CAN总线在船载卫通站的应用分析,该文是分析相关毕业论文格式范文与卫通和总线和应用分析类论文范本.
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【摘 要】 某船载卫通站更新换代后,采用控制器局域网总线（CAN,Control Area Network）取代原先的RS422 串口通信,将天线伺服分系统各设备串联成一个整体,有效提升了通信速率和简化系统连接关系.本文在深入分析CAN 总线通信协议特点的基础上,对现场应用进行抗干扰研究分析,并针对不足之处提出优化方案.
【主题词】 船载卫通站 串口通信 CAN 干扰
引言： 控制器局域网总线[1]（CAN,Control AreaNetwork）属于现场总线的范畴,是一种有效支持分布式或实时控制系统的串行通信网络.新一代船载卫通站利用CAN总线智能节点在分布式控制系统中承上启下作用,通过传感器和执行机构所在的现场,一方面和天线控制单元（ACU,Antenna Control Unit）进行通信,以完成数据交换；另一方面又可根据天线控制系统的需要对天线伺服系统的驱动器、综合控制单元及天线传感器等多个设备进行控制和数据采集.对比更新换代前通信方式,减少了通信量,有效提升通信速率和简化系统连接关系,提高了系统控制的实时性.但是,船载卫通站环境恶劣,电磁干扰较为严重,如何保证CAN 总线通信的可靠性尤为重要.
一、CAN 总线
CAN 总线是德国BOSCH 公司在上世纪80 年代专为汽车行业开发的一种串行通信总线,具有很高的实时性和抗电磁干扰能力,通信距离最大是10 公里（速率5Kbps）,或最大通信速率1Mbps（通信距离为40 米）,它可以将挂接在现场总线上作为网络节点的智能设备连接成网络系统,并进一步构成自动化系统,从而实现基本的控制、补偿、计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功能.
1.1 CAN 节点结构
CAN 总线标准只规定了物理层和数据链路层,应用层需要由用户自定义.不同CAN 节点完成的功能可能不同,但是都有相同的硬件和软件结构[2].
CAN 节点除了完成通信的功能,还包括一些特定的硬件功能电路,功能电路驱动向下直接控制功能电路,向上为应用层提供控制功能电路函数接口,以实现相应功能控制.
每个CAN 节点一般都由四个部分组成[2]：CAN 节点电路、CAN 控制器驱动、CAN 应用层协议、CAN 节点应用程序.
CAN 收发器和控制器分别对应CAN 的物理层和数据链路层,完成CAN 报文的收发；功能电路,完成特定的功能,如信号采集或控制外设等；控制器借助相应的应用软件按照CAN 报文格式解析报文,完成相应控制[3].CAN 收发器是实现CAN 控制器逻辑电平与CAN 总线上差分电平的互换.
CAN 控制器是CAN 的核心元件,它实现了CAN 协议中数据链路层的全部功能,能够自动完成CAN 协议的解析[3].
1.2 CAN 总线标准
CAN 标准有两个,即IOS11898 和IOS11519,两者只在物理层有差异,其差分电平特性如图2 图3 所示[2]. 对应的显性隐性电平差分表见表1.
二、船载卫通站CAN 应用
船载卫通设备换型后,天线伺服系统的驱动器、天线控制单元、天线传感器等设备对外通信都采用CAN 总线技术,在CAN 总线协议框架下串联成整体,从而实现对整个伺服分系统的状态监视、操作控制、参数修改、故障报警等.
伺服分系统内部通信采用CAN 总线高速标准, 即ISO11898 标准,用电缆将各CAN 器件串联成一整体.系统中使用的CAN 器件都是采购市场上的成熟合格产品,其自身的电磁兼容EMC(Electro Magnetic Compatibility) 性能和抗电磁干扰EMI(Electro Magnetic Interference) 能力都经历过严格的测试验证,因此,系统的抗干扰性能主要受制于中间的传输环境,即所有信息传输信道的电磁抗干扰能力.系统连接关系如图4 所示.
三、CAN 网络安全性分析与研究
1、传输速率控制.根据传输信息大小及传输干线长度,系统设计信息传输速率为250kbit/s.之所以采用这个速率,一是CAN 通信要求总线上各节点速率必须一致,因此综合考虑各设备响应需求而采用此速率；二是在满足系统快速性的前提下,适当降低波特率可以起到抗干扰的作用,波特率下降,CAN 位时间增长,对CAN 波形采样时间也相应加长,躲过干扰的可能性也随之增大.
2、接入匹配电阻.为增强CAN 总线数据通信时的可靠性和抗干扰性,根据电缆的阻抗特性,模拟无限远的传输线,将总线两端的匹配电阻设置为120Ω（见图5）[3].
