一,、船舶CAN-BUS工控網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)裝置概述

CAN是Controller Area Network的縮寫（以下稱為CAN）,，是ISO*1國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。 在當(dāng)前的汽車產(chǎn)業(yè)中,，出于對(duì)安全性,、舒適性、方便性,、低公害,、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來,。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對(duì)可靠性的要求不盡相同,，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加,。為適應(yīng)“減少線束的數(shù)量”,、“通過多個(gè)LAN，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要,，1986年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN通信協(xié)議,。此后，CAN通過ISO11898及ISO11519進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化,，現(xiàn)在在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,。

現(xiàn)在，CAN的高性能和可靠性已被認(rèn)同,，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、船舶,、醫(yī)療設(shè)備,、工業(yè)設(shè)備等方面。

CAN控制器根據(jù)兩根線上的電位差來判斷總線電平?？偩€電平分為顯性電平和隱性電平,，二者必居其一。發(fā)送方通過使總線電平發(fā)生變化,，將消息發(fā)送給接收方,。

CAN的特點(diǎn)：

CAN協(xié)議具有以下特點(diǎn)。 

(1)多主控制

在總線空閑時(shí),，所有的單元都可開始發(fā)送消息（多主控制）,。

最先訪問總線的單元可獲得發(fā)送權(quán)（CSMA/CA方式*1）。

多個(gè)單元同時(shí)開始發(fā)送時(shí),，發(fā)送高優(yōu)先級(jí)ID消息的單元可獲得發(fā)送權(quán),。

(2) 消息的發(fā)送

在CAN協(xié)議中，所有的消息都以固定的格式發(fā)送,?？偩€空閑時(shí)，所有與總線相連的單元都可以開始發(fā)送新消息,。兩個(gè)以上的單元同時(shí)開始發(fā)送消息時(shí),，根據(jù)標(biāo)識(shí)符（Identifier 以下稱為  ID）決定優(yōu)先級(jí)。ID并不是表示發(fā)送的目的地址,，而是表示訪問總線的消息的優(yōu)先級(jí),。兩個(gè)以上的單元同時(shí)開始發(fā)送消息時(shí)，對(duì)各消息ID的每個(gè)位進(jìn)行逐個(gè)仲裁比較,。仲裁獲勝（被判定為優(yōu)先級(jí)最高）的單元可繼續(xù)發(fā)送消息,，仲裁失利的單元?jiǎng)t立刻停止發(fā)送而進(jìn)行接收工作。

(3) 系統(tǒng)的柔軟性

與總線相連的單元沒有類似于“地址”的信息,。因此在總線上增加單元時(shí),，連接在總線上的其它單元的軟硬件及應(yīng)用層都不需要改變。

(4) 通信速度

根據(jù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模,，可設(shè)定適合的通信速度,。 在同一網(wǎng)絡(luò)中，所有單元必須設(shè)定成統(tǒng)一的通信速度,。即使有一個(gè)單元的通信速度與其它的不一樣,，此單元也會(huì)輸出錯(cuò)誤信號(hào)，妨礙整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信,。不同網(wǎng)絡(luò)間則可以有不同的通信速度,。

(5) 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求

可通過發(fā)送“遙控幀” 請(qǐng)求其他單元發(fā)送數(shù)據(jù)。

(6) 錯(cuò)誤檢測(cè)功能

錯(cuò)誤通知功能·錯(cuò)誤恢復(fù)功能 所有的單元都可以檢測(cè)錯(cuò)誤（錯(cuò)誤檢測(cè)功能）,。 檢測(cè)出錯(cuò)誤的單元會(huì)立即同時(shí)通知其他所有單元（錯(cuò)誤通知功能）,。 正在發(fā)送消息的單元一旦檢測(cè)出錯(cuò)誤,，會(huì)強(qiáng)制結(jié)束當(dāng)前的發(fā)送。強(qiáng)制結(jié)束發(fā)送的單元會(huì)不斷反復(fù)地重新發(fā)送此消息直到成功發(fā)送為止（錯(cuò)誤恢復(fù)功能）,。

(7) 故障封閉

CAN可以判斷出錯(cuò)誤的類型是總線上暫時(shí)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤（如外部噪聲等）還是持續(xù)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤（如單元內(nèi)部故障,、驅(qū)動(dòng)器故障、斷線等）,。由此功能,，當(dāng)總線上發(fā)生持續(xù)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)，可將引起此故障的單元從總線上隔離出去,。

(8) 連接

CAN總線是可同時(shí)連接多個(gè)單元的總線,。可連接的單元總數(shù)理論上是沒有限制的,。但實(shí)際上可連接的單元數(shù)受總線上的時(shí)間延遲及電氣負(fù)載的限制,。降低通信速度，可連接的單元數(shù)增加,；提高通信速度,，則可連接的單元數(shù)減少。

