一、船舶CAN-BUS工控網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)裝置概述

CAN是Controller Area Network的縮寫（以下稱為CAN），是ISO*1國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。 在當(dāng)前的汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對(duì)安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對(duì)可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng)“減少線束的數(shù)量"、“通過多個(gè)LAN，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信"的需要，1986年德國(guó)電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN通信協(xié)議。此后，CAN通過ISO11898及ISO11519進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)在在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

現(xiàn)在，CAN的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面。

CAN控制器根據(jù)兩根線上的電位差來判斷總線電平。總線電平分為顯性電平和隱性電平，二者必居其一。發(fā)送方通過使總線電平發(fā)生變化，將消息發(fā)送給接收方。

CAN的特點(diǎn)：

CAN協(xié)議具有以下特點(diǎn)。 

(1)多主控制

在總線空閑時(shí)，所有的單元都可開始發(fā)送消息（多主控制）。

最先訪問總線的單元可獲得發(fā)送權(quán)（CSMA/CA方式*1）。

多個(gè)單元同時(shí)開始發(fā)送時(shí)，發(fā)送高優(yōu)先級(jí)ID消息的單元可獲得發(fā)送權(quán)。

(2) 消息的發(fā)送

在CAN協(xié)議中，所有的消息都以固定的格式發(fā)送。總線空閑時(shí)，所有與總線相連的單元都可以開始發(fā)送新消息。兩個(gè)以上的單元同時(shí)開始發(fā)送消息時(shí)，根據(jù)標(biāo)識(shí)符（Identifier 以下稱為  ID）決定優(yōu)先級(jí)。ID并不是表示發(fā)送的目的地址，而是表示訪問總線的消息的優(yōu)先級(jí)。兩個(gè)以上的單元同時(shí)開始發(fā)送消息時(shí)，對(duì)各消息ID的每個(gè)位進(jìn)行逐個(gè)仲裁比較。仲裁獲勝（被判定為優(yōu)先級(jí)最高）的單元可繼續(xù)發(fā)送消息，仲裁失利的單元?jiǎng)t立刻停止發(fā)送而進(jìn)行接收工作。

(3) 系統(tǒng)的柔軟性

與總線相連的單元沒有類似于“地址"的信息。因此在總線上增加單元時(shí)，連接在總線上的其它單元的軟硬件及應(yīng)用層都不需要改變。

(4) 通信速度

根據(jù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，可設(shè)定適合的通信速度。 在同一網(wǎng)絡(luò)中，所有單元必須設(shè)定成統(tǒng)一的通信速度。即使有一個(gè)單元的通信速度與其它的不一樣，此單元也會(huì)輸出錯(cuò)誤信號(hào)，妨礙整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信。不同網(wǎng)絡(luò)間則可以有不同的通信速度。

(5) 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求

可通過發(fā)送“遙控幀" 請(qǐng)求其他單元發(fā)送數(shù)據(jù)。

(6) 錯(cuò)誤檢測(cè)功能

錯(cuò)誤通知功能·錯(cuò)誤恢復(fù)功能 所有的單元都可以檢測(cè)錯(cuò)誤（錯(cuò)誤檢測(cè)功能）。 檢測(cè)出錯(cuò)誤的單元會(huì)立即同時(shí)通知其他所有單元（錯(cuò)誤通知功能）。 正在發(fā)送消息的單元一旦檢測(cè)出錯(cuò)誤，會(huì)強(qiáng)制結(jié)束當(dāng)前的發(fā)送。強(qiáng)制結(jié)束發(fā)送的單元會(huì)不斷反復(fù)地重新發(fā)送此消息直到成功發(fā)送為止（錯(cuò)誤恢復(fù)功能）。

(7) 故障封閉

CAN可以判斷出錯(cuò)誤的類型是總線上暫時(shí)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤（如外部噪聲等）還是持續(xù)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤（如單元內(nèi)部故障、驅(qū)動(dòng)器故障、斷線等）。由此功能，當(dāng)總線上發(fā)生持續(xù)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)，可將引起此故障的單元從總線上隔離出去。

(8) 連接

CAN總線是可同時(shí)連接多個(gè)單元的總線。可連接的單元總數(shù)理論上是沒有限制的。但實(shí)際上可連接的單元數(shù)受總線上的時(shí)間延遲及電氣負(fù)載的限制。降低通信速度，可連接的單元數(shù)增加；提高通信速度，則可連接的單元數(shù)減少。

