基于CAN 總線多主通信技術的監控分站設計

宋益東

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113006）

控制器局域網絡（Controller Area Network,CAN）作為一種高可靠的現場總線，工業控制方面已經得到廣泛應用。憑借其傳輸距離長、通信速率高、誤碼率低、通信方式靈活、穩定性高、實時性好、抗干擾能力強、組網簡單等優點，在工業通信領域得到了廣泛應用，CAN 總線標準僅對物理層及數據鏈路層做了相應規定，沒有對應用層進行嚴格的規范，根據自身的應用特點很多工業控制領域已經形成了幾種標準的 CAN 總線應用層通信協議，如CANaerospace、CAL、Devi-ceNet、CANopen 等[1-3]。

目前國內煤礦安全監控系統應用最廣泛的CAN 總線通信協議，主要為主從式通信方式。主從式通信的優點是各個從節點可以統一管理和調度，可保證通信信息按照設定時序進行交互，有效避免總線數據競爭或沖突。但通信效率不高，監控分站主節點在等待從節點應答期間，總線始終為空閑狀態，導致總線利用率較低。根據行業標準，監控系統信息融合和多系統應急聯動的要求，通信數據量大幅提升，監控系統設備間的數據交叉控制和設備間數據交互數據量在不斷提升[4]。要滿足不斷增長的監控分站通信數據需求，在總線通信速率不變的情況下，提高總線使用效率就是唯一途徑。主從式通信模式，不僅增加主節點監控分站調度管理壓力，同時在等待應答期間也增加對總線的無效占用。

為提升各節點的通信效率和增加對總線利用效率，設計了一種基于CAN 總線多主通信技術的監控分站, 監控分站使用基于CAN2.0 標準規范的CAN總線應用層協議，結合煤礦安全監控系統自身應用特點設計開發的相對簡化的應用層協議，它可支持監控分站多主通信[2]。監控分站采用多主通信方式，每一臺監控分站都可以自主發起數據傳輸，從而提高總線利用率，滿足行業標準要求[5-6]。

1 多主通信監控分站總體結構

監控分站總體設計框圖如圖1。

監控分站主要是采集現場各類傳感器數據，經過分析處理，根據預設數據算法和控制邏輯，一方面通過井下工業環網將實時數據上傳到監控主機。另一方面根據地面中心站命令，同時結合本分站實際情況發出控制指令，控制設備聲光報警或閉鎖相應電源，保證煤礦作業現場安全生產。監控分站采用模塊化設計，采用基于ARM 結構的處理器，主處理器選用位32 位ARM 處理器STM32F407ZGT6[7]，該處理器具有豐富的片上資源，2 路CAN 控制器，以太網DMA 總線，6 個USART 等，協處理器采用STM32F103RC，多個處理器協同工作，同時處理數據采集、展示、數據通信、控制、數據存儲等任務，完全滿足監控分站的響應時間。

監控分站主要由核心CPU 數據數據算法和控制處理模塊、通訊模塊、紅外遙控模塊、數據采集分析模塊、液晶顯示模塊、中心站數據通信模塊和電源模塊組成[8-9]。

2 關鍵技術

2.1 電源電路

電源電路原理圖如圖2。

圖2 電源電路原理圖Fig.2 Power circuit schematic

電源是監控分站正常工作的基礎，監控分站輸入電源電壓為DC24 V，為了提升電源的轉換效率和提高監控分站的抗干擾能力，選用了一款DC/DC 模塊，模塊的輸入電壓為DC24 V，輸出電壓為3.3、5、12 VDC。DC12 V 給網絡光電轉換模塊供電，DC5 V給通信模塊供電，DC3.3 V 給核心ARM 芯片STM32F407ZGT6 和STM32F103RC 及外圍電路供電，選用的STM32 系列ARM 芯片，正常工作電壓為1.8～3.6 VDC。選用DC5 V 供電的通信芯片是為了提高通信距離和通信穩定性，DC3.3 V 直流電源采用LM1117-3.3 芯片進行電壓轉換，該芯片在特定的輸入電壓和輸出負載的條件下，負載穩定度0.4%，輸出電壓穩定度0.2%。

