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陳華明,張  剛

1  概述
在計算機工業控制系統中，一般包括智能I/O處理單元、主控單元（主CPU單元）和后臺處理系統。主控單元與后臺處理系統之間通過10/100Mbps以太網進行連接；主控單元與智能I/O處理單元之間的連接采用現場總線，如Profibus、FF、LonWork、CAN Bus等。
CAN(Controller Area Network)是一種成熟的現場總線，由德國BOSCH公司開發，最初用在汽車內的自動化系統中，由于其性能優異、價格低廉，很快被推廣到工業控制現場。其物理層使用雙絞線，符合ISO DIS 11898標準，其數據鏈路層采用了載波偵聽及碰撞檢測機制(CSMA/CD)，同ETHERNET相似，不同的是CAN Bus在此基礎上增加了優先級控制，使高優先權的信息可以不受阻礙地立即傳送。CAN Bus的最大特點是其可靠性，按ISO DIS 11898標準，雙絞線中即使有一條線接地或與電源短路，甚至斷線，它都可以正常地傳輸信息。其最高傳輸速率為1Mbps，最大傳輸距離為10km，網絡上的節點數量無特定限制。
與主從方式的現場總線不同，CAN Bus是一種對等式(Peer-to-Peer)的現場總線網，采用CAN Bus連接主控單元與I/O單元，可以通過節點ID和ID掩碼的選擇，方便地實現點對點、點對多點和廣播等多種傳輸方式；可以提高主控單元與I/O單元，I/O單元之間的隔離性，便于實現模塊的冗余和不停機拆裝；可以實現無集中機柜的分散安裝方式，系統控制功能可進一步向下分散。
目前使用的CAN Bus技術規范有兩部分，即CAN2.0A和CAN2.0B。CAN Bus的技術特點如下：
①  各個節點具有相同的總線訪問權，Peer-to-Peer方式無需主節點；
②  無破壞性的基于優先權的總線仲裁策略；
③  不需要發送目的地址，借助接收節點濾波實現向多點發送；
④  數據幀、數據請求幀、出錯幀和超載幀等四種幀格式；
⑤  五種錯誤檢驗；
⑥  配置靈活性；
⑦  全系統數據相容性；
⑧  發送期間若丟失仲裁或由于出錯而遭破壞的幀可自動重發；
⑨  暫時錯誤和永久性故障節點的判別及故障點的自動化脫離；
⑩  可程序控制的傳送速率。
CAN2.0B與CAN2.0A相比的最大區別在于CAN2.0B識別碼由11位擴展到了29位，更為靈活方便。
SJA1000是一款常見的CAN2.0B控制器，用于汽車和一般工業環境中的控制器局域網絡（CAN）。它是PHILIPS半導體PCA82C200 CAN控制器（BasicCAN）的替代產品。而且，它增加了一種新的工作模式，即PeliCAN，這種模式支持具有很多新特性的CAN 2.0B協議。
其擴展功能主要有：① 可讀/寫訪問的錯誤計數器。② 可編程的錯誤報警限制。③ 最近一次錯誤代碼寄存器。④ 對每一個CAN Bus錯誤的中斷。⑤ 具體控制位控制的仲裁丟失中斷。⑥ 單次發送（無重發）。⑦ 偵聽模式（無應答、無主動的出錯標志）。⑧ 支持熱插拔（軟件實現的位速率檢測）。⑨ 驗收濾波器擴展（4字節代碼、4字節屏蔽）。⑩ 自身信息接收（自接收請求）。
2  總線的應用
要提高基于CAN Bus控制系統的性能，必須注重主控單元與I/O單元、I/O單元之間的通信效率和可靠性，充分合理的利用CAN控制器提供的功能，設計高效而又滿足應用的應用層協議。
下面就以SJA1000為例，描述在工業控制系統中CAN Bus的應用設計，包含通信速率、節點定義、幀結構、過濾方式、識別碼格式和優先級的定義等內容。
2.1  通信速率
系統預設8種通信速率，根據SJA1000的實際時鐘頻率，計算出每種通信速率下SJA1000的BTR0 和BTR1寄存器的設置值。系統的通信速率由主控單元確定（根據組態軟件的設置來設置SJA1000），I/O單元自動偵聽CAN Bus通信速率，并設置自身的SJA1000。
2.2  節點定義
主節點： 主CPU（主控單元）節點，允許單CPU、雙CPU、多CPU等配置方式。
從節點： I/O單元節點，允許單I/O、雙I/O冗余配置方式，同一CAN Bus上的從節點數目最大為64。
2.3  CAN通信幀結構
所有在CAN Bus上傳送的信息都以幀為基本單元，每幀的長度為5～13個字節，具體長度視傳送內容確定。CAN通信幀結構見表1。

