利用CAN总线通信模块构建高可靠工业系统

自二十世纪八十年代德国Bosch公司成功开发出控制器局域网(CAN)总线以来，它已被证明可以很好地适应技术与市场变化的需求。目前，除了在汽车应用中持续占据主导地位之外，它还被成功应用于包括工业机动控制、铁路引擎控制单元、船用电子设备、医用设备、复杂传感器以及煤矿系统等在内的诸多领域。
CAN通信协议主要描述设备之间的信息传递方式。CAN层的定义与开放系统互连模型(OSI)一致，每一层与另一设备上相同的那一层通信，实际的通信发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过物理层的物理介质互连。CAN通信协议定义了OSI模型的最低两层：数据链路层和物理层。应用层协议可以由CAN用户定义成适合特殊工业领域的任何方案，如已被批准为电力产品国家标准的DeviceNet协议以及广泛应用于欧洲的CANopen协议等。
极高的可靠性是CAN最值得推荐的特征，这使得它成为对可靠性与安全性要求极为苛刻的工业应用的理想选择。利用CAN总线进行工业系统构建的优势主要集中在如下方面：极高的可靠性、极强的容错性、低廉的系统成本以及较远的传输距离等。
北京华大恒泰科技有限责任公司研发的HT6200系列CAN总线通信模块产品可以为工业现场提供完整的CAN总线系统构建解决方案。该系列总线通信模块已被成功应用于多个工控系统中，实践证明采用HT6200系列CAN总线通信模块构建的现场总线系统性能稳定，工作状况良好。
HT6200系列CAN总线通信模块
目前，HT6200系列产品包括如下模块：
1. HT6220 CAN总线与USB总线透明转换器
2. HT6230 CAN总线与以太网转换器
3. HT6210 CAN总线与RS232总线透明转换器
4. HT6240 CAN集线器
HT6220是完全兼容USB2.0协议标准(全速模式)和CAN2.0B/A协议标准的总线转换器模块；它具有一路USB总线接口和一路电气隔离的CAN接口,可实现数据在USB总线和CAN总线之间的完全透明传输；在CAN通信网络中，与HT6220相连的PC或嵌入式设备可作为一个标准的CAN节点。HT6220具有体积小巧、即插即用的特点，方便了在便携场合下的应用。它支持Windows98/ME/2000/XP、linux、apple和OS2等多种操作系统；USB端驱动采用串口映射技术实现，在一次性安装完驱动程序之后即完成串口映射，应用程序不仅可以调用与模块配套的函数库来操作该模块，还可调用与它兼容的操作系统所提供的任何串口API、DLL文件和第三方控件等来实现对HT6220的操作。
HT6230 CAN总线与以太网转换器符合TCP/IP协议和CAN2.0B/A协议标准；具有一路10/100Mbps以太网接口和一路电气隔离的CAN接口。它有两种工作方式-串口映射工作方式和Socket工作方式：如采用串口映射工作方式，在安装模块的驱动程序之后，HT6230即可将模块映射为PC的一个标准串口，进而实现数据在以太网和CAN总线之间的完全透明传输；若采用Socket工作方式，则PC可利用TCP/IP Socket与模块进行数据交换，此功能可将任何具备TCP/IP连接能力的设备接入CAN总线系统,其支持的协议包括IP、UDP、TCP等。
HT6210是兼容CAN2.0B/A协议标准的总线转换器模块，其具有一路RS232串行总线接口和一路电气隔离的CAN接口；可实现数据在RS232总线和CAN总线之间的完全透明传输；和HT6220类似，在CAN通信网络中，HT6210可将任何一个具有RS232接口的设备变成标准的CAN通信节点。
HT6240 CAN集线器同样兼容CAN2.0B/A协议标准，它具有3个完全电气隔离的CAN总线接口。该集线器主要是为了克服CAN系统节点数的限制及CAN系统总线长度的限制而设计，它也可用于在CAN系统中独立子网络的建立及系统网络拓扑结构的改变。此外，它还能够过滤不需要的CAN消息，降低子网络的负荷。
下面以HT6220总线通信模块为例，简要分析模块的实现原理。图1是HT6220的内部结构框图。该模块的核心处理器采用32位CPU来实现，可保证利用该模块所构建的系统在大数据流量下仍不会有数据帧的丢失；模块的电源部分采用USB供电；CPU的内部看门狗和外部硬件看门狗配合使用，极大地提升了该模块的抗干扰能力；USB控制器内置了丰富的输入输出缓冲区，很好地协调了32位CPU与USB通信的速度差；CAN通信接口采用光电隔离技术，大大提高了系统在恶劣环境中使用的可靠性；浪涌保护的引入，使系统能满足抗雷击及防ESD的需要。

