CAN总线拓扑结构（共3篇）
CAN总线拓扑结构 篇1
目前烟草行业普遍使用的PROFIBUS现场总线, 一般都是采用线型总线拓扑结构, 很少采用线型或树型的混合型总线拓扑结构。使用先进的网络组件Profi Hub和COMbricks, 可以实现线型/树型的混合型总线拓扑结构。本文, 笔者主要从PROFIBUS现场总线的拓扑结构、故障特点和排除方法等方面进行比较, 突出混合型总线拓扑结构相对于线型总线拓扑结构具有的优势, 以制丝线某工艺段为例, 介绍改进前后的实际效果。
一、线性的总线拓扑结构
新郑卷烟厂制丝线在2005年技术改造以后, 电气控制系统采用了流行的PROFIBUS现场总线控制技术, 通过近些年的运行发现, 在实际生产过程中经常受到总线故障的困扰。下面以制丝线某工艺段为例作一介绍。
1. 总线拓扑结构。
该工艺段改进前使用的是线型总线拓扑结构, 如图1所示。
2. 故障特点。
据统计, 该工艺段每年发生的总线故障均在10次以上, 该类故障主要表现特点有:同一个物理网段设备数量多, 电气隔离效果不好, 抗干扰能力差;总线故障影响的设备范围比较广, 一个总线故障影响多个站点的通讯;排除故障时需要排查的设备数量多, 诊断和排除总线故障的时间较长;现场总线出现网络闪断时, 造成设备的短暂停机, 影响产品质量。
3. 排除方法。
总线故障发生后, 常用的排除故障方法有观察人机界面的网络监控画面;利用PLC主从站LED灯诊断;利用STEP7软件在线功能诊断, 如Accessible Nodes, Diagnose Hardware和Module Information;从总线网络组件入手进行排查, 如检查接地与屏蔽、总线连接器、中继器、终端电阻和总线电缆连接等等;用户编程调用系统功能或功能块诊断, 如用SFC13调用的系统功能DPNRM-DG进行DP从站的诊断, OB82中用SFC51RDSYSST进行诊断用SIMATICS的诊断块FB125进行诊断等。使用专业的总线网络检测工具。
这些诊断故障的方法能够解决部分的总线故障, 但对于短时间发生的网络闪断、电磁干扰等总线故障就显得无能为力, 同时无法在线实时的记录总线故障发生时的详细内容, 在需要快速排除故障时不能提供有效的故障信息。有些企业也想通过采取增加中继器、增加总线接地点数量等方法来预防或排除总线故障, 但从根本上还是无法杜绝总线故障的发生。
二、改进的总线拓扑结构
1. 总线拓扑结构。该工艺段改进后的PROFIBUS现场总线, 采用的是线型/树型的混合型总线拓扑结构, 如图2。
2. 主要特点。
采用图2中的线型/树型的混合型总线拓扑结构, 可以将线型的总线拓扑结构改进为一个类似于并联的总线分支结构, 其主要特点为:不同总线分支之间具有良好的电气隔离, 可以杜绝不同总线分支之间的电磁干扰;如果一个总线分支出现总线故障时, 不影响其他总线支分的正常通讯, 减少了总线故障发生时影响到的设备数量;每一个总线分支只有少量的PLC从站设备, 缩小了总线故障需要检查的范围, 缩短了总线故障诊断和排除的时间;配合具有存储功能的总线故障诊断模块, 可以实现总线故障发生时相关数据的实时记录、存储, 给快速解决网络闪断、电磁干扰等等总线故障提供有效及时的帮助。
3. 所用网络组件。混合型总线需要用到以下网络组件。
(1) Profi Hub。Profi Hub集线器是并列的中继器, 具有信号放大、网络扩展和两个物理网段的电气隔离功能, 实现将线型总线拓扑结构改进为线型/树型的混合型总线拓扑结构。
(2) COMbricks。COMbricks是多种功能模块组合的中继器, 不仅具有Profi Hub的功能, 还可以实现永久性的同时监听四个PROFIBUS网络, 用其内部集成的Profi Trace功能进行远程监听、诊断和维护, 通过IE浏览器上网实时监测网络运行情况和查看存储卡中的数据信息, 实现捕捉、存储和诊断不同总线的故障信息。
