CAN总线在大型潮汐物理模型控制与测量中的应用

张宏伟，刘 猛，郭文华

（上海河口海岸科学研究中心河口海岸交通行业重点实验室，上海 201201）

1 问题的提出

现有的潮汐物理模型测控系统还有不少采用集中式控制结构，各种控制设备和测量仪器都与监控计算机以星型结构连接，监控计算机对仪器设备进行集中控制和数据采集。然而，随着潮汐物理模型研究目的和研究对象的多样化，系统需要采集处理的数据项目逐渐增多，模型上新增的仪器设备也越来越多，如果仍采用过去的点对点方式连接的电缆进行信号传输，将产生大量的电缆线路和连接器，对系统性能造成不利影响。

因此，潮汐物理模型在改造或新建测控系统时逐步采用了数据总线技术，以共享式总线通信网络取代星型集中互联结构。文献资料显示，RS485总线技术在中小型潮汐物理模型测控系统中得到了较多的应用［1］。作为一种多点差分数据传输的电气规范，RS485总线技术适用于组建系统容量 （即带RS485功能的仪器设备串行并联的数量）不超过15的通信网络。对于大型潮汐物理模型至少数十台仪器设备的应用场合，若采用RS485总线技术，则必然采取多级级联的方式构建系统，但这将会增加不确定的通信延迟，对物理模型的某些边界控制来说，这样的延迟有时会显著地降低其实时性和可靠性，影响模型试验的精度和可重复性。而且，RS485只能支持点对点的通信方式，系统的通信协议编制和网络调试比较复杂，实际应用中因单台设备通信故障而导致整个系统瘫痪的情况时有发生。由于集中式星型互联结构和RS485总线在应用中的上述局限性，本文采用国际标准化组织认可 （ISO11898）的控制器局域网络 （CAN），作为长江口潮汐物理模型测控系统的通信总线，成功解决了系统的通信问题。

2 CAN总线的特性

长江口潮汐物理模型全长300m，口外最大宽度105 m，布置有20处边界控制点和近50处水位、流速数据采集点，构建数据总线分布式测控系统时，其通信系统应满足：数据传输速率高，实时性高；系统的整体可靠性高，即单台设备或总线出现故障时对整体性能的影响尽可能小。作为一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，CAN总线定义了物理层和数据链路层，完全能够满足上述要求。CAN总线具有以下特点：①以双绞线为介质传输差分电气信号，直接传输距离最远可达10km，单级网络里可接入设备数最多可达110个；②多主站结构的工作方式，各通信节点可以在任意时刻向网络上发送信息，通信方式灵活；③采用非破坏性总线仲裁技术，保证数据传输的可靠性；④采用短帧结构传输信号，传输时间短，具有较强的抗干扰能力和较高的实时性［2-4］。

3 系统方案设计

3.1 系统原理

图1为长江口潮汐物理模型CAN总线系统原理框图，由监控计算机、模型现场仪器设备和通信网络组成。各个控制器和测量仪器之间通过CAN总线进行通信，以实现仪器测量数据的共享、控制指令的发送和接收等。系统具有2个主节点：监控计算机和蝶阀控制器。模型边界控制值的给定与状态显示由监控计算机完成；整个网络的通信节拍控制由蝶阀控制器中移植了嵌入式实时操作系统的微控制器来完成。系统的通信内容可分为信息和命令2类，信息类包括测量数据、诊断信息、仪器和设备的状态；命令类主要是发送给各类控制器的执行命令。通信的主要内容如下。

图1 长江口潮汐物理模型分布式测控系统架构图

3.1.1 系统启动时的自检

监控计算机负责向各个控制器和数据采集仪器发送自检命令，并收集各仪器设备的返回信息，通过分析处理，及时发现系统网络或设备故障，确保试验前仪器设备全部工作正常。

3.1.2 走潮通信

走潮包括涨潮和落潮，是模拟潮汐水流流态的主要过程。监控计算机根据模型多边界控制策略，通过CAN总线向蝶阀、单向泵、双向泵等边界控制器发送给定数值；各控制器通过CAN总线采集测量仪器的数据，结合设定数值经具体算法向执行机构输出适宜的控制信号，完成多边界的动态控制。

