基于CAN-bus 總線(xiàn)的海關(guān)車(chē)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)方案

1.1 CAN-bus 總線(xiàn)介紹

    CAN-bus 是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一，被廣泛應(yīng)用于歐洲的中高檔汽車(chē)中，用作ECU 單元的串行數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)；近幾年來(lái)，CAN-bus 開(kāi)始進(jìn)入中國(guó)各個(gè)行業(yè)的數(shù)據(jù)通訊應(yīng)用，并于2002 年被確定為電力通訊產(chǎn)品領(lǐng)域的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，正被大家逐漸重視。

    與RS-485 類(lèi)似，CAN-bus 網(wǎng)絡(luò)使用普通雙絞線(xiàn)作為傳輸介質(zhì)，采用直線(xiàn)拓樸結(jié)構(gòu)，單條網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)路至少可連接110 個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)總長(zhǎng)度最大可達(dá)10 公里（使用標(biāo)準(zhǔn)CAN 收發(fā)器PCA82C250/251 芯片）。在CAN-bus 網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)收發(fā)、硬件檢錯(cuò)均由CAN 控制器硬件完成，大大增強(qiáng)了CAN-bus 網(wǎng)絡(luò)的抗電磁干擾能力，即由硬件來(lái)保證CAN-bus 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的可靠性。據(jù)國(guó)際CiA 協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2001 年僅在歐洲就銷(xiāo)售了超過(guò)1 億個(gè)CAN-bus 節(jié)點(diǎn)，幾乎淘汰了歐洲所有的RS-485 系統(tǒng)。目前，國(guó)內(nèi)的汽車(chē)、電梯行業(yè)已是CAN-bus 應(yīng)用的典型領(lǐng)域，工業(yè)控制、智能樓宇、煤礦設(shè)備等行業(yè)也是日見(jiàn)更多型號(hào)的應(yīng)用CAN-bus 總線(xiàn)設(shè)備與產(chǎn)品。

    CAN-bus 總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)：可靠性高，可以支持硬件節(jié)點(diǎn)的即插即用；故障節(jié)點(diǎn)可自動(dòng)關(guān)閉，不影響其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；采用芯片硬件ID 方式管理網(wǎng)絡(luò)，故障節(jié)點(diǎn)界定十分方便，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本比較低。

    CAN-bus 總線(xiàn)的適用范圍：可適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)目很多，傳輸距離在10 公里以?xún)?nèi)，安全性要求高的場(chǎng)合；也可適用于對(duì)實(shí)時(shí)性、安全性要求十分嚴(yán)格的機(jī)械控制網(wǎng)絡(luò)。CAN-bus 總線(xiàn)不適合于有大量數(shù)據(jù)需要傳輸（比如視頻/音頻信號(hào)）的場(chǎng)合。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用需求

    一般情況下，海關(guān)的車(chē)場(chǎng)需要組建2 個(gè)信息與控制網(wǎng)絡(luò)，分別對(duì)應(yīng)車(chē)場(chǎng)的進(jìn)口車(chē)道、車(chē)場(chǎng)的出口車(chē)道進(jìn)行設(shè)備管理。其中，每個(gè)進(jìn)口車(chē)道管理6～9 個(gè)設(shè)備，每個(gè)出口車(chē)道管理4～8個(gè)設(shè)備。

