系統(tǒng)中選擇了工作模式為基本型。SJA1000作為微控制器的片外擴展芯片，其片選引腳CS接在微控制器的地址譯碼器上，從而決定了CAN總線控制器各寄存器的地址。SJA1000通過CAN控制器接口芯片82C250連接在物理總線上。82C250器件提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接受能力，完全和ISO11898標(biāo)準(zhǔn)兼容。其引腳8允許選擇高速、斜率控制和待機三種不同的工作方式。
在圖2所示的電路中實現(xiàn)了RS-422電平和CAN標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平的相互轉(zhuǎn)換，同時系統(tǒng)軟件也實現(xiàn)了RS-422和CAN幀格式的相互轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)中CPU為AT89C52單片機。
芯片MAX1490B完成了RS-422和TTL邏輯電平的相互轉(zhuǎn)換，而芯片SJA1000則完成了TTL邏輯電平和CAN邏輯電平的相互轉(zhuǎn)換，在MAX1490B中TTL側(cè)和RS-422側(cè)實現(xiàn)了完全電隔離，A、B為其RS-422側(cè)輸入端，Y、Z為RS-422側(cè)輸出端，DI為隔離的TTL側(cè)驅(qū)動輸入，RO為隔離的TTL輸出端，MAX1490B內(nèi)部的DCPDC 變換器在不需要外部隔離電源的情況下實現(xiàn)了輸入輸出的電隔離。82C250是CAN總線通信控制器，由其實現(xiàn)CAN的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，是CAN總線收發(fā)器，可支持多達(dá)110個節(jié)點的CAN總線負(fù)載。
測控設(shè)備的改造
原有的系統(tǒng)采用了下位控制，即將控制權(quán)限和管理權(quán)限在每一獨立的系統(tǒng)中單獨實現(xiàn)，數(shù)據(jù)的輸出，給定控制目標(biāo)以及各種工況的信息打印均由前端機控制，上位機只是用來對系統(tǒng)進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)匯總通訊。在原系統(tǒng)中每個測控設(shè)備是孤立的，是信息孤島，在改造過程中上位機中配置CAN適配器，用雙絞線與CAN總線相連，在原測控設(shè)備上利用預(yù)留RS-422與CAN橋接器相連。在軟件編程中，增加了單獨的通信單元，不增加原有的控制系統(tǒng)的其他功能和軟件開銷，經(jīng)過簡單的軟硬件改造后，形成了一個具有數(shù)據(jù)交互功能的測控系統(tǒng)。改造后的系統(tǒng)能夠通過上位機對前置機進(jìn)行控制工框的設(shè)定、數(shù)據(jù)采集匯總等，可以通過上位機對前置機進(jìn)行控制，突破了原有系統(tǒng)的信息交互的障礙。系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。
結(jié)束語
經(jīng)過改造后的測控設(shè)備連成了一個CAN總線系統(tǒng)，突破了原有的信息孤島的模式，原系統(tǒng)中的各種工作模式、各種控制目標(biāo)給定由上位機管理，下位機通過接收廣播、點對點方式和上位機通信，接受工況狀態(tài)的轉(zhuǎn)換以及控制給定等參數(shù)，同時定期上傳其工作狀態(tài)、測試數(shù)據(jù)等，上位機對其進(jìn)行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)了“分散控制，集中管理”的模式。上位機通訊管理軟件的編制采用DELPHI5.0，在WIN2000下編譯完成。
通過對原有系統(tǒng)進(jìn)行總線升級改造，針對原有測試系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場總線改造的嘗試，也具有積極的實際意義。