(3) 有源终端器DP终端器。在每一个总线分支的末端设备上连接有一个DP终端器。其主要完成两个功能:通讯信号发送的电流信号与接收的电压信号的转换作用;消除信号反射提高信号传输的可靠性。它采用双电源DC24 V供电, 分别有LED灯指示两个电源的供电状态。相对于在总线连接器上连接的终端电阻, 主要优势在于末端从站也可以断开电源进行维修, 实现在不干扰总线通讯的情况下关闭、移动和拆除网段内的设备。
4. 改进效果。
该工艺段改进前, 使用专业的总线检测工具对总线信号进行检测。从图3中可以看出, 部分站点总线的AB不同稳定电压较低出现了红色报警, 严重时会影响PROFIBUS总线正常的通讯。再看图4, 波形图中有严重的锯齿波, 说明PROFIBUS总线存在电磁干扰、从站重试和同步、从站错误回应等总线故障。
该工艺段改进后, 再次使用专业的总线检测工具进行波形检测, 从图5中可以看出, 总线AB不同稳定电压在正常范围内。再看图6, 波形图中没有了改进前波形中的锯齿波, 信号十分正常和稳定。改进后, 该工艺段的总线故障次数也由原来的月度2次以上降为0次, 改造效果非常明显。
三、结论
对于使用PROFIBUS总线网络的控制系统, 如果总线故障次数较多或者难以排查, 可以尝试使用该技术, 从根本上预防总线故障的发生, 降低总线故障影响设备的范围, 缩短诊断和排除总线故障的时间, 从而进一步提高制丝设备的有效作业率, 保证生产质量稳定运行。
CAN总线拓扑结构 篇2
随着科学技术的进步, 计算机、控制、电子技术的日新月异, 航天器上需要共享和处理的数据越来越多, 越来越复杂, 因此, 大部分航天器上都采用了总线技术。
CAN (Controller Area Network) 总线作为一种现场控制总线于20世纪80年代由Bosch公司提出, 经过了近二、三十年的发展。CAN总线技术已经在汽车、工业控制等领域取得了广泛的应用。
当前, 航天器常用的总线主要有1553B和CAN总线, 还有一些只能连接少数节点的总线, 如485总线。由于CAN总线具有非常强的抗干扰性能, 并且传输速率也较高 (最高可达到1Mb/s ) , 在21世纪初开始引入作为国内航天领域现场总线的一种, 最近十年以来, 随着应用的不断增加, CAN总线在航天领域的应用也越来越成熟。
1 CAN总线拓朴结构介绍
CAN总线最初是为了解决现代汽车中众多的电子控制单元 (ECU) 与测试设备之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议, 它是一种多主总线。其通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤, 通信速率可达1Mbit/s。
总线拓朴结构有很多种类型, 如环形、星形、单线形等, 根据CAN总线的特点, 有两种拓朴形式通常被使用, 分别为星形和单线形。
星形拓朴结构:如果总线系统中电控单元ECU数量较少, 一般不超过4个, 这种系统可以用星形作为总线的拓朴结构。例如:有一个3个ECU的系统, 如图1所示, 采用星形拓朴将使总线的设计和加工变的易于实现, 此时终端电阻的设计将采用多终端的方式实现, 这时将终端电阻设计在3个星形分支中, 这样, 只需要将总线电缆进行简单的加工, 即可以实现设备之间的相互通信, 为了实现总体终端阻抗, 即62Ω, 每个星形分支中设计的终端电阻值为180Ω。这种方法实际的终端阻抗 (即所有的终端电阻并联) 和收发器的输出驱动能力并不匹配, 但由于CAN总线数据传输时位定时参数有足够的安全余量, 这并不是很严重的问题。
单线式拓朴结构介绍:如果系统中ECU较多, 超过4个时, 一般采用单线式拓朴结构作为总线的拓朴结构。较简单的系统中采用星形的拓朴结构是为了简化总线电缆的设计和加工, 但根据ISO 11898标准的设想CAN总线网络的拓朴结构是一个接近于单线的结构, 以减少总线电缆上的反射, 如图2所示, 此时, 总线的两端都连接一个终端电阻。
由于航天领域CAN总线网络一般都包含较多的ECU节点, 星形拓朴虽然简单易实现, 但由于节点太多, CAN总线的数据传输性能已经不能得到保证, 因此, 通常采用单线式的拓朴结构进行CAN网络设计。
