由CAN-bus網絡和以太網構建遠程監(jiān)控/數據傳輸網絡

CAN（Controller Area Network——控制器局域網）是一種由CAN控制器組成的高性能串行數據局域通信網絡，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。它最早由德國Bosch公司于1984年推出，最初用于汽車內部測量與執(zhí)行部件之間的數據通信。CAN-bus總線模型符合OSI的7層結構；CAN-bus規(guī)范已被ISO估計標準組織制定為國際標準。由于其具有多主機方式、傳輸距離遠（最遠可達10km）、傳輸速度快（最快可達1Mbps）、抗干擾能力強、應用靈活等諸多優(yōu)點，所以被認為是最有發(fā)展前途的現場總線之一。目前，除了應用于汽車電子領域中，CAN-bus總線現還被廣泛應用于工業(yè)現場控制、電力通訊、小區(qū)安防、環(huán)境監(jiān)控、航天航海等眾多領域中。

以太網則是當前主流的網絡信息傳輸媒體，也是TCP/IP使用最普遍的物理網絡。TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol——傳輸控制協(xié)議/網絡協(xié)議）是一個工業(yè)標準的協(xié)議集，包括IP、TCP、UDP等子協(xié)議，保證數據在網絡上的正確傳輸。TCP/IP協(xié)議為四層模型：應用層、傳輸層、網絡層和數據鏈路層。每層都有不同的功能，而且層和層之間在邏輯上是相互獨立的。由于TCP/IP是世界上最大的Internet采用的協(xié)議組，而TCP/IP底層物理網絡多數使用以太網協(xié)議，因此，“以太網+TCP/IP”成為互連網技術中應用最普遍的技術。以太網在工廠管理層、車間監(jiān)控層將成為主流技術，與互連網技術結合是未來工廠網絡通訊技術基礎；但對一般工業(yè)網絡要求實時性、確定性通信場合，現場總線技術還將處于主導地位，因此在今后一段時間內多種網絡技術還會繼續(xù)并存，我們必須根據實際需要采用合適的網絡技術。

本文即介紹一種由CAN-bus網絡構建設備網，由以太網構建信息網，通過兩者的有機聯接，從而構成一個中型/大型的遠程監(jiān)控/數據傳輸網絡。

一、概述

某一個設計項目，需要考慮連接大約30，000個網絡節(jié)點，并可以對每個節(jié)點實時地采樣數據、輸出控制；這些網絡節(jié)點分布在不同的區(qū)域，每個區(qū)域（直徑在1公里范圍內）最多有近百個節(jié)點。而且該網絡有一點比較重要的要求：單個區(qū)域內的網絡節(jié)點對數據的實時性具有較高的要求。

按項目的以上要求，綜合考慮設計成本、生產成本、可靠性、可維護性等多方面因素，我們考慮采用“設備網——信息網”的方式構建整個網絡。

在單個區(qū)域內，由CAN-bus網絡構建設備網，總體成本較低，滿足實時性的要求，且應用可靠，維護方便；設備網的固定節(jié)點（地址為00號）同時作為網關，將CAN-bus網絡連接至以太網，從而形成可以遍布全球的信息網，可以通過組態(tài)環(huán)境統(tǒng)一監(jiān)控設備信息。

基于CAN-bus和以太網的區(qū)域信息管理系統(tǒng)的網絡連接如圖1所示。

圖例 基于CAN-bus和以太網的區(qū)域信息管理系統(tǒng)

二、現場設備網的選擇

現場設備網組網方式有多種選擇，比如RS-485、CAN-bus、Lonworks、TCP/IP等；下面將各種方式進行比較，以考慮選擇最合適的方式。

2.1 RS-485 總線

RS-485總線是采用差分傳輸方式的一種串行網絡，也是目前國內應用較多的一種遠距離串行數據方式。RS-485總線使用普通雙絞線作為傳輸介質，采用直線拓樸結構，單條網絡線路可連接32個節(jié)點（數據來自于MAXIM公司的MAX485數據手冊），網絡總長度最大可達1200米。

