应用现场总线技术，促进广播电视系统智能化

2010-04-17艾尔肯热和曼张文磊赵季伟

电视技术 2010年8期

艾尔肯·热和曼，张文磊，赵季伟

（1.新疆维吾尔自治区阿克苏地区电视台播出部，新疆阿克苏 843000；2.中国人民解放军92493部队88分队，辽宁葫芦岛 125000；3.辽宁广播电视台北斗传媒，辽宁沈阳 110820）

1 概述

在“三网融合”与NGB的政策和现实的推动下，我国广电行业进入一个新的高速发展期。当广电数字化以后，在IT网络技术支持下，广播电视系统正在向更高的技术层次发展，市场对电视设备和系统的网络化、自动化、智能化需求日益高涨。特别是“云计算”与“物联网”概念的出现，为广电智能化提供了一个划时代的崭新思维模式。自动化控制是实现系统智能化的基础。实现智能化需要两个基本前提条件，一是智慧的“大脑”，除了高于人脑的运算能力和智慧效果，就是海量知识库系统的辅佐；二是可靠的自动化控制，除了过程与现场控制的执行能力，更需要采集现场信息和数据分析，以确保“大脑”的分析运算成果和智能化控制效果[1]。

无论是将自动化与智能化作为重要卖点的录像机、摄录一体机、网络前端、发射机等广播电视设备，还是电视中心自动播出、有线电视网络实时监控、广播电视发射覆盖网络等广播电视系统，在自动化的过程控制中，都大量采用RS-232（V.24）串行数据或RS-485/422外部总线接口标准，来提供广播现场的自动控制。然而，随着广电的数字化进程，广播电视系统规模越来越大，被控与被管理的范围越来越宽，被控结构越来越复杂，并不断趋向于分布式体系结构，使得传统的RS-232/422/485接口（即EIA/TIA标准），越来越力不从心。

这种发展过程中的矛盾，技术先进国家也曾遇到。虽然RS-232被长期大量使用，毕竟是一种点对点的低速传输模式，没有能力支持更高层次的计算机与网络间的互操作。特别是在机电环境日益劣化，被干扰的可能性越来越大——失败控制和错误动作此起彼伏。尽管后来出现了有所改善的RS-422/485总线模式，但与日俱增的设备与管理智能化需求仍然构成当前自动化与智能化的新矛盾。近年来，在大规模的现场自控中，传感器、执行器和控制器的布置范围更大，管理和控制的智能化要求更高，如果在最底层仍采用传统拓扑结构，安装成本和介质造价将直线上升；而采用流行的局域网（LAN组件）或RS-422/485总线拓扑结构，虽然可以减少长度，却额外增加了介质及相关硬件与软件，其系统造价与星型系统相差无几，而且LAN的可靠性与安全性，普遍令人担忧。这就使新兴现场总线技术具备了诞生与发展的内外条件。

针对这种普遍矛盾，IEC TC65C WG6小组于1985年开始负责研究现场总线的网络体系结构及标准工作。WG6小组试图在最低层次上，设计一种造价低廉而又能经受工业现场环境考验的标准化技术，并陆续公布了一系列现场总线（Field bus）的功能需求。此间，美国仪器（设备）协会（Instrument Society of America，ISA）和 IEEE也相继开始了此项技术的研究。

现场总线是在生产过程现场及控制设备之间以及对更高控制管理层次之间，构成过程自动化的智能互连互通的数字通信基础网络。它不仅是一个基础网络，还是一个开放式的、全分布的控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通信等技术为主要内容的综合技术一出现，立刻将计算机和互联网与传感器、执行器和控制器集成为一个分布式系统，从而成为世界IT与自控技术发展的热点，广泛应用于智能化程度要求较高的汽车、船舶、飞机、军工制造以及医疗与环卫监控等领域。仅汽车电子一项，全球2010年将安装5.28亿个车载CAN总线节点（数据引自ABI Research《2008车载网络研究报告》）。世界自动化系统结构与设备领域的重大科技进步，使 “云计算”与“物联网”从概念走向现实应用。

当今的广电数字化时代，不仅具备了提及智能化（包括技术、生产、经营和管理）的前提条件，而且，每每提到“智能化”，广电的各个角落都透露出现场总线技术的需求愿望；只是没有被人提领，没有像其他行业一样体察它的存在。然而，它却像当初的“办公自动化（OA）”概念一样，引发了广播电视系统和管理流程的“后数字时代”的深层变革。

