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標(biāo)題: CAN現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸距離問(wèn)題的兩種解決方案 [打印本頁(yè)]

作者: 51黑plc 時(shí)間: 2016-3-11 15:43
標(biāo)題: CAN現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸距離問(wèn)題的兩種解決方案
本文簡(jiǎn)單介紹了CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的來(lái)源、現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題;針對(duì)CAN現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸距離存在的問(wèn)題提出了兩個(gè)解決方案，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和比較,試驗(yàn)結(jié)果證明本文的方法提高了傳輸距離的可靠性。
1、 CAN總線簡(jiǎn)介
　　1.1 CAN總線發(fā)展概況
　　CAN網(wǎng)絡(luò)原本是德國(guó)Bosch公司為歐洲汽車(chē)市場(chǎng)所開(kāi)發(fā)的，希望此項(xiàng)技術(shù)取代原本昂貴的汽車(chē)配線。CAN網(wǎng)絡(luò)具有反映可靠度高的特性，使用于實(shí)時(shí)處理的場(chǎng)合，例如汽車(chē)防鎖死系統(tǒng)、安全氣囊等。今天此項(xiàng)通訊協(xié)議已得到廣泛應(yīng)用，其特色不僅在汽車(chē)工業(yè)，在工業(yè)控制的其他領(lǐng)域也發(fā)揮了其強(qiáng)大的能力。CAN 總線在國(guó)內(nèi)發(fā)展已經(jīng)二三十年了，很多關(guān)于CAN的產(chǎn)品也已經(jīng)開(kāi)發(fā)和廣泛使用，如：變電廠、機(jī)場(chǎng)、污水處理廠等。
　　1.2 CAN總線存在的問(wèn)題
　　盡管CAN總線有很多優(yōu)點(diǎn)，但是下面兩點(diǎn)卻制約著其發(fā)展，即：CAN總線的瓶頸問(wèn)題。
　　（1）傳輸距離最大只能達(dá)到10Km，而且并不是真正的可靠傳輸;
　　（2）節(jié)點(diǎn)數(shù)量最多只能有110個(gè)。
　　下面將針對(duì)CAN總線瓶頸問(wèn)題（1）做詳細(xì)的討論。
2、針對(duì)CAN總線傳輸距離問(wèn)題提出的方案
　　2.1 CAN總線結(jié)構(gòu)
　　CAN總線系統(tǒng)一般連接結(jié)構(gòu)如圖（以芯片82C250為例）所示，R=120Ω。（注：圖中僅畫(huà)出了一個(gè)智能設(shè)備，實(shí)際中可以最多達(dá)110個(gè)）

圖1 CAN總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　CAN總線一般都是利用在環(huán)境比較惡劣，控制室與現(xiàn)場(chǎng)比較遠(yuǎn)的場(chǎng)合。總線距離達(dá)到8Km以上時(shí)，其單向線路電阻將達(dá)到100Ω，而兩端的終端電阻為120Ω（不考慮智能設(shè)備本身電阻，認(rèn)為其電阻為無(wú)限大）。其等效電路為圖2：

圖2 CAN總線電路等效圖

　　對(duì)于CAN接收器而言能夠識(shí)別的電壓要大于0.8V，一般為0.9V以上。
　　2.2 針對(duì)傳輸距離問(wèn)題所作的嘗試方案
　　從上面的電路圖以及數(shù)據(jù)分析可以看出：在距離偏遠(yuǎn)時(shí)，總線線電壓已經(jīng)處于臨界識(shí)別狀態(tài)，其數(shù)據(jù)很難正常接收（已經(jīng)沒(méi)有可靠性可言）。為此我們嘗試采用以下幾個(gè)方案進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。
　　2.2.1 在線路中直接加兩個(gè)發(fā)送芯片
　　該方案就是在總線線路中直接加入兩個(gè)發(fā)送芯片（采用82C250為例）[3]，并把發(fā)送芯片的管腳TXD和RXD對(duì)連。其連接電路如下：