3.1.3 退潮通信

退潮的过程，若是通过手动电气按钮执行，则设定信号直接传递到蝶阀控制器，同时通过CAN总线将这一动作信息广播到监控计算机和其他控制器。各控制器根据约定的退潮规则，调节对应执行机构运行直到潮位降到约定的最低值。若是通过监控程序执行退潮操作，则系统CAN总线进行潮位为零的走潮过程通信。

3.1.4 状态数据刷新通信

在约定周期内，各控制器采集电机的电枢电流、电机转速，判断是否缺相；各测量仪器检测自身的工作温度、工作电压等状态信息，通过CAN总线向监控计算机发送，确保系统运行实时受控。

3.1.5 系统运行监控

在系统运行过程中，检测总线上数据帧的收发情况，及时发现异常，自动作出紧急处理，甚至向监控计算发出报警信息。

3.2 网络节点的工作状态

系统的网络节点包括连接在CAN总线上的监控计算机、控制器和测量仪器，它们的工作状态很大程度上决定了网络的使用情况。各节点工作状态之间的切换涉及到通信信息的优先级设置、总线的唤醒策略、故障排除及自修复等问题。系统节点的工作状态可分为4类。

3.2.1 初始化状态

上电完成本地节点的初始化后，向监控计算机发送完成信息。监控计算机完成自检，并收到所有节点的完成信息后，广播系统初始化完成的信息。

3.2.2 运行状态

各节点通过CAN总线实现测量数据、控制命令的发送和接收。当休眠条件满足时，节点转入休眠状态；当节点故障计数器的计数值超过设定值时，节点转入总线关闭状态。

3.2.3 总线关闭状态

处于关闭状态的节点延迟一段时间后，尝试将通信转移到备用总线上。若转移成功，初始化后发送主总线故障信息。若转移不成功，则永久脱离总线，并点亮自身的故障led。节点总线关闭后，必须复电才能重启。

3.2.4 休眠状态

整个节点关闭电机驱动回路，处于低功耗模式，一旦接收到本地唤醒信号或通过CAN总线传来的远程唤醒信号，就从休眠状态转入运行状态，其间需要使用网络初始化信息。

3.3 通信协议

CAN总线标准没有规定应用层，可以根据应用需要编制通信协议，最大限度地发挥CAN总线的优异性能。

3.3.1 通信帧ID编码

CAN总线采用非破坏性总线仲裁技术，通过通信协议帧ID的编码可以支持点对点、组播、广播等多种传输方式［3］。当总线上有多个节点同时进行发送时，通过 “无损的逐位仲裁”方法使有最高优先权的通信帧优先发送。在CAN总线上发送的每一条通信帧都具有唯一的1个11位或29位数字的ID。传输过程中高位先发，CAN总线状态取决于二进制数 “0”而不是 “1”［4］，因此通信帧ID号设置越小，其拥有的总线竞争优先权越高。本系统采用11位ID号对通信协议帧进行编码。表1给出了系统通信协议帧的ID分配，高5位标识设备，低6位用于同类设备的地址设置。监控计算机和蝶阀控制器的发送信息为高优先级。

3.3.2 通信方式

系统通信协议以 “周期同步，分时应答”的方式运行（见图2）。由于监控计算机安装的Windows是多任务操作系统，难以胜任实时控制的时间精度要求，由可进定时中断处理的蝶阀控制器协调系统运行节拍。监控计算机与现场仪器设备之间采用分时应答的方式交换数据。在实际工作中，监控计算机在蝶阀控制器的协调下，按照固定节拍（100ms）定时向各仪器设备发送控制信息，控制设备在收到控制指令后，立即响应指令，并返回上一周期的状态信息；测量仪器在收到控制指令后，返回上一周期的测量数据；若连续20个周期未收到监控计算机的控制信息，现场节点通过异常帧向监控计算机返回其地址信息报警。

