本文介紹了一種高速CAN總線稱重儀表，該儀表集成了 CANopen協(xié)議，以及儀表與傳感器通信的內(nèi)部CAN協(xié)議。文中對(duì)地磅稱重儀表CAN接口電路、CANopen應(yīng)用 協(xié)議及內(nèi)部CAN協(xié)議設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了重點(diǎn)闡述。

引言

CAN總線是一種現(xiàn)場(chǎng)總線，由BOSCH公司于 1986年正式推出。CAN總線最早應(yīng)用于汽車上，憑借著快速、可靠、高效的特點(diǎn)，CAN總線的應(yīng) 用很快便拓展到過程控制、工業(yè)機(jī)械、紡織機(jī)械、軌道交通、船舶等領(lǐng)域,并在相應(yīng)領(lǐng)域誕生了各 具特色的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

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(dá)1Mbps,實(shí)時(shí)性好；

?錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制可靠；

?短幀結(jié)構(gòu)單個(gè)報(bào)文可攜帶8字節(jié)數(shù)據(jù)，

可實(shí)施復(fù)雜的數(shù)據(jù)加密策略；

?嚴(yán)重錯(cuò)誤情況下，故障節(jié)點(diǎn)自動(dòng)關(guān)閉，不 影響其他節(jié)點(diǎn)通信。

CAN是一種開放性的現(xiàn)場(chǎng)總線，其本身只定 義了數(shù)據(jù)鏈路層和部分物理層內(nèi)容，允許用戶更 大程度的去開發(fā)或定義自己的通信應(yīng)用。筆者通 過深入了解稱重行業(yè)的實(shí)際需求及國(guó)內(nèi)外的發(fā)展動(dòng)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(jiǎn)稱KLink協(xié)議的稱重儀表， 其中CANopen協(xié)議用于連接儀表和PC域PLC 等,其協(xié)議棧完全符合CiA DS301規(guī)范；而 K L ink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(yùn)行于125kbps波特率，可連接多達(dá) 16個(gè)的傳感器，通信距離達(dá)200米。

1.國(guó)內(nèi)外稱重行業(yè)C A N總線應(yīng)用情況

CAN是當(dāng)前唯一入選ISO標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線氣 在國(guó)內(nèi)外眾多領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。在稱重行業(yè)， 國(guó)外有很多廠家或組織對(duì)其展開了研究，并將其 應(yīng)用到相關(guān)稱重產(chǎn)品中去，其中較為知名的是CiA CAN inAutomatW 協(xié)會(huì)發(fā)布的 C iA DSP459、C iA DSP461設(shè)備描述文件。

C A這兩份有關(guān)稱重系統(tǒng)的CANopen設(shè)備描 述文件，對(duì)于建立統(tǒng)一的稱重設(shè)備通信接口，實(shí) 現(xiàn)不同廠家CANopen設(shè)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(shè)備的CANopen應(yīng)用，其中包含了一般要求、通 信參數(shù)規(guī)范、應(yīng)用參數(shù)規(guī)范等內(nèi)容，主要用于卡車、非道路車輛，如叉車、垃圾收運(yùn)車；而CiA DSP461則定義了常規(guī)稱重設(shè)備的CANopen應(yīng)用， 其中包含數(shù)據(jù)加密、儀表及傳感器設(shè)備描述文件 等，主要用于衡器，如貿(mào)易用稱重設(shè)備。

但在國(guó)內(nèi)，由于技術(shù)引入較晚，且相對(duì)集中 于車輛、工業(yè)機(jī)械等行業(yè)，CAN總線并不為稱重 行業(yè)所熟悉，相應(yīng)的CAN總線稱重儀表也并不多 見。

2.CAN接口電路設(shè)計(jì)

儀表的CAN接口電路起著連接C A N總線網(wǎng)絡(luò) 和CAN控制器的作用，它是實(shí)現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)收發(fā)的 關(guān)鍵。

本設(shè)計(jì)中C A N收發(fā)器采用TI公司的SN 65H V D 251。該收發(fā)器符合ISO11898-2標(biāo)準(zhǔn)，能以高達(dá) 1Mbps的速率實(shí)現(xiàn)CAN數(shù)據(jù)的差分發(fā)送和接收。 SN65HVD251收發(fā)器有8個(gè)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(shè)定收發(fā)器工作 模式斜率、高速。

CAN接口電路中的浪涌保護(hù)和信號(hào)隔離電路，會(huì)對(duì)波形質(zhì)量或傳輸延時(shí)有所影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇 結(jié)電容小的浪涌保護(hù)器件、傳輸延時(shí)小的隔離器 件。