2 航天领域CAN总线电缆设计
2.1 航天领域CAN总线电缆介绍
根据航天领域CAN总线单线式拓朴结构的设计原则, 设计了两种实现方法, 分别为级连式和纯单线式。
级连式航天领域CAN总线电缆设计见图3, 各节点相互之间进行连接, 终端电阻可安装在第1个和最后一个节点中, 也可以外置在节点之外, 单独加工。
纯单线式航天领域CAN总线电缆设计如图2所示, 设计和加工独立的电缆组件, 将各节点连接成系统, 各节点间没有独立的相互连接的电缆, 终端电阻包含在电缆组件中。
2.2 比较与分析
级连式和纯单线式航天领域CAN总线电缆设计都可以满足卫星实际使用的需要, 在已经使用CAN总线的航天型号中, 这两种CAN总线电缆形式都有使用。两者的优缺点如下:
(1) 性能
级连式CAN总线电缆由于在设备间进行了电缆的转接, 虽然最终分段的电缆通过接插件实现了互连, 但原线缆的特性阻抗会发生变化, 而且发生的变化不同预计, 因此最终接入的特性阻抗很难实现合理的匹配, 但由于CAN总线本身具有很好的健壮性, 节点数较少, 分段级连的电缆总数不多时, 此种拓朴方式对系统性能的影响不会太大。
纯单线式CAN总线电缆是在一根主干上引出分支, 且要求分支长度较短, 分支长度一般要求小于25cm, 分支对总线主干特性阻抗的影响很小, 所以电缆本身的特性阻抗变化很小, 在电缆设计中可以很容易实现终端电阻匹配, 对CAN总线本身的电性能不会有影响。
(2) 工艺复杂度
级连式CAN总线电缆加工工艺比较简单, 与普通星上屏蔽双绞线电缆的加工方法没有太多差异, 实现容易。
纯单线式CAN总线电缆需要在主干线上引出分支, 而且要保证主干上引出分支的部分具有良好的屏蔽性能, 同时, 纯单线式总线电缆需要在电缆主干上直接将终端电阻焊接在屏蔽双绞线的两根芯线之间, 加工和端接电阻保护工艺复杂。
(3) 可靠性
级连式CAN总线电缆由于电缆是分段式的, 所以在单个设备上总线通常是通过接插件转接, 从一个接插件入, 然后在单机内部转接, 再从另一个接插件出, 这样, 一个设备出故障, 如接插件的机械损坏或虚焊, 可能就影响到整条总线的使用, 同时, 由于总线的正常工作涉及到的单机比较多, 也引入了更多的不确定性。
纯单线式CAN总线电缆独立加工, 可以与各单机的故障隔离开, 并且单机故障也不会影响总线上其它单机正常工作。
2.3 总线设计和加工
由于星形拓朴在实际使用中较少, 并且级联式总线加工方法比较简单, 本文不再对这两种拓朴结构的电缆设计和加工进行说明, 着重说明单线式总线的设计和加工。
由于单线式总线需要在主干电缆上引出分支, 为了保证接入的高可靠性, 对总线电缆进行专门的设计和加工。下面分两个内容进行说明, 一是电缆的整体设计, 另一个是分支电缆与主干电缆的耦合模块设计与加工。
电缆的整体设计与规划:主干线和分支线采用120Ω特性阻抗的屏蔽双绞线, 双绞屏蔽线的两根芯线分别定义为:CAN_H和CAN_L, 分别对应CAN总线接口芯片的CAN_H和CAN_L。主干线按照实际距离进行分段, 分支线长度均为25cm。分支与主干电缆之间的耦合模块采用专用模块实现。设计示例如图4所示。主干电缆设计时, 首先确定各ECU的布局位置, 然后测量各ECU间的距离, 进行主干线的走向距离最优化设计。总线终端匹配电阻的选到与所选用屏蔽双绞线特性阻抗相同的120Ω, 总线终端匹配电阻直接焊接在主干线两端两根芯线上, 并采用航天材料进行塑封, 塑封的同时注意保留放气孔, 以防真空环境下, 耦合模块出现膨胀损坏。
耦合模块由PCB板、不锈钢外壳、塑封材料组成。PCB原理图如图5所示 (包括双支线和单支线) , 图中上部为主干电缆连接, 主干电缆的两端分别连接两个耦合模块, 接入主干接点;图中下部为分支电缆连接, 一端接耦合模块, 一端接至ECU的接插件。PCB板完成主干和分支电缆的焊接, 测试合格后, 将焊点点胶固封, 然后将PCB板装配在已经加工好的不锈钢外壳内, 装配完成后, 对整个模块进行塑封, 固定保护主干和分支电缆接入线, 塑封要求与总线终端匹配电阻要求一致。