舉例說(shuō)明，進(jìn)口車(chē)道主要由以下一些設(shè)備組成：

􀁺 ●地磅：檢測(cè)車(chē)輛的載重信息，具有RS-485 通訊接口。地磅屬于主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)設(shè)備，大約每170 毫秒向服務(wù)器發(fā)送17 字節(jié)的數(shù)據(jù)，屬于小數(shù)據(jù)量設(shè)備。
􀁺 ●起落桿：控制車(chē)輛是否放行，具有RS-485 通訊接口。起落桿屬于被動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)設(shè)備，服務(wù)器每隔1 秒發(fā)送一個(gè)控制命令。屬于小數(shù)據(jù)量設(shè)備。
􀁺 ●電子關(guān)鎖：海關(guān)專(zhuān)用設(shè)備，具有RS-232 通訊接口。電子關(guān)鎖屬于被動(dòng)發(fā)送設(shè)備，服務(wù)器每隔100 毫秒向電子關(guān)鎖發(fā)送控制命令，總共兩個(gè)命令類(lèi)型：施封和解封。屬于小數(shù)據(jù)量設(shè)備。
􀁺 ●電子車(chē)牌：檢測(cè)通關(guān)車(chē)輛的身份信息與司機(jī)身份信息，具有RS-232 通訊接口。電子車(chē)牌屬于被動(dòng)發(fā)送設(shè)備。一般通過(guò)調(diào)用設(shè)備廠商提供的動(dòng)態(tài)庫(kù)接口向電子車(chē)牌設(shè)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(shè)備。
􀁺 ●海關(guān)通關(guān)儀：海關(guān)專(zhuān)用設(shè)備，集成顯示、語(yǔ)音、鍵盤(pán)接口，具有2～3 個(gè)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(guān)車(chē)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)一般采用“以太網(wǎng)EtherNet+多串口服務(wù)器”方案，采用2 級(jí)網(wǎng)絡(luò)方式。其網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)如下圖所示：

    傳統(tǒng)的海關(guān)車(chē)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)采用“以太網(wǎng)EtherNet＋RS-232”方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的通訊，是基于“點(diǎn)――點(diǎn)”的通訊模式。由于網(wǎng)絡(luò)中所連接設(shè)備的數(shù)據(jù)流量不一致性，容易引起網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)阻塞；而且，利用以太網(wǎng)（EtherNet）方式組建網(wǎng)絡(luò)的成本比較高，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)及運(yùn)行設(shè)備增加多級(jí)保護(hù)措施，以適應(yīng)長(zhǎng)期工作的惡劣環(huán)境。

    新一代CAN-bus 總線(xiàn)技術(shù)的成熟應(yīng)用，可以在海關(guān)車(chē)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)的建設(shè)中減少網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn)，有效降低設(shè)備成本，并能夠提高通訊效率。利用CAN-bus 總線(xiàn)技術(shù)建設(shè)的海關(guān)車(chē)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)具備更好的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性，以及更強(qiáng)的抗干擾能力，且可以適合非常嚴(yán)苛的工作環(huán)境。

1.3 CAN-bus 實(shí)施方案

    下面簡(jiǎn)要地介紹采用CAN-bus 總線(xiàn)建立的海關(guān)車(chē)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)方案。

1.3.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    在基于CAN-bus 總線(xiàn)的海關(guān)車(chē)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)中，每一個(gè)車(chē)場(chǎng)設(shè)備都被分配了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中唯一的ID 設(shè)備號(hào)，且都通過(guò)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(xiàn)。

    考慮連接車(chē)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)量、通訊數(shù)據(jù)流量、通訊距離等因素，服務(wù)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(gè)CAN-bus 節(jié)點(diǎn)，每塊PCI-9840 四路高速CAN 接口卡最多可以連接400 個(gè)CAN-bus 節(jié)點(diǎn)設(shè)備；同一臺(tái)PC 可以管理32 條CAN-bus 總線(xiàn)，管理3200 個(gè)CAN-bus 節(jié)點(diǎn)設(shè)備，甚至更多個(gè)設(shè)備。

    服務(wù)器PC 通過(guò)CAN-bus 總線(xiàn)編號(hào)、ID 設(shè)備號(hào)訪問(wèn)并管理車(chē)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)中的每一個(gè)指定設(shè)備。

    CAN-bus 采用直線(xiàn)拓樸結(jié)構(gòu)，同一網(wǎng)絡(luò)中的所有CAN-bus 節(jié)點(diǎn)設(shè)備連接在一條普通的通訊雙絞線(xiàn)上；每條CAN-bus 總線(xiàn)的2 個(gè)終端各需要安裝1 個(gè)120Ω 的終端電阻。

1.3.2 CAN-bus 網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn)

    由于CAN-bus 總線(xiàn)完全由芯片硬件實(shí)現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)的校驗(yàn)與檢錯(cuò)，具有通常串口通訊（RS-232 方式或RS-485 方式）所無(wú)法比擬的可靠性；因此，布線(xiàn)時(shí)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(chē)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)的每一個(gè)用戶(hù)設(shè)備，或直接連接到用戶(hù)設(shè)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(shè)備通訊數(shù)據(jù)的正確性。

