一,、CAN總線簡介
1、概述
CAN（Controller Area Network）zui初是由德國Bosch公司在80年代初期,，為了解決汽車中眾多的控制與測量設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線,，屬于現(xiàn)場總線的范疇，1993年成為標準（ISO11898：道路車輛的高速控制器局域網(wǎng)數(shù)字交換系統(tǒng)標準）,。CAN總線是一種有效支持分布式控制系統(tǒng)或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò),，是一個多主總線，總線上的各節(jié)點都有權(quán)隨時向其他節(jié)點發(fā)送信息,，總線沖突時通過總線仲裁方式?jīng)Q定占用總線的節(jié)點,。CAN的通信介質(zhì)可以是雙絞線，同軸電纜或光纖,。它可以通過簡單的協(xié)議,，實現(xiàn)在電磁干擾環(huán)境下遠距離實時數(shù)據(jù)的可靠傳輸。
2,、主要特點
CAN總線的主要特點概括如下：
1,、 CAN總線上任一個節(jié)點均可在任一時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，而不分主從,，通信靈活,；
2、 CAN總線采用非破壞性的總線仲裁,，當多節(jié)點同時向總線發(fā)送報文（message）時,，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送（仲裁丟失），而優(yōu)先級高的節(jié)點可以不受影響地繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù),；
3,、 CAN總線具有點對點，一點對多點,，以及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能,；
4、 CAN總線通信距離zui遠可達10km,，通信zui高速可達1Mbit/s,；
5,、 CAN將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)打包成報文發(fā)送，每一個報文的有效字節(jié)數(shù)為8個,。這種小報文方式有傳輸時間短,，實時性高，減少因受干擾而重發(fā)報文的機率等優(yōu)點,；
6,、 CAN采用位校驗、填充位校驗,、循環(huán)冗余碼校驗（CRC）和數(shù)據(jù)幀格式校驗,，數(shù)據(jù)出錯概率在10-15以下；
7,、 CAN節(jié)點出錯次數(shù)大于一定數(shù)量時,，可自動退出總線操作，使錯誤節(jié)點對總線的干擾降到zui低,；
3,、傳輸距離與傳輸速率的對應(yīng)關(guān)系
CAN系統(tǒng)內(nèi)任意兩個節(jié)點間的傳輸距離與該距離下zui大位速率的對應(yīng)關(guān)系見下表：
CAN總線的諸多優(yōu)勢，促使其在各個領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用,，成為*的zui有前途的現(xiàn)場總線之一,。
二、CAN工作機制
1,、CAN的報文（message）類型
CAN系統(tǒng)中,，節(jié)點以報文方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。CAN的報文有4種類型,，即數(shù)據(jù)幀,、遠程幀、出錯幀,、過載幀,，每種幀均有其相應(yīng)的幀格式。其中與應(yīng)用層關(guān)系zui密切的是數(shù)據(jù)幀和遠程幀,。
2,、CAN節(jié)點的狀態(tài)
CAN總線上的每個節(jié)點總處于“錯誤主動（Error Active）”，“錯誤被動（Error Passive）”和“總線脫離（Bus Off）”三種狀態(tài)之一,。
處于錯誤主動狀態(tài)的節(jié)點,，當發(fā)現(xiàn)總線上有錯誤傳輸時，將向總線上發(fā)“主動出錯幀”,；處于錯誤被動狀態(tài)的節(jié)點，當發(fā)現(xiàn)總線上有錯誤傳輸時,，將向總線上發(fā)“被動出錯幀”,。當節(jié)點進入總線脫離狀態(tài)時,，將*退出總線操作。
3,、CAN節(jié)點的總線仲裁與監(jiān)聽機制
CAN控制器發(fā)送數(shù)據(jù)時,，按字節(jié)的高位到低位的順序進行串行發(fā)送，在發(fā)送的同時進行接收,，同時將收到的數(shù)據(jù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)逐位進行比較,。在總線仲裁階段，若發(fā)送的位是“1”,，而接收到的是“0”,，則該節(jié)點停止發(fā)送，退出總線,，這就是仲裁丟失,，因而，標識符二進制數(shù)值低的報文具有更高的優(yōu)先權(quán),。仲裁丟失的節(jié)點等到總線空閑時,，再重新進行報文發(fā)送。在總線仲裁階段之后,，發(fā)送節(jié)點仍將發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)逐位進行比較,，這叫做“位校驗”。若接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)不一致,，則出現(xiàn)“位出錯”,，節(jié)點發(fā)出錯幀。
除發(fā)送節(jié)點和總線脫離節(jié)點外,，其他節(jié)點均為接收節(jié)點,。接收節(jié)點不停地接收總線上的傳輸報文，由此不停地監(jiān)測總線傳輸?shù)腻e誤狀態(tài),。
4,、CAN節(jié)點的報文接收篩選機制
CAN控制器監(jiān)聽接收總線上的所有報文，只有通過CAN控制器的報文篩選器篩選的報文才能進入CAN的報文接收緩沖區(qū),，為該節(jié)點所接收并傳送給應(yīng)用程序,。