3.CANopen協(xié)議設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，CANopen協(xié)議是儀表同PC或 PLC等上位機(jī)進(jìn)行通信的協(xié)議。該協(xié)議的設(shè)計(jì)完全 符合CiA DS301規(guī)范，支持基于LSS服務(wù)的節(jié)點(diǎn) 號(hào)或波特率更改。

在實(shí)際的工控或車載使用中，CANopen稱重儀 表往往作為從站運(yùn)行，故本設(shè)計(jì)中將儀表設(shè)計(jì)為 CAN open從站。作為CAN open從站的儀表，其狀態(tài) 運(yùn)轉(zhuǎn)如圖3所示完全受控于主站的NMT指令。

為減少信號(hào)跳變沿的諧波成分，收發(fā)器的RS 引腳通過10Kft電阻接地，從而實(shí)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(shè)計(jì) CAN接口電路時(shí)，要特別注意接口的浪涌保護(hù)。 本設(shè)計(jì)中采用了由氣體放電管、TVS、熱敏電阻等 組成的二級(jí)浪涌保護(hù)電路如圖2所示。在后期的 試驗(yàn)中，該電路通過了 8KV的靜電放電實(shí)驗(yàn)以及 3KV的雷擊浪涌實(shí)驗(yàn)，這表明該電路能對(duì)CAN接 口提供有效保護(hù)。

此外，若傳輸距離較遠(yuǎn)，CAN接口電路還應(yīng) 采用相關(guān)隔離保護(hù)手段。

CANopen協(xié)議有多種通信對(duì)象，如NMT、 SDO、PDO、EMCY等，對(duì)應(yīng)不同的NMT狀態(tài)， 從站可提供的通信對(duì)象是不同的見圖3中各狀 態(tài)框。在確定采用何種通信對(duì)象時(shí)，必須綜合分 析所要傳輸信息的性質(zhì)及通信需求。在本儀表的 設(shè)計(jì)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(jìn)行通信； 而其他配置信息或功能設(shè)定信息，則采用需確認(rèn)的SDO進(jìn)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(duì)象字典，應(yīng)用程 序和CANopen協(xié)議棧以此為中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。 對(duì)象字典的設(shè)計(jì)嚴(yán)格遵循C iA DS301及C iA DS306 協(xié)議。根據(jù)稱重儀表數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)際需求，在可 使用的范圍內(nèi)，本設(shè)計(jì)將對(duì)象字典索引區(qū)間進(jìn)行 了劃分如表2所示。

4.KL’nk應(yīng)用協(xié)議設(shè)計(jì)

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(jié)構(gòu)，其中儀表作為通信 主站，負(fù)責(zé)發(fā)起通信并監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)；而傳 感器則作為通信從站，不主動(dòng)發(fā)起任何通信，僅 響應(yīng)主站的請(qǐng)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(biāo)定、狀態(tài)信息，它們有著如下 特點(diǎn)：

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(jí)；

b配置、標(biāo)定、狀態(tài)信息只在特定條件下才 會(huì)訪問，且需要回應(yīng)；

c配置、標(biāo)定、狀態(tài)信息與具體傳感器息息 相關(guān)；

d信息需要加密傳輸； e信息傳輸要求高的實(shí)時(shí)性。

結(jié)合上述信息傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，K L ink協(xié)議采用了 兩種通信模型：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信如圖4所示、廣播 通信如圖5所示。設(shè)計(jì)通信協(xié)議的時(shí)候，根據(jù) 通信對(duì)象的屬性，如讀寫、存儲(chǔ)、加密、校驗(yàn)等， 為每種通信對(duì)象指定了具體的通信模型和通信服 務(wù)。對(duì)于需頻繁傳輸?shù)闹亓繑?shù)據(jù)，應(yīng)支持主從廣 播通信；同時(shí)，為方便特定條件下的使用，也應(yīng) 支持主從點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。

試驗(yàn)表明，在連接16個(gè)傳感器，波特率設(shè)定 為125kbps的情況下，KLink協(xié)議可實(shí)現(xiàn)對(duì)重量數(shù) 據(jù)57Hz的高速讀取。該讀取頻率與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù) 量、波特率相關(guān)，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(huì)有更大提升。

5.總結(jié)

結(jié)合CAN總線的一系列特點(diǎn)，筆者全新開發(fā) 了一款CAN總線稱重儀表，并在仔細(xì)分析稱重儀 表數(shù)據(jù)傳輸需求的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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(shì)。

目前，前述研發(fā)成果已應(yīng)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(chǎng)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(yīng)用多年，并在工控等領(lǐng)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(yīng)用 空間。