基于CAN-bus 總線的海關車場設備網(wǎng)方案

1.1 CAN-bus 總線介紹

    CAN-bus 是國際上應用最廣泛的現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡；近幾年來，CAN-bus 開始進入中國各個行業(yè)的數(shù)據(jù)通訊應用，并于2002 年被確定為電力通訊產(chǎn)品領域的國家標準，正被大家逐漸重視。

    與RS-485 類似，CAN-bus 網(wǎng)絡使用普通雙絞線作為傳輸介質(zhì)，采用直線拓樸結構，單條網(wǎng)絡線路至少可連接110 個節(jié)點，網(wǎng)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(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)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(wǎng)絡的抗電磁干擾能力，即由硬件來保證CAN-bus 網(wǎng)絡運行的可靠性。據(jù)國際CiA 協(xié)會統(tǒng)計，2001 年僅在歐洲就銷售了超過1 億個CAN-bus 節(jié)點，幾乎淘汰了歐洲所有的RS-485 系統(tǒng)。目前，國內(nèi)的汽車、電梯行業(yè)已是CAN-bus 應用的典型領域，工業(yè)控制、智能樓宇、煤礦設備等行業(yè)也是日見更多型號的應用CAN-bus 總線設備與產(chǎn)品。

    CAN-bus 總線的優(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(wǎng)絡節(jié)點；采用芯片硬件ID 方式管理網(wǎng)絡，故障節(jié)點界定十分方便，網(wǎng)絡維護成本比較低。

    CAN-bus 總線的適用范圍：可適用于節(jié)點數(shù)目很多，傳輸距離在10 公里以內(nèi)，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(wǎng)絡。CAN-bus 總線不適合于有大量數(shù)據(jù)需要傳輸（比如視頻/音頻信號）的場合。

1.2 現(xiàn)場的應用需求

    一般情況下，海關的車場需要組建2 個信息與控制網(wǎng)絡，分別對應車場的進口車道、車場的出口車道進行設備管理。其中，每個進口車道管理6～9 個設備，每個出口車道管理4～8個設備。

舉例說明，進口車道主要由以下一些設備組成：

􀁺 ●地磅：檢測車輛的載重信息，具有RS-485 通訊接口。地磅屬于主動發(fā)送數(shù)據(jù)設備，大約每170 毫秒向服務器發(fā)送17 字節(jié)的數(shù)據(jù)，屬于小數(shù)據(jù)量設備。
􀁺 ●起落桿：控制車輛是否放行，具有RS-485 通訊接口。起落桿屬于被動發(fā)送數(shù)據(jù)設備，服務器每隔1 秒發(fā)送一個控制命令。屬于小數(shù)據(jù)量設備。
􀁺 ●電子關鎖：海關專用設備，具有RS-232 通訊接口。電子關鎖屬于被動發(fā)送設備，服務器每隔100 毫秒向電子關鎖發(fā)送控制命令，總共兩個命令類型：施封和解封。屬于小數(shù)據(jù)量設備。
􀁺 ●電子車牌：檢測通關車輛的身份信息與司機身份信息，具有RS-232 通訊接口。電子車牌屬于被動發(fā)送設備。一般通過調(diào)用設備廠商提供的動態(tài)庫接口向電子車牌設備發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令，周期為100 毫秒，每次通訊數(shù)據(jù)約在300～2000 字節(jié)，數(shù)據(jù)流量比較大，屬于大數(shù)據(jù)量設備。
􀁺 ●海關通關儀：海關專用設備，集成顯示、語音、鍵盤接口，具有2～3 個RS-232 通訊接口。
􀁺 ●條碼閱讀器：讀取條碼信息，具有RS-232 通訊接口。
􀁺 ●IC 卡讀卡器：讀取IC 卡信息，具有RS-232 通訊接口。

    傳統(tǒng)的海關車場設備網(wǎng)一般采用“以太網(wǎng)EtherNet+多串口服務器”方案，采用2 級網(wǎng)絡方式。其網(wǎng)絡拓樸結構如下圖所示：