優(yōu)點：對于單個節(jié)點，電路成本較低，設計容易，實現方便。

缺點：可靠性差，單個節(jié)點的故障有可能導致整個網絡癱瘓；RS-485器件容易損壞；且不易界定網絡中的故障節(jié)點，維護成本相對較高。

適用范圍：節(jié)點數目較少，傳輸距離在1公里左右，安全性要求不高的場合。

2.2 CAN-bus方案

CAN-bus是國際上應用最廣泛的現場總線之一，被廣泛應用于歐洲的中高檔汽車中，用作ECU單元的串行數據控制網絡；近幾年來，CAN-bus開始進入中國各個行業(yè)的實際應用，并于2002年被確定為電力通訊領域的國家標準，正被大家逐漸重視。與RS-485類似，CAN-bus網絡使用普通雙絞線作為傳輸介質，采用直線拓樸結構，單條網絡線路至少可連接110個節(jié)點，網絡總長度最大可達10公里（使用標準CAN收發(fā)器PCA82C250/251芯片）。在CAN-bus網絡中，數據收發(fā)、硬件檢錯均由CAN控制器硬件完成，大大增強了CAN-bus網絡的抗電磁干擾能力，即由硬件來保證CAN-bus網絡運行的可靠性。

優(yōu)點：可靠性高，可以支持硬件節(jié)點的即插即用；故障節(jié)點可自動關閉，不影響其他網絡節(jié)點；采用芯片硬件ID方式管理網絡，故障節(jié)點界定十分方便，網絡維護成本比較低。而且，ZLG提供一系列開發(fā)CAN-bus網絡的硬件、軟件資源，設計工作的難度也降低了許多。

缺點：對于單個CAN-bus節(jié)點，硬件成本比RS-485節(jié)點要高大約20元；對于CAN控制芯片的編程比較復雜，但可以采用ZLG提供的BasicCAN模塊或PeliCAN模塊。

適用范圍：可適用于節(jié)點數目很多，傳輸距離在10公里以內，安全性要求高的場合；也可適用于對實時性、安全性要求十分嚴格的機械控制網絡。不適合于有大量數據需要傳輸（比如視頻/音頻信號）的場合。

下表列出了RS-485網絡與CAN-bus網絡的性能比較。

2.3 Lonworks方案

Lonworks總線由美國Echelon公司于1993年推出的一種現場總線，也是國內90年代末期比較流行的一種現場總線。Lonworks總線采用神經元芯片為核心技術設計基本節(jié)點，LonTalk通信協(xié)議支持7層網絡協(xié)議，提供一個固化在神經元的網絡操作系統(tǒng)。

Lonworks總線的規(guī)范、設計資料并不公開，決定其不是一個開放的總線系統(tǒng)；Lonworks總線采用的仲裁方式方式決定了可能會出現產生總線數據“死鎖”現象，數據傳輸的實時性并不能夠完全保證；Lonwork硬件成本相對較高，單個基本節(jié)點電路的硬件成本超過100元。國內的Lonworks總線應用也普遍集中于早先的智能樓宇領域。因此，基本上不予考慮Lonworks總線。

2.4 以太網方案

基于802.3規(guī)范的“以太網+TCP/IP”已成為互連網技術中應用最普遍的技術，可以實現數據的遠程傳輸。但以太網的本質特點是采用CSMA/CD 的介質訪問控制技術，容易產生“節(jié)點”碰撞，無法保證數據的實時性/有效性；而且，實現以太網節(jié)點的硬件成本、軟件開發(fā)費用也大大高于其他各種方式。

國外正在研究與CAN-bus網絡結合的以太網方案（EtherNET/IP，簡稱CIP），稱為工業(yè)以太網，構建可以保證實時性能的網絡傳輸方案。與底層的CAN-bus網絡（設備網）結合，也是未來以太網發(fā)展的必然趨勢。

2.5 方案選定

根據以上分析、比較，CAN-bus網絡方案比較合理，具有較多的優(yōu)勢；另外，考慮系統(tǒng)將來的升級擴展能力、維護管理方式，CAN-bus的優(yōu)勢更加明顯，可以優(yōu)先考慮。

三、設備網與信息網的網關

連接設備網與信息網的網關可以采用2種方式實現：通用PC終端或嵌入式網關。

3.1 通用PC終端

在通用PC終端中安裝1個標準以太網接口卡和1個PCI-5110接口卡（或USBCAN-I接口卡），即可以方便地實現一個連接設備網（CAN-bus網絡）與信息網（以太網）的網關。

所有的程序開發(fā)工作可以在PC平臺上完成，使用VC++、VB、Delphi、C++Builder等高級語言來實現。所有ZLGCAN接口卡均可以工作在Win98 /Win2K /WinXP /Linux 操作系統(tǒng)下，提供有OPC接口庫、開發(fā)示范，支持在各種當前流行組態(tài)軟件下直接運行。

應用程序是一個根據用戶的具體要求而設計的用戶層應用軟件。它可以是一個Win32監(jiān)控程序或網絡數據庫（記錄CAN節(jié)點設備數據）軟件等；甚至可能是CAN節(jié)點設備的服務器軟件，為設備提供較復雜的數據處理工作。