PCB說明：

1、概述

電路板（除通信電路板之外）采用核心板+地板的設(shè)計(jì)思路，核心板設(shè)計(jì)相同，只需要根據(jù)不同的底板焊接不同的功能模塊。底板的電源部分及通信接口部分設(shè)計(jì)是相同的，其他部分電路實(shí)現(xiàn)具體的功能。

電路板分為：核心板、DO（數(shù)字量輸出）底板、DIN（數(shù)字量輸入）底板、RO（繼電器輸出）底板、AIN（模擬量輸入）底板、AO（模擬量輸出）底板和通信板組成。

2、核心板

圖74：核心板概況

核心板資源介紹：

圖75：核心板資源

1）CPU及最小單元。

2）4位八段數(shù)碼管2個(gè)，用來指示當(dāng)前板子名稱：如 CanbusdO，CanbusrO，CanbusdI, CanbusAO，CanbusAI分別代表數(shù)字量輸出、繼電器輸出、數(shù)字量輸入、模擬量輸出、模擬量輸入電路板。

3）調(diào)試及復(fù)位接口。

4）底板接口。

5）底板接口。

6）底板接口。

7）底板接口。

8）DA單元。

9）AD單元。

10）AD單元。

11）模擬量電源單元。

12）USB轉(zhuǎn)TTL接口單元。

13）CAN接口單元。

14）RS485接口單元。

15、RS232接口單元。

16）狀態(tài)指示燈：針對(duì)輸出（DO/RO/AO）類型的電路板，如果該區(qū)域指示燈有紅色顯示，代表軟件控制輸出功能，如果顯示藍(lán)色，代表硬件（其他輸入電路板）控制器輸出通道。

17）功能選擇開關(guān)。（固定設(shè)置，絕對(duì)不能更改。）

18）掉電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片。

19）數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)單元。

20）DA單元。

21）運(yùn)行指示。（電路板運(yùn)行指示燈，以1hz的頻率閃爍。）

3、底板共性資源介紹：

圖76：電路板共性資源

1）電源輸入接口，控制電路和數(shù)字量驅(qū)動(dòng)電路建議分別單獨(dú)供電，也可以共用一路電源。針對(duì)DI/DO/RO三塊電路板，因?yàn)槎忌婕暗酵獠繑?shù)字量的驅(qū)動(dòng)，全部采用光電隔離的形式，因此需要兩路電源同時(shí)供給，對(duì)于AI/AO可以只提供控制電路24V。從上往下接口定義：控制電源24V+,控制電源24V-,IO電源24V+,IO電源24V-。

下面兩個(gè)船型開關(guān)是電源開關(guān)，控制電源和IO電源分別控制，上面控制的是控制電源24V,下面控制IO電源24V。

2）控制電源處理單元。

3）內(nèi)部輸入/輸出，外部輸入/輸出切換開關(guān)，有的電路板模塊可以同時(shí)對(duì)內(nèi)對(duì)外輸出，比如RO/DO模塊，這樣的模塊不需要切換開關(guān)，其他的都需要該開關(guān)來切換內(nèi)外信號(hào)源及目標(biāo)。在該開關(guān)附近都有IN<--->OUT字樣的絲印，撥碼開關(guān)朝向IN所指示的方向，代表使用內(nèi)部的信號(hào)源或輸出給電路內(nèi)部，朝向OUT所示的方向，對(duì)標(biāo)使用外部的信號(hào)源或者輸出給外部電路。

4）外部接線端子。

5）CANBUS接口。

6）RS485接口。

7）RS232接口。

8）控制位置選擇開關(guān)，對(duì)于輸出性質(zhì)的電路板，可以選擇軟件控制或者硬件控制。在該開關(guān)附近有BD Ctrl和SF Ctrl的絲印，開關(guān)撥到BD Ctrl方向代表受硬件控制，對(duì)應(yīng)核心板的狀態(tài)指示燈顯示藍(lán)色；撥到SF Ctrl方向代表受軟件控制，對(duì)應(yīng)核心板的狀態(tài)指示燈顯示紅色。

9）核心板接入?yún)^(qū)域。

以上9個(gè)功能區(qū)域?qū)?yīng)的功能每塊電路板都一樣，不再贅述。

4、數(shù)字量輸入電路板

圖77：DIN電路板

1）光電隔離單元。

2）光電隔離單元。

3）電壓轉(zhuǎn)化單元。5V轉(zhuǎn)為3.3V輸入到CPU對(duì)應(yīng)的GPIO通道。

4）輸入船型開關(guān)。

在硬件控制模式下，改電路板的1-10通道控制DO通道的1-10；11-20通道控制RO通道的1-10。

5、數(shù)字量輸出電路板

圖78：DIN電路板

1）P-MOS管單元。

2）光電隔離單元。

3）指示單元，雙色LED指示，輸出通道激活顯示綠色，輸出通道不激活顯示紅色。

4）CPU電源轉(zhuǎn)化單元。

5）PTC，1A自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。

(輸出極性請(qǐng)參考電路板絲印，以圖78視角來看為左正右負(fù))