2 现场总线控制系统架构及其由来

现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）被自控技术称为“5G”（第五代自控系统）。FCS突破了第四代集散式分布控制系统（Distributed Control System，DCS）的局限，以公开化、标准化的解决方案，变DCS集中与分散相结合的集散系统结构为类似“云计算平台”的分布式结构，破除通信专网的封闭，把控制功能直接推向现场和“数物”（Cyber-Physical）的边际端点[2]。

虽然，FCS是基于局部范围的计算机通信网络，但它根据全球市场的普遍需求，将现场总线设备的工作环境置于过程设备的底层，以企业现场设备级的基础通信网络，实现协议简单、容错能力强、安全性好、成本低的基本要求，并满足较高的时间确定性和实时性要求以及网络负载稳定、多数需要短帧传送、信息交换频繁等现实需求。

自从国际标准化组织ISO在1984年创建了一个分层结构的 “开放式系统互连通信的参考模型”（简称ISO/OSI参考模型）以来，无论是LAN还是WAN等计算机网络，都据此而获得高速发展。然而，从市场需求到网络通信技术标准看，FCS都不同于上层高速数据通信网，没有必要按照上层数据通信的ISO/OSI参考模型构建复杂的标准化开放体系；却有必要遵循ISO国际标准化，以通信协议的低层应用，实现异构网络与设备的互连互通。

为此，FCS协议只定义了7层结构参考模型中的最下两层——物理层（PHY）、数据链路层（DLL），采用物理层、数据链路层和应用层（AL）的3层网络结构。规定流量控制和差错控制在数据链路层执行，而报文的可靠传输在数据链路层或应用层执行。应用层协议由用户自定，或采用国际组织制订的种种工业标准，如用于过程控制的DeviceNet协议和用于机电控制的CANopen协议。应用协议采用用户自定或国际工业标准各有利弊，这取决于应用产品的经营策略：是期待局部封闭而整体获利，还是期待开放后在产业链和供应链上循环获利？FCS的三层结构所传送的数据单位分别是比特（PHY）、帧（DLL）和报文（AL）。

这种网络结构虽然简单，但能更为直观地执行协议，而又不降低性能，达到卓越的性价比。所以，可以认为开放性、分散性与数字通信是FCS最显著的特征。虽然FCS简化了网络结构，与OSI标准模型并不完全一致，却是一种等价的开放式实时系统，从而保证对异构系统的兼容性。对照ISO/OSI参考模型，现场总线系统体系结构模式如图1所示。

从物理层上看，典型的FCS是由现场设备、接口与计算设备以及介质通信所组成，同时满足过程控制和生产自动化的需要。值得注意的是，嵌入式系统正在成为FCS工业数据总线中最为活跃的一个应用领域。因为嵌入式系统为FCS的投资保护提供了非常有效的解决方案。

目前，国际上许多有实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行了FCS系统与产品的技术开发，如影响力较大的 Foundation Fieldbus （FF）、Lon Works、Profibus、HART、Dupline和CAN Bus等，它们各有千秋，在不同应用领域形成独自的优势。其中CAN Bus（Controller Area Network bus，控制器局部网总线，以下简写为CAN）独具特色，以其质优价廉的高可靠性，获得绝对的应用优势，特别适合高可靠性、高智能、高标准广播电视系统应用[3]。

3 CAN的技术内核[4]

CAN技术是“汽车文化”的结晶。20世纪80年代初，很多有实力的电子公司为了解决现代汽车中大量控制与测试传感器间的数据交换，致力开发一种串行的数据通信协议。全球汽车电子和部件制造的“老大”——德国博世（Bosch）公司率先提出CAN，试图以一种多主总线，通过相当于P2P对等式的网络结构，建立车载CAN控制器局部网。1986年11月博世发布CAN技术工业规范（V1.0），获得世界级电子公司的广泛支持。飞利浦半导体公司于1991年9月继承和发布了CAN技术规范（V 2.0），包括现今仍在流行的A、B两部分，V 2.0A规范了原CAN工业标准V 1.2定义的报文格式，而V 2.0B则规范了“标准的”与“扩展的”两种报文格式。对此研究多年的ISO，跟踪和考证了全球CAN的发展历程和市场需求，于1993年11月正式颁布 “数字信息交换——高速通信控制器局部网（CAN）”的国际标准（ISO11898）。从而成为当今世界应用最为广泛的现场总线国际标准之一。