表1  CAN通信幀結構

2.4  過濾方式
為提高CAN Bus上通信效率和可靠性，并充分利用CAN Bus的優先級仲裁機制，系統應保證：
(1)  CAN Bus不同節點所發送的通信幀其識別碼一定不同；
(2)  對于CAN Bus上的點對點通信幀，保證有且只有目的節點能接收到。
要滿足上述2個要求，在設計上應使通信幀的識別碼與SJA1000驗收濾波器互相配合。
SJA1000 驗收濾波器由4 個驗收碼寄存器ACR0、ACR1、ACR2和ACR3和4個驗收屏蔽寄存器AMR0、AMR1、AMR2和AMR3組成。它們在SJA1000的復位模式下可由主控制器設置，從而可對接收信息構成非常靈活的濾波。
在本系統中，CAN節點對通信幀的接收采用單過濾方式。單濾波是指只有1個由4個驗收碼寄存器和4個驗收屏蔽寄存器組成的驗收濾波器，總線上的信息只有通過它的驗收濾波才予以接收。ACR和AMR是配合在一起工作的，所有AMR 為0 的位，ACR和CAN通信幀識別碼的對應位必須相同才能驗收通過；所有AMR 為1 的位，ACR 對應位的驗收濾波功能則予以屏蔽，CAN 信息幀的相關位與驗收結果無關。
節點的驗收碼和屏蔽碼的設置見表2。

表2  CAN節點驗收碼和屏蔽碼設置表 

對于所有類型的節點，驗收碼ACR0.4-ACR0.0、ACR2和ACR3的所有位均為0，屏蔽碼AMR0.4-AMR0.0、AMR2和AMR3的所有位均為1。
I/O單元各節點均分配一個邏輯ID，由此確定CAN通信的物理地址，從節點邏輯ID及驗收碼ACR1和屏蔽碼AMR1的分配規則為：
  從節點的驗收碼ACR1的8位由4個“1”和4個“0”組成；
  不同從節點的驗收碼ACR1均不相同；
  從節點邏輯ID越小，對應的驗收碼ACR1也越小；
  從節點的屏蔽碼AMR1為其驗收碼ACR1的反碼。
根據上述規則，可分配出70個從節點，選取其中的64個作為系統的從節點。
2.5  CAN通信幀報文標識碼（29位）定義

CAN通信幀報文標識碼（29位）定義如下：

ID.28~ID.26：信息流向（MDIR），3位。具體含義見表3。

表3  CAN節點信息流向表
 

ID.25~ID.21：信息類型（MTP），5位；
ID.20~ID.13：從節點號索引（SNI），8位。CPU節點發送時表示目的從節點，從節點向CPU節點發送時表示源從節點，從節點之間通信時表示目的從節點。0ffh表示是廣播幀，發送點對點幀時，SNI就是從節點邏輯ID號對應的從節點驗收碼ACR1。
ID.12~ID.5：信息編移（MOS），8位。對于點對點的CAN通信幀，此信息偏移表示該通信幀內數據的偏移。對于CPU節點發送的廣播幀，此信息偏移用來表示發送此廣播幀的不同的CPU節點，例如可以是CPU節點所在主控單元的系統網絡站號。
ID.4~ID.2：保留，3位。
ID.1~ID.0：源節點內部單元序號(SNMN)，2位。非冗余CPU節點發送時，SNMN保留，為0；冗余CPU節點發送時，為0和1分別表示該冗余CPU節點的A機和B機（為2和3保留）。非冗余I/O單元從節點發送時，SNMN保留，為0；冗余I/O單元從節點發送時，為0和1分別表示該冗余I/O單元的A單元和B單元（為2和3保留）。
2.6  CAN通信幀傳送優先級
根據所定義的CAN通信幀報文標識碼格式，CAN Bus上各通信幀傳送優先級首先由MDIR決定。
按照MDIR，CAN通信幀優先級由高到低依次為：
①  主節點（CPU節點）向從節點發送的點對點幀，如主控單元向某一I/O單元發送配置數據。
②  主節點向所有從節點發送的廣播幀，如主節點向所有從節點請求I/O單元工作狀態，或主節點向所有從節點請求當前數據。
③  主節點向主節點發送的點對點幀。
④  主節點向所有主節點發送的廣播幀。
⑤  從節點之間點對點通信幀。
⑥  從節點向主節點發送的廣播幀。
上述6類通信幀中，常用到的有①、②和⑥這三種，能滿足數據采集與控制的基本應用要求。
在MDIR后，CAN通信幀傳送優先級由MTP決定。在MDIR相同的情況下，MTP對優先級的確定起著決定作用，從而保證重要信息類型數據的優先傳送。例如SOE（事件順序記錄）信息就可以比普通的巡檢數據優先傳送。
常見的信息類型有網絡同步幀、請求配置、配置數據、SOE數據、巡檢數據、狀態數據等，在系統設計時可根據其重要程度排定優先級，并確定相應的MTP數值。
在MTP后，CAN通信幀傳送優先級由SNI決定。在MDIR和MTP都相同的情況下，CAN通信幀的優先級取決于SNI，邏輯ID越小，其優先級越高。
3  結語
本文以SJA1000為例，通過節點定義、幀結構、過濾方式、識別碼定義和優先級定義等方面的應用設計，可以實現工業控制系統中多冗余的主控單元和64個可冗余I/O節點之間的高效可靠的數據通信，實現不同流向的各種類型的通信幀的高效傳送。通信幀優先級由MDIR、MTP和SNI依次決定，并保證CAN Bus上不會出現相同的識別碼。