采用CAN现场总线实现煤矿系统的综合保互器的设计

1、引言

CAN（Controller Area network，控制器局域网） 总线属现场总线的一种，由于它具有高性能、高可靠性、高性价比、连接方便、实时性好及其独特的设计等突出优点而被应用于许多工业部门，目前已成为比较流行的一种现场总线，广泛应用于控制系统中的各检测和执行机构之间的数据通信。

我们在综合保护器的设计中，通常都是采用485总线，通讯也采用命令、响应方式。主机发出查询信号，各测量模块与主机通讯，报告各自数据及状态。但在应用现场中，通讯模块太多，这样就会使主机十分繁忙，数据就有可能不能及时得到响应命令;并且一旦有一个模块出现异常，就会影响到整个系统，考虑到实时性和安全性，我们将CAN总线用到了综合保护器上。

2、CAN总线特点及协议

CAN总线最初是由德国奔驰公司在80年代初为解决现代汽车中众多的传感器和执行装置之间的数据通信而开发的一种先进的串行通讯协议目的是通过较少的信号线，将汽车上的各种电子设备将汽车上的各种电子设备通过网络连接起来，并提高数据在网络中传输的可靠性。

2.1 CAN总线有特点

（1） CAN总线通讯速率为1Mbps/40m和5kbps/10km，节点可达110个，传输介质为双绞线和电缆;

（2） CAN总线采用非破坏性仲裁技术，将节点信息分为不同的优先级，可满足不同的实时性要求;

（3） 当节点出现错误严重时，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，可使总线上其它操作不受影响;

（4） CAN可实现全分布式多机系统，且无主从机之分，每个节点均可在任何时刻主动向网络上其它节点发送信息，可采用点对点，一点对多点及全局广播几种方式传送数据;

（5） CAN总线文报采用短帧结构，每帧信息都有CRC校验以及其他检错措施，使数据出错率低，可靠性极高;

（6） CAN 总线的成本低。

2.2 CAN总线协议

对通讯数据进行编码（取消了传统的对站地址编码），数据块标识符可由11位（CAN2.0A）或29位（CAN2.0B）二进制组成，最多可211或219个数据块，从而使网络节点数在理论上不受限制，这种按数据块编码的方式还可使不同的节点同时接受相同的数据，这样给分步式控制系统中实现模块间的数据和控制信息共享带来了极大方便。CAN 总线通讯接口集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通讯数据的成帧处理（包括位填充，数据块校验，循环冗余校验，优先级判别等）。

3 、系统硬件电路设计

系统中主要由上位机和控制器以及相应的保护电路构成，还有接到PC机内部的CAN接口卡，若干个CAN网络接点。综合保护器上的若干个测量模块（如开关量输入输出模块EDA9050，计数测频模块EDA9081，继电器输出模块EDA9060等）可以挂接到总线上，独立地与上位机通讯。CAN总线系统结构框图如图1所示：

综合保互器是偏向于煤矿系统的，考虑到应用环境的恶劣性，我们在芯片选择中，选用PCA82C250做CAN收发器，此芯片能提供向总线差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力，能增大通信距离，提高系统瞬间抗干扰能力，保护总线，降低射频干扰等。主控制芯片选用AT89C51，CAN控制器选用具有访问优先权的独立控制芯片SJA1000，同时在SJA1000和PCA82C250间加上高速隔离芯片6N137来提高系统抗干扰能力。CAN节点模块结构电路如图2所示：

4、通讯软件设计

控制软件的合理设计是模块实时、有效地完成数据采集及通信任务的关键，主要包括系统初始化、CAN信息处理、数据采集及处理等功能模块。系统开放一个定时中断，定时时间对应上位机发送来的采样周期。CAN报文的接收主要有2种方式：中断和查询方式。为提高系统的实时性，同时也保证接收缓冲器不出现数据溢出现象，模块中采用中断接收方式。CAN报文发送采用查询方式，即当需要发送数据时，将预先组织好的数据帧按字节写入SJA1000的发送缓冲寄存器中。

系统初始化包括对各寄存器初始化，而实际上主要是对SJA1000的初始化，在复位模式下完成初始化：设置工作方式、接收滤波方式、接收屏蔽寄存器AMR和接收代码ACR、波特率参数和中断允许寄存器等。SJA1000控制器初始化如图3所示：

5、结束语

采用CAN总线的综合保护器已运用到西山煤矿，性能良好，与以往的485总线综合保护器相比，有明显的优越性：上位机处理事件更及时、单个模块不能影响到整个系统、抗干扰性能提高，因此，有很好的推广价值。

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