ISO11898只定义了ISO/OSI参考模型的最下面两层——数据链路层和物理层，既保证了通信节点间无差错的数据传输，又达到低廉的工业实现。应用层协议采用FCS系统的一贯做法，由CAN用户自行定义。用户应用的CAN分层体系结构如图2所示。

从物理上看，应用CAN的实体媒介可以是双绞线、同轴电缆或光纤。直接通信距离最远可达10 km（对应信息传输速率5 kbit/s以下）；传输速率最高可达1 Mbit/s（对应通信距离最长为40 m）。CAN的工作节点数取决于总线驱动电路（接口适配器类型），目前采用低价的通用接口器件可达110个；报文标识符可达2 032种（CAN V2.0A），而扩展标准（CAN V2.0B）的报文标识符几乎不受限制。以最简单的网络结构，只需1对传输回路即可与外部互连，方便生产集成工艺线束，构成错误探测和网管的CAN模块。从数据链路的逻辑结构上看，CAN具有最为重要的以下几项技术内核：

1）非破坏性总线仲裁技术

图2 CAN分层体系结构模式

CAN协议的总线分配方式不同于以太网的CSMA/CD协议，保证不同节点同时申请总线存取，可以明确地分配总线。CAN协议是以非破坏性的“位仲裁”方法，解决通信双方“握手”后，同时发送数据而产生总线存取冲突的问题。而且，当总线的传输能力不足时，所有传输请求都将按重要性的优先级来顺序处理。实验和统计证明，以消息内容为优先的总线存取是一种有效的方案；在总线重负载的情况下，可以确保传送有用消息的总线不被占用。而在CSMA/CD协议的消息仲裁系统中，往往因过载而造成系统崩溃。而且，这种非破坏性总线仲裁技术，使得网络应用的互操作更简单、更可靠。

2）数据块编码方式

CAN协议的最大特点是对通信数据块基于报文编码，不同于TCP/IP协议采用的地址编码。其主要优点是可使网络内节点的数量在理论上不受限制。数据块的标识码是由11位（V2.0A）或29位（V2.0B）的二进制数组成，定义211或229个不同的数据块。这种按数据块的编码方式，可使不同的节点同时接收到相同的数据，构成一点对多点以至一点对全局的双向广播通信，非常适合分布式测控系统之间的数据通信，如分布式现场总线控制系统（FCS）。数据段长度最多为8 byte，可满足常规工业控制领域中指令、状态及测试数据的一般需求。而且，8 byte不会占用总线时间过长，保证了通信的实时性。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，确保数据通信的可靠性。

3）多主竞争式模式结构

CAN技术采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线特征。CAN总线的任意节点，可在任意时刻主动地向其他网络节点发送不分主次的信息，而各节点之间也可实现相互的自由通信，非常方便地构成分布式监测监控系统，并可向多机备份的智能化冗余系统延展。CAN总线适配器集成了CAN协议物理层与数据链路层的各种功能，直接由硬件完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等工作。通过通用计算机CAN总线卡和CAN串行接口芯片两类器件，可以构成设备内部的CAN总线或设备外部的CAN现场控制网络。通用CAN总线卡可以自由应用于普通计算机，而接口芯片则在设备端口或设备体内技术集成。

4）报文格式

CAN协议支持A/B两种报文格式，两者唯一的区别是标识符（ID）长度不同。标准格式为11位，扩展格式为29位。在标准格式中，报文的起始位称为帧起始（SOF），然后是由11位标识符和远程发送请求位（RTR）组成的仲裁场。RTR位标明是数据帧还是请求帧，在请求帧中没有数据字节。控制场包括标识符扩展位（IDE），是指出标准格式还是扩展格式。它还包括一个预留位（RO），将来扩展使用。它的最后4 byte指明数据场中的数据长度（DLC）。数据场范围为0～8 byte，其后有1个检测数据错误的循环冗余检查（CRC）。报文中数据帧的通用格式如表1所示。

表1 CAN数据帧通用格式示意图表

报文的尾部由帧结束标出。在相邻的两条报文中间设有1个很短的间隔位，如果此时没有站对总线存取报文，总线则处于空闲状态。

应答场（ACK）包括应答位和应答分隔符。发送站发送此2位时显现隐性电平（逻辑1），接收站正确接收报文时发送主控电平（逻辑0）。用这种方法，发送站可以保证网络中至少有一个站能正确接收到报文。