    傳統(tǒng)的海關車場設備網(wǎng)采用“以太網(wǎng)EtherNet＋RS-232”方式實現(xiàn)設備之間的通訊，是基于“點――點”的通訊模式。由于網(wǎng)絡中所連接設備的數(shù)據(jù)流量不一致性，容易引起網(wǎng)絡數(shù)據(jù)阻塞；而且，利用以太網(wǎng)（EtherNet）方式組建網(wǎng)絡的成本比較高，需要對網(wǎng)絡及運行設備增加多級保護措施，以適應長期工作的惡劣環(huán)境。

    新一代CAN-bus 總線技術的成熟應用，可以在海關車場設備網(wǎng)的建設中減少網(wǎng)絡布線，有效降低設備成本，并能夠提高通訊效率。利用CAN-bus 總線技術建設的海關車場設備網(wǎng)具備更好的實時性、穩(wěn)定性，以及更強的抗干擾能力，且可以適合非常嚴苛的工作環(huán)境。

1.3 CAN-bus 實施方案

    下面簡要地介紹采用CAN-bus 總線建立的海關車場設備網(wǎng)方案。

1.3.1 網(wǎng)絡拓撲結構

    在基于CAN-bus 總線的海關車場設備網(wǎng)中，每一個車場設備都被分配了一個網(wǎng)絡中唯一的ID 設備號，且都通過CAN232MB 智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器或CAN485MB 智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器連接至CAN-bus 總線。

    考慮連接車場設備的數(shù)量、通訊數(shù)據(jù)流量、通訊距離等因素，服務器PC 上可以安裝1～8塊PCI-9840 四路高速CAN 接口卡。通常情況，一路CAN-bus 通道可以最多連接100 個CAN-bus 節(jié)點，每塊PCI-9840 四路高速CAN 接口卡最多可以連接400 個CAN-bus 節(jié)點設備；同一臺PC 可以管理32 條CAN-bus 總線，管理3200 個CAN-bus 節(jié)點設備，甚至更多個設備。

    服務器PC 通過CAN-bus 總線編號、ID 設備號訪問并管理車場設備網(wǎng)中的每一個指定設備。

    CAN-bus 采用直線拓樸結構，同一網(wǎng)絡中的所有CAN-bus 節(jié)點設備連接在一條普通的通訊雙絞線上；每條CAN-bus 總線的2 個終端各需要安裝1 個120Ω 的終端電阻。

1.3.2 CAN-bus 網(wǎng)絡布線

    由于CAN-bus 總線完全由芯片硬件實現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)的校驗與檢錯，具有通常串口通訊（RS-232 方式或RS-485 方式）所無法比擬的可靠性；因此，布線時可以將CAN232MB 智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器或CAN485MB 智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器就近安裝在車場設備網(wǎng)的每一個用戶設備，或直接連接到用戶設備的RS-232 或RS-485 端口。這一種方式可以有效地減少串行通訊距離，提高串行通訊波特率，并更好地保證設備通訊數(shù)據(jù)的正確性。

    CAN-bus 總線通訊可以采用普通雙絞線或屏蔽雙絞線，一般應用場合都可以保證數(shù)據(jù)的可靠通訊。例如，使用國標AWG18（截面積為Φ0.75 ㎜ 2）一般可以保證在1KM 距離下實現(xiàn)CAN 可靠通訊；如果CAN 通訊距離超過1KM，則建議選擇通訊電纜線的截面積大于Φ1.5mm2。常規(guī)方式中，隨通訊距離的加長，需要適當加大電纜線截面積。