采用上述方法实现的星载CAN总线电缆已经在某卫星型号上得到应用, 并圆满的完成了相关任务。
3 结束语
随着我国航天技术的不断发展, 总线技术已经越来越普遍地应用于航天型号中, CAN总线技术以其高性能和廉价, 在航天器研制中也得到了较多的应用。本文简单地介绍了现有航天器中CAN总线拓朴和电缆设计加工的方法, 对于航天领域中CAN总线拓朴结构的研究有待深入, 对于CAN总线电缆的加工方法和工艺还有待加强。
摘要：介绍了目前航天领域CAN总线常用的几种拓朴结构, 并对这几种总线拓朴结构进行分析和比较, 说明了各自的优缺点和应用方式的不同。
关键词：航天领域,CAN总线,拓朴结构
参考文献
[1]邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1996.
[2]CANaerospace interface specification for airborne CAN applicationsV1.7[S].Germany:Stock F1ight Systems, 2001.
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[4]PCA82C250 CAN controller interface[R].Netherland:Philips Elec-tronics, 2000.
[5]阳宪衷.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社, 1999.
CAN总线拓扑结构 篇3
关键词：超声波传感器,移动机器人,CAN总线
1概述
要想使自主移动机器人系统完成避障、环境地图的建立、定位、路径规划等任务, 机器人必须具备实时采集环境信息的能力, 而这离不开实时感知环境信息的传感器系统的支持。因此在移动机器人中开始越来越多的应用各类传感器, 比如超声波、激光、红外、视觉等。在移动机器人感知系统中声呐超声波传感器的应用最为广泛, 因为其具有处理信息简单、性价比高、速度快、硬件实现方便等优势。 需要注意的是要想实现机器人对环境的感知, 单个超声波传感器是无法做到的, 因此机器人的感知系统都是多个传感器组成的, 本文超声波发射器逐个轮流发射, 但所有接收器同时接收。 传感器布局如图1所示[1]。
本文采用Sens Comp 600系列声呐传感器, 该传感器具有很强的接收灵敏度, 因为它将6500测距模块和600系列超声波探头、探头中心频率50k Hz整合起来了。 该传感器的触发方式有两种, 分别是内部触发和外部触发, I/O接口均兼容TTL逻辑电平, 正常工作电压范围为6~ 24VDC[2], 波束角度15° ( -6 d B) , 低响应特性量程:6英寸~35英尺非常好的接收灵敏度, 如图2。
600系列同时具有发送和接收声波的功能。 在假设声波的传输速度不变的情况下, 通过测出声波从发射点到目 标物体往返传输所需的时间, 就可以测算出距离, 超声波测距数学公式如式 ( 1) 。
式 ( 1) 中, D ( 单位为m) 表示声波发射点与目标物体的距离;t表示声波往返发射点和目标时间。 式 ( 2) 中, T为绝对温度;c0为声波, 表示当0℃时, 空气中的传播速度为331.4m/s。
Sens Comp 600系列声呐传感器的操作模式有单回波模式和多回波模式两种。 在单回波模式下, 输入引脚INIT电平跳变为高电平时传感器发送超声波, 然后等待发送的声波反回, 最后返回的信号被放大, 并且在输出引脚ECHO输出高电平。 从引脚INIT变为高电平到ECHO跳变为高电平的时间即为声波从传感器到障碍物往返所用的时间。 在实际测距的过程中, Sens Comp 600系列只需采用单回波模式即可。
2硬件电路设计
