CAN总线在新型自动气象站中的应用与故障分析

汪军 饶传新 王华 陈星

摘要：指出了现场总线是如今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。我国现有新型自动气象站多采用现场总线来进行设备间的通信和控制，CAN总线是应用最广泛的现场总线之一，新型自动气象站主采集器和各分采集器之间多用CAN总线进行通信。运用CAN总线有诸多的优点，但也时有故障发生，能够及时排除CAN总线故障，保证设备的正常运行显得尤为重要。对CAN总线的概念、特点和各种故障进行了分析，提出了相应的解决办法，供各位维护人员参考。

关键词：CAN总线;新型站;通讯;故障分析

中图分类号：P412.1 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）16-0242-03

1CAN总线简介

为了弄清楚CAN总线的概念，应先了解现场总线的概念，现场总线是如今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。现场总线的种类众多，CAN总线是应用最广泛最有前途的现场总线之一，CAN总线是英文Con-troller Area Network的缩写，是ISO国际标准化的串行通信协议。

1.1CAN总线在气象部门新型自动气象站中的应用

随着我国气象现代化的发展，各种气象要素的新型设备得到了广泛的应用，为了满足灵活多变扩展的需求，新型自动气象站从原来集中式结构改成了分布式结构。整个系统主要由数据采集系统、传感器、电源部件、数据传输模块和GPS授时模块五部分组成，数据采集系统包括主采集器、温湿度分采集器、地温分采集器、土壤水分观测分采集器、辐射分采集器以及可扩展的气候分采集器。各采集器之间采用CAN总线进行双工通信，执行11898总线标准（图1）。

1.2新型自动站气象站中采用CAN总线的优点

（1）灵活扩展的能力。已建自动气象站需要增加新的观测要素或传感器时，不需要对系统已有的传感器连接、布线作改动，只需要将新的分采集器或传感器加入到系统中，并进行简单的软件升级和配置就行。

（2）互换兼容。新型自动气象站采用的现场总线是基于CAN总线技术和国际标准CANopen协议进行设计，涉及数据链路层、物理层和应用层的标准定义。按照统一设计要求，只要满足功能规格书要求的主分采集器，具备统一的物理接口和应用接口，就可以实现各厂家采集器兼容、互换的目的。

（3）支持多主方式，可以实现热备份或系统冗余。

（4）可靠的检错机制和错误处理，节点出现严重错误时可自动关闭输出，发送的信息受到破坏后可自动重发，具备很高的网络可靠性。

（5）允许多个节点同时发送信息，具有极高的总线利用率。

（6）可实现点对点、一点对多点及全局广播。

（7）由硬件实现数据链路层通信协议。

（8）通信介质为双绞线，抗干扰能力强。

（9）通信距离较远，速率为5Kbps时，直接通信距离最远达10km。

2CAN总线故障分类

由于多个分采集器的CAN总线的连接电缆是并联在一起的，任何一个分采集器CAN总线出现故障，都会导致一个分采集器或整个与CAN总线相连的其它分采集器数据异常，至使整个CAN总线网络瘫。在检修过程中，应查看具体的故障症状，根据故障症状并结合线路结构图来初步分析有可能是哪些原因造成的，做到心中有数。CAN总线故障主要有断路、短路、互相接反等。下面就逐个分析，分析中主要用到电压法和电阻法。由于CAN网络的特性，在新型自动气象站系统设时CAN H或CAN L在正常的情况下都有一个对地标准电压，在输入电压为13.8V（12V）时，CAN H或CAN L对地的标准电压均约为3.45V。电压测量法可用于判断线路是否有对地或电源短路、断路等问题。电阻法是在电压法无法判断的情况下用于判断CAN网络的电阻值与正常情况下电阻值的差别来判断CAN总线网络故障。

2.1CAN断路

当某个分采集器CAN H或CAN L导线断路时，会导致该分采集器无法实现通信，其他分采集器的通信不受影响。根据CAN总线网络特性一般会在线缆末端串入120Ω的终端电阻，终端电阻因自动气象站生产厂家的不同，终端电阻的串人位置略有不同，无锡公司生产的自动气象站在CAN总线终端，华云公司生产的自动气象站在采集器内CAN总线接入处。在CAN总线接入分采集器的情况下，关闭电源后可以用万用表电阻档测量CAN H与CANL之间的电阻来判断是否断路。正常情况下电阻值在几十欧姆，若电阻变得无穷大则说明CAN H或CAN L其中有一根或两根线有断路。

2.2CAN短路

2.2.1CANH与CANL短路

当任一分采集器CAN H与CANL出现短路，CAN总线网络会关闭，无法进行通信，与CAN总线相连的分采集器均无法上传数据，采集软件中相关要素显示缺测。在输入电压为13.8V时，CANH与CANL对地电压均约3.45V，与正常时对地电压基本相同。此时用下面的方法进行排除。

在CAN总线接人设备的情况下，关闭电源后可以用万用表电阻档测量CAN H与CAN L之间的电阻，正常情况下电阻值在几十欧左右，若电阻值很小只有1—2fl说明CAN H与CAN L短路。在判断具体哪个分采的CAN总线短路时，应逐个断开分采集器的CAN总线连接电缆再测量，否则容易误判。

2.2.2CAN H对电源（正极）短路

当任一分采集器出现CAN H对电源（正极）短路故障时，可导致整个CAN网络无法通信，与CAN总线相连的分采集器均无法上传数据，采集软件中相关要素显示缺测。当输入电压为13.8V时，用万用表测得CAN H对地电压约为13.5V，CAN L对地电压约为11.6V。

2.2.3CAN H对地短路

当任一分采集器出现CAN H对地短路故障时，可导致整个CAN网络无法通信，与CAN总线相连的分采集器均无法上传数，采集软件中相关要素显示缺测。当输入电压为13.8V时，用万用表测得CAN H和CAN L对地电压均为0V。

2.2.4CAN L对地短路

当任一分采集器出现CAN L对地短路故障时，因CAN总线的容错特性，此时各采集器的通信不受影响。当输入电压为13.8V时，用万用表测得CAN H和CAN L对地电压均为OV。

2.2.5CANL对电源（正极）短路

当任一分采集器出现出现CAN L对电源（正极）短路故障时，可导致整个CAN网络无法通信，与CAN总线相连的分采集器均无法上传数据，采集软件中相关要素显示缺测。当输入电压为13.8V时，用万用表测得CAN H对地电压约为13.5V，CANL对地电压约为13.8V。

2.3CANL與CAN H导线互相接反

当任一分采集器出现CANL与CANH导线互相接反这种故障时，一般情况下，接错的那个分采集器将无法通信，其他分采集器的通信不受影响。遇到这种情况时，可在断电的情况下用万用表电阻档测量分采集器和主采集器CANL（CANH）是否在同一路径上。

3CAN故障总结

实际应用中各分采集器与主采集器的CAN总线和供电线多由同一根多芯电缆担负，并且多芯电缆埋于地沟或管道中，隐蔽不易察看，因鼠咬、损毁、腐蚀等出现短路、断路的情况时有发生。当出现采集软件中由CAN总线网络负责通信的气象要素无数据显示时，按上述所列方法检查线路，一般很快就可排除故障。