所有的CAN-bus節(jié)點組成一個虛擬網段，CAN設備管理服務器是企業(yè)以太網中的任一控制節(jié)點。連在以太網上的WinNT 服務器安裝專用網絡管理軟件，就可讓合法的工程技術人員遠程管理CAN-bus節(jié)點設備；通過以太網，可同CAN-bus節(jié)點設備進行數據通信。這樣，服務器就可以使用WEB 發(fā)布方式，向網絡客戶提供動態(tài)交互式瀏覽網頁等功能。

3.2 嵌入式網關

如果系統(tǒng)具有不斷電運行或功耗等其他指標方面的要求，則使用嵌入式網關（CAN轉以太網）將令系統(tǒng)具有更好的靈活性，不僅硬件成本低、而且運行更可靠。

嵌入式網關可以通過一個基于8bit/32bit MCU的平臺實現。其基本硬件由基本CPU部分、CAN-bus接口、以太網接口組成，可以采用集成TCP/IP協(xié)議的單片機外加CAN收發(fā)器和控制器，也可采用集成CAN控制器的單片機外加CAN收發(fā)器和網絡芯片。軟件模塊由CAN控制器協(xié)議轉換模塊、以太網控制器協(xié)議轉換模塊組成。

嵌入式網關的組成框圖如下圖所示。

四、基本功能的設備節(jié)點

一個CAN-bus網絡中的節(jié)點由具體應用電路與CAN-bus接口組成。

CAN-bus接口將所有節(jié)點連接成一個完整的通訊網絡，實時傳輸各運行參數、控制命令。設計CAN-bus通訊接口是很重要的一個環(huán)節(jié)，應用設備的正確運行與其密切相關。下面的圖給出了一個實際系統(tǒng)的CAN-bus通訊單元電路圖。電路結構為：

MCU（＊P87C52X2）＋CAN控制器（SJA1000）＋CAN收發(fā)器（PCA82C250）

采用以上的電路結構，可使應用系統(tǒng)具有成本更低、配置靈活、工作可靠等優(yōu)點。P87C52X2芯片是PHILIPS公司生產的標準80C51內核單片機，包含8KB OTPROM、256B RAM、32個I/O口、3個16位定時/計數器、雙DPTR、1個UART口，可以工作在6CLK模式下，運行速度可以是標準80C51的2倍。另外，在部分特定的單元控制電路中，設計要求占用資源較多，則可以選擇具有更多資源的MCU芯片，比如：P89C51RX2系列、P89C6xX2系列、P87C51MX系列，或選擇適應度更高的其他元器件。

SJA1000芯片是一款獨立CAN控制器，由PHILIPS公司設計并生產，具有優(yōu)秀的EMI、EMC性能，適合用于汽車電子和工業(yè)環(huán)境中的控制器局域網絡。而且，SJA1000是PCA82C200獨立CAN控制器的升級產品，在引腳、電氣上與PCA82C200控制器完全兼容，并具有更強功能的PeliCAN工作模式，完全支持具有很多新特性的CAN 2.0B協(xié)議。目前，已有數億個CAN-bus節(jié)點正在使用SJA1000作為CAN控制器。

PCA82C250芯片是PHILIPS公司生產的標準CAN收發(fā)器，通訊速率可以設定在5kbps～1Mbps之間；在不需要CAN中繼器的場合，支持長達10公里的遠距離通訊，通訊節(jié)點數目可達110個節(jié)點。PCA82C250芯片具有良好的EMC性能，在不上電狀態(tài)下有理想的無源性能，并集成有完善的總線保護功能。

在CAN-bus節(jié)點電路中，增加保護電路是必要的。另外，收發(fā)器板應盡可能放在接近PCB邊沿連接器的位置。邊沿連接器和收發(fā)器之間不允許有其他EC元件。CAN_H/L或Tx/Rx電路不應穿越總線或跳線。

將產品設計為分離終端的形式，這樣可以使CAN總線實現要求更高的抗干擾／幅射性能。當然，在網絡中允許混合單終端和分離終端。

依據應用的不同，具體應用電路的實現也不盡相同；但方法大致相同，可以考慮各種成熟的設計方法。

五、系統(tǒng)擴展能力

本系統(tǒng)的框架略作改動，即可適用于各種不同的應用領域。

比如，電表、水表、煤氣表即“三表”，是居民日常家居生活的必需設備；在 “三表”領域的遠程集抄系統(tǒng)中，將“三表”通過CAN-bus總線和以太網連接，可以提高工作效率，體現高科技的優(yōu)勢。讓高新技術服務于人類，真正為大家造福，這也是“智能家居”的發(fā)展趨勢。