匹配电阻是为了消除在通信电缆中的信号反射.在通信过程中,信号在传输线末端突然遇到电缆阻抗很小甚至没有,信号在这个地方就会引起反射.这种信号反射的原理,与光从一种媒质进入另一种媒质要引起反射是相似的.消除这种反射的方法,就必须在电缆的末端跨接一个与电缆的特性阻抗同样大小的终端电阻,使电缆的阻抗连续.由于信号在电缆上的传输是双向的,因此,在通讯电缆的另一端可跨接一个同样大小的终端电阻,一般在总线的两端将加120Ω的电阻.系统装船调试过程中,曾出现因总线天线控制单元（Antenna Control Unit, ACU）内DSP 板卡上120Ω 电阻拨码开关未设置正确（断开ACU 对外CAN 接口,万用表测试电阻值在50kΩ 附近,正确值应为120Ω 左右）,导致监控软件接收到的接收机状态指示灯异常,影响天线正常跟踪.
3、传输线缆选择.CAN 总线为了提高抗干扰能力,采用CANH 和CANL 差分传输,理论上遇到干扰后,可以“同上同下”,即CANH 和CANL 受干扰大小和方向一致,最后CANH-CANL 的差分值保持不变[3].这种抗干扰能力,必须的条件是,CANH 和CANL 要很紧密地靠在一起,否则受到的干扰强度就不一样,就会导致差分信号受到干扰,所以CANH 和CANL 要紧密地绞在一起.系统中采用的电缆是双绞程度较好、线缆阻抗较低的带屏蔽层双绞线,此类CAN线可以良好地抵御电场的干扰,等于整个屏蔽层是一个等势体,避免CAN 导线受到干扰.现场采用的双绞线是两两一组成对加屏蔽层,多对组合一起成一根外带屏蔽层的多层屏蔽多心双绞电缆.实际使用中,CANH 和CANL 采用了一对,但CAN_GND 从另一对中选用一根线.CAN_GND 可以平衡信号的地电位,抑制共模干扰,减少错误帧,其使用方式相当于采用一根带屏蔽层的单芯电缆接地,可防止强干扰时损坏CAN 收发器；但CANH 和CANL 的屏蔽层未接地,而此多心电缆中其他电缆同时传输其他信号,这就导致CANH 和CANL 屏蔽层电荷无法释放到大地.通常来说,屏蔽层单点接地可以避免地回流、多点接地加快高频干扰信号的泄放.
在卫通伺服系统中,可专线专用,避免其他干扰源对其产生干扰,同时由于信道传输距离较远,可采用屏蔽层单点接地的原则,在干线上找一点将屏蔽层用导线直接接地,该点应是所受干扰最小的点,同时该点位于网络中心附近.
4、CAN 线远离干扰源.远离干扰源是最简单的抗干扰方法,如果CAN 线与强电干扰源远离0.5 米,干扰就基本影响不到了.可是在系统实际布线中,CAN 线和强电线混在一起.伺服系统中与CAN 线并行的驱动电缆供电电压为380V,电流设计最大值为30A,伺服驱动特性决定电缆上的电流是动态变化的,但工程应用中发现,一旦并行电缆具备2A/ 秒的电流变化,就会耦合出强磁场而导致CAN 线上出现干扰脉冲.利用专用仪器对转接板附近的辐射场强进行测量,转接板附近辐射场强达到55V/m,在距离转接板15cm 开外测量值就小于15V/m,指标规定场强应小于15 V/m.解决这个问题有两个方法：一是接口布局合理,在接口设计时尽量使CAN 通信接口与强电接口远离,避免接口间的干扰,同时用封装式连接方式取代现行的裸露连接方式（见图6 转接板）,利用电缆屏蔽层适当的降低CAN 线受干扰程度；二是合理布线,电缆走向尽量保证强电与弱电分开布线捆扎,距离上尽量远离,实在避不开,也要垂直交叉,不能平行布线.
5、CAN 转光纤传输.金属电缆易受周边电磁环境的干扰,为确保CAN 通信稳定可靠,可对伺服系统中CAN 总线干线布线环境进行合理评估,条件允许的情况下采用合适的光纤代替金属电缆,把CAN 通信信道转化为光纤传输,因为光纤是一种无法被电磁干扰的传输介质.
结束语：船载卫通伺服系统是一个实时数据交互并快速响应的自动控制系统,数据传输对总线形式要求较高,相比传统的RS422 或RS485 串行总线,CAN 总线是一种新形式总线,其组网简单,满足船载卫通伺服系统的数据量大,传输速率高,抗干扰能力强的特点,目前,以CAN 数据传输总线的新型船载卫通伺服系统已在工程中实际使用.
参 考 文 献
[1] 史久根, 张培仁, 陈真勇.CAN 现场总线系统设计技术[M]. 北京：国防工业出版社,2004．
[2] 甘永梅, 李庆丰等. 现场总线技术及其应用[M]. 北京: 机械工业出版社,2005.
[3] 阳宪惠. 现场总线技术及其应用[M]. 北京：清华大学出版社.1996
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