CAN总线在安全监控系统传输中的应用

1 引言
随着计算机网络的普及应用，人们从过去主要是对计算机监控系统监控功能的关注，转移到对其数据传输功能的关注。人们越来越重视数据的传输，人们希望通过互联网能在世界的任何角落及时观察到工业生产现场的各种状态数据。目前主要是基于Profibus总线的数据传输技术，虽然这种常规的传输技术具有相对结构简单、易于实现等优点，但是它有如下一些缺点不很适于作井下安全监控系统的传输总线。第一，它是主从结构，不能实现多主传输；第二，它的从节点都是固定地址，而且只能静态设置；第三，它的节点的加入不能随意动态进行；第四，它能够连接的节点数量末段最多32个，加中继的情况下也最多只能有三段，对于一些大矿，应用受到限制。相比之下，CAN总线技术具有的结构灵活性，以及它的节点容量（理论上是无限制的）十分适用于煤矿安全监控系统的组成特点和使用特点。所以我们选择CAN总线作为煤矿安全监控系统的传输技术。
本文将对应用发展比较成熟的先进的CAN总线技术，进行了深入的研究。在此基础上提出一个基于CAN总线的煤矿安全监控系统的数据传输方案，并在最后给出实现该方案的分站通信电路、分支中继电路的设计。
2 CAN总线
CAN (Controller Area Network) 总线，又称控制器局域网，CAN 已被公认为几种最有前途的现场总线之一。CAN 总线规范已被ISO 国际标准组织制订为国际标准，CAN 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连参考模型基础上的，主要工作在数据链路层和物理层。用户可在其基础上开发适合系统实际需要的应用层通信协议，但由于CAN 总线极高的可靠性，从而使应用层通信协议得以大大简化。
CAN总线采用总线式拓扑结构（见图1）。各节点可以像以太网节点那样直接挂接在一条主干线上。CAN采用两芯线缆，有极性连接。CAN总线网络也可以通过一个三通节点构成层次结构，呈现树型拓扑。对于采用电缆介质的CAN总线网络，总线末端要设有匹配阻抗，防止反射产生驻波。

CAN协议分为二层：物理层和数据链路层。物理层决定了实际位传送过程中的电气特性，在同一网络中，所有节点的物理层必须保持一致，但可以采用不同方式的物理层。CAN的数据链路层功能包括帧组织形式，总线仲裁和检错、错误报告及处理，确认哪个信息要发送的，确认接收到的信息及为应用层提供了接口。

CAN总线与其他总线相比有如下特点：
（1）、它是一种多主总线，即每个节点机均可成为主机，且节点机之间也可进行通信；
（2）、通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mbps；
（3）、CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等项工作；
（4）、CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义211或229个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接受到相同的数据，这一点在分步式控制中非常重要；
（5）、数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令，工作状态及测试数据的一般要求.同时，8个字节不会占用总线时间过长，，从而保证了通信的实时性；
（6）、CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。
基于CAN总线技术的远程分布式智能控制系统，可运用在被监控单元设备分散而且间距相对较远，如几公里范围内的复杂系统监控上。主机与多个智能终端组成的网络系统可有效地满足工业过程的自动控制需要。