PCB說明：

1,、概述

電路板（除通信電路板之外）采用核心板+地板的設(shè)計(jì)思路,，核心板設(shè)計(jì)相同，只需要根據(jù)不同的底板焊接不同的功能模塊,。底板的電源部分及通信接口部分設(shè)計(jì)是相同的,，其他部分電路實(shí)現(xiàn)具體的功能。

電路板分為：核心板,、DO（數(shù)字量輸出）底板,、DIN（數(shù)字量輸入）底板、RO（繼電器輸出）底板,、AIN（模擬量輸入）底板,、AO（模擬量輸出）底板和通信板組成。

2,、核心板

圖74：核心板概況

核心板資源介紹：

圖75：核心板資源

1）CPU及最小單元,。

2）4位八段數(shù)碼管2個(gè),，用來指示當(dāng)前板子名稱：如 CanbusdO,，CanbusrO,，CanbusdI, CanbusAO，CanbusAI分別代表數(shù)字量輸出,、繼電器輸出,、數(shù)字量輸入、模擬量輸出,、模擬量輸入電路板,。

3）調(diào)試及復(fù)位接口,。

4）底板接口。

5）底板接口,。

6）底板接口。

7）底板接口,。

8）DA單元,。

9）AD單元。

10）AD單元,。

11）模擬量電源單元,。

12）USB轉(zhuǎn)TTL接口單元。

13）CAN接口單元,。

14）RS485接口單元,。

15、RS232接口單元,。

16）狀態(tài)指示燈：針對(duì)輸出（DO/RO/AO）類型的電路板,，如果該區(qū)域指示燈有紅色顯示，代表軟件控制輸出功能,，如果顯示藍(lán)色,，代表硬件（其他輸入電路板）控制器輸出通道。

17）功能選擇開關(guān),。（固定設(shè)置,，絕對(duì)不能更改。）

18）掉電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片,。

19）數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)單元,。

20）DA單元。

21）運(yùn)行指示,。（電路板運(yùn)行指示燈,，以1hz的頻率閃爍。）

3,、底板共性資源介紹：

圖76：電路板共性資源

1）電源輸入接口,，控制電路和數(shù)字量驅(qū)動(dòng)電路建議分別單獨(dú)供電，也可以共用一路電源,。針對(duì)DI/DO/RO三塊電路板,，因?yàn)槎忌婕暗酵獠繑?shù)字量的驅(qū)動(dòng)，全部采用光電隔離的形式,，因此需要兩路電源同時(shí)供給,，對(duì)于AI/AO可以只提供控制電路24V。從上往下接口定義：控制電源24V+,控制電源24V-,IO電源24V+,IO電源24V-,。

下面兩個(gè)船型開關(guān)是電源開關(guān),，控制電源和IO電源分別控制,，上面控制的是控制電源24V,下面控制IO電源24V。

2）控制電源處理單元,。

3）內(nèi)部輸入/輸出,，外部輸入/輸出切換開關(guān)，有的電路板模塊可以同時(shí)對(duì)內(nèi)對(duì)外輸出,，比如RO/DO模塊,，這樣的模塊不需要切換開關(guān)，其他的都需要該開關(guān)來切換內(nèi)外信號(hào)源及目標(biāo),。在該開關(guān)附近都有IN<--->OUT字樣的絲印,，撥碼開關(guān)朝向IN所指示的方向，代表使用內(nèi)部的信號(hào)源或輸出給電路內(nèi)部,，朝向OUT所示的方向,，對(duì)標(biāo)使用外部的信號(hào)源或者輸出給外部電路。

4）外部接線端子,。

5）CANBUS接口,。

6）RS485接口。

7）RS232接口,。

8）控制位置選擇開關(guān),，對(duì)于輸出性質(zhì)的電路板，可以選擇軟件控制或者硬件控制,。在該開關(guān)附近有BD Ctrl和SF Ctrl的絲印,，開關(guān)撥到BD Ctrl方向代表受硬件控制，對(duì)應(yīng)核心板的狀態(tài)指示燈顯示藍(lán)色,；撥到SF Ctrl方向代表受軟件控制,，對(duì)應(yīng)核心板的狀態(tài)指示燈顯示紅色。

