基于CAN总线的增强型监控系统

周然，王莉娜，高小安

（北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京 100191）

1 引言

在电影洗印工业中，洗片工艺参数和大型高速设备运行状态的有效监控是提高胶片洗印质量和生产安全管理的关键［1］，此外，车间潮湿、设备线路繁多等现场复杂环境，导致电磁干扰严重等问题。目前我国电影洗片监控系统主要采用人工、RS232等通信方式，由于其存在通信速率低、实时性差、抗干扰能力较弱等缺陷，无法满足有效监控洗片生产过程和兼容复杂电磁环境的要求。控制器局域网（controller area network，CAN）是一种有效支持分布式实时控制的多主串行总线，以其通信速率高、实时性好、抗干扰能力强等优点被广泛应用，但应用在恶劣电磁环境下的传统的CAN总线大型工业监控系统，仍存在通信效率较低、数据误码率偏高等不足，因此，本文以6台高速电影洗片机的监控为例提出了一种基于CAN总线的增强型电影洗片监控系统设计方案，实现了洗片工艺参数和功率设备状态的实时有效监控，且有效提高了系统通信效率和容错性。

2 系统总体设计

为了满足电影洗印工业自动化对监控系统实时、可靠通信的要求，本系统采用集散控制思想进行构架，确定为上下位机的监控形式，利用CAN总线网络，将分散的洗片控制单元与监控主机连接起来，形成统一的整体，实现上位机集中管理和下位机分散控制，从而达到一台PC机监控6台洗片机的目的，系统总体设计如图1所示。

图1 系统总体结构图Fig.1 The overall structure of the system

下位机以DSP TMS320F2812型处理器为控制核心，利用其高速数字信号处理能力，分析处理传感器采集数据，并通过CAN总线将信息实时准确地发送给上位机；中控室设计基于Lab－VIEW的上位机监控平台，利用计算机强大的图形用户界面，结合企业级数据库和工业以太网，实现工作状态显示、参数设定、数据备份和故障处理等功能，从而为电影洗片自动化生产奠定基础。

本系统在传统CAN总线监控系统基础上，通过搭建TMS320F2812内嵌eCAN模块接口电路、制定符合实际要求的CAN通信协议，大幅提高CAN总线通信速率和运行效率，此外，运用数据校验和原理，设计基于LabVIEW的数据安全校验软件，实现对传输数据的安全加密与解码，能够有效解决通信干扰问题。基于CAN总线的增强型电影洗片监控系统具有通信速率高、传输距离远、数据误码率低等特性，可以适应现场恶劣的电磁干扰环境。

3 内嵌eCAN模块接口电路

由于DSP TMS320F2812芯片本身集成了一个完整的增强型CAN控制器即eCAN，因此，系统不必外加CAN控制器就可实现CAN总线的底层协议，且硬件简单、可靠实用。

较常采用的eCAN控制器通信接口电路，一般由光电隔离器6N137和CAN收发器PCA82C系列组成，此方式技术成熟、抗干扰能力强，但存在体积偏大、电路复杂和成本较高等缺陷。

本系统采用CAN总线数据收发器CTM8251［2］，以 CTM8251作为eCAN 控制器和CAN总线的接口，提供对总线差分信号的发送和接收功能，eCAN接口电路硬件电路如图2所示。

图2 eCAN接口电路硬件电路图Fig.2 The hardware structure of eCAN unit interface

CTM8251的RXD和TXD引脚兼容3.3V和5V的通用CAN控制器，TMS320F2812芯片引脚为3.3V标准，故两者接口兼容，不需要进行电源转换。在CAN总线两端并联2个阻值为120Ω的终端电阻R4和R5，目的是消除通信介质中的信号反射；控制器CANG引脚与屏蔽电缆线的屏蔽层FGND共地相连，提高CAN通信的抗干扰能力。