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

    CAN-bus 采用直線(xiàn)拓樸結(jié)構(gòu)，布線(xiàn)簡(jiǎn)單方便，且非常容易擴(kuò)展。

1.3.3 通訊設(shè)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(shí)現(xiàn)完全電氣隔離的中央控制電路/CAN 電路，具有很強(qiáng)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(gè)型號(hào)的協(xié)議轉(zhuǎn)換器都可以工作在工業(yè)級(jí)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(dǎo)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(jià)格比的CAN 總線(xiàn)通訊接口卡，該產(chǎn)品采用標(biāo)準(zhǔn)PCI 接口，能讓計(jì)算機(jī)方便的連接到CAN 總線(xiàn)上，實(shí)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(dú)立CAN-bus 通訊接口，使得在開(kāi)發(fā)應(yīng)用中更顯方便和靈活；每一個(gè)通道都有光電隔離，保護(hù)計(jì)算機(jī)機(jī)避免地環(huán)流的損壞，增強(qiáng)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(dòng)程序，支持Linux、WIN98、WIN2000 和WinXP 操作系統(tǒng)，支持同一PC 安裝多個(gè)設(shè)備；同時(shí)提供多種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言接口例程，方便用戶(hù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。合理的軟硬件設(shè)計(jì)使得PCI-9840 接口卡成為穩(wěn)定、可靠的CAN 接口設(shè)備！[!--empirenews.page--]

1.3.4 軟件實(shí)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(guò)一個(gè)設(shè)備配置工具軟件，來(lái)設(shè)置運(yùn)行時(shí)的工作參數(shù)，包括串口通訊速率、CAN-bus 通訊速率、網(wǎng)絡(luò)ID 設(shè)備號(hào)等，且支持用戶(hù)自行定義的CAN-bus 通訊速率。

        在多點(diǎn)通訊場(chǎng)合，CAN-bus 總線(xiàn)提供一個(gè)有效的數(shù)據(jù)驗(yàn)收/屏蔽功能。在網(wǎng)絡(luò)中的任一臺(tái)CAN232MB/CAN485MB 智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器都可以通過(guò)設(shè)定一個(gè)唯一的網(wǎng)絡(luò)ID 設(shè)備號(hào)，來(lái)設(shè)定本節(jié)點(diǎn)設(shè)備所允許接收的報(bào)文格式。

    目前提供有兩種軟件編程方式，可以方便地實(shí)現(xiàn)服務(wù)器PC 與CAN232MB/CAN485MB轉(zhuǎn)換器所連接的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)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(gè)CAN-bus 網(wǎng)絡(luò)的任一個(gè)CAN232MB 轉(zhuǎn)換器或CAN485MB 轉(zhuǎn)換器當(dāng)成本地PC 的一個(gè)普通串口來(lái)進(jìn)行操作。同一PC 可以最多支持2000個(gè)VCOM 虛擬串口。

    利用VCOM 虛擬串口方式，車(chē)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)的每一個(gè)功能設(shè)備都被映射連接在服務(wù)器PC的一個(gè)虛擬串口上，對(duì)指定編號(hào)的串口操作，就相當(dāng)于直接操作每個(gè)用戶(hù)設(shè)備。這一種方式可以直接使用設(shè)備廠商提供的動(dòng)態(tài)庫(kù)操作虛擬串口。

2． 使用VCICAN 接口動(dòng)態(tài)庫(kù)

    通過(guò)調(diào)用PCI-CAN 接口卡配套的VCICAN 動(dòng)態(tài)庫(kù)，可以直接操作PCI-CAN 接口卡來(lái)發(fā)送/接收CAN 報(bào)文幀，從而實(shí)現(xiàn)CAN-bus 總線(xiàn)通訊。通過(guò)這一方式實(shí)現(xiàn)車(chē)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)的數(shù)據(jù)通訊，可以達(dá)到很高的數(shù)據(jù)有效性。

    同時(shí)，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(wù)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(guó)外iFix、Intouch 等）或虛擬儀器軟件LabView 中實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的控制與通訊。

1.3.5 方案優(yōu)點(diǎn)與實(shí)踐測(cè)試

    CAN-bus 總線(xiàn)能夠較好地適合海關(guān)車(chē)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)的建設(shè)。同時(shí)，使用CAN-bus 總線(xiàn)方式可以減少車(chē)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)對(duì)人力資源、環(huán)境資源的要求，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)高效監(jiān)控。

