CAN总线及其在制造业信息化中的应用

前言

制造业是国民经济持续发展的基础，是工业化、现代化建设的动力源，是国际竞争的重要领域，是信息化促进工业化的主要行业。信息化是当今世界制造业发展的重要的支撑技术，制造业信息化技术将信息技术、计算机技术、现代管理技术、自动化技术与制造技术相结合，带动产品设计方法和工具的创新，实现产品设计制造和企业管理的信息化、生产过程控制的智能化、制造装备的数字化。经过近年来的努力，制造业信息化已经取得了很大的发展，尤其是CAD/CAM、REP、MES等技术的应用，促进了企业的发展和效益的提高。但是，这些技术的发展，必须有底层信息的支撑，即必须重视底层信息化技术的发展。作为现场总线技术之一的CAN总线技术的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性等特点，可完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层设备与外界的信息交换，适用于底层自动化。

1 CAN总线的优点

CAN总线是一种有效地支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络。与一般的通信总线相比，CAN总线的优点可概括如下：

1.1 CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从。

1.2 在报文标识符上，CAN总线上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，优先级高的数据最多可在134μs内得到传输。

1.3 CAN采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可继续传输数据，从而节省了总线冲突仲裁时间。在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪问题。

1.4 CAN节点只需要通过对报文的标识符滤波即可实现点对点，一点对多点及全局广播等几种方式发送和接收数据。

1.5 CAN的直接通信距离最远可达10km(速率在5kbps以下)；通信速率最高可达1Mbps(此时通信距离最长为40m)。

1.6 CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个。在标准帧报文标识符有11位，而在扩展帧的报文标识符(29位)的个数几乎不受限制。

1.7 报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率低。

1.8 CAN通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。

1.9 CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上的其它节点的操作不受影响。

1.10 CAN总线具有较高的性能价格比，它结构简单，器件容易购置，每个节点的价格较低，而且开发容易。

由于CAN总线的诸多优点，已经受到各界的高度重视，被公认为最有前途的现场总线之一。本文以智能渣浆泵轴温及液位监测报警系统为例，介绍CAN总线的应用。

2 基于CAN总线的智能渣浆泵轴温及液位监测报警系统

2.1 系统总体结构

本系统总体结构如图1所示。上位机是整个系统的中心，负责接收各个节点发来的数据，便于工作人员实时监控前端工作数据情况，发生意外时能及时处理。同时，节点也可以接收CAN总线上的数据。

图1 系统总体结构图

2.2 节点

节点结构如图2所示。微控制器采用Freescale公司生产的带有CAN总线通信接口的微控制器MC9S12DP256。MC9S12DP256具有丰富的功能模块，接口非常方便，而且功耗低，抗干扰能力强，可以方便的实现CAN总线的通信协议，通过CAN总线与带CAN总线接口卡的上位机通信，构成测控网络。

图2 节点结构图

数字式温度传感器DS18820具有独特的单总线接口方式，即允许在一条信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，具有系统成本低、体积小、可靠性高的优点。

由于渣浆泵工作环境恶劣，选用了抗干扰能力强的BJ-01B型液位计作为液位测量器件。它是一种新型的红外光电式液位传感器，该液位计没有任何机械运动部件，可长期稳定可靠的工作。

CAN总线协议遵循ISO/OSI标准模型，分为数据链路层和物理层。在工程上，这两层通常是由CAN控制器和收发器实现的。由于微控制器已经集成了msCAN控制器，所以只需外接CAN收发器即可。PCA82C250是CAN控制器与物理总线之间的接口，它可以提供对总线的差动发送和接收功能。其内部具有限流电路，可防止发送输出级对电源、地或负载短路。

2.3 软件设计

DS18820通过单总线接口进行通讯。在ROM功能协议没有建立之前，不能实现存储器控制功能。主机必须先提供一个ROM功能命令：(1)读ROM命令；(2)符合ROM命令；(3)搜索ROM命令；(4)跳过ROM命令；(5)报警搜索命令。这些命令对每个设备的64位激光ROM部分进行操作，如果单总线上同时存在许多从设备，则可以挑选出特殊的设备，还可以告诉主机目前总线上从设备的个数和类型。ROM功能序列成功执行后，可以执行存储器控制