報文接收篩選器由接收碼寄存器和接收屏蔽寄存器組成。接收碼寄存器規(guī)定了擬接收報文中參與篩選比較的各位（主要是標識符）必須匹配的值,，而接收屏蔽寄存器卻將接收碼寄存器中的某些位屏蔽為“無關(guān)位”,，對應(yīng)“無關(guān)位”的報文的位不參加篩選比較。
三,、普通的單采集機方式
目前,，在石油鉆錄井行業(yè)應(yīng)用CAN總線進行數(shù)據(jù)采集的各類儀器中大多采用單采集機方式進行工作，即只有一臺計算機負責(zé)CAN總線的數(shù)據(jù)采集工作,，其它計算機負責(zé)數(shù)據(jù)的處理及存儲工作,。有時為了防止數(shù)據(jù)丟失,，可能采用雙數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存儲，達到備份數(shù)據(jù)的目的,，但都要求采集機必須正常工作,，一旦采集機中的CAN卡出現(xiàn)故障或采集機系統(tǒng)崩潰均會導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。
四,、雙機熱備份功能的提出
為了防止和避免單采集機工作方式帶來的不利影響,，保證在一臺采集機崩潰的情況下仍能使整個系統(tǒng)正常工作，本文提出了基于CAN總線的雙機熱備份功能的實現(xiàn)方法,，即采用雙采集機的工作方式,，兩臺采集機都通過CAN總線三通連接到CAN總線上，共用同一組傳感器和節(jié)點,，同時采集,。
五、雙機熱備份功能的實現(xiàn)
根據(jù)CAN總線本身的特點,，為了避免沖突,，實現(xiàn)真正的雙機采集，我們把兩臺采集機分成了主采集機和輔采集機,，在主輔采集機同時接收CAN節(jié)點定時發(fā)送過來的數(shù)據(jù)幀的情況下,，只有主采集機能夠向總線上發(fā)送各種命令（包括進行搜索和設(shè)置CAN節(jié)點的命令），而輔采集機只能處于偵聽狀態(tài),。當主采集機死機或CAN卡工作不正常的時候,，輔采集機就會自動切換成主采集機，擔當起對CAN節(jié)點的各項管理工作,。當原主采集機恢復(fù)正常工作時,，當前的主采集機就又會自動切換回輔采集機狀態(tài)，關(guān)閉各項設(shè)置功能,，這就要求主輔采集機通過CAN總線進行必要的通訊,。
1、硬件框圖
2,、主輔采集機通訊
為了實現(xiàn)主輔采集機的正確通訊和及時準確切換,，要求雙方通過CAN總線傳輸信號。我們采用了只主采集機發(fā)送通訊信號,，輔采集機只接收通訊信號的方式,，在主輔采集機都進行數(shù)據(jù)采集的同時，只要輔采集機能不間斷地接收到主采集機發(fā)來的通訊信號,，就認為主采集機還存在并運行正常,，一旦一段時間（10～30秒）收不到通訊信號，就認為主采集機已經(jīng)出現(xiàn)問題，將直接切換成主采集機（在軟件界面上有“主”,、“輔”采集機標識）,。
受CAN適配卡總線驅(qū)動能力的限制,，在CAN總線上一般允許掛接64個節(jié)點,，占用0～63號邏輯地址，為了使主輔采集機之間的通訊信號（即一個數(shù)據(jù)幀）不與任何節(jié)點（0～63號）沖突,，我們采用邏輯地址之上的更高一位進行接收屏蔽,，具體設(shè)置方法如下：
單機采集時CAN卡初始化設(shè)置：
雙機采集時輔采集機CAN卡初始化設(shè)置：
主采集機發(fā)送的主輔采集機通訊信號（數(shù)據(jù)幀）格式：
byte_len=SIX
id1=0x60 //01100 + 0
id2=0x00
data[0]=0x00
data[1]=0x00
data[2]=0x00
data[3]=0x00
data[4]=0x00
data[5]=0x00
該數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)字段可任意值，這里默認為0,。
需要注意的是,，在輔采集機進行數(shù)據(jù)采集接收的過程中應(yīng)將該通訊信號與“0”號地址節(jié)點（一般為絞車計數(shù)）區(qū)分開來，如果將該通訊信號也接收進數(shù)據(jù)緩沖區(qū),，會使“0”號節(jié)點對應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)為0,。為了使該通訊信號有zui高的優(yōu)先權(quán)，將它的邏輯地址設(shè)成了“0”號,，但它與“0”號節(jié)點是有區(qū)別的,，區(qū)別在于6位邏輯地址的前一位上。因此在接收到該信號后應(yīng)進行特殊處理,。
3,、軟件流程圖
六、基于CAN總線的雙機熱備份功能的優(yōu)點和特點
1,、 實現(xiàn)了CAN卡與CAN卡之間的雙向通訊,；
2、 與通過網(wǎng)絡(luò)等其它介質(zhì)通訊相比,，通過CAN總線直接通訊更快捷和準確,，避免了因其它通訊介質(zhì)或通訊設(shè)備故障而產(chǎn)生的誤報現(xiàn)象；
3,、 其中的一臺采集機出現(xiàn)故障并不影響整個系統(tǒng)的正常運行,；
4、 主輔采集機的正確通訊保證了CAN節(jié)點在同一時刻只有一個命令中心,，防止了多方指揮的混亂狀態(tài),；
5、 更加合理地利用節(jié)點和傳感器,，兩個甚至更多個采集系統(tǒng)只需一套傳感器總成,，減輕了鉆井現(xiàn)場的安裝和維護任務(wù)，并降低了成本,；
6,、 及時準確地保存了現(xiàn)場的兩套數(shù)據(jù)，避免了因數(shù)據(jù)丟失造成的損失,。
七,、基于CAN總線的雙機熱備份功能的先進性和可擴展性
1,、 據(jù)了解目前還沒有其它任何一家鉆錄井儀器制造廠商真正實現(xiàn)基于CAN總線的雙機熱備份功能；
2,、 實現(xiàn)了直接利用CAN總線進行兩塊CAN卡之間的雙向通訊,；
3、 可擴展該功能,，利用CAN總線實現(xiàn)分別裝有CAN卡的兩臺計算機之間的數(shù)據(jù)交換和消息傳遞,。
八、參考資料
1,、SBS SysExpanModule/CSM 技術(shù)手冊V3.4
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