基于CAN-bus和以太网的区域信息管理系统

概述：介绍一种CAN-bus网络与以太网连接，构成一个中型远程监控/数据传输网络的方法。

    CAN（Controller Area Network——控制器局域网）是一种由CAN控制器组成的高性能串行数据局域通信网络，是国际上应用最广泛的现场总线之一。它最早由德国Bosch公司于1984年推出，最初用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。CAN-bus总线模型符合OSI的7层结构；CAN-bus规范已被ISO估计标准组织制定为国际标准。由于其具有多主机方式、传输距离远（最远可达10km）、传输速度快（最快可达1Mbps）、抗干扰能力强、应用灵活等诸多优点，所以被认为是最有发展前途的现场总线之一。目前，除了应用于汽车电子领域中，CAN-bus总线现还被广泛应用于工业现场控制、电力通讯、小区安防、环境监控、航天航海等众多领域中。

    以太网则是当前主流的网络信息传输媒体，也是TCP/IP使用最普遍的物理网络。TCP/IP（Transmission Control Protocol/Internet Protocol——传输控制协议/网络协议）是一个工业标准的协议集，包括IP、TCP、UDP等子协议，保证数据在网络上的正确传输。TCP/IP协议为四层模型：应用层、传输层、网络层和数据链路层。每层都有不同的功能，而且层和层之间在逻辑上是相互独立的。由于TCP/IP是世界上最大的Internet采用的协议组，而TCP/IP底层物理网络多数使用以太网协议，因此，“以太网+TCP/IP”成为互连网技术中应用最普遍的技术。以太网在工厂管理层、车间监控层将成为主流技术，与互连网技术结合是未来工厂网络通讯技术基础；但对一般工业网络要求实时性、确定性通信场合，现场总线技术还将处于主导地位，因此在今后一段时间内多种网络技术还会继续并存，我们必须根据实际需要采用合适的网络技术。

    本文即介绍一种由CAN-bus网络构建设备网，由以太网构建信息网，通过两者的有机联接，从而构成一个中型/大型的远程监控/数据传输网络。

一、概述

    某一个设计项目，需要考虑连接大约30,000个网络节点，并可以对每个节点实时地采样数据、输出控制；这些网络节点分布在不同的区域，每个区域（直径在1公里范围内）最多有近百个节点。而且该网络有一点比较重要的要求：单个区域内的网络节点对数据的实时性具有较高的要求。

    按项目的以上要求，综合考虑设计成本、生产成本、可靠性、可维护性等多方面因素，我们考虑采用“设备网——信息网”的方式构建整个网络。

    在单个区域内，由CAN-bus网络构建设备网，总体成本较低，满足实时性的要求，且应用可靠，维护方便；设备网的固定节点（地址为00号）同时作为网关，将CAN-bus网络连接至以太网，从而形成可以遍布全球的信息网，可以通过组态环境统一监控设备信息。

    基于CAN-bus和以太网的区域信息管理系统的网络连接如图1所示。

二、现场设备网的选择

    现场设备网组网方式有多种选择，比如RS-485、CAN-bus、Lonworks、TCP/IP等；下面将各种方式进行比较，以考虑选择最合适的方式。[page]

2.1 RS-485 总线

    RS-485总线是采用差分传输方式的一种串行网络，也是目前国内应用较多的一种远距离串行数据方式。RS-485总线使用普通双绞线作为传输介质，采用直线拓朴结构，单条网络线路可连接32个节点（数据来自于MAXIM公司的MAX485数据手册），网络总长度最大可达1200米。

    优点：对于单个节点，电路成本较低，设计容易，实现方便。
    缺点：可靠性差，单个节点的故障有可能导致整个网络瘫痪；RS-485器件容易损坏；且不易界定网络中的故障节点，维护成本相对较高。
    适用范围：节点数目较少，传输距离在1公里左右，安全性要求不高的场合。

2.2 CAN-bus方案

    CAN-bus是国际上应用最广泛的现场总线之一，被广泛应用于欧洲的中高档汽车中，用作ECU单元的串行数据控制网络；近几年来，CAN-bus开始进入中国各个行业的实际应用，并于2002年被确定为电力通讯领域的国家标准，正被大家逐渐重视。与RS-485类似，CAN-bus网络使用普通双绞线作为传输介质，采用直线拓朴结构，单条网络线路至少可连接110个节点，网络总长度最大可达10公里（使用标准CAN收发器PCA82C250/251芯片）。在CAN-bus网络中，数据收发、硬件检错均由CAN控制器硬件完成，大大增强了CAN-bus网络的抗电磁干扰能力，即由硬件来保证CAN-bus网络运行的可靠性。

