基于CAN-bus和以太网的区域信息管理系统

CAN（ControllerAreaNetwork——控制器局域网）是一种由CAN控制器组成的高性能串行数据局域通信网络，是国际上应用最广泛的现场总线之一。它最早由德国Bosch公司于1984年推出，最初用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。CAN-bus总线模型符合OSI的7层结构；CAN-bus规范已被ISO估计标准组织制定为国际标准。由于其具有多主机方式、传输距离远（最远可达10km）、传输速度快（最快可达1Mbps）、抗干扰能力强、应用灵活等诸多优点，所以被认为是最有发展前途的现场总线之一。目前，除了应用于汽车电子领域中，CAN-bus总线现还被广泛应用于工业现场控制、电力通讯、小区安防、环境监控、航天航海等众多领域中。

以太网则是当前主流的网络信息传输媒体，也是TCP/IP使用最普遍的物理网络。TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol——传输控制协议/网络协议）是一个工业标准的协议集，包括IP、TCP、UDP等子协议，保证数据在网络上的正确传输。TCP/IP协议为四层模型：应用层、传输层、网络层和数据链路层。每层都有不同的功能，而且层和层之间在逻辑上是相互独立的。由于TCP/IP是世界上最大的Internet采用的协议组，而TCP/IP底层物理网络多数使用以太网协议，因此，“以太网+TCP/IP”成为互连网技术中应用最普遍的技术。以太网在工厂管理层、车间监控层将成为主流技术，与互连网技术结合是未来工厂网络通讯技术基础；但对一般工业网络要求实时性、确定性通信场合，现场总线技术还将处于主导地位，因此在今后一段时间内多种网络技术还会继续并存，我们必须根据实际需要采用合适的网络技术。

本文即介绍一种由CAN-bus网络构建设备网，由以太网构建信息网，通过两者的有机联接，从而构成一个中型/大型的远程监控/数据传输网络。

一、概述

某一个设计项目，需要考虑连接大约30,000个网络节点，并可以对每个节点实时地采样数据、输出控制；这些网络节点分布在不同的区域，每个区域（直径在1公里范围内）最多有近百个节点。而且该网络有一点比较重要的要求：单个区域内的网络节点对数据的实时性具有较高的要求。

按项目的以上要求，综合考虑设计成本、生产成本、可靠性、可维护性等多方面因素，我们考虑采用“设备网——信息网”的方式构建整个网络。

在单个区域内，由CAN-bus网络构建设备网，总体成本较低，满足实时性的要求，且应用可靠，维护方便；设备网的固定节点（地址为00号）同时作为网关，将CAN-bus网络连接至以太网，从而形成可以遍布全球的信息网，可以通过组态环境统一监控设备信息。

基于CAN-bus和以太网的区域信息管理系统的网络连接如图1所示。

图例基于CAN-bus和以太网的区域信息管理系统

二、现场设备网的选择

现场设备网组网方式有多种选择，比如RS-485、CAN-bus、Lonworks、TCP/IP等；下面将各种方式进行比较，以考虑选择最合适的方式。

2.1RS-485总线

RS-485总线是采用差分传输方式的一种串行网络，也是目前国内应用较多的一种远距离串行数据方式。RS-485总线使用普通双绞线作为传输介质，采用直线拓朴结构，单条网络线路可连接32个节点（数据来自于MAXIM公司的MAX485数据手册），网络总长度最大可达1200米。

优点：对于单个节点，电路成本较低，设计容易，实现方便。
缺点：可靠性差，单个节点的故障有可能导致整个网络瘫痪；RS-485器件容易损坏；且不易界定网络中的故障节点，维护成本相对较高。
适用范围：节点数目较少，传输距离在1公里左右，安全性要求不高的场合。

2.2CAN-bus方案

CAN-bus是国际上应用最广泛的现场总线之一，被广泛应用于欧洲的中高档汽车中，用作ECU单元的串行数据控制网络；近几年来，CAN-bus开始进入中国各个行业的实际应用，并于2002年被确定为电力通讯领域的国家标准，正被大家逐渐重视。与RS-485类似，CAN-bus网络使用普通双绞线作为传输介质，采用直线拓朴结构，单条网络线路至少可连接110个节点，网络总长度最大可达10公里（使用标准CAN收发器PCA82C250/251芯片）。在CAN-bus网络中，数据收发、硬件检错均由CAN控制器硬件完成，大大增强了CAN-bus网络的抗电磁干扰能力，即由硬件来保证CAN-bus网络运行的可靠性。

优点：可靠性高，可以支持硬件节点的即插即用；故障节点可自动关闭，不影响其他网络节点；采用芯片硬件ID方式管理网络，故障节点界定十分方便，网络维护成本比较低。而且，ZLG提供一系列开发CAN-bus网络的硬件、软件资源，