图1：HT6220内部结构框图

利用CAN总线通信模块构建典型系统
下面以采用HT6200系列CAN总线通信模块构建的数字矿山系统为例，给出利用CAN总线通信模块构建工控系统的典型方法。
由于煤矿行业生产过程复杂、信息源多、分布性强，因此需要对整个矿山的自然信息、设备和人员信息实时地进行准确统计和综合处理，数字矿山系统就是对整个矿山进行统一信息采集和管理的工控系统。图2是利用HT6200系列CAN总线通信模块构建的数字矿山系统的框图。

图2：数字矿山的系统框图

系统由矿山主干网和子矿区网共同组成。由于矿山的面积比较大，在不加中继器的情况下，CAN网络的总线长度是有限的，所以将整个矿山分成四个子矿区网，而在系统的中央控制中心铺设主干网。子矿区网和主干网之间的通信采用HT6240来实现，采用这种结构以后，在子矿区网一侧，由于HT6240的数据过滤功能，滤除了系统中与该子网无关的信息，可以使其能够采用较低的通信波特率(5Kbps)而系统信道不会出现堵塞，藉此可以将CAN总线延伸到更远的巷道。在矿山主干网一侧，可使其最长总线距离缩减为各个集线器之间的最远距离(而不是整个CAN网络中最远两个节点的距离)，极大地缩短总线的距离，从而使矿山主干网可以采用更快的通信速率(250Kbps)，提升了系统的整体速度。
矿山主干网用于连接系统的管理信息系统(MIS)主机、地理信息系统(GIS)主机以及各子矿区网的CAN集线器。由于通信距离较近，数据流量较大，所以主干网采用高传输速率。其中，MIS主机和GIS主机均采用双机冗余的工控机来实现，工控机通过HT6220和HT6230接入CAN网络，管理软件通过串口映射技术与CAN网络进行数据交换，矿区的其他授权用户可通过以太网访问整个数字矿山系统。
子矿区网主要用于巷道内各种参数的采集及对矿下设备进行控制。需采集的参数包括：巷道中的温、湿度信号、瓦斯浓度信号等，另外，系统中还加入了采用RFID(射频识别)技术的人员和设备位置采集器，系统给出的控制信号包括声光报警信号和进行设备控制的I/O输出控制信号等。上述功能均采用安装在现场的仪器仪表和HT6210共同构成的CAN子系统来实现。采集到的所有信息均通过CAN集线器最终发送给MIS主机或GIS主机，所有的控制信号也都由MIS主机或GIS主机发出。
本文小结
现场总线以其独有的技术优势和特点，在现代工业控制技术领域中得到了愈来愈广泛的应用。但在目前已经投入使用的工业控制系统中，各仪器设备或装置之间进行通信所使用的大部分仍是传统的RS232或RS485(RS422)。工业企业在不断投入新型现场总线系统的同时，要在短期内淘汰那些旧系统是不现实的，况且在许多应用系统中，新老系统的功能是相似或兼容的。所以在一定时期内，新老总线系统同时并存是客观现实的需要。采用HT6200系列CAN总线通信模块对传统的通信接口进行数据的透明转换，使整个系统成为CAN总线系统，则能在较短的时间，花费较少的投资获得高可靠的工控系统。