原创 Can总线技术在大型仪器设备中的应用

 2009-10-22 09:55  3253 8 8 分类: 测试测量

仪器系统为何需要Can总线技术？<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

大型仪器系统功能模块非常之多，传统的设计方法有两种：一种方法是整体设计，当局部发生改动时，需要进行整体修改，这种方法非常不适合大型仪器的开发，研发人员的劳动过于重复，前期成果无法复用、沉淀；另一种方法是采用模块化的设计方法，但是目前仪器系统的模块化程度普遍较低，通常模块之间采用RS485之类的总线进行互联通信，这种方法优于整体设计方法学，但是在总线组网方面技术含量较低。

RS485总线为master/slave总线，无法实现多主通信，因此，采用该类总线进行模块组网时，通信效率较低，只能采用查询的方式监测网络的状态。I<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />2C之类的总线为片间通信总线，其采用了总线仲裁方式，可以进行多主通信，但是I2C总线物理层采用单端传输方式，总线抗干扰能力相对较弱，另外对于长距离传输显得无能为力。Can总线相对于上述两种总线而言，充分发挥了两者的长处。can总线可以多主通信，构建实时测控网络，并且采用差分传输方式，具有很高的抗共模干扰能力。此外，can总线的仲裁方式值得一提，其采用了优先级仲裁方式，当多个节点同时向网络发送数据时，高优先级的报文能够将低优先级的报文淹没，低优先级节点发现发送报文被淹没之后，会主动停止数据发送。这种优先级仲裁方式可以缩短仲裁时间，不影响高优先级报文的正确传输，提高了整个系统的实时性。Can总线是针对测控领域设计的，所以一次传输的报文量很小，一次报文量最大能够承载的数据上限为8字节，这种小数据量的传输一方面能够使得低优先级事务的传输，另一方面也非常符合测控需求。

针对can总线技术的诸多优点，非常适合应用于大型仪器系统模块化之间的互相通信，采用模块化组网的方式构建大型仪器系统。

Caopen应用层协议

比较遗憾的是，由于当年技术发展的局限，can总线在设计之初只考虑了物理层和数据链路层规范，并没有考虑应用层的协议规范，这使得用户在使用can总线时还需要自行定义应用层协议规范。这就导致了两个问题：第一，自行定义协议规范使得can总线开发不规范，可能导致系统运行的不稳定；第二，不同厂商设计实现的can设备无法实现互相兼容，可互换性差。针对上述问题，业界提出了很多应用层协议规范，以图实现不同厂商can设备之间的可互换性和简化can通信的开发。

目前，应用最为广泛的应用层协议是Canopen，这是一个由CIA协会维护的开放式Can应用层协议规范。Canopen协议规范基于Can总线技术，其最主要的特点归纳如下：

1、规范了Can数据传输模型。Canopen协议提出了master/slaver、producer/consumer、client/server三种数据传输方法，在这三种数据传输方法的基础上提出了四种数据传输对象，分别为：process data object(PDO)、service data object(SDO)、network management object(NMT)以及special service object，这四种传输对象各具特色，PDO对象用于传输小数据量，实时性应用的数据；SDO对象用于传输大数据量的数据，主要用于对象字典的操作；NMT对象用于网络管理的应用。其它同步时间发生、heartbeat的监测等应用属于special service。

2、规范了功能对象。Canopen协议规范采用对象字典对can设备的功能对象进行了规范，canopen的基本协议中提出了兑现字典的概念，并且规范了字典的组织结构。用户在使用canopen协议时需要设计自己的对象字典就可以了。为了与其他厂商的设备保持兼容，在制定对象字典时需要符合canopen的其它子协议规范，例如，IO模块的设计需要符合CIA401子协议规范；驱动器/运动控制单元的设计需要符合CIA402子协议规范。只有符合这些子协议规范的can设备才具有可互换性。否则只能说符合了canopen的CIA301协议，但子协议是自定义的。