由于CAN收发器CTM8251完全符合ISO 11898标准，集电源隔离、电气隔离、CAN收发器和总线保护于一体，不但可以增大通信距离、提高CAN通信速率、增强系统的抗干扰能力和保护总线，还具有接口简单、使用方便等优点，是嵌入式系统的理想选择。

4 CAN通信协议制定

CAN通信协议采用国际ISO 898标准，它只规定了ISO－OSI共7层模型的物理层和数据链路层的技术规范，但没有规定应用层协议。本系统以电影洗片监控为应用对象，通过设计CAN应用层通信协议，从本质上提高了CAN总线通信效率。

4.1 标识符定义和报文优先级设定

系统采用CAN2.0B标准报文格式，并只进行数据帧传输。在CAN2.0B标准中，标准帧的标识符长11位，且只定义了帧的结构，没有定义有关发送和接收的信息，因此可以通过自行定制识别码的含义，将所需要的信息包含于其中。标识符具体定义见表1。

表1 标识符定义Tab.1 Identifier definition

在表1中，数据帧传送方式有单帧和多帧传送，ID26为0时表示单帧传送，为1时表示多帧传送，本系统选用单帧传输方式即可满足数据传输要求，多帧传送方式作为备用，作为系统功能扩展，用于大规模数据传输；目标地址为CAN数据传送目标的节点地址，每一个CAN节点都只有唯一的目标地址，是实现数据收发的唯一凭证。

同时，系统利用CAN的媒体访问控制（media access control，MAC）机制，进行系统优先级设定，实现不同类型数据按照不同优先级进行逐位仲裁［3］，优先级设定具体见表2。

表2 优先级设定Tab.2 Priority setting

一般情况下，CAN总线数据收发按照时间触发［4］，不涉及到优先级评定，只有当两数据帧传输发生冲突时，CAN总线才按照优先级进行仲裁。优先级高的优先发送，而优先级低的则退出发送竞争，等待CAN总线空闲。由于洗片监控系统收发周期短，传输数据量较大，传输冲突经常发生，优先级的设定很好地解决了数据发送冲突的问题，满足了洗片流量控制指令和功率设备故障信号需要优先发送的原则，提高了CAN总线实时性和通信效率。

4.2 数据格式定义

为了严格保证数据传输的准确性，系统利用数据校验和原理，自定义传输数据的报文格式，并根据报文格式对数据进行封装和解码，实现对传输数据的安全校验，数据格式定义见表3。

表3 数据格式定义Tab.3 Data format definition

Data7位为数据起始码，表示数据开始；Data6位为洗片机型号，数据大小表示洗片机型号；Data5－Data1位为洗片数据，共5个字节；Data0为CS（checksum，校验和）校验码，即数据校验和验证码，对数据帧中的Data7－Data1进行校验和计算即可得到校验码CS。

5 基于LabVIEW的安全校验软件

虽然CAN通信采用CRC校验的剩余误差率总计不超过3×10－5，但考虑现场电磁环境复杂、通信距离较远和存在人工误操作等情况，容易导致收发数据不一致的问题，因此，系统以Lab－VIEW监控软件为平台，采用数据校验和方法［5］，增加数据安全校验功能，确保发送数据准确无误传送到接收端，保证通信数据的绝对安全可靠。

数据校验和计算步骤如下：将数据块的所有字节相加，丢去进位，取反后加1，得到的8字节结果，即为校验和。

5.1 发送端程序设计

首先，配置发送模式。由于上位机采用USB方式与CAN总线进行通信，因此，系统通过LabVIEW中VISA模块，设置USB传输方式为批量数据发送，数据发送个数为8字节，完成发送模式配置。

按照制定的CAN通信协议，封装发送端数据格式，使之完全符合该协议。由于上位机监控中心给洗片控制设备发送控制指令，故数据格式包括控制指令、校验码等8个字节信息。利用LabVIEW的For循环函数构造数据校验和计算公式，计算控制指令前7个字节校验和，得到校验码，完成发送数据封装，启动“发送”按键，便可实现数据发送，具体发送流程如图3a所示。

