CAN總線在安全監(jiān)控系統(tǒng)傳輸中的應(yīng)用

1  引言  
隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的普及應(yīng)用，人們從過去主要是對計算機監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控功能的關(guān)注，轉(zhuǎn)移到對其數(shù)據(jù)傳輸功能的關(guān)注。人們越來越重視數(shù)據(jù)的傳輸，人們希望通過互聯(lián)網(wǎng)能在世界的任何角落及時觀察到工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)。目前主要是基于Profibus總線的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，雖然這種常規(guī)的傳輸技術(shù)具有相對結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，但是它有如下一些缺點不很適于作井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸總線。第一，它是主從結(jié)構(gòu)，不能實現(xiàn)多主傳輸；第二，它的從節(jié)點都是固定地址，而且只能靜態(tài)設(shè)置；第三，它的節(jié)點的加入不能隨意動態(tài)進行；第四，它能夠連接的節(jié)點數(shù)量末段最多32個，加中繼的情況下也最多只能有三段，對于一些大礦，應(yīng)用受到限制。相比之下，CAN總線技術(shù)具有的結(jié)構(gòu)靈活性，以及它的節(jié)點容量（理論上是無限制的）十分適用于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成特點和使用特點。所以我們選擇CAN總線作為煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸技術(shù)。
本文將對應(yīng)用發(fā)展比較成熟的先進的CAN總線技術(shù)，進行了深入的研究。在此基礎(chǔ)上提出一個基于CAN總線的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方案，并在最后給出實現(xiàn)該方案的分站通信電路、分支中繼電路的設(shè)計。
2  CAN總線
CAN (Controller Area Network) 總線，又稱控制器局域網(wǎng)，CAN 已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。CAN 總線規(guī)范已被ISO 國際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國際標(biāo)準(zhǔn)，CAN 協(xié)議也是建立在國際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互連參考模型基礎(chǔ)上的，主要工作在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。用戶可在其基礎(chǔ)上開發(fā)適合系統(tǒng)實際需要的應(yīng)用層通信協(xié)議，但由于CAN 總線極高的可靠性，從而使應(yīng)用層通信協(xié)議得以大大簡化。
CAN總線采用總線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（見圖1）。各節(jié)點可以像以太網(wǎng)節(jié)點那樣直接掛接在一條主干線上。CAN采用兩芯線纜，有極性連接。CAN總線網(wǎng)絡(luò)也可以通過一個三通節(jié)點構(gòu)成層次結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)樹型拓?fù)?。對于采用電纜介質(zhì)的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，總線末端要設(shè)有匹配阻抗，防止反射產(chǎn)生駐波。

CAN協(xié)議分為二層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層決定了實際位傳送過程中的電氣特性，在同一網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點的物理層必須保持一致，但可以采用不同方式的物理層。CAN的數(shù)據(jù)鏈路層功能包括幀組織形式，總線仲裁和檢錯、錯誤報告及處理，確認(rèn)哪個信息要發(fā)送的，確認(rèn)接收到的信息及為應(yīng)用層提供了接口。
 

