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摘要：CAN-bus技術(shù)已經(jīng)成為主流現(xiàn)場總線技術(shù)之一。基于CAN-bus網(wǎng)絡的控制系統(tǒng)廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場。工業(yè)現(xiàn)場由于其電磁干擾大，運行環(huán)境惡劣，不僅要求設(shè)備抗干擾能力強，還要求有一個健壯的can-bus通信網(wǎng)絡。文章結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場對CAN-bus控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡提出了總體搭建原則,詳細分析了CAN-bus的網(wǎng)絡拓撲的優(yōu)劣勢，列舉現(xiàn)場應用常見的布線方式，電纜選型、終端電阻安裝方式及地線處理，形成了一套可行的CAN通信網(wǎng)絡搭建的規(guī)則。

關(guān)鍵詞：CAN-bus；網(wǎng)絡拓撲；布線方式；終端電阻；CANGND

隨著CAN-bus技術(shù)的發(fā)展，以CAN-bus為基礎(chǔ)的通信網(wǎng)絡系統(tǒng)已經(jīng)廣泛使用在工業(yè)控制、軌道交通、航天航空、煤礦、酒店管理等各種場合。CAN-bus總線的控制系統(tǒng)已經(jīng)是當今主流工業(yè)自動化控制系統(tǒng)之一，小至傳感器、傳動控制裝置、數(shù)字量、模擬量I/O設(shè)備，大到整個現(xiàn)場監(jiān)控信號的集中設(shè)備，無不例外都可以看到CAN-bus的身影。復雜環(huán)境的工業(yè)環(huán)境中不但要求設(shè)備抗干擾能力強，還要依托一個穩(wěn)定、可靠擴展性強的通信網(wǎng)絡，兩者相輔相成才能使控制系統(tǒng)可靠運行。強大的網(wǎng)絡可以為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供可靠的保障，甚至忘記它的存在，通信網(wǎng)絡可以認為是控制系統(tǒng)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)。

1CAN-bus搭建原則

組建一個基于CAN-bus的控制系統(tǒng)，意味著現(xiàn)場設(shè)備的所有信息通過CAN總線實時傳輸?shù)娇偪刂破?，同樣總控制器的控制命令通過CAN總線傳輸?shù)浆F(xiàn)場設(shè)備，由此看出CAN通信網(wǎng)絡搭建是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)工程決定著系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性。CAN控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡搭建應在早期必須給予重視，做到網(wǎng)絡總體規(guī)劃，設(shè)計先行。網(wǎng)絡搭建工作需做好以下幾個步驟：首先，對控制系統(tǒng)充分分析和確定需求；其次，在確定需求的基礎(chǔ)上制定系統(tǒng)建設(shè)的目標，包括采用哪些設(shè)備、設(shè)備配置、應用開發(fā)和設(shè)備管理等；然后，根據(jù)應用需求的節(jié)點分布特點，選擇合適的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，確定設(shè)備型號選擇、布線方式、接線方式、電纜選擇、軟件配置；最后階段才為現(xiàn)場實施。

2CAN-bus拓撲結(jié)構(gòu)

2.1總線型拓撲

CAN-bus典型結(jié)構(gòu)是總線形拓撲，所有節(jié)點的CAN接口都連接到總線上，此時總線為所有節(jié)點提供公共信道。典型的CAN總線形拓撲為主干-分支結(jié)構(gòu)，如圖1所示，它的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)相對簡單，各節(jié)點的通信負載比較均衡，可靠性高，易于擴展（增加和減少節(jié)點單元比較方便）；缺點：由于信號在傳輸采用共享信道，因此需要處理多節(jié)點總線競爭的問題。

2.2星形拓撲結(jié)構(gòu)

在某些特殊情況下，CAN-bus網(wǎng)絡也會采用星形拓撲，環(huán)形拓撲等結(jié)構(gòu)。典型的星型結(jié)構(gòu)如圖2所示，但是，不推薦現(xiàn)場直接使用圖2所示的拓撲結(jié)構(gòu)，強烈建議使用圖3改進型的星形組網(wǎng)方式：利用一個CAN網(wǎng)絡集線器作為星型網(wǎng)絡架構(gòu)中的核心點，所有網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通過集線器進行轉(zhuǎn)發(fā)和路由，不但能夠有效隔離子網(wǎng)絡的干擾，擴充網(wǎng)絡容量，還能增加通信距離，需注意設(shè)計網(wǎng)絡時需考慮通道間報文轉(zhuǎn)發(fā)延時。環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)常用于冗余系統(tǒng)，要求CAN環(huán)型網(wǎng)絡正常工作且當網(wǎng)絡斷開某處時也能正常工作。在實際應用中CAN網(wǎng)絡斷開的位置是不確定的，詳見圖4，因此終端電阻合理的安裝方式應當是：主控節(jié)點安裝單終端電阻120，其他節(jié)點并聯(lián)一個電阻Rct，每個節(jié)點的電阻不一定相等，但最小阻值要求大于120，當所有Rct以及終端電阻接入后CAN_H，CAN_L之間的電阻值為60左右時效果最佳。