信息采集处理器对于测量系统而言不可或缺, 本文设计中采用的是美国Slicon Labrary公司的单片机C8051F040。 C8051F×××系列单片机具有很强的兼容性, 因为其具有8051兼容的微控制器内核。 片内不仅具有标准8052的数字外设部件, 还具有数据采集和控制系统等其它的很多数字外设部件, 这就意味着其具有比标准8052更多的功能。 C8051F040采用高速、流水线结构CIP-51内核, 功能强大。 汝100KS/s的12位ADC、控制器局域网控制器 ( CAN) , 6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列, 温度传感器、可实现硬件的SPI, SMBus/IIC和两个UART串行口, 64KB可在系统编程的FLASH存储器等。 可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号配置在端口I/O引脚。 该特性决定了用户可以依据自己的特定应用选择通用端口I/O和所需数字资源的组合。 因此选用此单片机完全能满足设计要求。
根据自主移动机器人在复杂的非结构化环境中工作的功能要求进行设计, 将各个功能模块化设计, 控制系统组成如图3所示。
整个移动机器人控制系统的数据接收由CAN总线实现。 超声波测距和其它传感器模块通过CAN总线实现与主控制器DSPIC30F4011指令的接收和测量结果的反馈, 主控制器对超声波测距模块、其它传感器模块采集到的信息进行融合, 识别当前环境, 从而发布控制命令对驱动电机进行控制以实现机器人避障导航。
DSPIC30F4011属于16位单片机, 是Microc hip公司新推出的DSPIC30F系列中的一款。由于DSPIC30F4011将单片机和DSP有机的结合在一起, 扬长避短, 使得DSPIC30F4011不仅具有单片机的所有优势, 还具有DSP的高速运算能力。 片上集成的CAN模块, 可以实现其与其它数字信号控制器或CAN模块的通信, 并且通信不受周遭环境的干扰, DSPIC30F4011单片机上集成的CAN模块也是一个通信控制器, 可以实现BOSCH规范中定义的CAN 2.0 A/B协议。
3控制系统软件设计
在程序开始运行时首先要进行输入输出初始化, 然后对CAN网络初始化。在CAN网络初始化后, 各个控制器才会遵循CAN2.0B通讯协议。对CAN总线上的信息进行接收。如图4所示。
C8051F040有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列, PCA捕捉中断程序, 流程图如图5, 其目的是完成超声波传输时间检测, PCA设置为上升沿捕捉模式。在超声波传感器引脚INIT上升沿起, PCA开始计时, 当PCA的引脚跳变为高电平时, 即传感器ECHO变为高电平时计时结束。 但如果超过一定时间一直没有收到回波, 就要重新进行下次测量。
4系统精度测量对比数据
为标定系统测量精度, 采用硬平木板作为障碍物进行测量, 并用钢卷尺测量实际距离。 在前左方45度角, 前右方45度角, 左侧, 右侧, 后方左侧45度角, 后方右侧45度角进行测量精度试验, 系统测量范围为15cm~200cm, 验证多传感器自主移动机器人对环境的感知情况。由于门电路延时等原因, 测量距离要大于实际距离。 超声波测距系统测量值与实际值数据比较, 具体如表1表示。
5结论
设计了一种基于CAN总线通讯的多传感器测距的自主移动机器人控制系统, 制定了CAN总线的通信协议。 采用Sens Comp600声呐传感器和单片机C8051F040设计实现了测距, 只需很少的硬件即可。 不足之处是, 由于Sens Comp600声呐传感器受温度影响较严重, 改系统中没有进行温度补偿, 会影响实际的测量数值。 另外单片机C8051F040功能没有全部使用, 可以设计更多功能, 来扩展该系统。
参考文献
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[3]刘进, 刘大维, 等.基于CAN总线的移动机器人控制系统设计[J].青岛理工大学学报, 2008, 29 (3) .