基于CAN-bus 总线的海关车场设备网方案

1.1 CAN-bus 总线介绍

    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 单元的串行数据传输网络；近几年来，CAN-bus 开始进入中国各个行业的数据通讯应用，并于2002 年被确定为电力通讯产品领域的国家标准，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。据国际CiA 协会统计，2001 年仅在欧洲就销售了超过1 亿个CAN-bus 节点，几乎淘汰了欧洲所有的RS-485 系统。目前，国内的汽车、电梯行业已是CAN-bus 应用的典型领域，工业控制、智能楼宇、煤矿设备等行业也是日见更多型号的应用CAN-bus 总线设备与产品。

    CAN-bus 总线的优点：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。

    CAN-bus 总线的适用范围：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。CAN-bus 总线不适合于有大量数据需要传输（比如视频/音频信号）的场合。

1.2 现场的应用需求

    一般情况下，海关的车场需要组建2 个信息与控制网络，分别对应车场的进口车道、车场的出口车道进行设备管理。其中，每个进口车道管理6～9 个设备，每个出口车道管理4～8个设备。

举例说明，进口车道主要由以下一些设备组成：

􀁺 ●地磅：检测车辆的载重信息，具有RS-485 通讯接口。地磅属于主动发送数据设备，大约每170 毫秒向服务器发送17 字节的数据，属于小数据量设备。
􀁺 ●起落杆：控制车辆是否放行，具有RS-485 通讯接口。起落杆属于被动发送数据设备，服务器每隔1 秒发送一个控制命令。属于小数据量设备。
􀁺 ●电子关锁：海关专用设备，具有RS-232 通讯接口。电子关锁属于被动发送设备，服务器每隔100 毫秒向电子关锁发送控制命令，总共两个命令类型：施封和解封。属于小数据量设备。
􀁺 ●电子车牌：检测通关车辆的身份信息与司机身份信息，具有RS-232 通讯接口。电子车牌属于被动发送设备。一般通过调用设备厂商提供的动态库接口向电子车牌设备发送读取数据命令，周期为100 毫秒，每次通讯数据约在300～2000 字节，数据流量比较大，属于大数据量设备。
􀁺 ●海关通关仪：海关专用设备，集成显示、语音、键盘接口，具有2～3 个RS-232 通讯接口。
􀁺 ●条码阅读器：读取条码信息，具有RS-232 通讯接口。
􀁺 ●IC 卡读卡器：读取IC 卡信息，具有RS-232 通讯接口。

    传统的海关车场设备网一般采用“以太网EtherNet+多串口服务器”方案，采用2 级网络方式。其网络拓朴结构如下图所示：

    传统的海关车场设备网采用“以太网EtherNet＋RS-232”方式实现设备之间的通讯，是基于“点――点”的通讯模式。由于网络中所连接设备的数据流量不一致性，容易引起网络数据阻塞；而且，利用以太网（EtherNet）方式组建网络的成本比较高，需要对网络及运行设备增加多级保护措施，以适应长期工作的恶劣环境。

    新一代CAN-bus 总线技术的成熟应用，可以在海关车场设备网的建设中减少网络布线，有效降低设备成本，并能够提高通讯效率。利用CAN-bus 总线技术建设的海关车场设备网具备更好的实时性、稳定性，以及更强的抗干扰能力，且可以适合非常严苛的工作环境。

1.3 CAN-bus 实施方案

    下面简要地介绍采用CAN-bus 总线建立的海关车场设备网方案。

1.3.1 网络拓扑结构

    在基于CAN-bus 总线的海关车场设备网中，每一个车场设备都被分配了一个网络中唯一的ID 设备号，且都通过CAN232MB 智能协议转换器或CAN485MB 智能协议转换器连接至CAN-bus 总线。

    考虑连接车场设备的数量、通讯数据流量、通讯距离等因素，服务器PC 上可以安装1～8块PCI-9840 四路高速CAN 接口卡。通常情况，一路CAN-bus 通道可以最多连接100 个CAN-bus 节点，每块PCI-9840 四路高速CAN 接口卡最多可以连接400 个CAN-bus 节点设备；同一台PC 可以管理32 条CAN-bus 总线，管理3200 个CAN-bus 节点设备，甚至更多个设备。

    服务器PC 通过CAN-bus 总线编号、ID 设备号访问并管理车场设备网中的每一个指定设备。

    CAN-bus 采用直线拓朴结构，同一网络中的所有CAN-bus 节点设备连接在一条普通的通讯双绞线上；每条CAN-bus 总线的2 个终端各需要安装1 个120Ω 的终端电阻。

1.3.2 CAN-bus 网络布线

    由于CAN-bus 总线完全由芯片硬件实现通讯数据的校验与检错，具有通常串口通讯（RS-232 方式或RS-485 方式）所无法比拟的可靠性；因此，布线时可以将CAN232MB 智能协议转换器或CAN485MB 智能协议转换器就近安装在车场设备网的每一个用户设备，或直接连接到用户设备的RS-232 或RS-485 端口。这一种方式可以有效地减少串行通讯距离，提高串行通讯波特率，并更好地保证设备通讯数据的正确性。

    CAN-bus 总线通讯可以采用普通双绞线或屏蔽双绞线，一般应用场合都可以保证数据的可靠通讯。例如，使用国标AWG18（截面积为Φ0.75 ㎜ 2）一般可以保证在1KM 距离下实现CAN 可靠通讯；如果CAN 通讯距离超过1KM，则建议选择通讯电缆线的截面积大于Φ1.5mm2。常规方式中，随通讯距离的加长，需要适当加大电缆线截面积。

