引 言

現場的總線控制系統(FCS)將是新世紀自動控制系統發展的主流，是繼DCS后新一代的控制系統。現場總線是綜合自動化發展的需要，同時智能儀器儀表則為現場總線的出現奠定了基礎。

CAN(Controller Area Network)是現場總線的一種，最早是德國Bosch公司在上世紀80年代推出的，主要應用于汽車內部檢測以及控制系統間的數據通信。CAN總線通信協議充分考慮了工業現場環境，采用了ISO-OSI模型中的三層，即物理層，數據層和應用層。CAN總線規范已被國際標準化組織制訂為國際標準ISO11898，并得到了多家著名半導體器件生產商的支持，推出了各種集成CAN協議的芯片產品。CAN總線目前已經被廣泛應用，CAN總線被公認為幾種最有前途的現場總線之一。

CAN總線的功能與特點

CAN總線的通信介質一般采用雙絞線、同軸電纜或光纖等，能夠實現在強電磁干擾環境下數據遠距離傳輸的功能，其硬件成本低，傳輸可靠性高，軟件開銷小，是屬于總線型串行通訊網絡，具有與其它通訊協議所不同的特點。

總線支持載波監測與多主站控制以及沖突檢測的通訊模式
“載波監測”是指在總線上每一節點在發送信息報文前都必須檢測到總線上有一段空閑狀態，任一節點都有發送報文的機會。而報文信息優先級的高低取決于信息的最終發送，在CAN中采用非破壞性的基于優先級競爭的總線仲裁方式，這便是沖突檢測。通過報文濾波可實現多種傳輸方式，具有靈活的工作方式。

CAN總線協議是基于報文而不是基于站點地址的協議
CAN總線上報文所含內容只有優先級標志區和傳送的數據內容，所有節點都會收到報文，對報文的取舍取決于節點本身，同一報文可傳送給所有站點，也可以傳送給特定的站點。基于報文協議的另一個特點是新的節點可以隨時被加入到總線系統中，一旦加入到系統中，該節點便能接收信息，有很強的實用性。

CAN總線的高速性，以及錯誤檢測和恢復能力的高可靠性
CAN采用面向數據塊的通信方式，信號傳輸采用短幀結構，CAN能自動地檢測出錯誤信息，保證信息的正確性和完整性，記錄出錯信息的次數，“故障界定隔離”使故障節點被及時關斷而不會永久占用總線。

靈活數據編碼方式
CAN總線通信控制器集成了CAN的物理層和數據鏈路層功能，可以完成通信數據的成幀處理，可以定義211或229個不同的數據塊。

總之，CAN總線具有實時性強、可靠性高、抗干擾性強、結構簡單、操作性好、價格低廉等優點，是目前國際上公認的最具有前途的幾種總線之一。

在發動機測試系統中的應用

發動機測試系統簡介
發動機測試系統是汽車發動機生產廠家在發動機出廠前抽樣測試系統的總成，傳統的汽車發動機試驗臺的組成是單臺的測功機和被測發動機組成的獨立系統，每臺被測發動機的測試周期為720小時的連續各種路況測控。該系統引入CAN總線將其中的8個試驗臺組成一個同步測試系統，可大大簡化測試過程，同時減少了重復勞動，取得較好的效果。



由于該發動機測控設備是由作者在1997年研制成功的，當時考慮到今后系統的擴展以及完善整個試驗系統的通信功能，在系統中預留了RS-422通信功能接口。原系統采用STD總線鼠籠式的8098式結構搭建了試驗臺測控系統，而其通信接口是標準的RS-422串行通信協議，這種結構只能采用主從式結構，且只有物理層，故而采用了CAN橋接器，使其能夠組成一個標準的CAN總線系統。

CAN橋接器的軟硬件設計
CAN橋接器的設計是將RS-422電平與CAN標準的邏輯電平能夠相互轉換，同時使得RS-422和CAN的幀格式能夠相互轉換。系統采用了SJA1000控制接口芯片，SJA1000有BasicCAN模式和PeliCAN模式兩種工作模式，本系統中選擇了工作模式為基本型。SJA1000作為微控制器的片外擴展芯片，其片選引腳CS接在微控制器的地址譯碼器上，從而決定了CAN總線控制器各寄存器的地址。SJA1000通過CAN控制器接口芯片82C250連接在物理總線上。82C250器件提供對總線的差動發送能力和對CAN控制器的差動接受能力，完全和ISO11898標準兼容。其引腳8允許選擇高速、斜率控制和待機三種不同的工作方式。

在圖2所示的電路中實現了RS-422電平和CAN標準邏輯電平的相互轉換，同時系統軟件也實現了RS-422和CAN幀格式的相互轉換，系統中CPU為AT89C52單片機。

芯片MAX1490B完成了RS-422和TTL邏輯電平的相互轉換，而芯片SJA1000則完成了TTL邏輯電平和CAN邏輯電平的相互轉換，在MAX1490B中TTL側和RS-422側實現了完全電隔離，A、B為其RS-422側輸入端，Y、Z為RS-422側輸出端，DI為隔離的TTL側驅動輸入，RO為隔離的TTL輸出端，MAX1490B內部的DCPDC 變換器在不需要外部隔離電源的情況下實現了輸入輸出的電隔離。82C250是CAN總線通信控制器，由其實現CAN的物理層和數據鏈路層，是CAN總線收發器，可支持多達110個節點的CAN總線負載。



測控設備的改造
原有的系統采用了下位控制，即將控制權限和管理權限在每一獨立的系統中單獨實現，數據的輸出，給定控制目標以及各種工況的信息打印均由前端機控制，上位機只是用來對系統進行簡單的數據匯總通訊。在原系統中每個測控設備是孤立的，是信息孤島，在改造過程中上位機中配置CAN適配器，用雙絞線與CAN總線相連，在原測控設備上利用預留RS-422與CAN橋接器相連。在軟件編程中，增加了單獨的通信單元，不增加原有的控制系統的其他功能和軟件開銷，經過簡單的軟硬件改造后，形成了一個具有數據交互功能的測控系統。改造后的系統能夠通過上位機對前置機進行控制工框的設定、數據采集匯總等，可以通過上位機對前置機進行控制，突破了原有系統的信息交互的障礙。系統拓撲結構如圖4所示。


結束語

經過改造后的測控設備連成了一個CAN總線系統，突破了原有的信息孤島的模式，原系統中的各種工作模式、各種控制目標給定由上位機管理，下位機通過接收廣播、點對點方式和上位機通信，接受工況狀態的轉換以及控制給定等參數，同時定期上傳其工作狀態、測試數據等，上位機對其進行統一管理，實現了“分散控制，集中管理”的模式。上位機通訊管理軟件的編制采用DELPHI5.0，在WIN2000下編譯完成。

通過對原有系統進行總線升級改造，針對原有測試系統進行現場總線改造的嘗試，也具有積極的實際意義。