一种经济实用的CAN总线智能分布式系统 （北京华控技术有限责任公司，北京 100085） 曹正平 1 引言 现场总线是应用在生产现场，在智能化测控设备之间实现双向、串行和多节点数字通信的技术。它具有： ① 开放性 它有一个公开的、一致的、全世界都必须遵从的国际标准。 ② 互操作性与互换性 不同厂家的互联设备可以互通信息；不同厂家的同类设备可互相替换。 ③ 高可靠性 现场设备的高度智能化使现场总线系统结构高度分散，提高了系统的可靠性。 ④ 对现场环境的适应性 由于现场总线是专用于现场的底层网络，同时，它的信息传输媒体可以是双绞线、光缆、射频、同轴电缆等，具有较强的抗干扰能力，同时可满足本安防爆要求等。 现场总线技术已经成为自动化领域的一大热点，相继形成了十多种的现场总线标准。仅国际标准IEC 61158中就归纳了8种类型的行规：① IEC 61158技术报告（FF H1是其子集）；② ControlNet现场总线（DeviceNet是其设备层网）；③ Profibus 现场总线；④ P-Net现场总线；⑤ FF HSE高速以太网；⑥ SwiftNet 现场总线；⑦ WorldFIP 现场总线；⑧ Interbus 现场总线。 华控技术有限责任公司是国家“九五”期间重点攻关课题《现场总线智能仪表的研究与开发》的主要承担单位之一。该公司在基金会现场总线FF的技术和产品开发上作了较大投入，开发了包括FF、HART总线智能仪表的一系列现场总线仪表通信卡OEM产品及其配套产品，被列入国家计委高科技产业化项目。 本文将重点介绍华控公司在CAN总线产品开发所做的工作。 2 CAN总线技术特点 CAN即控制器局域网络属于现场总线范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。它的应用范围遍及高速网络到低成本的多线路网络。CAN具有以下特点： (1) 多主依据优先级进行总线访问 CAN为多主工作方式，网上任意一个节点可向网上其它节点发送信息。CAN通信的实时性强，它的节点信息分成不同的优先级，能保证高优先级的数据实时得到传输。 (2) 无破坏的依据优先权的仲裁 CAN在多个节点同时访问总线时，优先级较低的节点会主动退出数据发送，优先级高的节点可以优先发送。此后，被延后的低优先级节点重新进行数据传输，几乎不受影响。这样，即使在负载很重的情况下也能保证系统不会瘫痪。 (3) 借助接收滤波的多地址帧传送 CAN通信控制器芯片一般都具有地址过滤的功能。通过地址过滤可以减轻微控制器的负担。该过滤可以针对一组，而不是单一地址进行过滤。 (4) 远程数据请求 CAN的直接通信距离（不借助任何中继器）最长可达10公里，CAN通信协议约定4种不同的帧格式，其中“远程帧”用于申请数据。 (5) 全系统数据兼容，系统灵活 在CAN系统中，一个CAN节点不使用有关系统结构的任何信息。节点可在不要求所有节点及其应用层改变任何软件或硬件的情况下接于CAN网络。在CAN网络中，可以确保报文同时被所有节或没有节点接收。 (6) 严格的错误检测和界定 CAN通信协议的数据链层的MAC子层具有严格的错误检测功能，包括监测、填充规则校验、帧校验、15位循环冗余码校验和应答校验。CAN的节点有能力识别永久性故障和暂时扰动，对错误作出界定，对已损报文进行标注并自动最新发送，对故障计数大于255对时，节点被“脱离总线”，脱离总线状态不允许对总线有任何影响。 (7) 通信介质多样，组合方式灵活 CAN的通信媒体较多，有双绞线、同轴电缆、光缆、无线等，在实际系统的应用中，往往灵活地混合使用。 3 CAN技术应用 基于SDS协议的RSM系统是一种CAN总线的典型应用方法。SDS是1994年由Honeywell Micro Switch部推出的基于CAN总线标准的应用层协议。为了提高速度和可靠性，该协议提供一针对设备级控制的报文和服务，可以是扫描、主－从或对等通信。SDS的标准已公开发布，不收费。其网络节点可以是传感器、执行器、PC、PLC、智能模块等，最大网络节点数为64。SDS主要用于过程检测、控制。 (1) RSM智能分布式系统的组成 RSM系统是由上位机（工控机）、ISA总线CAN通信卡（也可是PCI总线或PC104 CAN总线通信卡）、RSM智能模块、传输媒体和相关软件构成。（图略） 上位机最多可配备4台，互为冗余；智能模块1～60个，在无扩展中继器的情况下节点总数不超过64点。通信距离和通信速度符合CAN规定的通信规范，64个节点可以分布在几米到10公里的范围内。通信协议符合ISO11898 2.0A和SDS。 (2) RSM智能模块 RSM智能模块共有14种，采用电源、CPU、现场信号和通信口相隔离的设计，输入端设有无源低通滤波器，用来抑制共模、差模干扰。通过看门狗电路设计，实现模块的自恢复功能。 ① RSM智能模块绝大部分是输入输出模块，调节回路可以跨模块构成回路。但考虑到调节回路的安全性，为了保证在上位机或整个通信线路出现重大故障时回路调节不受到影响，设计了隔离型、自整定PID、隔离型温度调节器（RSM22）等带有调节功能的模块。它们的输入输出通道都在同一模块中，其底层软件的功能很强，所有的输入处理、输出增量的计算（多种调节算法可通过组态选择，包括串级调节）、输出，包括自整定模块的过程参数的自动识别都在本模块实现，保证了调节回路的安全性、可靠性。 * RSM22是一个带有CAN通信功能的隔离型温度控制器。该模块有一个温度输入点，可以是热电阻或热电偶信号，有一个模拟量输出，供输出执行机构是连续变化的控制系统使用；还有一路是数字量输出，供执行机构是两位式的控制系统使用。这个控制器可以单独作为一个温度调节器使用，因为在该模块上提供了完整的显示窗口和操作按钮，可以设定温度设定值、PID调节参数等运行过程中可以显示被控对象的PV值和SV值。该模块可以根据设定的5个温度控制点及升、降温的时间实现自动调温。 * RSM22带有CAN通信口，可以与微机实现通信，也就是说RSM22可以接入SDS。通过上位机实现对多个节点上的温控模块设定各温度控制点的温度、PID值、升温时间等控制参数，并实时记录各温控器的温度测量值，描绘出温度变化曲线，供实验人员对实验结果进行分析。 ② 总线或通信协议转换模块，如RS232/CAN、485/CAN、并口信号/CAN等转换模块。目的是将便携式计算机、带有串/并口通信的在线仪器和设备与CAN总线连接。 ③ 中继器模块包括直通型和扩展型两种。前者用于延长通信距离，后者用于扩展RSM系统的规模。 RSM智能模块配置充分从硬件角度考虑了用户系统集成的灵活性和方便程度。用户可以根据自己的需要构成各种与现场布局、符合过程测控要求的网络，也可以通过各种通信转换模块将各种仪器设备方便地接入网络。 由于CAN总线通信距离比较长，对环境适应能力比较强，同时价格比较低廉，因此，CAN总线应用面比较广泛。除一般的过程测控、加工业的控制、汽车测试线等方面使用SDS系统，有的野外项目也使用CAN总线SDS系统，如江河湖泊水位检测，大型粮食储备库的粮情监测等，但野外的使用无论是供电线路还是通信线路（光缆除外），都必须在系统中接入“防雷模块”。 (3) RSM智能分布式系统的软件结构 软件部分包括模块中的固化软件、通信驱动软件、DDE服务器、组态软件、MMI软件和用户软件。 ① 模块固化软件 智能模块的软件由一个实时内核通过对多个任务的调度周期性地完成输入输出功能、数据处理、通信、输出和检错等工作。模块和上位机之间的通信一般采用广播方式，也可由上位机逐个扫描，这些都可以通过系统组态来指定。软件的本身被固化，以保证在干扰较强的环境中使用。 ② 通信驱动 是指被DDE服务器或用户软件调用的动态链接库。 ③ DDE服务器 该程序能够接收来自组态软件、MMI软件以及用户软件的DDE连接请求，并将该请求传递给通信驱动部分，由通信驱动转换为通信信号通过传输媒体传递给智能模块的固化软件。并将模块的应答作为DDE操作的结果返回给上述的组态软件、MMI软件及用户软件。 ④ MMI软件 建立人机信息联系，并且能将各节点传输来的数据以图形、图表或其它动态方式显示出来。本系统可以使用任何具有DDE接口的MMI软件。 ⑤ 组态软件 负责对整个SDS系统进行组态、信息下载及管理。 ⑥ 用户软件 是对MMI软件功能的补充。该软件可以通过DDE接口进行数据交换，也可以直接调用通信驱动。 上述软件均运行在PC Windows或Windows NT平台上。 4 CAN总线与以太网连接 如何将各种总线有机地集成于一个系统，充分发挥它们的特长，是今后几年自动化行业工作的一个重大挑战。 基金会HSE现场总线是现场总线基金会将H1/H2现场总线技术集成到工厂级INTRANET的关键技术。HSE技术包括HSE基础结构以及4种设备类型：LD连接设备、GD网关设备、ED以太网设备及HD主设备。HSE现场总线建立在广泛接受的通信标准之上，这些标准包括：IEEE-802.3及其扩展（10M/100M或者更高速以太网），IEEE-802.2以及TCP/IP协议。由于使用了这些工业标准，使HSE可以非常方便地与局域网以及INTERNET集成在一起。由于以太网