2.2 CAN 總線通信電路

CAN 總線通信電路原理圖如圖3。

圖3 CAN 總線通信電路原理圖Fig.3 Principle of CAN bus communication

物理層CAN 通信主要是由光電隔離器件、CAN收發器和CAN 控制器組成，最后連接到CAN 總線上，STM32F407ZGT6 微控制器集成了CAN 總線控制器，驅動能力不強，為了增強內部的CAN 控制器的數據接收和發送能力，增加傳輸距離，適應煤礦監控系統應用場景，CAN 總線需要增加收發器驅動芯片，外接CAN 收發器，使之適應長距離通信的要求。監控分站CAN 的物理層使用DC5V 電壓的CAN總線收發器PCA82C251 來實現，提高了總線的接收和發送能力。

為了完成監控分站與監控分站、監控分站與上位機之間的數據通信。CAN 總線通信模塊需要通過程序對CAN 控制器的寄存器進行配置，可以將接收的數據或命令發送給指定的CAN 網絡節點，監控分站采用多主通信會對總線通信產生競爭，利用CAN 總線的CSMA/CD 特點可以有效解決，為了解決丟包對整個監控系統造成的影響，分站采取丟包數據從發方式，從數據源頭解決對于CAN 總線傳輸出現丟包的情況。

2.3 多主通信監控分站通信協議

目前監控系統分站CAN 總線通信協議以CAN2.0A 為主，為此主要對CAN2.0A 幀結構進行細化，從新進行定義仲裁段中標識符、數據段中數據場的具體內容。標準的CAN2.0A 鏈路層數據幀結構見表1，依次為幀起始、仲裁段、控制端、數據段、CRC 校驗段、ACK 應答段和幀結束。

設計的監控分站多主通信協議11 位標識符區域從新劃分，劃分后的協議中包括3 個部分，前5 位為目的分站地址，中間部分為5 位源分站地址，最后1 位為幀類型，11 位標識符功能劃分見表2。

在監控分站協議中，目的地址5 位填充接收數據的分站地址或上位機地址；源地址5 位填充發送數據的本分站地址；幀類型1 位，單幀數據用0 表示，多幀數據用1 表示。單幀數據主要應用于命令類交互；多幀數據每幀數據的第1 個字節為幀序，第2 個字節以后為各類傳感器數據或控制數據，多幀數據監控分站通信協議見表3。

表2 11 位標識符功能劃分Table 2 Function division of 11 bit identifier

表3 多幀數據監控分站通信協議Table 3 Communication protocol of multi-frame data monitoring substation

在該監控分站協議標識符中同時設計了監控分站的數據發送地址和數據接收地址，總線上的任何一幀監控分站數據都可以被完全識別是來自哪個監控分站和發送到哪個監控分站，不會出現數據被錯誤接收或錯誤處理。經測試該協議可以滿足多臺監控分站間主動發起的數據傳輸需求。

2.4 監控分站程序

監控分站程序流程圖如圖4。

圖4 監控分站程序流程圖Fig.4 Flow chart of monitoring substation procedure

監控分站采用μC/OS-Ⅱ操作系統[10]，該系統源代碼公開，結構簡單、內核小、可移植性和可裁剪性簡便等特點，選用Keil uVision5 為開發環境對監控分站程序進行編譯和調試。 μC/OS - Ⅱ在STM32F407ZGT6 上移植后，多任務調度和管理由操作系統內核自動處理。操作系統按照監控分站功能要求，合理劃分和設計相關任務，通過任務調度函數來調度各個任務，實現分站整體高效實時運行。監控分站程序主要包括各類傳感器數據采集部分，風電、瓦斯電閉鎖部分，LCD 數據實時顯示部分，與上位機或其他分站數據通信部分。各類任務設定不同的優先級，監控分站上電初始化通過后，由μC/OS-Ⅱ內核按照設定的優先級統一調度和管理，實現監控分站程序協調運行。

3 結 語

設計了一種基于CAN 總線多主通信技術的監控分站。介紹了多主通信監控分站總體設計和關鍵技術, 該多主通信監控分站可以有效支持總線多主通信，系統的通信效率和靈活性有了大幅提升。解決了長期以來監控分站主從式通信數據傳輸慢、總線利用率低、抗干擾能力差的問題。煤礦現場應用結果證明，監控分站運行穩定可靠，能夠滿足全數字化監控系統的要求。