CAN總線與其他總線相比有如下特點：
（1）、它是一種多主總線，即每個節(jié)點機均可成為主機，且節(jié)點機之間也可進行通信；
（2）、通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，通信速率可達(dá)1Mbps；
（3）、CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余校驗、優(yōu)先級判別等項工作；
（4）、CAN協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識碼可由11位或29位二進制數(shù)組成，因此可以定義211或229個不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點同時接受到相同的數(shù)據(jù)，這一點在分步式控制中非常重要；
（5）、數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令，工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求.同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，，從而保證了通信的實時性；
（6）、CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。
基于CAN總線技術(shù)的遠(yuǎn)程分布式智能控制系統(tǒng)，可運用在被監(jiān)控單元設(shè)備分散而且間距相對較遠(yuǎn)，如幾公里范圍內(nèi)的復(fù)雜系統(tǒng)監(jiān)控上。主機與多個智能終端組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可有效地滿足工業(yè)過程的自動控制需要。
3  CAN總線技術(shù)在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用
3.1  目前煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸系統(tǒng)存在的問題
煤礦生產(chǎn)場所的分布大都在幾公里到幾十公里的范圍，對煤礦生產(chǎn)過程的安全監(jiān)控遍布各個生產(chǎn)場所。對傳輸距離和傳輸速率的改進，將提供一個從根本上保障煤礦生產(chǎn)安全監(jiān)控的時效性的技術(shù)措施，實現(xiàn)真正意義的能夠滿足措施及時落實到位的實時監(jiān)控。從而極大地提高煤礦安全生產(chǎn)的監(jiān)控力度和監(jiān)控效力，保障人民的生命財產(chǎn)不受損失。
煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)在我國已經(jīng)有多年的研究及應(yīng)用，但其傳輸技術(shù)一直是系統(tǒng)研究中的薄弱環(huán)節(jié)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾匀找嫱怀?。目前國?nèi)外煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中所采用的傳輸技術(shù)，存在著以下幾個方面的問題需要進一步解決：
（1）、傳輸速率慢
（2）、非標(biāo)準(zhǔn)化
（3）、高速傳輸時的傳輸距離短
（4）、無中繼連接的節(jié)點數(shù)少
（5）、傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活性差
3.2  基于CAN總線技術(shù)的問題解決方案
煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，是一種典型的工業(yè)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。與一般工控系統(tǒng)相比，它具有這樣的特點：系統(tǒng)監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備分散距離遠(yuǎn)，節(jié)點設(shè)備動態(tài)變化頻繁，環(huán)境要求防爆。
CAN的多主結(jié)構(gòu)、理論無限的節(jié)點容量（不存在物理站點編號問題）、位仲裁的總線分配和介質(zhì)訪問技術(shù)和額定最大速率1Mbit/s的傳輸速率（實際傳輸速率在器件和線纜性能允許的情況下可以超過這個速率）以及在5Kbit/s傳輸速率下可無中繼傳輸10公里的傳輸距離等特點，都非常適用于煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成特點和傳輸要求。
基于CAN總線的煤礦安全監(jiān)控傳輸系統(tǒng)的設(shè)計，包括系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計、監(jiān)控分站節(jié)點內(nèi)傳輸電路設(shè)計、分支中繼電路設(shè)計和傳輸程序設(shè)計。
3.2.1  基于CAN總線的井下安全監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計
整個煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計由地面中心站、網(wǎng)關(guān)節(jié)點站、分支中繼器、井下監(jiān)控分站和各種傳感器以及通信介質(zhì)，共六個部分組成。其中中心站負(fù)責(zé)接收、存儲和顯示從井下監(jiān)控分站傳來的各種井下生產(chǎn)環(huán)境安全監(jiān)控數(shù)據(jù)，并通過各個井下分站發(fā)送各種配置命令和對現(xiàn)場設(shè)備的控制命令；井下分站負(fù)責(zé)從傳感器收集數(shù)據(jù)、和地面中心站通信、輸出各種控制信號和在需要的地方同時充當(dāng)分支中繼器；網(wǎng)關(guān)節(jié)點站實現(xiàn)現(xiàn)場總線協(xié)議和中心站計算機標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換；分支中繼器在需要的地方完成通信線路的分支、中繼和介質(zhì)信號的轉(zhuǎn)換；傳感器負(fù)責(zé)收集各種現(xiàn)場環(huán)境安全監(jiān)控數(shù)據(jù)和設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)；通信介質(zhì)負(fù)責(zé)安全監(jiān)控系統(tǒng)各設(shè)備的連接和信息的傳遞。整個系統(tǒng)的傳輸系統(tǒng)采用CAN總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整個監(jiān)控系統(tǒng)分三級結(jié)構(gòu)：中心站——井下分站——傳感器。
圖3 是帶有中繼器的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的組成原理圖。圖中的傳輸系統(tǒng)采用CAN現(xiàn)場總線技術(shù)。通信光纖/電纜上傳輸基帶信號，節(jié)點間數(shù)據(jù)傳輸采用CAN協(xié)議。