表1 通信协议帧ID分配表

为避免发生冲突消耗时间，除了蝶阀控制器外，要求每个现场节点只有在收到监控计算机的消息后才能向其发送消息，即除蝶阀控制器外每个节点的通信都是由监控计算机发起和控制的。

图2 “周期同步，分时应答”的系统通信图

3.4 双总线冗余设计

由于潮汐物理模型的环境条件比较恶劣，特别是模型进行土建改造时，通信电缆易受拉、压、砸、挤等而发生故障。从提高系统通信保障能力的目的出发，采用总线冗余的方法，通过使用2条CAN总线电缆来实施通信，其基本设计思路如下：系统布置好2条有较大间隔距离的CAN总线，监控计算机和每台现场仪器设备都设计有2路CAN通道，正常工作时只有1路CAN通道和1路CAN总线起作用。出现总线故障时，总线切换逻辑根据错误类型选择另一路CAN通道或是另一路CAN总线。现场节点保持对错误计数的检测，当计数超过出错报警极限后，将进入脱离总线状态，同时节点将切换CAN通道。

4 系统应用

系统开发并在长江口潮汐物理模型安装与调试后，从2个方面对系统的运行性能进行了评估：①网络通信。系统容量为66个节点，通信波特率设置为50kbps的条件下，采用CAN分析仪实时记录一段运行时间内的全部信息及其发生的时刻，时间分辨率为0.1ms。对记录数据进行分析的结果表明：系统的通信周期设计为100.0ms时，实际运行中，信息的出现周期集中在100.0ms附近，其最小值和最大值分别为99.6ms和100.5ms，周期抖动在0.5ms以内；通信协议内各通信帧的发生井然有序，没有遗漏或重复，网络运行没有冲突、阻塞现象。系统的CAN总线通信具有较好的实时性和可靠性；②测控效果。网络通信的性能最终要从系统潮汐物理模型边界控制和数据采集的最终效果来体现，主要包括潮位控制、上游单向流量控制和外海旋转流的双向控制，以及水位、流速数据的采集，其中潮位控制是衡量和检验系统整体性能的关键指标。根据潮流泥沙模拟技术的行业规范，模型潮位偏差在正式试验时段内应控制在1mm以内，表2为系统运行时随机抽取的一次全潮潮位控制偏差情况。虽然系统在平潮阶段的潮差（0.3～0.5mm）要比生潮阶段的涨落偏差 （0.1～0.2mm）大1倍，但其最大潮差也仅为规范要求值的1／2，总体来看明显优于规范要求。

表2 CAN通信的潮汐模型水位控制偏差表

系统经评估验收后，已经在横沙东滩促淤围堤工程、青草沙水库工程、南京以下深水航道上延等多个潮汐模型定床、动床试验研究中得到应用。结果表明，在双绞线物理连接良好的条件下，个别节点的通信故障不会影响网络通信，系统运行整体稳定可靠，模型试验结果的可重复性好。

5 结 语

随着潮汐物理模型模拟研究技术的发展，其测控系统需要集成的仪器设备种类和数量都在不断增加，集中式星型互联结构、RS485总线等常规的系统集成技术因其固有的局限性而越来越难以胜任。采用新的数据总线技术设计和开发测控系统已成为一种必然趋势。本文结合潮汐物理模型实际运行的特点，具体讨论了CAN总线技术的应用，详细介绍了CAN总线系统的原理、节点状态描述、通信协议设计，并采用双总线冗余设计思想来实现系统设计。实际应用结果表明：该系统能够完成模型控制和数据采集所需的正常通信，达到了较高的性能指标，实现了明显优于规范要求的测控效果。

［1］朱伯荣，陈志昌，罗晓峰.长江口河工模型试验中的仪器设备［J］.水利水运工程学报，2005（1）：63-66.

［2］饶运涛，邹继军，郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2002.

［3］邬宽明.现场总线技术应用选编3［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2005.

［4］魏丰，潘小虎，曾勇，等.光纤CAN总线集线器及其组网研究 ［J］.仪器仪表学报，2011，32（12）：2840-2844.