    CAN-bus 采用直線拓樸結構，布線簡單方便，且非常容易擴展。

1.3.3 通訊設備的可靠性

    CAN232MB 智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器和CAN485MB 智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器都采用表面安裝工藝，板上自帶光電隔離模塊，實現(xiàn)完全電氣隔離的中央控制電路/CAN 電路，具有很強的電氣抗干擾能力，可防雷擊，大大提高了系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。這2 個型號的協(xié)議轉(zhuǎn)換器都可以工作在工業(yè)級的環(huán)境溫度（-40℃ ～ +85℃）中，且支持防水、防塵、防雷擊處理工藝；自帶安裝導軌，適合于多種安裝方式。

    PCI-9840 四路高速CAN 接口卡是具有高性能價格比的CAN 總線通訊接口卡，該產(chǎn)品采用標準PCI 接口，能讓計算機方便的連接到CAN 總線上，實現(xiàn)CAN2.0B 協(xié)議（兼容CAN 2.0A）的連接通訊。PCI-9840 高速CAN 接口卡集成有4 通道邏輯獨立CAN-bus 通訊接口，使得在開發(fā)應用中更顯方便和靈活；每一個通道都有光電隔離，保護計算機機避免地環(huán)流的損壞，增強系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性；接口卡采用WDM 驅(qū)動程序，支持Linux、WIN98、WIN2000 和WinXP 操作系統(tǒng)，支持同一PC 安裝多個設備；同時提供多種開發(fā)語言接口例程，方便用戶進行二次開發(fā)。合理的軟硬件設計使得PCI-9840 接口卡成為穩(wěn)定、可靠的CAN 接口設備！[!--empirenews.page--]

1.3.4 軟件實現(xiàn)與VCOM 虛擬串口

    CAN232MB 智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器、CAN485MB 智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器都可以通過一個設備配置工具軟件，來設置運行時的工作參數(shù)，包括串口通訊速率、CAN-bus 通訊速率、網(wǎng)絡ID 設備號等，且支持用戶自行定義的CAN-bus 通訊速率。

        在多點通訊場合，CAN-bus 總線提供一個有效的數(shù)據(jù)驗收/屏蔽功能。在網(wǎng)絡中的任一臺CAN232MB/CAN485MB 智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器都可以通過設定一個唯一的網(wǎng)絡ID 設備號，來設定本節(jié)點設備所允許接收的報文格式。

    目前提供有兩種軟件編程方式，可以方便地實現(xiàn)服務器PC 與CAN232MB/CAN485MB轉(zhuǎn)換器所連接的網(wǎng)絡設備進行數(shù)據(jù)通訊。

1． 使用VCOM 虛擬串口

    利用VCOM 虛擬串口軟件，可以將一個CAN-bus 網(wǎng)絡的任一個CAN232MB 轉(zhuǎn)換器或CAN485MB 轉(zhuǎn)換器當成本地PC 的一個普通串口來進行操作。同一PC 可以最多支持2000個VCOM 虛擬串口。

    利用VCOM 虛擬串口方式，車場設備網(wǎng)的每一個功能設備都被映射連接在服務器PC的一個虛擬串口上，對指定編號的串口操作，就相當于直接操作每個用戶設備。這一種方式可以直接使用設備廠商提供的動態(tài)庫操作虛擬串口。

2． 使用VCICAN 接口動態(tài)庫

    通過調(diào)用PCI-CAN 接口卡配套的VCICAN 動態(tài)庫，可以直接操作PCI-CAN 接口卡來發(fā)送/接收CAN 報文幀，從而實現(xiàn)CAN-bus 總線通訊。通過這一方式實現(xiàn)車場設備網(wǎng)的數(shù)據(jù)通訊，可以達到很高的數(shù)據(jù)有效性。

    同時，PCI-9840 四路高速CAN 接口卡支持在Linux、WIN98、WIN2000 和WinXP 等操作系統(tǒng)，并且配套有ZOPC 服務器軟件，可以在流行的組態(tài)軟件（如昆侖通態(tài)MCGS、組態(tài)王、國外iFix、Intouch 等）或虛擬儀器軟件LabView 中實現(xiàn)設備之間的控制與通訊。

