现场总线 iCAN 网络在工程机械中的应用

一．CAN-bus总线简介：

CAN-bus总线是国际上应用最广泛的现场总线之一，最初被设计用作汽车电子控制单元（ECU：ElectricControlUnit）的串行数据传输网络，现已被广泛应用于欧洲的中高档汽车中。近几年来，由于CAN-bus总线极高的可靠性、实时性，CAN-bus总线开始进入中国各个行业的数据通讯应用，并在2002年被确定为电力通讯产品领域的国家标准。

CAN-bus网络使用普通双绞线作为传输介质，采用直线拓扑结构，单条网络线路可以连接到110个节点。当通讯距离不大于40米时，传输速率可达到1Mbps；当使用5Kbps传输速率（收发器PCA82C250/251支持），同一物理网络可达10公里的通讯距离。CAN-bus总线的适用范围：可适用于节点数目比较多，传输距离在10公里以内，安全性、可靠性要求高的场合；也可适用于对实时性、安全性要求十分严格的机械控制网络。

目前，国内的汽车、电梯行业已是CAN-bus应用的典型领域，工业控制、智能楼宇、煤矿设备等行业也得到了广泛的应用。

二．CAN-bus总线在工程机械中的应用

由于嵌入式电脑、网络通讯、微处理器、自动控制等先进技术的日渐广泛应用，工程机械控制系统的性能和集成度已经有了很大的提高。而CAN-bus总线由于良好性能，特别适合于工程机械中各电子单元之间的互连通讯。随着CAN-bus总线技术的引入，工程机械中基于CAN-bus总线的分布式控制系统取代原有的集中式控制系统，传统的复杂的线束被CAN-bus总线所代替：系统中各种控制器、执行器以及传感器之间通过CAN-bus总线连接，线缆少、易敷设，实现成本低，而且系统设计更加灵活，信号传输可靠性高，抗干扰能力强。

目前CAN-bus总线技术在工程机械上的应用越来越普遍。国际上一些著名的工程机械大公司如CAT、VOLVO、利勃海尔等都在自己的产品上广泛采用CAN-bus总线技术，大大提高了整机的可靠性、可检测和可维修性，同时提高了智能化水平。而在国内，CAN-bus总线控制系统也开始在工程汽车的控制系统中广泛应用，在工程机械行业中也正在逐步推广应用。

三．iCAN网络在工程机械中的应用

1．iCAN网络的介绍

iCAN协议即“IndustryCAN-busApplicationProtocol”，是现场总线CAN-bus的应用层协议之一，具有理解简单、易于实现、实时可靠的特点。iCAN网络是面向于自动控制领域、基于CAN-bus总线和iCAN协议的控制系统。该系统的目标就是解决用户在CAN-bus应用领域中的通讯控制或者数据采集问题。

将CAN-bus网络的数据链路层、物理层与一个高效的用户层结合在一起，既可以保障底层使用CAN-bus总线的高效、实时、可靠的特点，又能够建立一个易于实现、成本较低、效率良好的数据通讯网络方案。这就形成了一个基于现场总线CAN-bus的完整通讯网络以及数据采集方案，也就是iCAN网络的诞生。

iCAN网络构建非常灵活，结构简单，成本较低；并且iCAN网络具有易于组态，安装、运行、维护简便的特点。iCAN网络组成结构如下图所示，包括了iCAN模块、CAN-bus接口卡以及CAN-bus网关/网桥设备。



iCAN网络的基础与核心是iCAN协议。iCAN协议是国内对于CAN-bus系统应用的一种全新尝试。iCAN协议的设计目标是：实现一种简单/可靠/稳定的CAN-bus应用层协议。

在iCAN协议的设计过程中，充分参考和借鉴了DeviceNet协议和CANopen协议。毕竟DeviceNet协议和CANopen协议是严谨和完善的，并经过实际工程验证。

制定iCAN协议是一个相当严谨的设计过程。这里主要考虑了一些关键因素：

CAN报文的分配

数据通讯的实现

网络管理

设备建模

通过以上技术问题的解决，一方面可以保证iCAN网络的高通讯效率、高数据可靠性，令基于iCAN协议的各个总线节点能够组成一个有机的整体网络；另一方面，通过在iCAN协议设备建模方面的尝试，可以使产品描述标准化，协议发展具有可延续性，保障后续产品开发过程中在通讯协议方面的的一致性。

在iCAN网络中，可以根据需要增加CAN-bus网关/网桥设备，以适应实际系统的网络规模和通讯距离，以及用户终端设备在安装、布线等方面的要求。通过CAN-bus网关/网桥设备，iCAN网络也可以方便地互连其它类型的网络，比如串行通讯网络RS-232/RS-485、以太网EtherNet等，或者连接DeviceNet/CANopen网络。

2．工程机械中iCAN网络结构

在工程机械中iCAN网络主要由工控微机、标准PC-CAN接口卡以及iCAN模块组成，系统结构如图2所示。



工控微机通过CAN-bus接口卡接入CAN-bus网络中，与总线进行数据交换，管理系统中各个iCAN模块及其它设备；实现系统中各设备参数监控、显示、人机界面以及各种控制功能。iCAN模块实现传感器的信号采集，并实现控制信号输出功能。

根据工程机械中的传感器、控制器类型的不同，选择合适的iCAN模块。iCAN模块的输入端口采集液压、发动机等系统中传感器的信号，并传送到总线上；输出端口根据来自总线上的控制信息操作执行机构，完成对于液压等系统的控制。

iCAN网络在工程机械中的应用，避免了复杂的信号连线，使控制系统的安装为何简单，运行可靠，应用灵活，并能够保证控制的实时性。