1   国内外研究现状

随着电子信息技术和自动控制技术的飞速发展， 工业生产自动化程度越来越高，工业现场的智能监控 系统也得到了飞速的发展。80 年代末期，为了解决工

业现场的智能仪表和控制器执行机构之间的数字通 信以及这些现场控制设备与上级控制系统数据传输 的问题，现场总线技术应运而生。CAN 总线是目前为 止最广泛的运用到工业现场监控系统的一种总线形

式。它最早是由德国 BOSCH 公司开发运用于车联控 制系统的搭建，使得各汽车计算机控制单元能够通过 CAN 总线共享所有资源，达成集成系统。随着微电子 通讯技术的发展，工业生产规模的扩大和自动化水平 等的提高，监控网络的节点在物理上是分布的，结构 上变得更加的复杂，现场总线的出现很好的解决了这 一问题。具备通讯接口的智能单元是 CAN 总线网络 在工业生产运用的基础，工业监控网络的搭建也主要 是依赖于 CAN 网络智能节电的设计。目前在应用上 主要方式是底层通过 CAN 网络的搭建收集采集分散 数据，上层通过其他协议的转换以更快更好地方式达 到集中监控。

2   系统需求分析及网络模型建立

2.1  数据采集监测系统需求分析

数据采集监测系统的基本功能是对现场设备的 状态进行监控并实时的采集设备数据，最后通过计算 机对于现场数据的分析处理提高工业现场生产过程 的运行管理水平和设备运行的可靠性。此外系统同时 还要求构建的监控网络结构简单，通讯接口规范普适 性强，支持多种通讯协议同时可以与市面上主流的自 动化系统和智能设备有效的实现通讯。我们以一个运 行车间的现场设备检测为例，现场需要检测 4000 多 个点，考虑到现场节点多的这一问题，传统的主从结 构通讯方式比如 RS232/485 等，由于节点数量的限制 很难适用于本系统。同时， 针对节点多的问题，如果 单一的通讯协议方式难以满足的话，可以通过协议的 转化构建多级的网络架构通讯方式。本次设计的数据 采集监测系统要求具备实施数据监测、故障报警和记 录显示等基本功能外，还要求系统设计时满足如下性 能指标：

（1）实时性保证，要求快速采集状态数据信息，

系统巡检周期为 4S

（2）可靠性保证， 通讯网络具备较强的抗干扰能 力，某些节点故障不会影响整个网络的温度

（3）可拓展性保证， 现场设备节点的增加和减少 可以很方便的接入网络

2.2  监控系统网络模型的建立

在确定网络协议选择 CAN 总线后，综合现场监 控对象是 4000 多个需要采集的数据点，为了实现底 层网络搭建，将现场一定数量的测量点集中到一个采 集盒上，再把采集盒作为一个测量节点通过 CAN 总 线传输数据，这样将大大增加信号传输效率，而了为 了简化检测点，设计 200 多个 CAN 节点，考虑到网 络将来可能存在拓展等情况，基于灵活性考虑设计

240 个 CAN 节点将所有的监控节点进行数据采集。

3   CAN 并网搭建

对 240 个 CAN 节点数据的传输，我们在接下来 的信号传输方案上共设计了 6 路 CAN 总线的子网络， 每个子网络上挂靠 40 个 CAN 监控节点，实现数据的 实时传送。本设计采用内部集成 4 路 CAN 控制器的 3 块 ARM 微控制器，ARM1\2 微控制器只需要外部 CAN 收发器与之连接，有利于底层网络扩展。对 ARM1\2 两路数据并网，主要由 ARM3 完成，最后通过以太网 传送到中控室。数据的采集和处理都在板卡上进行， 通讯能保证交互安全高效快速，实现效率的最大化。

4   系统硬件、软件设计

系统硬件选型上，本文主要侧重于介绍主控板的 设计，基于三级 CAN-SPI-以太网的组网方案，主控 板被作为是信息采集转化的控制中心与中转站，是监 控系统的大脑。

4.1 供电设计

供电电压分 5V、3.3V 两个电压等级，外部输入

电压为 24V。电源部分设计因此包含两个环节：首先， 应用 DC-DC 电源模块，实现 24V 到 5V 的电压变换；

接着，用线性稳压器来实现 5V 到 3.3V 的电平转换。 所以主控板设计采用输入电压为 24V 隔离

DC-DC 电源模块，将 24V 转换为 5V 电压输出， 4.2 CAN 收发器设计

CAN 收发器实现的是逻辑电平与差分电平之间 的相互转换，出于对设备保护，减小干扰的考量，CAN 收发器逻辑侧和物理层应实现隔离。本文设计中， 选 择收发器型号为 ADM3053 收发器，该芯片集成了电 平转换和通道隔离功能，故不需要对该芯片进行单独 隔离。同时主控板上的 CAN 接点作为相连接的 CAN 总线子网上的主节点，在设计上于 CAN_H 和 CAN_L 两根传输线之间并入 120Ω终端电阻减少信号反射， 同时加上一个 30pF 的滤波电容减少信号杂波和电磁 干扰。

4.3 系统软件设计

主控板通过 2 路 SPI 连接多片控制器的设计  方案成功实现了 6 路 CAN 网路与 1 路以太网的互  联，板内三块芯片联合工作，每一块芯片上都有单独 编写的控制服务程序，在软件见编写过程中有一定的 复杂性。通信过程实现主要分为三块:CAN 服务程序、 SPI 服务程序、以太网服务程序。

5   设计优化

该设计投入运行后，系统总体上运行稳定，但仍 存在一些问题。例如随机出现过节点测量时无法测量 的情况，测量数据时系统曾经出现死机情况，同时数 据在通讯中存在掉线，数据传输不畅。分析问题原因 有多方面，其中有因为现场接线短路或接触不良等情 况造成，但主要原因是系统软件和硬件网络通讯上还 需更加完善。针对以上出现的问题， 提出了以下设计

优化方案：

1）、为了保证通讯的可靠性， 对现场设备到控制 系统板卡间的通讯线缆进行改造升级。

2）、优化升级数据通讯程序， 在不影响整体数据 传输的情况下，简化了一些非必要的校验功能，提高 了通讯可靠性。

3）、优化升级了系统软件功能， 结合现场数据从 软硬件上重新设计了现场 CAN 总线传输速率，提高 了节点巡检速度。

6   运行结果

优化后的系统运行可靠、稳定， 运行性能指标及 结果如下：

1）、实时性保证，采用 CAN 总线技术，系统巡 检周期达到要求，实现了现场数据节点实时性监测。

2）、可靠性保证，CAN 总线使用两芯双绞屏蔽线， 有效消除了信号耦合产生的干扰；在 CAN 总线的两 个末端配两个 120Ω末端电阻以减小线内信号反射造 成的干扰，通讯网络具备较强的抗干扰能力。

3）、可拓展性方面， 板卡上主控芯预留了两路备 用接口，可以实现每路 CAN 子网上增加节点数量， 拓展功能方便实现。

4）、经过优化后的系统，能实时完成指令动作， 对上传的现场工况能实时显示，没有再出现死机的情 况，测量传输中没有出现掉线，数据传输通畅良好。

7   结语

设计的基于多路 CAN 总线监控系统，实现对工 业现场分散布置的监控设备的实时监控，通过底层 6 路 CAN 总线工业监控网络的搭建，在板卡上完成数 据的采集、处理和传输， 最终实现上层控制对现场设 备的实时监控，提高了工业现场自动化程度，促进经 济发展。