CAN總線遠(yuǎn)程傳輸可靠性的設(shè)計方法和實現(xiàn)

O 引言
    現(xiàn)場總線能同時滿足過程控制和制造業(yè)自動化的需求，成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域最為活躍的技術(shù)之一。CAN(Controller Area Network，即控制器局域網(wǎng))現(xiàn)場總線以其多主方式，報文自動過濾重發(fā)、極低的誤碼率和高通訊速率等特點，在各種低成本、高抗干擾的多機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。
    CAN總線屬于總線式帶同步位的串行通信網(wǎng)絡(luò)，由于采用了許多新技術(shù)以及獨(dú)特的設(shè)計，與一般的通信總線相比，CAN總線在遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通信上具有突出的可靠性、實時性和靈活性。CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)lOkm(通信速率5Kbps以下)，通信速率最高可達(dá)lMbps(通信距離最長40m)。但在實際的遠(yuǎn)程傳輸過程中，通信數(shù)據(jù)受許多因素的影響，致使傳輸?shù)牟ㄐ问д?，達(dá)不到預(yù)期的效果。本文針對CAN總線遠(yuǎn)程傳輸?shù)目煽啃赃M(jìn)行了設(shè)計與分析。

1 遠(yuǎn)程CAN總線傳輸可靠性的主要影響因素
    (1)工作環(huán)境電磁干擾的影響。
    (2)傳輸介質(zhì)分布電容和電阻的影響。
    (3)遠(yuǎn)近端阻抗不匹配的影響。
    (4)接收同步位端的相位變化和幅值變化的影響。
    (5)傳送波特率位時鐘設(shè)計的影響。
    (6)沒有發(fā)送和接收幀的節(jié)點之問高阻狀態(tài)性的漏電對CAN總線的影響。
    (7)對總線短路和斷路監(jiān)測處理的影響。

2 遠(yuǎn)程CAN總線傳輸可靠性的設(shè)計方法
    系統(tǒng)運(yùn)行在復(fù)雜的電磁空問里，有外界的各種電磁場變化，也有系統(tǒng)內(nèi)部各個元器件之間的電磁干擾。尤其工作現(xiàn)場的電磁場環(huán)境是最容易干擾系統(tǒng)的可靠性。因此系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸過程采用屏蔽雙絞線，它綜合了屏蔽線和雙絞線兩者的優(yōu)點，是較理想的信號傳輸線，即可以抑制靜電干擾，也可以抑制電磁感應(yīng)干擾，從而提高系統(tǒng)的可靠性。
    元器件是構(gòu)成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，選擇集成化程度高，抗干擾能力強(qiáng)，功耗又小的電子元器件尤為重要。選擇合適的MCU是CAN總線控制系統(tǒng)設(shè)計成功的關(guān)鍵。在綜合比較了當(dāng)前業(yè)界流行的幾款MCU最終選擇了Silicon Laboratories公司的C8051F040這款8位單片機(jī)作為CAN總線控制系統(tǒng)的控制核心。
    C8051F040(以下簡稱F040)單片機(jī)是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與MCS一5l完全兼容的指令內(nèi)核。由于采用了流水線處理技術(shù)，大大提高了指令執(zhí)行效率。F040還采用了Flash ROM技術(shù)，集成了JTAG，實現(xiàn)了真正的在線編程和片上調(diào)試。它比SJAl000等片外CAN總線控制器具有更好的可靠性和集成度高的特點。F040的CAN控制器完全硬件化，解決了CPU與CAN,總線控制器之間的競爭矛盾。
    在主機(jī)CAN節(jié)點中，如圖1所示，選擇Silicon Laboratories公司的USB轉(zhuǎn)UART橋接芯片CP2101，內(nèi)部自帶512B收發(fā)緩沖器，進(jìn)一步從芯片本身上解決了數(shù)據(jù)沖突的問題。它還有300bps至921．6Kbps的波特率變化范圍，滿足高速通訊要求，外圍電路十分簡單；另外，CP2101還集成了5V轉(zhuǎn)3V電壓調(diào)節(jié)器，可以由USB總線來對整個主機(jī)節(jié)點供電，這樣整個電路就只需一根USB連線即可實現(xiàn)與PC機(jī)通訊，無需額外電源，即插即用，十分方便。
    圖1主機(jī)CAN節(jié)點的硬件連接圖(參見下頁)

