CAN-bus(控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò))總線主要用于汽車內(nèi)部測量與控制中心之間的數(shù)據(jù)通信，它定義了OSI網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)據(jù)鏈路層和部分物理層(見圖1)。
由于CAN-bus良好的性能，在世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域當(dāng)中，如工業(yè)控制、樓宇建筑、電梯網(wǎng)絡(luò)、電力通訊和安防消防等諸多領(lǐng)域，并逐漸成為這些行業(yè)的主要通訊手段。它具有傳輸可靠、實時性高、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速率快、可方便擴(kuò)充節(jié)點數(shù)、總線利用率高、數(shù)據(jù)出錯率低，以及性價比極高等優(yōu)勢。
但是，CAN-bus2.0規(guī)范并沒有定義應(yīng)用層。實際應(yīng)用中，用戶需要選擇一個合適的應(yīng)用層協(xié)議，比如DeviceNet協(xié)議、CANopen協(xié)議，或者自行制定一個應(yīng)用層協(xié)議。本文主要介紹另一個基于連接的可靠協(xié)議：iCAN協(xié)議的應(yīng)用。
基于CAN-bus的iCAN協(xié)議
iCAN協(xié)議詳細(xì)地定義了CAN報文中ID以及數(shù)據(jù)的分配和應(yīng)用，并定義了設(shè)備的I/O資源和訪問規(guī)則。iCAN協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖1：現(xiàn)場總線CAN-bus與OSI模型的關(guān)系
圖2：iCAN協(xié)議通信層結(jié)構(gòu)
1.iCAN協(xié)議的通訊模式
在任何一個iCAN的報文標(biāo)識符中，指定了源節(jié)點地址(發(fā)送報文的節(jié)點編號)以及目的地址(接收報文的節(jié)點編號)，即對于任何一個報文參與通訊的雙方是確定的。因此iCAN協(xié)議中報文是面向節(jié)點的。
iCAN網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備之間的通訊是基于連接的，在網(wǎng)絡(luò)中任何一個參與通訊的從站設(shè)備都必須和主站設(shè)備之間建立一個獨立的通訊連接。正由于iCAN網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備之間的通訊是基于連接的，這樣也為對任何一個設(shè)備的通訊進(jìn)行監(jiān)控提供了可能。在iCAN網(wǎng)絡(luò)中，主控設(shè)備和從設(shè)備之間的通訊并不能夠隨機(jī)進(jìn)行，主控設(shè)備和從設(shè)備之間必須首先建立一個連接。建立連接后，主控設(shè)備才能夠與從設(shè)備進(jìn)行通訊。
基于iCAN協(xié)議的CAN網(wǎng)絡(luò)中，最常用的通訊方式是主從雙向通訊方式，通訊由網(wǎng)絡(luò)中的主控設(shè)備發(fā)起，接收到命令幀的設(shè)備返回響應(yīng)幀。在主從通訊分為點對點方式和廣播方式兩種情況。為提高通信效率，充分利用CAN-bus多主和無損仲裁機(jī)制，在iCAN協(xié)議中也采用事件觸發(fā)的通訊模式，包括定時循環(huán)發(fā)送和狀態(tài)觸發(fā)發(fā)送。
2．iCAN的網(wǎng)絡(luò)管理
iCAN網(wǎng)絡(luò)管理的主要任務(wù)是檢測和顯示網(wǎng)絡(luò)中的錯誤，并通過服務(wù)以協(xié)調(diào)控制各個從站設(shè)備的通訊狀態(tài)。
