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引言

CAN 總線是一種現(xiàn)場總線，由 某 公司于1986 年正式推出。CAN 總線最早應用于汽車上，憑借著快速、可靠、高效的特點，CAN 總線的應用很快便拓展到過程控制、工業(yè)機械、紡織機械、軌道交通、船舶等領域 [1] ，并在相應領域誕生了各具特色的應用標準。相較于傳統(tǒng)的 RS485 串口通信，CAN 有著如下顯著特征：

● 多主通信，非破壞性仲裁；

● 速率高達 1M bps，實時性好；

● 錯誤處理和檢錯機制可靠；

● 短幀結構 （單個報文可攜帶 8 字節(jié)數(shù)據(jù)），可實施復雜的數(shù)據(jù)加密策略；

● 嚴重錯誤情況下，故障節(jié)點自動關閉，不影響其他節(jié)點通信。

CAN 是一種開放性的現(xiàn)場總線，其本身只定義了數(shù)據(jù)鏈路層和部分物理層內容，允許用戶更大程度的去開發(fā)或定義自己的通信應用。筆者通過深入了解稱重行業(yè)的實際需求及國內外的發(fā)展動向，開發(fā)了一款集成了 CANopen 協(xié)議和自定義CAN 協(xié)議 （以下簡稱 KLink 協(xié)議） 的稱重儀表，其中 CANopen 協(xié)議用于連接儀表和 PC （或 PLC等），其協(xié)議棧完全符合 CiA DS301 規(guī)范；而KLink 協(xié)議則用于連接儀表和數(shù)字傳感器，缺省狀態(tài)下，該協(xié)議運行于 125kbps波特率，可連接多達16 個的傳感器，通信距離達 200 米。

 

1 國內外稱重行業(yè) C AN 總線應用情況

CAN 是當前唯一入選 ISO 標準的現(xiàn)場總線 [2] ，在國內外眾多領域中得到廣泛應用。在稱重行業(yè)，國外有很多廠家或組織對其展開了研究，并將其應用到相關稱重產(chǎn)品中去，其中較為知名的是 CiA（CAN in Autom ation） 協(xié)會發(fā)布的 CiA DSP459、CiADSP461 設備描述文件。CiA 這兩份有關稱重系統(tǒng)的 CANopen 設備描述文件，對于建立統(tǒng)一的稱重設備通信接口，實現(xiàn)不同廠家 CANopen 設備的互聯(lián)互通有著重要意義。這兩份協(xié)議中，CiA DSP459 定義了車載稱重設備的 CANopen 應用，其中包含了一般要求、通信參數(shù)規(guī)范、應用參數(shù)規(guī)范等內容，主要用于卡車、非道路車輛，如叉車、垃圾收運車；而 CiA

DSP461 則定義了常規(guī)稱重設備的 CANopen 應用，其中包含數(shù)據(jù)加密、儀表及傳感器設備描述文件

等，主要用于衡器，如貿易用稱重設備。

但在國內，由于技術引入較晚，且相對集中于車輛、工業(yè)機械等行業(yè)，CAN 總線并不為稱重行業(yè)所熟悉，相應的 CAN 總線稱重儀表也并不多見。

 

2 CAN 接口電路設計

儀表的 CAN 接口電路起著連接 CAN 總線網(wǎng)絡和 CAN 控制器的作用，它是實現(xiàn) CAN 數(shù)據(jù)收發(fā)的關鍵。

本設計中 CAN 收發(fā)器采用某公司的 SN65H VD251。該收發(fā)器符合 ISO11898-2 標準，能以高達1M bps的速率實現(xiàn) CAN 數(shù)據(jù)的差分發(fā)送和接收。SN65H VD251 收發(fā)器有 8 個引腳，如圖 1 所示，其中 D 連接到 CAN 控制器的 TX 引腳、R 連接到CAN 控制器的 RX 引腳、Rs用于設定收發(fā)器工作模式 （斜率、高速）。

為減少信號跳變沿的諧波成分，收發(fā)器的 RS引腳通過 10KΩ 電阻接地，從而實現(xiàn)收發(fā)器的斜率控制。

由于稱重儀表使用環(huán)境的多樣性，在設計CAN 接口電路時，要特別注意接口的浪涌保護。本設計中采用了由氣體放電管、TVS、熱敏電阻等組成的二級浪涌保護電路如圖 2 所示。在后期的試驗中，該電路通過了 8KV 的靜電放電實驗以及3KV 的雷擊浪涌實驗，這表明該電路能對 CAN 接口提供有效保護。此外，若傳輸距離較遠，CAN 接口電路還應采用相關隔離保護手段。