9）核心板接入?yún)^(qū)域,。

以上9個(gè)功能區(qū)域?qū)?yīng)的功能每塊電路板都一樣,，不再贅述。

4,、數(shù)字量輸入電路板

圖77：DIN電路板

1）光電隔離單元,。

2）光電隔離單元。

3）電壓轉(zhuǎn)化單元,。5V轉(zhuǎn)為3.3V輸入到CPU對(duì)應(yīng)的GPIO通道,。

4）輸入船型開關(guān)。

在硬件控制模式下,，改電路板的1-10通道控制DO通道的1-10,；11-20通道控制RO通道的1-10。

5,、數(shù)字量輸出電路板

圖78：DIN電路板

1）P-MOS管單元,。

2）光電隔離單元,。

3）指示單元，雙色LED指示,，輸出通道激活顯示綠色,，輸出通道不激活顯示紅色。

4）CPU電源轉(zhuǎn)化單元,。

5）PTC,，1A自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。

(輸出極性請(qǐng)參考電路板絲印,，以圖78視角來看為左正右負(fù))

在硬件控制模式下，改電路板受電路板第1-10路輸入信號(hào)控制,。

6,、繼電器輸出電路板

圖79：RO電路板

1）P-MOS單元。

2）光電隔離單元,。

3）繼電器單元,。

4）指示單元。繼電器激活時(shí)顯示綠色,，繼電器沒激活顯示紅色,。

5）CPU電壓轉(zhuǎn)換單元。

（輸出接線端子排布見電路板絲印,，按照?qǐng)D79視角所示,，下面一排從左向右分別是 NC/COM/NO.）

在硬件控制模式下，改電路板受DI電路板第11-20路輸入信號(hào)控制,。

7,、模擬量輸入電路板

圖80：AI電路板

1）電壓表指示單元，指示0-25.00范圍,，內(nèi)應(yīng)的輸入電壓為0-2.5V,，對(duì)應(yīng)的外部輸入電流為0-25mA。

2）電位計(jì)單元,。

3）數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)單元,。

（端子接線定義具體根據(jù)電路板絲印來確定，按照?qǐng)D中視角,，下方從左到右依次是：電流輸入+/電流輸入-/24V電源+/24V電源-,，該24V電源是電路板對(duì)外提供的，用來給外部傳感器供電的,，可以分別接入2/3/4線制的4-20mA電流輸出傳感器）

在硬件控制模式下,，該輸入信號(hào)控制模擬量輸出對(duì)應(yīng)的通道輸出。

8,、模擬量輸出電路板

1）輸出電流顯示,，對(duì)應(yīng)顯示00.00-25.00,，對(duì)應(yīng)輸出0-25mA電流。

2）數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路,。

（端子接線定義具體根據(jù)電路板絲印來確定,，按照?qǐng)D中視角，下方從左到右依次是：電流輸出+/電流輸出-/24V電源+/24V電源-,，  該24V電源是電路板對(duì)外提供的,，用來給外部執(zhí)行部件供電，可以分別驅(qū)動(dòng)2/3/4線制的4-20mA電流輸入執(zhí)行器）

在硬件控制模式下,，該輸出信號(hào)受AI電路板對(duì)應(yīng)通道控制,。

9、通信電路板

1）CPU及最小系統(tǒng)單元,。

2）Can接口芯片單元,。

3）RS485接口芯片單元。

4）USB供電處理單元,。

5）指示單元,。

6）掉電數(shù)據(jù)保存單元。

7）RS232單元,。

8）調(diào)試單元,。

9）USB接口芯片單元。

10）功能選擇開關(guān),。

11）電源保護(hù)單元,。

12）USB接口。

13）Can總線接口,。

14）RS232接口,。

15）RS485接口。

10,、船舶CAN-BUS工控網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)裝置總結(jié)

該系統(tǒng)主要針對(duì)Canbus通信原理及通信應(yīng)用進(jìn)行演示,，系統(tǒng)所有控制數(shù)據(jù)及反饋數(shù)據(jù)全部經(jīng)過Canbus總線進(jìn)行交叉?zhèn)鬏敗Ｃ恳粔K電路板存儲(chǔ)著在網(wǎng)所有數(shù)據(jù),，對(duì)兩兩之間的Can總線通信狀態(tài)都有實(shí)時(shí)的記錄,，并且該記錄也通過Canbus傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上，數(shù)據(jù)在DI/DO/RO/AO/AI之間實(shí)時(shí)的周期性的交換（交換周期大約0.7s）,，通信電路板的作用是將Canbus網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)通過USB-TTL路由到PC上,，給PC軟件提供數(shù)據(jù)源，同時(shí)通過USB-TTL 接受PC軟件的指令,，并同步到Canbus網(wǎng)絡(luò)上,，實(shí)現(xiàn)軟件的控制，因此通信電路板不僅僅默默地監(jiān)視著Canbus網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)，同時(shí)還要下發(fā)命令,，與其他所有電路板產(chǎn)生交互,，其在網(wǎng)狀態(tài)也要受到監(jiān)控，于是這6塊電路板形成了兩兩交叉的Can數(shù)據(jù)交互模型,。在軟件中可以監(jiān)視每?jī)蓧K電路板之間的Canbus聯(lián)通情況,。