ADuMl20l是ADI公司生產(chǎn)的隔離器，采用平面磁場專利隔離技術(shù)，取消了光電耦合器中的光電轉(zhuǎn)換過程。因此ADuMl201具有優(yōu)于光電隔離器的優(yōu)點：速度更高(最高速率達(dá)到25 Mbps)、功耗更低(最小工作電流為0．8mA)、性能更高、體積更小、價格更便宜、應(yīng)用更靈活(多通道數(shù)字隔離器能在同一芯片內(nèi)提供發(fā)送和接收通道)。選擇ADuMl201用來實現(xiàn)CAN控制器和CAN驅(qū)動器之問的電氣隔離，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。
    為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通訊可靠性，選擇TI公司生產(chǎn)的芯片SN65HVD251作為CAN總線收發(fā)器。SN65HVD251能以高達(dá)1Mbps的速度提供到總線的差動傳輸功能，以及到CAN控制器的差動接收功能。具有差分收發(fā)能力、高抗電磁干擾、超小封裝、低功耗性能。與F040配合使用，可使外圍電路更加簡潔，如圖2所示。

CAN收發(fā)器SN65HVD251在CANH和CANL輸出引腳間并聯(lián)一個電阻，作為CAN總線的終端電阻，在本節(jié)點作CAN總線終端節(jié)點時，閉合跳線片JPl，使終端電阻工作。終端電阻值R6等于傳輸電纜的特性阻抗，一般取值120Ω在文獻(xiàn)中有詳細(xì)的討論，解決了遠(yuǎn)近端阻抗不匹配的影響。SN65HVD25l的Rs引腳為斜率電阻輸入引腳，可以改變收發(fā)器工作的方式。在CANH和CANL上各自串聯(lián)電阻R2、R3限流，再通過一組上下拉電阻R4、R5，有效抑制反射波干擾，保持總線處于高阻態(tài)時，接收端收到的始終是“l(fā)”電平，這樣拉高信號的幅度，減少誤碼率。另外在CANH年NCANL之間并聯(lián)一對方向相反的瞬態(tài)二極管Dl、D2，可防雷擊，以及防止其他總線上的瞬變干擾。

3 整體系統(tǒng)設(shè)計
    依據(jù)以上器件組建一個可靠的CAN總線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺。本系統(tǒng)由一個主機(jī)CAN節(jié)點通過USB接口與上位PC機(jī)相連，主節(jié)點采用總線方式與下面各個功能節(jié)點連接，如圖3所示，其中主機(jī)CAN節(jié)點主要用來發(fā)送遠(yuǎn)程控制廣播命令，收集所有節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)，并上傳給上位機(jī)軟件進(jìn)行識別分類和統(tǒng)計，它實現(xiàn)了總線偵聽、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和上位機(jī)接口功能。而底層節(jié)點則控制系統(tǒng)中的底層設(shè)備，發(fā)送包含節(jié)點信息的8字節(jié)數(shù)據(jù)CAN總線報文，并偵聽主機(jī)節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)廣播指令，調(diào)整節(jié)點功能。
    圖3 CAN總線控制系統(tǒng)多機(jī)測試平臺

4 實驗分析
4．1 不同公里數(shù)通訊結(jié)果分析
    將系統(tǒng)總線與模擬的1公里一5公里遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)相連。為了更好分析CAN總線可靠性，使示波器更好的觀察報文波形。將示波器CHl兩端與距主節(jié)點0公里處相連，CH2兩端與距主節(jié)點5公里處相連，如圖4所示。這樣，可以觀察到相對主機(jī)CAN節(jié)點5公里通訊的近端(CHl)和遠(yuǎn)端(CH2)的通訊報文波形。

CHl測試出來的波形位于上端，CH2測試的波形位于下端。CHl端標(biāo)識為1的一段波形是主節(jié)點發(fā)出的報文，2是位于CH2端底層節(jié)點接收到的報文，4是底層節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)報文，3是主機(jī)CAN節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)，稱1和2、3和4為一組報文。每幀數(shù)據(jù)的最后一位是應(yīng)答位。每兩幀報文之間有時間間隙，其中一段是主機(jī)CAN節(jié)點和上位PC機(jī)處理數(shù)據(jù)的時間，另外一段是底層測量節(jié)點處理數(shù)據(jù)的時間。
    經(jīng)過觀察，近端發(fā)送的1報文經(jīng)過5公里距離到遠(yuǎn)端接收到的2報文的幅值發(fā)生了衰減；同樣近端收到的3報文也在遠(yuǎn)端4報文的幅值基礎(chǔ)上發(fā)生衰減。分別測試1公里到4公里通訊的波形圖，可以發(fā)現(xiàn)通訊距離越長，幅值衰減得越多。
    在其他條件不變的情況下，分別對1公里一5公里做實驗，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊距離的變化會對報文傳輸速率有影響但很小，將得出的數(shù)據(jù)制表如表1。