4 广电应用CAN的理由

CAN早已是举世公认的最有前途的现场总线之一。它以卓越的性能、极高的可靠性和令人普遍接受的性价比，广泛激起了各行各业以其实现生产自动化和智能化的夙愿。然而，多数广电对设备和系统的需求仍在追求RS-232/485控制方式，或者仅以规模和造价含糊描述当前和未来的采购需求。而广播电视设备制造商和服务商虽然认同CAN，但苦于市场需求而发展缓慢。

4.1 CAN特别适合广电应用的关键理由

4.1.1 高成熟度

广播电视系统作为“高标准、严要求”的信息系统，特别强调应用新技术的成熟度。CAN经过近20年的进步与发展，已得到各行各业的广泛应用。在通信卫星、交通工具、机器人、楼宇自控、医疗器械、数控机床、智能传感器、过程自动化仪表等自控设备和网络上，甚至在奥巴马“智慧地球”的小区域智能化方案中，都有CAN的身影。由于CAN的广泛应用，大批供应硬件，不仅使其质优价廉的特点更为突出，而且技术成熟度也随之更高[5]。

4.1.2 高可靠性

广播电视系统的“高标准、严要求”集中体现在可靠性上。网络传输数据的可靠性，可以通过统计测量系统残余数据错误的概率来鉴别。它描述了传送数据被破坏和这种破坏不能被探测出来的概率。残余数据错误概率必须非常小，以至在整个系统生命周期内，按平均统计时几乎检测不到。倘若将残留错误的概率作为具有80～90位的报文传送时的位错误概率函数，来评估CAN的残余错误，那么，设定系统为5～10个站，错误率为1/1 000，则最大位错误概率为10-13数量级。例如CAN网络的数据传输率最大为1 Mbit/s，如果数据传输能力仅使用50%，对于一个工作寿命4 000 h、平均报文长度为80位的系统，所传送的数据总量为9×1010报文。在系统运行寿命期内，不可检测的传输错误的统计则平均小于10-2量级。换言之，一个CAN系统按每年365天，每天工作8 h，每秒错误率为0.7计算，统计平均后，每1 000年才会发生一个不可检测的错误[5]。这样高的可靠性，特别适合广播电视系统“年无差错”的高标准“安全播出”系统。

4.1.3 高安全性

“安全播出”是广播电视系统中第一位重要的职责，任何一级广电机构都将安全置于高过一切的地位。而广播电视系统安全性的基本矛盾是：分布比较分散、实时性要求高、现场环境干扰大。如此“三大矛盾”，恰恰可以发挥CAN的超群优势。CAN的设计初衷，就是为了在汽车的自控通信环境中减少线束的数量，通过多个LAN进行大量数据的高速通信，以达到各种电子控制系统之间不同数据类型的安全通信。这与广电要求解决安全矛盾的需求不谋而合。经过20年的实践，CAN以其卓越的抗电磁干扰性能、快速优良的检错能力以及对病毒、黑客、木马等恶意攻击的天生免疫力，获得极高的安全性能，并为安全要求更高的尖端国防科技所大量采用。

4.1.4 最低成本

在广电招标项目中，常常把规模和成本作为第一要务。而CAN历来是以低成本与高总线利用率而著称，遍及从高速网到多线网的低成本工业自动化的应用。而当前的市场价格，国际上构成CAN神经元网络的接口芯片，每片约3.2美元（已低于RS－232接口处理芯片价格）；国内市场每个CAN节点的成本至多也不超过30元，而LAN局域网节点的最低成本也要160元。当前广电正处于系统发展的成长壮大期，再工程与再建设在所难免。而CAN是基于发送报文的编码，并不对控制节点编码，因此，增添或删除CAN节点不会直接影响系统，系统的可扩展性较高，可得到高效的投资保护。具有投资保护的低成本、高性能的CAN解决方案，对广电特别有益。

4.2 同质对比当前同类技术的应用

4.2.1 对比EIA/TIA接口标准

当前，在广播电视现场控制系统中，EIA/TIA控制接口标准最为普遍，先将CAN与其进行同类同质对比，见表2。从中可见，CAN比EIA/TIA更适合广电应用。

表2 CAN Bus总线与RS－422/485总线及RS－232特性对比表

4.2.2 对比现场总线的同类主要协议

伴随市场需求现场控制系统的快速增长，除了EIA/TIA标准和CAN以外，串行数据通信的现场总线新技术层出不穷，可选的广播电视系统现场总线协议及控制网络协议很多，择其重点与CAN进行同质同类对比，见表3。可知，与同类主要协议相比，CAN最适合广电应用。

