CAN总线的特点及变电站配电系统通信自动化设计探讨

刘景久

（国网江苏省电力有限公司检修分公司淮安运维站，江苏淮安，223001）

1 CAN总线的特点

在1980年之后，汽车工业已经不满足与传统总线，而此时，德国提出了新的数据——BOSCH，这一串行数据也被称之为CAN总线。通信协议CNA总线总线属于控制器区域总线。通信接口具备CNA协议物理层以及数据链路层功能，能保持通信数据成帧，其中包含了数据块编码、优先级识别等，主要具备以下特点。

（1）迄今为止，CNA在当下是国际标准中为数不多的现场总线。并且总线协议也已经通过了国际标准化的认真，技术上也在不断完善，趋近于成熟，控制芯片上也具备了成本效益，在色彩测控系统当中十分适用。

（2）CAN总线并不是用传统的编码地址，同时也不指定地址节点，而是CNA总线中的通信数据当中进行编码。如此网络节点数目可以不受限制，代表标识也是由11～29位的二进制数字构成，这种编码方式让消息标识符去指定消息的优先级以及消息内容，并且通过优先级较高的节点去发送优先级消息。不同的节点也能会收到相同数据，这对于分布式的控制系统也特别重要，短帧结构的使用也能确保实时通信，保证在较短的时间内将信息传输，减少收到潜在干扰或是较短的重传时间。

（3）CAN总线使用多主机竞争总线结构。通信介质可以是双绞线，同轴电缆或光纤，并且可以在多个主站和分布式仲裁下运行。 CAN总线上的任何节点都可以点对点，一对多和广播密集型的方式发送和接收数据，并且可以随时随地向网络上的其他节点主动发送信息，而无需考虑优先级。可以实现节点之间的自由通讯。 CAN的最大通信距离为10公里（设置速度为5Kbps），最大通信速度为1Mbit / s（设置通信距离为40米）。

（4）CAN使用无损总线仲裁技术，即载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）总线仲裁方法。如果多个节点同时发送数据，则优先级较低的节点将主动停止。在传输过程中，高优先级节点可以继续传输，从而节省了总线仲裁时间。避免由多个节点同时开始发送消息引起的总线争用，从而允许优先级更高的消息先发送。

（5）CAN总线协议采用了完整的错误检测和错误处理机制，包括CRC校验，自动错误消息重发，错误状态确定，自动临时错误恢复等，以确保数据通信的可靠性。如果发生严重错误，则该节点具有自动关闭总线并与总线断开连接的能力，因此不会影响总线上的其他操作。

（6）CAN总线能实现错误检测，利用2线串行通信模式，并在高噪声环境下正常运行。同时具备较强的实时性以及传输性成本低等众多优点。根据具体网络ID还能决定是否接收消息。如果发送的信息出现损坏还能自动重新发送。这种消息其中包含了源地址，仅标识符勇于只是功能以及优先级信息。CAN总线的特性以及其保障性和设计适用于工业过程监控设备通信。在业内CAN的关注度越来越高，越来越多的专业人员对CAN总线抱有希望。

2 CAN总线的优势

CAN（控制器局域网）是一种现场总线。在传统的工业控制领域，大多数通信使用RS232，RS485或RS-422总线。相反，RS232，RS485或RS-422总线的缺点是通信距离短，通信速度慢和抗干扰性能差。通信通常采用主从方式，通过主站查询方式进行通信，实时性较低，可靠性较高。如果系统出现故障，并且多个节点同时将数据发送到总线，则总线将短路，并且某些节点将被损坏。

基于CAN总线的分布式控制系统具有许多明显的优势。

（1）CAN电路结构简单，所需的电线数量少，与外部设备互连仅需两根电线，因此每个控制单元可以通过CAN总线共享所有信息和资源，从而简化了接线并减少了传感器并避免重复控制功能的影响。CAN具有完整的通信协议，可以通过CAN控制器芯片及其接口芯片来实现。这大大降低了系统开发的难度，缩短了开发周期。

（2）CAN的存在也支持分布和实时两种控制模式，并且能多主机模式下进行运行。每个节点均能碎石放松信息，也可点对点的进行数据接收，多点以及全局广播模式网络当中各个节点均可通过总线访问优先级使用无损技术，通过通信速度及其可靠性节约大量的总线仲裁时间。CAN由于使用通信数据进行编码，这也让CAN总线数据通信能轻松实现安全数据运输。

（3）CAN总线通过CAN控制器接口芯片的CANH和CANL输出端子连接到物理总线。CANH端子的状态为高或仅浮动，而CANL端子的状态为低或仅浮动。CAN总线信号状态有两种类型：隐藏位置和显式位置。如果发送隐性位和显性位之间存在冲突，则最终结果将是显性位。信号的二进制和“单稳态”特性允许所有节点轻松获得一致的数据，并确保在处理竞争时节点状态是同步的。此二进制值的性质有很大的保证。为了保证CAN总线的可靠性。另外，在发生严重错误的情况下，CAN节点将自动关闭输出，以免影响总线上其他节点的行为，从而导致总线由于该问题而“死锁”。