圖3 發(fā)送芯片連接電路圖

　　整個(gè)電路看似很正常，把左邊的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接疫叄疫叺臄?shù)據(jù)傳輸?shù)阶筮叄瑢?shí)際上此電路是無(wú)法使用的。此電路接入總線后，只要在總線上有一個(gè)顯性電平出現(xiàn)，那么整個(gè)電路將永遠(yuǎn)呈現(xiàn)顯性電平。原因在于每個(gè)期間都有延遲（雖然是僅僅幾個(gè)ns延遲），假設(shè)從電路左邊收到一個(gè)顯性電平，經(jīng)過(guò)左右兩個(gè)82C250 芯片延遲Tns后傳輸?shù)接疫匔AN總線，另外82C250芯片本身具有同時(shí)發(fā)送、接收功能，那么右邊的82C250芯片同時(shí)把右邊CAN總線的顯性電平又傳送到左邊，這樣就形成了一個(gè)回路，使得總線永遠(yuǎn)處于顯性狀態(tài)。
　　2.2.2 加入邏輯控制電路進(jìn)行隔離
　　從上面可以看出，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)該防止數(shù)據(jù)重傳形成回路。為此我們做了如下規(guī)定：在有顯性電平時(shí)只能夠有一個(gè)方向傳輸（哪個(gè)方向先來(lái)顯性電平開(kāi)通哪個(gè)方向，同時(shí)到來(lái)則選擇任一個(gè)方向開(kāi)通）;發(fā)送端顯性電平結(jié)束后，所有方向都停止T1時(shí)間（Tns
　　利用CPLD很容易實(shí)現(xiàn)上面的規(guī)定邏輯。利用此方案把該電路先連接在總線10Km處，并在10Km不遠(yuǎn)處連接一個(gè)接收設(shè)備，實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚪邮照＃⑶移浣邮斩丝偩€電壓差為1.32V，是單連設(shè)備接收電壓差的1.55倍。
　　2.2.3 線路中間加入CAN卡中轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸（中繼器）
　　在距離達(dá)到10Km時(shí)，其接收數(shù)據(jù)不正常的原因是由于總線電壓差值較小的緣故。為此，有的采用升壓和降壓電路是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)槊總€(gè)接收器都得加入一個(gè)調(diào)理電路，造價(jià)很明顯就上去了。另外，即使升壓了，由于CAN總線按照仲裁發(fā)送決定了總要遇到方案二中提到的由于延遲總線形成閉合回路的問(wèn)題。
　　為了達(dá)到遠(yuǎn)距離傳輸，可以在中間加入中繼器，相當(dāng)于把總線距離縮短了一倍。中繼器的結(jié)構(gòu)如下：

　
圖4 中繼器結(jié)構(gòu)示意圖

　　選擇使用兩個(gè)8031單片機(jī)目的在于能夠及時(shí)處理CAN總線上的數(shù)據(jù)，使得設(shè)計(jì)也變得比較簡(jiǎn)單，不需考慮CAN總線兩邊的數(shù)據(jù)發(fā)送沖突。只要每個(gè)單片機(jī)有1K的緩存就可以。
　　具體實(shí)現(xiàn)思路：?jiǎn)纹瑱C(jī)接收CAN總線數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，在空閑階段把數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)單片機(jī)（兩者之間通過(guò)SPI協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信），同時(shí)把從另一個(gè)單片機(jī)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
　　在實(shí)際的工程中我們是利用此方案實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)模饕蚴强梢詽M足數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕么朔桨傅碾娐肺覀冞M(jìn)行過(guò)節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到100的測(cè)試，其性能正常、可靠，能夠滿足實(shí)際的需要。
3、總結(jié)
　　本文的創(chuàng)新點(diǎn)提出了解決CAN現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸遠(yuǎn)距離問(wèn)題的可實(shí)施方案，第一個(gè)（加入邏輯電路）比較簡(jiǎn)單，而且不用考慮數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，僅僅是一個(gè)硬件實(shí)現(xiàn);而第二種（中繼器）要考慮數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、判斷何時(shí)發(fā)送等情況，相對(duì)比較復(fù)雜，但可靠性要好些。兩個(gè)方案在承受負(fù)載方面能力差不多。
　　CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)作為一種新型的總線技術(shù)由于其具有良好的故障隔離能力、網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力以及CAN具有良好地傳輸防錯(cuò)設(shè)計(jì)等，使其已經(jīng)成為現(xiàn)在最有前途的總線之一。

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