在硬件控制模式下，改電路板受電路板第1-10路輸入信號(hào)控制。

6、繼電器輸出電路板

圖79：RO電路板

1）P-MOS單元。

2）光電隔離單元。

3）繼電器單元。

4）指示單元。繼電器激活時(shí)顯示綠色，繼電器沒激活顯示紅色。

5）CPU電壓轉(zhuǎn)換單元。

（輸出接線端子排布見電路板絲印，按照?qǐng)D79視角所示，下面一排從左向右分別是 NC/COM/NO.）

在硬件控制模式下，改電路板受DI電路板第11-20路輸入信號(hào)控制。

7、模擬量輸入電路板

圖80：AI電路板

1）電壓表指示單元，指示0-25.00范圍，內(nèi)應(yīng)的輸入電壓為0-2.5V，對(duì)應(yīng)的外部輸入電流為0-25mA。

2）電位計(jì)單元。

3）數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)單元。

（端子接線定義具體根據(jù)電路板絲印來確定，按照?qǐng)D中視角，下方從左到右依次是：電流輸入+/電流輸入-/24V電源+/24V電源-，該24V電源是電路板對(duì)外提供的，用來給外部傳感器供電的，可以分別接入2/3/4線制的4-20mA電流輸出傳感器）

在硬件控制模式下，該輸入信號(hào)控制模擬量輸出對(duì)應(yīng)的通道輸出。

8、模擬量輸出電路板

1）輸出電流顯示，對(duì)應(yīng)顯示00.00-25.00，對(duì)應(yīng)輸出0-25mA電流。

2）數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路。

（端子接線定義具體根據(jù)電路板絲印來確定，按照?qǐng)D中視角，下方從左到右依次是：電流輸出+/電流輸出-/24V電源+/24V電源-，  該24V電源是電路板對(duì)外提供的，用來給外部執(zhí)行部件供電，可以分別驅(qū)動(dòng)2/3/4線制的4-20mA電流輸入執(zhí)行器）

在硬件控制模式下，該輸出信號(hào)受AI電路板對(duì)應(yīng)通道控制。

9、通信電路板

1）CPU及最小系統(tǒng)單元。

2）Can接口芯片單元。

3）RS485接口芯片單元。

4）USB供電處理單元。

5）指示單元。

6）掉電數(shù)據(jù)保存單元。

7）RS232單元。

8）調(diào)試單元。

9）USB接口芯片單元。

10）功能選擇開關(guān)。

11）電源保護(hù)單元。

12）USB接口。

13）Can總線接口。

14）RS232接口。

15）RS485接口。

10、船舶CAN-BUS工控網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)裝置總結(jié)

該系統(tǒng)主要針對(duì)Canbus通信原理及通信應(yīng)用進(jìn)行演示，系統(tǒng)所有控制數(shù)據(jù)及反饋數(shù)據(jù)全部經(jīng)過Canbus總線進(jìn)行交叉?zhèn)鬏敗Ｃ恳粔K電路板存儲(chǔ)著在網(wǎng)所有數(shù)據(jù)，對(duì)兩兩之間的Can總線通信狀態(tài)都有實(shí)時(shí)的記錄，并且該記錄也通過Canbus傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上，數(shù)據(jù)在DI/DO/RO/AO/AI之間實(shí)時(shí)的周期性的交換（交換周期大約0.7s），通信電路板的作用是將Canbus網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)通過USB-TTL路由到PC上，給PC軟件提供數(shù)據(jù)源，同時(shí)通過USB-TTL 接受PC軟件的指令，并同步到Canbus網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)軟件的控制，因此通信電路板不僅僅默默地監(jiān)視著Canbus網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)，同時(shí)還要下發(fā)命令，與其他所有電路板產(chǎn)生交互，其在網(wǎng)狀態(tài)也要受到監(jiān)控，于是這6塊電路板形成了兩兩交叉的Can數(shù)據(jù)交互模型。在軟件中可以監(jiān)視每?jī)蓧K電路板之間的Canbus聯(lián)通情況。