由表1可見，1公里處傳輸速率最大，每秒傳輸13．2972I幀，即0．0752秒傳輸一幀數(shù)據(jù)，所謂一幀實際一次發(fā)送，一次接收，對于CAN總線實際是2幀。隨著傳輸距離的增大，傳輸速率稍有減小的趨勢，說明遠(yuǎn)程傳輸有一定的網(wǎng)絡(luò)時延， 但是在低波特率下影響不大。
4．2 相同公里數(shù)不同測試點通訊結(jié)果
    接下來以通訊5公里距離為例，觀察將CHl兩端連接到0公里處的測試點，CH2兩端連接到1公里、2公里、3公里、4公里、5公里處的測試點，可以看到報文波形幅值發(fā)生了相應(yīng)的變化。經(jīng)過1公里的衰減，同一組報文幅值降低了約O．2V；2公里距離的通訊會造成同一組報文幅值上發(fā)生約0．4V的變化；同理3公里、4公里、5公里傳輸同一組報文分別發(fā)生了0．6V、0．8V和lV的幅值衰減。因此可以得出結(jié)論：同一組報文每經(jīng)過l公里距離通訊，報文信號的幅值即發(fā)生0．2V的衰減。
4．3 CAN收發(fā)器SN65FIVD251工作電壓的影響
    在實驗的過程中，觀察到SN65HVD251工作電壓VCC端的大小對于傳輸距離的影響很大，經(jīng)過大量的實驗，得出1-5公里距離成功通訊的VCC臨界電壓值(精確到O．1V)，所謂臨界電壓值是在確定距離內(nèi)能正常傳送數(shù)據(jù)的最小值。如表2所示。

從表中可以得出，保證l公里成功通訊的前提是VCC端電壓大于等于3．6V。VCC端電壓越高，可以通訊的距離越遠(yuǎn)，在1-5公里實驗中，每增加1公里，VCC端電壓相應(yīng)提高了約0．3V。最高VCC不能高過SN65HVD251的最高工作電壓7V。
    遠(yuǎn)程通訊距離對于報文信號的幅值有比較大的影響，每公里約衰減O．2V；同時CAN收發(fā)器SN65HVD251的輸入電壓對于遠(yuǎn)程通訊距離有一定的影響，確保在電壓正常范圍內(nèi)的高電壓輸入可以提高系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通訊距離。電源電壓每提高0．3V可延長1公里，而增加1公里損耗0．2V，余下的0．1V由驅(qū)動芯片內(nèi)部所消耗了。

5 CAN總線遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)的性能總結(jié)
    CAN總線傳輸距離在驅(qū)動芯片工作電壓和傳送波特率確定之后，主要決定如下二個因素：(1) 發(fā)送端的應(yīng)答位的隱性電壓和接收端把隱形變成顯性電平以后又傳送到發(fā)送端時的電平差值；(2)發(fā)送端發(fā)的應(yīng)答位到接收端被確認(rèn)后又發(fā)回到發(fā)送端時該位相位變化。前者電平差值為0．6V，后者不能滯后每位的時間的一半。0．6V電平差比RS485、RS422識別“l(fā)”和“0”差值100mv要大很多。這也就是說同樣傳送條件下，RS485比CAN總線傳送距離遠(yuǎn)。同樣RS485、RS422因閾值過小，易受干擾。另外CAN總線其他性能優(yōu)于RS485和RS422，如CRC硬化，可以多主通訊機(jī)構(gòu)，以及多層已硬化的上層協(xié)議等。RS485的誤碼率10—7，CAN總線誤碼率可達(dá)2×10一ll。因此要提高遠(yuǎn)程傳送可靠性可以采取如下方法：
    (1)增加驅(qū)動芯片的工作電壓。
    (2)降低發(fā)送的波特率，減少相位滯后的影響。
    (3)使用更粗雙絞線，減小通訊導(dǎo)線電阻，從而減少傳送損耗。
    (4)用兩個驅(qū)動芯片并聯(lián)驅(qū)動，減少驅(qū)動芯片的內(nèi)阻，提高驅(qū)動電流，即減少0．1V內(nèi)部損耗。
    (5)選用分布電容較小的雙絞線，降低分布電容對同步位相位的影響。
    總體來說， 本文設(shè)計的CAN總線控制系統(tǒng)無論從可靠性，還是從其他性能指標(biāo)上來分析，都達(dá)到了很好的效果。并且在拉西瓦水電站邊坡監(jiān)測系統(tǒng)中承擔(dān)數(shù)據(jù)采集通訊的任務(wù)。