    优点：可靠性高，可以支持硬件节点的即插即用；故障节点可自动关闭，不影响其他网络节点；采用芯片硬件ID方式管理网络，故障节点界定十分方便，网络维护成本比较低。而且，ZLG提供一系列开发CAN-bus网络的硬件、软件资源，设计工作的难度也降低了许多。
    缺点：对于单个CAN-bus节点，硬件成本比RS-485节点要高大约20元；对于CAN控制芯片的编程比较复杂，但可以采用ZLG提供的BasicCAN模块或PeliCAN模块。
    适用范围：可适用于节点数目很多，传输距离在10公里以内，安全性要求高的场合；也可适用于对实时性、安全性要求十分严格的机械控制网络。不适合于有大量数据需要传输（比如视频/音频信号）的场合。

    下表列出了RS-485网络与CAN-bus网络的性能比较。

2.3 Lonworks方案

    Lonworks总线由美国Echelon公司于1993年推出的一种现场总线，也是国内90年代末期比较流行的一种现场总线。Lonworks总线采用神经元芯片为核心技术设计基本节点，LonTalk通信协议支持7层网络协议，提供一个固化在神经元的网络操作系统。

    Lonworks总线的规范、设计资料并不公开，决定其不是一个开放的总线系统；Lonworks总线采用的仲裁方式方式决定了可能会出现产生总线数据“死锁”现象，数据传输的实时性并不能够完全保证；Lonwork硬件成本相对较高，单个基本节点电路的硬件成本超过100元。国内的Lonworks总线应用也普遍集中于早先的智能楼宇领域。因此，基本上不予考虑Lonworks总线。[page]

2.4 以太网方案

    基于802.3规范的“以太网+TCP/IP”已成为互连网技术中应用最普遍的技术，可以实现数据的远程传输。但以太网的本质特点是采用CSMA/CD 的介质访问控制技术，容易产生“节点”碰撞，无法保证数据的实时性/有效性；而且，实现以太网节点的硬件成本、软件开发费用也大大高于其他各种方式。

    国外正在研究与CAN-bus网络结合的以太网方案（EtherNET/IP，简称CIP），称为工业以太网，构建可以保证实时性能的网络传输方案。与底层的CAN-bus网络（设备网）结合，也是未来以太网发展的必然趋势。

2.5 方案选定

    根据以上分析、比较，CAN-bus网络方案比较合理，具有较多的优势；另外，考虑系统将来的升级扩展能力、维护管理方式，CAN-bus的优势更加明显，可以优先考虑。

三、设备网与信息网的网关

   连接设备网与信息网的网关可以采用2种方式实现：通用PC终端或嵌入式网关。

3.1 通用PC终端

    在通用PC终端中安装1个标准以太网接口卡和1个PCI-5110接口卡（或USBCAN-I接口卡），即可以方便地实现一个连接设备网（CAN-bus网络）与信息网（以太网）的网关。

    所有的程序开发工作可以在PC平台上完成，使用VC++、VB、Delphi、C++Builder等高级语言来实现。所有ZLGCAN接口卡均可以工作在Win98 /Win2K /WinXP /Linux 操作系统下，提供有OPC接口库、开发示范，支持在各种当前流行组态软件下直接运行。

    应用程序是一个根据用户的具体要求而设计的用户层应用软件。它可以是一个Win32监控程序或网络数据库（记录CAN节点设备数据）软件等；甚至可能是CAN节点设备的服务器软件，为设备提供较复杂的数据处理工作。

    所有的CAN-bus节点组成一个虚拟网段，CAN设备管理服务器是企业以太网中的任一控制节点。连在以太网上的WinNT 服务器安装专用网络管理软件，就可让合法的工程技术人员远程管理CAN-bus节点设备；通过以太网，可同CAN-bus节点设备进行数据通信。这样，服务器就可以使用WEB 发布方式，向网络客户提供动态交互式浏览网页等功能。

3.2 嵌入式网关

    如果系统具有不断电运行或功耗等其他指标方面的要求，则使用嵌入式网关（CAN转以太网）将令系统具有更好的灵活性，不仅硬件成本低、而且运行更可靠。

    嵌入式网关可以通过一个基于8bit/32bit MCU的平台实现。其基本硬件由基本CPU部分、CAN-bus接口、以太网接口组成，可以采用集成TCP/IP协议的单片机外加CAN收发器和控制器，也可采用集成CAN控制器的单片机外加CAN收发器和网络芯片。软件模块由CAN控制器协议转换模块、以太网控制器协议转换模块组成。

    嵌入式网关的组成框图如下图所示。