CAN 接口電路中的浪涌保護和信號隔離電路，會對波形質量或傳輸延時有所影響，設計時應選擇結電容小的浪涌保護器件、傳輸延時小的隔離器件。

3 CAN open 協(xié)議設計

在本設計中，CANopen 協(xié)議是儀表同 PC 或PLC 等上位機進行通信的協(xié)議。該協(xié)議的設計完全符合 CiA DS301 規(guī)范，支持基于 LSS 服務的節(jié)點號或波特率更改。

在實際的工控或車載使用中，CANopen 稱重儀表往往作為從站運行，故本設計中將儀表設計為CANopen 從站。作為 CANopen 從站的儀表，其狀態(tài)運轉如圖 3 所示完全受控于主站的 NM T 指令。

CANopen 協(xié)議有多種通信對象[3] ，如 NM T、SDO、PDO、EM CY 等，對應不同的 NM T 狀態(tài)，從站可提供的通信對象是不同的 （見圖 3 中各狀態(tài)框）。在確定采用何種通信對象時，必須綜合分析所要傳輸信息的性質及通信需求。在本儀表的設計中，稱重儀表的重量信息 （皮重、毛重、凈重等） 作為過程數(shù)據(jù)，以 PDO 的形式進行通信；而其他配置信息或功能設定信息，則采用需確認的 SDO 進行通信。其中，PDO 采用發(fā)送類型為255 的異步發(fā)送，以 TPDO1 為例，其通信參數(shù)如表 1 所示。

CANopen 協(xié)議棧的核心是對象字典，應用程序和 CANopen 協(xié)議棧以此為中心進行數(shù)據(jù)的交換。對象字典的設計嚴格遵循 CiA DS301 及 CiA DS306協(xié)議。根據(jù)稱重儀表數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶嶋H需求，在可使用的范圍內，本設計將對象字典索引區(qū)間進行了劃分如表 2 所示。

4 KLink 應用協(xié)議設計

KLink 協(xié)議是儀表和傳感器間的 CAN 通信協(xié)議。KLink 協(xié)議采用主從結構，其中儀表作為通信主站，負責發(fā)起通信并監(jiān)控網(wǎng)絡運行狀態(tài)；而傳感器則作為通信從站，不主動發(fā)起任何通信，僅響應主站的請求。

儀表和傳感器之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要有重量信息和各種配置、標定、狀態(tài)信息，它們有著如下

特點：

a） 重量信息需要持續(xù)傳送，要求具備最高的傳輸優(yōu)先級；

b） 配置、標定、狀態(tài)信息只在特定條件下才會訪問，且需要回應；

c） 配置、標定、狀態(tài)信息與具體傳感器息息相關；

d） 信息需要加密傳輸；

e） 信息傳輸要求高的實時性。

結合上述信息傳輸?shù)奶攸c，KLink 協(xié)議采用了兩種通信模型：點對點通信 （如圖 4 所示）、廣播通信 （如圖 5 所示）。設計通信協(xié)議的時候，根據(jù)通信對象的屬性，如讀寫、存儲、加密、校驗等，為每種通信對象指定了具體的通信模型和通信服務。對于需頻繁傳輸?shù)闹亓繑?shù)據(jù)，應支持主從廣播通信；同時，為方便特定條件下的使用，也應支持主從點對點通信。

試驗表明，在連接 16 個傳感器，波特率設定為 125kbps的情況下，KLink 協(xié)議可實現(xiàn)對重量數(shù)據(jù) 57H z 的高速讀取。該讀取頻率與網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量、波特率相關，在傳感器數(shù)量減少或波特率提高的情況下，讀取速度還會有更大提升。

 

5 總結

結合 CAN 總線的一系列特點，筆者全新開發(fā)了一款 CAN 總線稱重儀表，并在仔細分析稱重儀表數(shù)據(jù)傳輸需求的基礎上設計了其通信協(xié)議。相較于傳統(tǒng) RS485 接口的儀表，該儀表在速度、加密傳輸?shù)确矫娑硷@示了其顯著優(yōu)勢。

目前，前述研發(fā)成果已應用在多款帶 CAN 接口的物聯(lián)網(wǎng)及工控儀表中，如 D39-W -CAN 如圖 6所示、KL3101-D2+C、KL3101-D2+C（CANopen）。憑借優(yōu)異的防作弊性能和高可靠性，該系列儀表在市場上已得到眾多終端用戶的青睞。

CAN 總線在極度重視安全性、可靠性的汽車行業(yè)應用多年，并在工控等領域得以持續(xù)發(fā)展，其高速、可靠的特性完全勝任稱重儀表的數(shù)字傳輸需要，在未來的稱重行業(yè)必將有著廣闊的應用空間。

 

 

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