    例如，采用CAN 總線(xiàn)組網(wǎng)通訊時(shí)，每一批數(shù)據(jù)的通訊延遲時(shí)間是可以預(yù)先估算，并可以有效控制的；例如，在100Kbps 時(shí)每幀數(shù)據(jù)（8 字節(jié)）在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸時(shí)間為1.1mS，總線(xiàn)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以在3mS 以?xún)?nèi)對(duì)外發(fā)送一幀數(shù)據(jù)。CAN-bus 總線(xiàn)在同一網(wǎng)絡(luò)中可以連接超過(guò)100 個(gè)設(shè)備單元；每個(gè)新增的設(shè)備都可以通過(guò)一個(gè)唯一設(shè)定的ID 設(shè)備號(hào)與其他設(shè)備通訊數(shù)據(jù)。CAN-bus 節(jié)點(diǎn)設(shè)備允許即插即用，不影響網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行，無(wú)需停機(jī)安裝。

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

    另外，推薦在設(shè)備網(wǎng)中工作的通訊接口設(shè)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(biāo)準(zhǔn)（-40℃ ～ +85℃），抗干擾能力強(qiáng)，保障長(zhǎng)期工作環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)可靠性。

    下面是部分設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中的數(shù)據(jù)流量測(cè)試情況。

1.4 其它網(wǎng)絡(luò)方案之比較

1.4.1 RS-485 總線(xiàn)

    RS-485 總線(xiàn)是采用差分傳輸方式的一種串行網(wǎng)絡(luò)，也是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的一種遠(yuǎn)距離串行數(shù)據(jù)方式。RS-485 總線(xiàn)使用普通雙絞線(xiàn)作為傳輸介質(zhì)，采用直線(xiàn)拓樸結(jié)構(gòu)，單條網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)路可連接32 個(gè)節(jié)點(diǎn)（數(shù)據(jù)來(lái)自于MAXIM 公司的MAX485 數(shù)據(jù)手冊(cè)），網(wǎng)絡(luò)總長(zhǎng)度最大可達(dá)1200 米。

    優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于單個(gè)節(jié)點(diǎn)，電路成本較低，設(shè)計(jì)容易，實(shí)現(xiàn)方便。

    缺點(diǎn)：可靠性差，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障有可能導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓；RS-485 器件容易損壞；且不易界定網(wǎng)絡(luò)中的故障節(jié)點(diǎn)，維護(hù)成本相對(duì)較高。

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

表格 CAN-bus 總線(xiàn)與 RS-485 總線(xiàn)的特性比較

1.4.2 Lonworks 總線(xiàn)

    Lonworks 總線(xiàn)由美國(guó)Echelon 公司于1993 年推出的一種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，也是國(guó)際上主流的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)之一。Lonworks 總線(xiàn)采用神經(jīng)元芯片為核心技術(shù)設(shè)計(jì)基本節(jié)點(diǎn)，LonTalk 通信協(xié)議支持7 層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，提供一個(gè)固化在神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。

    相對(duì)來(lái)說(shuō)，Lonwork 總線(xiàn)硬件成本相對(duì)較高，并不是一個(gè)類(lèi)似CAN-bus 總線(xiàn)的開(kāi)放協(xié)議總線(xiàn)，單節(jié)點(diǎn)電路的硬件成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CAN-bus 節(jié)點(diǎn)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(shù)中應(yīng)用最普遍的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。但以太網(wǎng)的本質(zhì)特點(diǎn)是采用CSMA/CD 的介質(zhì)訪問(wèn)控制技術(shù)，容易產(chǎn)生“節(jié)點(diǎn)”碰撞，無(wú)法保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性/有效性；而且，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的硬件成本、軟件開(kāi)發(fā)費(fèi)用也大大高于其他各種方式。

    國(guó)際上正在研究與CAN-bus 網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的以太網(wǎng)方案（EtherNET/IP，簡(jiǎn)稱(chēng)CIP），稱(chēng)為工業(yè)以太網(wǎng)，構(gòu)建可以保證實(shí)時(shí)性能的網(wǎng)絡(luò)傳輸方案。與底層的CAN-bus 網(wǎng)絡(luò)（設(shè)備網(wǎng)）結(jié)合，也是未來(lái)以太網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)之一。