為保證通訊的正常，網(wǎng)絡(luò)中的每一個通訊都需要進(jìn)行監(jiān)控，并在通訊出現(xiàn)異常時，采用適當(dāng)?shù)姆绞交謴?fù)通訊。例如對每個通訊均可通過監(jiān)控其信息到達(dá)節(jié)點的時間，通過判斷是否超時決定通訊是否異常，并采取相應(yīng)的行動。在iCAN網(wǎng)絡(luò)中通訊的監(jiān)控是基于對連接的監(jiān)控實現(xiàn)的。iCAN網(wǎng)絡(luò)管理可以包括節(jié)點控制和通訊控制，節(jié)點控制用于控制想要參與分布式應(yīng)用的節(jié)點的初始化，這樣就可以對單個或所有節(jié)點的通信狀態(tài)進(jìn)行同步控制。iCAN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點控制通過定義iCAN設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)訪問狀態(tài)機(jī)制而實現(xiàn)，iCAN網(wǎng)絡(luò)訪問狀態(tài)機(jī)制規(guī)定了節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中啟動時必須執(zhí)行的狀態(tài)圖，詳細(xì)規(guī)定了節(jié)點各狀態(tài)之間切換的規(guī)則，并可以通過特定的報文對節(jié)點進(jìn)行控制。
圖3：iCAN設(shè)備網(wǎng)絡(luò)初始化過程
iCAN協(xié)議的通訊控制用于對網(wǎng)絡(luò)通訊報文進(jìn)行監(jiān)控，保證在通訊異常時，通過適當(dāng)?shù)姆绞侥軌蚧謴?fù)通訊。通訊的控制是以主站設(shè)備和從站設(shè)備之間的通訊時間間隔作為依據(jù)的。因此在iCAN網(wǎng)絡(luò)中，通訊是否異常是通過“超時機(jī)制”判斷的。為實現(xiàn)通訊控制，在iCAN協(xié)議中定義了MACID檢測定時器、連接定時器、循環(huán)傳送定時器。
在MACID檢測中會使用到一個固定時間長度的MACID檢測定時器，通常設(shè)定為1秒。iCAN設(shè)備在成功發(fā)送MACID檢測報文后，會啟動MAC ID檢測定時器，如果定時器計時到達(dá)1秒時，設(shè)備還沒有接收到MAC ID檢測報文，則進(jìn)入可操作狀態(tài)。
在一個連接中，通過連接定時器實現(xiàn)連接通訊響應(yīng)的超時機(jī)制。該連接定時器通過主站通訊定時參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如果在通訊過程中，連接定時器計數(shù)滿則意味通訊超時，此時從站設(shè)備會自動刪除連接。
循環(huán)傳送定時器用于觸發(fā)傳送。在一個連接中當(dāng)循環(huán)傳送定時器超時后，從站設(shè)備發(fā)送報文。循環(huán)傳送定時器通過定時循環(huán)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)連接建立時，并設(shè)置了循環(huán)定時參數(shù)后，從站設(shè)備的循環(huán)傳送定時器被激活。當(dāng)從站設(shè)備的循環(huán)傳送定時器超時后，主動發(fā)送報文到主控節(jié)點。
iCAN在ADSL通信電桿檢測中的應(yīng)用
ADSL通信電桿的檢測，包括傾斜角度、電纜盜竊等是通過工作人員到現(xiàn)場檢測的方法逐個記錄，且其分布散、數(shù)量大，所以費(fèi)時費(fèi)力。建立一個分布式的采集網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)通信電桿的傾斜達(dá)到一定角度時自動產(chǎn)生一個報警信號并通知主控PC，或檢測到有人在爬桿竊取電纜時產(chǎn)生一個報警信號并通知主控PC，并支持現(xiàn)場報警，這是實現(xiàn)ADSL通信電桿自動監(jiān)控的有效方法。
ADSL每隔3000m～5000m有一個中繼局，中繼局中有互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口，通過ADSL可直接上互聯(lián)網(wǎng)。中繼局之間每隔20m～30m架設(shè)一個通信電桿，每個中繼局之間大概有150個通信電桿。
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>