尽管应用现场总线技术，实现广播电视系统智能化的解决方案各异，但是，仍然存在共性的基本特征。广电系统采用CAN现场控制的典型应用原理如图3所示。

表3 广电应用串行数据现场控制总线协议特性对比表

5 应用举例

5.1 设备应用一：数字发射机

鞍山嘉惠电子采用Microchip公司dsPIC系列16位单片机构成发射机设备的现场控制系统。设备以主控单元构成管理级主控PC机的下位机，接收和执行来自专网（虚拟）的管理策略和系统指示，同时对发射机输出传感器和现场敏感数据进行多通道并行采集，此间采用递推平均滤波法使采集的数据达到实时可取值，经数据格式变换后，按知识模型进行逻辑判别，再依据管理级指定的控制策略，对CAN总线控制器接口输出自适应的发射机现场控制信息；同时，按照CAN上位机指定的接口和地址发送本级发射机的共享数据，以达到全系统、全网络的智能化运行和管理。嘉惠数字发射机CAN平台原理结构和功能控制详见图4。

CAN的总线控制下位机以激励器控制器为例，经过主控单元对输出电流、电压、温度、入射、反射、频偏和带肩、调制误差率（Modulation Error Ratio，MER）等数据分析，以CAN总线对激励器控制器发出指令，快速响应并自动执行（可通过控制面板人工干预）预处理参数调整、冗余备份切换、状态声光报警、回路门限控制等，使得发射机能够以智能化适应无人值守的工作环境。

嘉惠数字发射机重要特点之一，是利用CAN允许与以太网或其他局域网相连的特性，在系统管理级的下位构成本级设备的CAN总线平台（参考图3）。由CAN接口接入功能模块的控制指令和应用程序，管理和执行整机的智能化机电现场控制。这一特点与德国R&S数字发射机的CAN平台类似，将发射站的设备现场控制由近端引向远端，以便提供单频网（Single Frequency Network，SFN）系统的智能化网管控制。

5.2 设备应用二：播控中心矩阵

被大连捷成称为“银河”的GALAXY大型高可靠矩阵，还有新型X-PLUS全规模、多格式混插矩阵，以及EXCEED系列大型VGA视频矩阵等，都能按需达到256×256的控制规模，甚至还可以再提高。它的成功之处在于采用了获市政府奖的 “i-MOD系列智能化信号处理平台”。这个平台的基础结构为两部分：一部分是信号处理的CAN平台，使其能够实现自适应的智能化信号处理和调度；另一个是工艺结构平台，使其达到工业化的通用生产，还可拓展到各种广播电视系统设备的模块化工艺结构。从i-MOD智能平台上得到的RS-232/422/485、TCP/IP、C-BUS等标准的自适应接口控制，均在接口硬件中自动地快速实现，不需人工干预。以广电应用最多的RS-232接口为例，CAN接口控制的主程序流程如图5所示。

图5 CAN/RS-232接口主程序图

其实，国外主流的广播电视设备早已在应用CAN技术。如10年前NVision的智能矩阵就出现了应用CAN技术的控制接口。当用户不采用CAN接口时，器件呈现睡眠状态，并不耗电，而当启用时则通过总线激活，被系统控制所唤醒，从而达到低能耗的应用。决不像现在广电系统中大量闲置不用的接口，依然在吞噬着人类的绿色资源。然而，大连捷成公司每年供应国内大小几百部（件）中心矩阵，无一在广播电视信号处理系统中启用CAN平台或接口。

5.3 系统应用一：数字电视自动播出控制系统

广电的设备应用忽视了CAN，而系统应用更是如此。在各地广播电视中心自动播出控制系统中，占有70%以上市场份额的北京格非视频SuperVision系列自动播控系统，虽然早已完备了CAN平台，但市场还是热衷于传统的RS-232/422控制接口，结果在日益强大的现场机电干扰下，RS-232/422接口终于出现了可怕的 “伪动作”。联想通信卫星将RS-485总线改为现场总线控制，解决了失败控制的国际成功案例，充分验证了存活期超过30年的EIA/TIA接口标准，将走完其生命周期[6]。

5.4 系统应用二：现场实况转播系统

南非2010世界杯刚刚结束就传来消息：64场全部赛事的实况现场转播，只使用1对CAN总线驳接大小转播车43台，将全部赛场置于世界足联的“一人之下”，平息和证实了足球现场判裁“万人之上”的争议。如同露天矿的大型作业现场以及银行网点安防系统应用CAN一样，在大型电视实况转播现场建立分布式集群控制的智能化中枢上，充分展示了CAN的特殊作用和卓越贡献。