3CAN-bus布線方式

3.1“手牽手”式

手牽手布線常用于簡單網(wǎng)絡，是總線的一種基本布線方式。網(wǎng)絡中上一個設(shè)備僅與下一個設(shè)備相連，可以形象的看成“手拉著手”，示意圖如圖6。這種布線方式下，支線長度為零，可看成只有主干線的總線形網(wǎng)絡。需要注意，網(wǎng)絡上設(shè)備的總線連接器必須是可拆卸式的連接器，當拆下設(shè)備時，不會影響網(wǎng)絡上其他節(jié)點的通信。布線時，終端電阻必須合理安裝，常要求在首尾兩端分別安裝一個阻值為120的終端電阻，不能只接單端或完全不接。

3.2“T型”連接

工業(yè)現(xiàn)場中最常采用“T型”連接的布線方式，采用標準的T型連接器使得布線變得十分容易和輕松。布線之前首先要確定總線波特率下對應最大電纜距離，表1中列舉了三種波特率與電纜長度的關(guān)系。所謂最大電纜長度，并不特指干線長度，而是網(wǎng)絡上任意兩個設(shè)備間最大的長度。大多數(shù)情況下，最大距離為終端電阻之間的距離。在確定最大電纜長度后，第二步須確認支線累積長度，如果波特率在1Mbps情況下，支線長度不要超過30cm，如果實際情況無法避免增加分支的長度，可使用中繼器（CAN網(wǎng)橋）延長通信距離，又或者降低整個網(wǎng)絡的通訊速率。

4電纜的選擇

電纜常用AWG標準來表示它的直徑，電纜參數(shù)詳見表2。眾所周知，越粗的導線具有更好的強度，更低的阻值，然而導線線徑越粗，制作需要的材料越多，這樣會導致電纜重量更重、安裝更難、成本也更貴。因此，選擇電纜的挑戰(zhàn)在于：保證網(wǎng)絡通信可靠穩(wěn)定的前提下，使用盡可能小直徑的導線，以減小成本和安裝復雜度。隨著技術(shù)發(fā)展，導線的材料不斷改進，其性能不斷提高，導線的實際尺寸可能比標稱規(guī)格稍大或者稍小一些。市面上電纜品牌很多，參數(shù)也不盡相同，為了方便用戶選擇，推薦不同總線長度下的電纜規(guī)格，請參考表3。

5終端電阻的安裝

終端電阻用于消除傳輸阻抗不連續(xù)和不匹配，從而提高信號質(zhì)量。除上述作用外，終端電阻還有另外一個重要的作用，從收發(fā)器設(shè)計原理上來看，終端電阻可以確?？偩€快速進入隱性電平狀態(tài)并增加抗干擾能力。開放式和密封式終端電阻詳見圖8，建議安裝在干線的末端，型號為：120，5%，1/4W。密封式終端電阻分為公頭和母頭，安裝在T型分接器上，位于支線的末端。請不要將終端電阻安裝在不可拆卸的設(shè)備上！如果這樣，當拆下該節(jié)點，可能導致整個網(wǎng)絡通信故障，建議使用外部的終端接頭或顯而易見的終端電阻，因為它們比內(nèi)部安裝更容易發(fā)現(xiàn)，更容易安裝。

6CANGND的處理

雖然CAN總線使用兩根信號線進行差分傳輸，實際使用中參考電位（CAN_GND）對CAN總線有影響。CAN_GND應在網(wǎng)絡中的某一點被接地，需確認單點接地，否則會在CAN_GND線上形成地環(huán)流。CAN網(wǎng)絡的接地遵循兩個原則：（1）CAN信號的參考地（CAN_GND）必須連接，且要接到大地，須保證單點接地。（2）電纜屏蔽層接到大地，也必須保證單點接地。所有工業(yè)現(xiàn)場的CAN設(shè)備都應具備電氣隔離接口，實際使用中應注意設(shè)備CAN接口是否為電氣隔離接口，通常產(chǎn)品手冊會有提及。如果網(wǎng)絡中連接了一個沒有電氣隔離的CAN接口，CAN_GND的實際效果是通過該設(shè)備已經(jīng)接入大地，因此，網(wǎng)絡中最多只能連接一個沒有電氣隔離的CAN接口。

7結(jié)語

工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡搭建工業(yè)控制系統(tǒng)不可或缺的部分，因此在對系統(tǒng)進行規(guī)劃設(shè)計時，一方面要充分考慮現(xiàn)場的應用需求和實現(xiàn)手段，另一方面要綜合現(xiàn)場環(huán)境、近期與遠期建設(shè)等諸多因素。工業(yè)現(xiàn)場中搭建通信網(wǎng)絡是一項復雜的工程，一個好的網(wǎng)絡可以節(jié)省后期大量的維護成本。搭建一個可靠穩(wěn)定，可擴展性強的通信網(wǎng)絡是應用工程師的挑戰(zhàn)，也是工程師們不斷的追求。

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作者：蔡清龍 帥金泉 石啟杰 單位：廣州致遠電子有限公司 廣州思泰信息技術(shù)有限公司