图3 数据安全校验流程图Fig.3 Flow diagram of data secure calibration

上位机完成数据发送，只表示数据安全加密工作结束，为了使上位机数据准确无误地传送到下位机，还需要DSP CAN模块对接收数据进行校验，校验方法是利用校验和公式计算接收数据前7个字符的校验和，与接收数据的校验码（最后一个字节）进行比较，若相等，表示接收的控制指令有效，否则表示无效，应重新启动接收。

5.2 接收端程序设计

接收程序设计与发送程序设计原理相同，实现方法类似。

配置接收模式，使接收端以批量方式进行数据接收，且接收个数为8个字节。读取串口数据缓冲区，每8字节数据读取一次，并将读取结果显示在前面板上，利用For循环计算前7个字节的校验和，将其与数据自带的校验码相比较，若相等，表示数据有效，保存数据；否则表示无效，返回接收步骤，重新接收，具体接收流程如图3b所示。

6 系统运行结果及分析

本系统已通过北京某洗片厂的试运行，根据现场运行结果，可判断系统运行稳定、安全、可靠，较好地满足了电影洗片监控系统的各项要求。

图4所示为洗片机监控系统上位机监控界面，通过此界面，工作人员可以实时查看片型、温度和流量等洗印工艺参数以及主电源电压、热交换器电流等功率设备运行状况，同时根据现场工况，对管路流量进行精确控制，实现对洗印过程实时远程控制。由图4可知，仅有2，3和5号洗片机处于正常工作状态，其他洗片机未启动，工作状态下的洗片机具体参数见图4。

图4 上位机监控界面Fig.4 The monitoring interface of the upper computer

此外，以6台电影洗片机为测试对象，对增强型洗片监控系统通信性能进行了实验测试，具体测试条件为：测试时间为2h，通信距离为220m左右，CAN总线波特率为125kb／s，测试数据结果如图5所示。

由图5可知，在测试的2h内，系统共收发2268540组数据，通过计算可知监控系统平均通信速率为118kb／s，而一般的RS232串口最高通信速率仅为20kb／s，说明本系统是一个高通信速率监控系统；误码率为0，表明2268540组数据均已准确无误传送，说明本系统数据通信具有极强的安全性。同时测试过程还发现本系统通信速率有一定极限，一般不超过220kb／s，经过分析后得知系统通信速率还受到通信距离、CAN收发周期等因素的限制，故而无法进一步提高。

从测试结果可以看出本系统较之传统CAN总线监控系统，通信效率、容错性和抗干扰性能等均得到了大幅的提升，系统整体通信性能得到了较大增强，从而实现了对洗片过程中各个环节和节点的实时高效监控，较好地适应了现场复杂电磁环境。

图5 测试数据记录Fig.5 Data recording of testing

7 结论

本文设计并实现了一种基于CAN总线的增强型电影洗片监控系统，该系统在传统CAN总线监控系统基础上，提高了CAN总线通信速率和运行效率，增加了通信数据安全校验功能，有效解决了通信干扰问题，适应了现场复杂电磁环境。该系统已成功通过电影洗片生产测试，从现场运行结果可知本系统具有通信速率高、实时性好、抗干扰性强和操作简单等优点，对于实现工业现场的实时监控和安全管理具有重要意义。

［1］裴晓宇，王莉娜，张震，等.基于DSP的电影洗片自动控制系统［J］.电气传动，2010，40（8）：57－60.

［2］王强，张建喜.RS232通信网络与CAN总线通信网络互联设计［J］.电子技术应用，2010，36（9）：158－160.

［3］邱绪云，吴光强，范睿.自动变速器CAN总线通信技术的实现［J］.电气传动，2007，37（2）：47－49.

［4］董珂，李克强.CAN总线技术及其在混合动力电动车上的应用［J］.清华大学学报，2003，43（8）：32－36.

［5］陈金平，王生泽，吴文英.基于LabVIEW的串口通信数据校验和的实现方法［J］.自动化仪表，2008，29（3）：32－34.