基于CAN总线的光电经纬仪远程监控系统

1 引言 　

CAN (Controller Area Network，控制器局域网)总线最初是德国BOSCH公司为汽车的监测、控制系统而设计的一种有效支持分布式实时控制的串行通信网络，由于CAN总线具有通信率高、实时性好、可靠性高、连接方便和性价比高等特点，推动了其应用开发的迅速发展。由于CAN总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而扩展到了机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗机械、家用电器及传感器等领域。CAN总线是目前惟一有国际标准的现场总线，并已被公认为最有前途的现场总线之一。

然而,随着计算机、控制、通信、网络等信息技术的发展, 信息交换的领域已经覆盖了工厂、企业乃至世界各地的市场。为实现工业企业的综合自动化, 需要建立包含从工业现场设备层到企业控制层、管理层等各个层次的网络平台。以太网以其能便捷地访问远程系统、共享/访问多数据库等优势,许多现场总线系统最终都连接到以太网。

本文从大型光电跟踪设备的网络化出发，设计一种基于CAN总线网络的光电经纬仪的远程通信方案。

2 光电经纬仪内部通信网络设计与实现

2.1 CAN总线技术特点

CAN总线可有效支持分布式控制或实时控制。该总线的通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，其主要特点如下： CAN总线为多主站总线，各节点可在任意时刻向网络上的其他节点发送信息，且不分主从： CAN总线采用独特的非破坏性总线仲裁技术，高优先级节点优先传送数据，故实时性好； CAN总线具有点对点、一点对多点及全局广播传送数据的功能；CAN总线采用短帧结构，每帧有效字节数最多为8个，数据传输时间短，并有CRC及其它校验措施，数据出错率极低； CAN总线上某一节点出现严重错误时，可自动脱离总线，而总线上的其他操作不受影响； CAN总线系统扩充时，可直接将新节点挂在总线上，因而走线少，系统扩充容易，改型灵活； CAN总线的最大传输速率可达1Mb/s，直接通信距离最远可达到10km（速率在5kbps以下）； CAN总线上的节点数取决于总线驱动电路。在标准帧（11位报文标识符）时可达到110个，而在扩展帧（29位报文标识符）时，个数不受限。

2.2 光电经纬仪CAN总线网络系统架构

光电经纬仪之间的实时通信在传统上使用串行接口，但其存在较多的先天性缺陷：通信速率低、传输距离短、线路利用率低、容错性差、不易扩展、难以维修和测试。CAN总线应用于光电经纬仪内部通讯可以简化系统结构，提高通讯实时性、传输速率，降低误码率，具有较好的抗电磁干扰性和系统的可扩展性。

在任何测控系统中，都要通过测量装置获取环境和相关的输入参数，然后执行控制算法，做出相应的控制决策，启动执行设备来实现对系统的控制。基于现场总线建立的测控系统将单个分散的测量仪表和控制设备变成网络节点，将控制系统中所需的基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化等功能也分散到各个节点中。因而总线上的节点应该具有总线通信功能、测量或控制功能，还要具有相当的协调能力，这必然离不开微处理器，这种类型的节点称为智能节点。

大型光电经纬仪是一种多传感器融合的测控设备，一般由机上数据通信系统，机上控制系统，调焦系统，激光系统，卫星电视系统，伺服系统，红外电视系统，编码器电控系统等分系统组成，不同型号的经纬仪内部系统构成不同。

以上述八个系统组成为例设计光电经纬仪内部通信系统架构^[1]如下：

图1 光电经纬仪内部CAN通信网络

在图1所示CAN总线网络中，每一个分系统都是一个智能节点，各分系统共用总线实现系统之间的数据传送。在这种由CAN总线网络构成的通信系统中，每一个分系统完成自身的数据的采集、处理，把需要跟其它分系统交互通信的信息发送到总线上，比如状态信息、命令信息等等。各个分系统之间可以完成点对点，点对多点以及广播式数据通信。

2.3 CAN智能节点的硬件架构

本系统中，CAN节点采用： ECU（AT89C51）＋CAN控制器（SJA1000）＋CAN收发器（PCA82C250）的电路结构，CAN总线控制器、总线驱动器和单片机连接基本方法^[2]如图2：

2.4光电经纬仪内部通信系统中CAN应用层协议

本协议遵循CAN2.0B规范，根据经纬仪内部各系统相互之间通信方式的特点，采用源→目的方法，每个节点都有自己固定的标识地址，且节点数小于64，设计时把机上数据通信系统作为主节点，而将机上控制系统，调焦系统，激光系统，卫星电视系统，导航电视系

图2 CAN总线接口电路原理图

统，红外电视系统，编码器电控系统设置为从节点。本协议可完成以下功能： （1）特定信息的广播(广播帧)； （2