1.3.5 方案優(yōu)點與實踐測試

    CAN-bus 總線能夠較好地適合海關車場設備網(wǎng)的建設。同時，使用CAN-bus 總線方式可以減少車場設備網(wǎng)對人力資源、環(huán)境資源的要求，實現(xiàn)遠程實時高效監(jiān)控。

    例如，采用CAN 總線組網(wǎng)通訊時，每一批數(shù)據(jù)的通訊延遲時間是可以預先估算，并可以有效控制的；例如，在100Kbps 時每幀數(shù)據(jù)（8 字節(jié)）在網(wǎng)絡上的傳輸時間為1.1mS，總線的每個節(jié)點都可以在3mS 以內(nèi)對外發(fā)送一幀數(shù)據(jù)。CAN-bus 總線在同一網(wǎng)絡中可以連接超過100 個設備單元；每個新增的設備都可以通過一個唯一設定的ID 設備號與其他設備通訊數(shù)據(jù)。CAN-bus 節(jié)點設備允許即插即用，不影響網(wǎng)絡的正常運行，無需停機安裝。

    而且，CAN 總線采用雙絞線通訊，通訊材料成本很低，維護方便。同時，CAN232MB轉(zhuǎn)換器或CAN485MB 轉(zhuǎn)換器可以就近功能設備安裝，以減少RS-232/RS-485 電纜，為數(shù)據(jù)通訊提供更強的保障。

    另外，推薦在設備網(wǎng)中工作的通訊接口設備，如CAN232MB/CAN485MB 轉(zhuǎn)換器，都有防水、防塵、防雷擊處理工藝，且符合工業(yè)環(huán)境標準（-40℃ ～ +85℃），抗干擾能力強，保障長期工作環(huán)境中的網(wǎng)絡可靠性。

    下面是部分設備在實際運行中的數(shù)據(jù)流量測試情況。

1.4 其它網(wǎng)絡方案之比較

1.4.1 RS-485 總線

    RS-485 總線是采用差分傳輸方式的一種串行網(wǎng)絡，也是目前國內(nèi)應用較多的一種遠距離串行數(shù)據(jù)方式。RS-485 總線使用普通雙絞線作為傳輸介質(zhì)，采用直線拓樸結構，單條網(wǎng)絡線路可連接32 個節(jié)點（數(shù)據(jù)來自于MAXIM 公司的MAX485 數(shù)據(jù)手冊），網(wǎng)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(xiàn)方便。

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

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

表格 CAN-bus 總線與 RS-485 總線的特性比較

1.4.2 Lonworks 總線

    Lonworks 總線由美國Echelon 公司于1993 年推出的一種現(xiàn)場總線，也是國際上主流的現(xiàn)場總線標準之一。Lonworks 總線采用神經(jīng)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(wǎng)絡協(xié)議，提供一個固化在神經(jīng)元的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)。

    相對來說，Lonwork 總線硬件成本相對較高，并不是一個類似CAN-bus 總線的開放協(xié)議總線，單節(jié)點電路的硬件成本遠遠大于CAN-bus 節(jié)點硬件成本。

1.4.3 以太網(wǎng)

    基于802.3 規(guī)范的“以太網(wǎng)+TCP/IP”已成為互連網(wǎng)技術中應用最普遍的技術，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。但以太網(wǎng)的本質(zhì)特點是采用CSMA/CD 的介質(zhì)訪問控制技術，容易產(chǎn)生“節(jié)點”碰撞，無法保證數(shù)據(jù)的實時性/有效性；而且，實現(xiàn)以太網(wǎng)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。

    國際上正在研究與CAN-bus 網(wǎng)絡結合的以太網(wǎng)方案（EtherNET/IP，簡稱CIP），稱為工業(yè)以太網(wǎng)，構建可以保證實時性能的網(wǎng)絡傳輸方案。與底層的CAN-bus 網(wǎng)絡（設備網(wǎng)）結合，也是未來以太網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢之一。