    CAN-bus 采用直线拓朴结构，布线简单方便，且非常容易扩展。

1.3.3 通讯设备的可靠性

    CAN232MB 智能协议转换器和CAN485MB 智能协议转换器都采用表面安装工艺，板上自带光电隔离模块，实现完全电气隔离的中央控制电路/CAN 电路，具有很强的电气抗干扰能力，可防雷击，大大提高了系统在恶劣环境中使用的可靠性。这2 个型号的协议转换器都可以工作在工业级的环境温度（-40℃ ～ +85℃）中，且支持防水、防尘、防雷击处理工艺；自带安装导轨，适合于多种安装方式。

    PCI-9840 四路高速CAN 接口卡是具有高性能价格比的CAN 总线通讯接口卡，该产品采用标准PCI 接口，能让计算机方便的连接到CAN 总线上，实现CAN2.0B 协议（兼容CAN 2.0A）的连接通讯。PCI-9840 高速CAN 接口卡集成有4 通道逻辑独立CAN-bus 通讯接口，使得在开发应用中更显方便和灵活；每一个通道都有光电隔离，保护计算机机避免地环流的损坏，增强系统在恶劣环境中使用的可靠性；接口卡采用WDM 驱动程序，支持Linux、WIN98、WIN2000 和WinXP 操作系统，支持同一PC 安装多个设备；同时提供多种开发语言接口例程，方便用户进行二次开发。合理的软硬件设计使得PCI-9840 接口卡成为稳定、可靠的CAN 接口设备！

1.3.4 软件实现与VCOM 虚拟串口

    CAN232MB 智能协议转换器、CAN485MB 智能协议转换器都可以通过一个设备配置工具软件，来设置运行时的工作参数，包括串口通讯速率、CAN-bus 通讯速率、网络ID 设备号等，且支持用户自行定义的CAN-bus 通讯速率。

        在多点通讯场合，CAN-bus 总线提供一个有效的数据验收/屏蔽功能。在网络中的任一台CAN232MB/CAN485MB 智能协议转换器都可以通过设定一个唯一的网络ID 设备号，来设定本节点设备所允许接收的报文格式。

    目前提供有两种软件编程方式，可以方便地实现服务器PC 与CAN232MB/CAN485MB转换器所连接的网络设备进行数据通讯。

1． 使用VCOM 虚拟串口

    利用VCOM 虚拟串口软件，可以将一个CAN-bus 网络的任一个CAN232MB 转换器或CAN485MB 转换器当成本地PC 的一个普通串口来进行操作。同一PC 可以最多支持2000个VCOM 虚拟串口。

    利用VCOM 虚拟串口方式，车场设备网的每一个功能设备都被映射连接在服务器PC的一个虚拟串口上，对指定编号的串口操作，就相当于直接操作每个用户设备。这一种方式可以直接使用设备厂商提供的动态库操作虚拟串口。

2． 使用VCICAN 接口动态库

    通过调用PCI-CAN 接口卡配套的VCICAN 动态库，可以直接操作PCI-CAN 接口卡来发送/接收CAN 报文帧，从而实现CAN-bus 总线通讯。通过这一方式实现车场设备网的数据通讯，可以达到很高的数据有效性。

    同时，PCI-9840 四路高速CAN 接口卡支持在Linux、WIN98、WIN2000 和WinXP 等操作系统，并且配套有ZOPC 服务器软件，可以在流行的组态软件（如昆仑通态MCGS、组态王、国外iFix、Intouch 等）或虚拟仪器软件LabView 中实现设备之间的控制与通讯。

1.3.5 方案优点与实践测试

    CAN-bus 总线能够较好地适合海关车场设备网的建设。同时，使用CAN-bus 总线方式可以减少车场设备网对人力资源、环境资源的要求，实现远程实时高效监控。

    例如，采用CAN 总线组网通讯时，每一批数据的通讯延迟时间是可以预先估算，并可以有效控制的；例如，在100Kbps 时每帧数据（8 字节）在网络上的传输时间为1.1mS，总线的每个节点都可以在3mS 以内对外发送一帧数据。CAN-bus 总线在同一网络中可以连接超过100 个设备单元；每个新增的设备都可以通过一个唯一设定的ID 设备号与其他设备通讯数据。CAN-bus 节点设备允许即插即用，不影响网络的正常运行，无需停机安装。

    而且，CAN 总线采用双绞线通讯，通讯材料成本很低，维护方便。同时，CAN232MB转换器或CAN485MB 转换器可以就近功能设备安装，以减少RS-232/RS-485 电缆，为数据通讯提供更强的保障。

    另外，推荐在设备网中工作的通讯接口设备，如CAN232MB/CAN485MB 转换器，都有防水、防尘、防雷击处理工艺，且符合工业环境标准（-40℃ ～ +85℃），抗干扰能力强，保障长期工作环境中的网络可靠性。

    下面是部分设备在实际运行中的数据流量测试情况。

1.4 其它网络方案之比较

1.4.1 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。

表格 CAN-bus 总线与 RS-485 总线的特性比较

1.4.2 Lonworks 总线

    Lonworks 总线由美国Echelon 公司于1993 年推出的一种现场总线，也是国际上主流的现场总线标准之一。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。

    相对来说，Lonwork 总线硬件成本相对较高，并不是一个类似CAN-bus 总线的开放协议总线，单节点电路的硬件成本远远大于CAN-bus 节点硬件成本。

1.4.3 以太网

    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。

    国际上正在研究与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之一。