船舶CAN-BUS工控網(wǎng)絡(luò)實驗裝置

KCCBK-09型船舶CAN-BUS工控網(wǎng)絡(luò)實驗裝置

注：根據(jù)船舶AMS系統(tǒng)設(shè)計

CAN是Controller Area Network的縮寫（以下稱為CAN），是ISO*1國際標(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LAN，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，1986年德國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?？偩€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。

一、CAN的特點

CAN協(xié)議具有以下特點。

1.多主控制

在總線空閑時，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）。

多個單元同時開始發(fā)送時，發(fā)送高優(yōu)先級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?？偩€空閑時，所有與總線相連的單元都可以開始發(fā)送新消息。兩個以上的單元同時開始發(fā)送消息時，根據(jù)標(biāo)識符（Identifier 以下稱為  ID）決定優(yōu)先級。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。兩個以上的單元同時開始發(fā)送消息時，對各消息ID的每個位進(jìn)行逐個仲裁比較。仲裁獲勝（被判定為優(yōu)先級最高）的單元可繼續(xù)發(fā)送消息，仲裁失利的單元則立刻停止發(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，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。即使有一個單元的通信速度與其它的不一樣，此單元也會輸出錯誤信號，妨礙整個網(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)請求

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

6. 錯誤檢測功能

錯誤通知功能?錯誤恢復(fù)功能 所有的單元都可以檢測錯誤（錯誤檢測功能）。 檢測出錯誤的單元會立即同時通知其他所有單元（錯誤通知功能）。 正在發(fā)送消息的單元一旦檢測出錯誤，會強制結(jié)束當(dāng)前的發(fā)送。強制結(jié)束發(fā)送的單元會不斷反復(fù)地重新發(fā)送此消息直到成功發(fā)送為止（錯誤恢復(fù)功能）。

7.故障封閉

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

8.連接

CAN總線是可同時連接多個單元的總線?？蛇B接的單元總數(shù)理論上是沒有限制的。但實際上可連接的單元數(shù)受總線上的時間延遲及電氣負(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。

二、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)計思路，核心板設(shè)計完全相同，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)計是完全相同的，其他部分電路實現(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，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，絕對不能更改。）

（18）掉電數(shù)據(jù)存儲芯片。

（19）數(shù)碼管驅(qū)動單元。

（20）DA單元。

（21）運行指示。（電路板運行指示燈，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)動電路建議分別單獨供電，也可以共用一路電源。針對DI/DO/RO三塊電路板，因為都涉及到外部數(shù)字量的驅(qū)動，全部采用光電隔離的形式，因此需要兩路電源同時供給，對于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對內(nèi)對外輸出，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)部的信號源或輸出給電路內(nèi)部，朝向OUT所示的方向，對標(biāo)使用外部的信號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)保險絲。

(輸出極性請參考電路板絲印，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，按照圖79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，對應(yīng)的外部輸入電流為0-25mA。

（2）電位計單元。

（3）數(shù)碼管驅(qū)動單元。

（端子接線定義具體根據(jù)電路板絲印來確定，按照圖中視角，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，該輸入信號控制模擬量輸出對應(yīng)的通道輸出。

8.模擬量輸出電路板

圖81：AO電路板

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

（2）數(shù)碼管驅(qū)動電路。

（端子接線定義具體根據(jù)電路板絲印來確定，按照圖中視角，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電源是電路板對外提供的，用來給外部執(zhí)行部件供電，可以分別驅(qū)動2/3/4線制的4-20mA電流輸入執(zhí)行器）

在硬件控制模式下，該輸出信號受AI電路板對應(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)總結(jié)

該系統(tǒng)主要針對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?。每一塊電路板存儲著在網(wǎng)所有數(shù)據(jù)，對兩兩之間的Can總線通信狀態(tài)都有實時的記錄，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之間實時的周期性的交換（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，同時通過USB-TTL 接受PC軟件的指令，并同步到Canbus網(wǎng)絡(luò)上，實現(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)視每兩塊電路板之間的Canbus聯(lián)通情況。

圖82：通信電路板