（4）CAN总线具有位填充，回读，错误抑制和自动错误重发的优点，同时具有通讯速度快，通讯距离长，易于实现，性价比高的优点。

3 CAN总线单元设计

3.1 CAN接口单元的总体设计

CAN总线接口单元实现了系统数据的发送和接收。接口单元包括电路微处理器，总线收发器，输入和输出设备，CAN通信控制器等。微处理器完成数据处理，而CAN通信控制器完成数据处理。通过CAN通信协议转换，CAN总线收发器可以延长通信距离，减少射频干扰（RFI），提高系统的即时抗干扰能力，并提供热保护。CAN总线接口单元的设计是根据CAN总线物理层协议选择总线介质，设计布线方法，然后连接到CAN网络。主要是在CAN总线收发器与物理总线之间以及在CAN通信控制器与微处理器之间的接口电路设计。

3.2 单片机系统

ATMEL公司的89C52 MCU价格便宜，技术成熟并且被广泛使用。该设计选择微处理器89C52作为节点控制器来初始化CAN控制器和CAN收发器控制任务（MCU复位信号和时钟）。改进的设计旨在减少由简单的复位电路（过去由电阻器和电容器形成）引起的长时间延迟和不准确性，并避免时钟信号争用。

3.3 SJA1000控制电路设计

考虑到SJA1000支持CAN2.0A/B协议，已选择了PHILIPS SJA1000 CAN控制器。SJA1000总线控制器是CAN总线接口控制板的核心设备，负责发送，接收，过滤和其他任务。提供主机与现场微处理器之间的数据通信。考虑到国内市场上有许多PHILIPS产品型号，购买可以支持110个CAN节点和82C250的82C250更为方便。

该接口电路的控制单元使用SJA1000。89C52的P0端口连接到SJA1000的AD0至AD7，而89C52的P2.7端口连接到CS引脚。如果CS引脚为低，则将89C52连接到SJA1000；将SJA1000的RD，WR和ALE分别连接到89C52的相应引脚上;将89C52的INT0连接到SJA1000的INT引脚，然后通过中断请求SJA1000连接微控制器。

4 CAN总线在配电自动化通信系统中的应用

配电自动化系统是一个综合的自动化系统，包括110/10kV变电站的10kV部分和10kV馈线，该系统扩展到每个用户的所有配电设备。配电自动化系统的主要功能是使用安全的传输通信网络。一种是安全地从控制中心向每个执行部门发送命令，另一种是安全地上载每个监视部分获得的信息。

光纤在通信中的应用极为安全，因为光纤和光电设备几乎没有问题，也不受电磁干扰。另外，光纤通信的带宽非常宽，数据传输速度也很高。由于误差低，配电自动化通信系统的主网络使用光纤作为数据传输介质。中心站点及其下方子站点之间使用单模光纤，而下方子站点与馈线的远程终端之间的连接则使用多模光纤。通常，使用双回路网络，因此整个网络通信不会因通信网络故障而瘫痪或受到影响。配电变压器终端的传输和电度表读取的数据由FTU完成，并且全部使用CAN总线通信。由于CAN总线是串行总线，因此可以在智能设备系统上特别显示其强大的功能。分配系统使用CAN总线来简化自动通信系统。

根据对网络的详细分析，CAN总线可以有效地处理物理层和数据链路层的任务。如果希望CAN总线节点完全实时处理通信任务，则专注于其软件设计。即使在当前的设计中，这也是一个大问题。主要内容是节点初始化程序，消息发送程序，消息接收程序，错误处理程序等。应用寄存器时，必须在每个节点的比特率相同且接收方和发送方相同的条件下使用必须同步。有两种接收信息的方式：中断接收和查询接收。建议使用接收中断来确保实时通信，这也可以确保数据安全。

5 CAN总线的发展前景

CAN最初用于监视和控制汽车行业。是一种低成本的通信总线，用于解决汽车中复杂的硬件信号布线。现在，已成为汽车中的常见用法，并被认为是网络总线。CAN总线共享信息及资源，并且总线数据通信也让系统的可靠性大大提高，其实用性能也大大改善，使其整个匹配系统更为协调。在当代随着汽车电子技术的不断发展，CAN的抗干扰能力，处理错误能力以及高度的灵活性引起了越来越多关注。诸多世界知名企业制造商也在采用CAN总线实现汽车内部系统控制以及执行引擎之间的数据。在近些年来，CAN总线已经逐渐成为了主流总线，也成为了国际现场标准总线。ISO正式颁布了ISO11898CAN高速应用标准和ISO11519CAN低速应用标准。这为CAN总线的标准化铺平了道路。

由于其高性能，可靠性和独特的设计，CAN总线在最新的色散测量和控制技术中正变得越来越普及。同时，由于CAN总线本身的特性，其范围不再局限于汽车行业，而是在铁路运输，自动控制，航空航天，导航，机械工业，机器人技术和医疗领域中发挥着重要作用设备。CAN总线的发展非常大，不仅在汽车领域的应用中具有一定的优势，而且还定位于其他工业领域。这是由于通信技术的不断进步，通信要求的不断提高以及对成本性能的日益关注。在这种情况下，CAN总线的优势在于其出色的抗干扰能力。尽管CAN总线有一定的局限性和漏洞，但CAN总线的改进仍在继续。我们相信，不断的更新和改进将大大改善CAN总线的未来发展。