ADSL通信電桿檢測網(wǎng)絡(luò)可采用CAN-bus和以太網(wǎng)構(gòu)成的兩級結(jié)構(gòu)，每個通信電桿上都有集成iCAN協(xié)議的8路開關(guān)量檢測AnyCAN模塊。將兩個中繼局之間的所有AnyCAN模塊和CANET-100/200都連接到CAN總線上，并在總線的兩端串接120歐姆的終端匹配電阻，CANET-100/200的以太網(wǎng)接口在ADSL中繼局中連入互聯(lián)網(wǎng)。
ADSL總監(jiān)控站的主控PC可以通過一系列固定IP地址，訪問多個ADSL中繼局的CANET-100/200設(shè)備。設(shè)備使用不同的端口號區(qū)分不同的iCAN網(wǎng)絡(luò)。由于CANET-100/200設(shè)備的以太網(wǎng)速率可達(dá)10Mbps，而CAN-bus工作在10Kbps的通訊速率，主控PC可連接多個iCAN網(wǎng)絡(luò)，同時需要注意iCAN網(wǎng)絡(luò)的通訊數(shù)據(jù)流量管理。
網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和性能分析
ADSL通信電桿檢測網(wǎng)絡(luò)不需要實時響應(yīng)。單個iCAN網(wǎng)絡(luò)長達(dá)5000m，選用10Kpbs通信波特率，采用2mm2的非屏蔽雙絞線作為通信電纜，所有節(jié)點設(shè)定在輪循方式下工作。可設(shè)置主站通訊定時參數(shù)(CyclicMaster)為0，從站設(shè)備的連接定時器不裝載，不存在超時判斷，建立連接后可隨時進(jìn)行通訊。輪循時iCAN幀的數(shù)據(jù)長度為2個字節(jié)，對應(yīng)的iCAN報文長度為83個位(忽略位填充時間)，所以iCAN網(wǎng)絡(luò)輪循一周的時間為：
83位 * 0.1ms * 2 * 150節(jié)點 / 1000 = 2.49 s
要使網(wǎng)絡(luò)可靠工作，應(yīng)保證網(wǎng)絡(luò)工作在60%的總線負(fù)載率下，控制iCAN網(wǎng)絡(luò)輪循時間為：
2.49s / 60% = 4.15s
因為互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜，PC軟件必須保證數(shù)據(jù)的可靠性，PC軟件為每個IP端口組合分配一個定時器并設(shè)定初值。當(dāng)發(fā)出一個報文時，啟動定時器，當(dāng)收到報文后，復(fù)位定時器并停止計時。如定時器超時，說明在規(guī)定的時間內(nèi)沒有收到應(yīng)答報文，查詢報文或應(yīng)答報文可能在互聯(lián)網(wǎng)通訊的時候丟失。此時，PC軟件自動重發(fā)查詢報文，重新啟動定時器。
主站軟件的編寫
CANET-100/200設(shè)備提供有iCAN協(xié)議API驅(qū)動函數(shù)，支持VC++、VB、Delphi、C++ Builder、LabView等軟件開發(fā)環(huán)境。PC軟件開發(fā)的主要流程如下圖4所示。
圖4：PC軟件開發(fā)的主要流程
通過使用ZOPC-Server服務(wù)器軟件，可以在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的組態(tài)環(huán)境中開發(fā)ADSL通信電桿檢測網(wǎng)絡(luò)的PC監(jiān)控軟件。常用的組態(tài)環(huán)境都支持OPC協(xié)議，比如組態(tài)王KingView、昆侖通態(tài)MCGS、三維力控，國外的如Intouch、iFix等。由于ZOPC-Server服務(wù)器軟件在內(nèi)部已有超時和重發(fā)機(jī)制，可以保證CANET-100/200設(shè)備管理iCAN網(wǎng)絡(luò)的實時性與可靠性。
本文小結(jié)
ADSL通信電桿分散度大、距離遠(yuǎn)的特點使得CAN網(wǎng)絡(luò)是其最好的解決方案。iCAN協(xié)議的高可靠性和易使用性可以快速建立一個可靠的CAN網(wǎng)絡(luò)。我國ADSL電桿架設(shè)數(shù)量巨大，采用網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)采集控制將大大降低人力投入并提高ADSL服務(wù)質(zhì)量。