摘要：针对煤矿设备与工业以太环网的可靠快速接入问题，设计基于隔离式CAN总线网络的煤矿设备与工业以太环网的接入通信系统，采用ADM3052进行隔离式CAN物理层收发器设计，详细分析了如何计算控制器参数使隔离式CAN网络高速运行，并采用CANopen协议作为CAN网络应用层通信协议。系统将隔离式CAN网络用于不同系统间的长距离的串行通信，保障了煤矿恶劣环境中矿井通信的实时性和物理安全性。
关键词：矿井通信；CAN总线网络；工业以太环网
中图分类号：TP277文献标识码：A
文章编号：1672-1098（2012）03-0012-05
煤炭市场需求预计到2015年将达40亿吨，在能源结构中的比例约占50%，“十二五”时期煤矿安全生产面临着巨大的机遇和挑战。但随着对煤炭需求量不断增加，煤矿开采强度不断加大，高效安全的煤矿通信系统是十分必要的。目前现代化矿井通信系统主要采用工业以太环网作为通信骨干网，结合工业现场总线网络和其它各种无线接入网络，形成一个覆盖全矿井的监测、监控系统[1-2]。其中CAN作为一种高速、可靠的现场总线网络，非常适合于煤矿井下关键设备的实时性监控[3]。煤矿井下电气设备各异，不同的电气设备通过CAN总线网络接入到工业以太环网，连接两个系统的电缆总线上若出现不需要的电流和电压，可能会导致严重问题。如电动马达等有较大电流开关的设备工作时会造成接地电位迅速变化，其他感应电涌源还包括静电放电（ESD）和雷击[4]。这些感应产生的电涌会在线路上产生数百、甚至数千伏电位，表现为瞬态电流和电压浪涌。这些不受控制的电压和电流会破坏信号，并且对本地收发器元件和系统而言可能是灾难性的，会造成连接至总线的元件损坏并导致系统故障。CAN总线系统通过40米或更长的电缆运行并互连多个系统，因此极易受这类事件影响[5]。为防范此类潜在性的破坏，总线上以及连接至总线的系统上的所有设备都必须参考同一地线。即连接至CAN总线的系统和每个CAN总线收发器都具有独立且隔离的地线。CAN总线系统参考同一地线可消除接地环路，从而防止接地环路和电涌破坏电路。隔离还允许CAN总线电路基准电平随电缆线路上出现的任何电涌而上升或下降。允许电路基准电压源随浪涌移动，而不是将其箝位于固定地，可防止器件受到损坏或毁坏[6]。针对煤矿井下CAN总线网络特点，设计基于隔离式CAN总线网络的煤矿设备与光纤环网的接入通信系统，系统将隔离式CAN网络用于不同系统间的长距离的串行通信，保障了煤矿恶劣环境中矿井通信的实时性和物理安全性。
1隔离式CAN网络通信系统设计
现代化煤矿通信骨干网为1000M工业以太环网。它除接入各种监测监控系统外，将有线IP电话、无线移动电话、人员定位系统、数字视频系统都接入网络。主干网通过工业级交换机为全矿地面及井下各个子系统提供方便灵活的工业以太网接口。地面调度控制中心通过服务器完成矿山各系统的监控、人员安全感知、设备健康状态感知等。CAN总线网络分布在地面和井下，通过网关分段接入骨干网，实现井下主要工作区域的网络覆盖（见图1）。CAN总线网络除用于各种需要分布式移动监测，如移动变电站、采煤机等关键设备，还可用于矿山灾害监测，也可扩展为语音及视频提供传输通道。
图1煤矿以太环网通信系统
由于CAN总线系统通常用于连接多个不同系统，铺设距离长，因此总线和所连接的各系统之间的隔离非常关键。隔离可以防止CAN总线电缆网络与连接至总线的系统之间的过压瞬变造成破坏，同时消除网络中的接地环路，减少信号失真和误差，并防止电压/接地失配影响电路，所以CAN总线采用隔离式网络，其结构如图2所示，设计电路如图3所示。
CAN总线要求通过电阻连接实现隐性状态，并要求通过CANH和CANL的组合实现显性状态。数字隔离器并不支持这种信号标准。因此，无法在CAN总线收发器与电缆之间插入数字隔离器。ADM3052是一款隔离式控制器区域网络物理层收发器，集成隔离DC/DC转换器，符合ISO 11898标准。ADM3052采用ADI公司的iCoupler数字隔离技术，ADM3052 CAN收发器在4线CAN总线配置与微控制器或DSP（数字信号处理器）之间提供5kVrms隔离，同时具有CAN总线规范所要求的物理层特性。在CAN协议控制器与物理层总线之间创建一个完全隔离的接口。
2隔离式CAN网络通信参数分析
隔离式CAN网络的传播延迟比非隔离式CAN网络要长， 但ADM3052的传播延迟显著短于光耦， 能以最高1Mbps的数据速率工作。 更短的传播延迟意味着处理器与总线之间的信号响应时间更快，这在仲裁期间特别重要， 因为每个节点必须决定哪一条消息享有优先权并控制总线。 因此， 传播延迟时间将决定数据速率和总线的最大容许线路长度。 一个CAN比特由四个独立的时间段组成（见图4）： 同步段（SYNC-SEG）、 传播段（PROP-SEG）、相位段1（PHASE-SEG1）和相位段2（PHASE-SEG2）。 这些时间段可以在CAN控制器中进行编程。
图4CAN标称比特时间
CAN采用逐位仲裁方式，不同的节点可以争夺总线访问权，这就导致多个节点同时传输数据。传输节点必须对总线上的数据进行采样，以便确定它是否赢得仲裁。由于系统的传播延迟，控制器必须补偿各位采样的时间。在控制器中设置PROP-SEG可以提供此补偿。
使用如下假设条件：电缆长度为20 m，数据速率或比特率为1 Mbps，电缆传播延迟为5 ns/m，CAN控制器振荡器频率为36 MHz。
对于ADM3052，从TxD到RxD的传播延迟为250 ns（最大值）。电缆的物理延迟等于5 ns/m乘以电缆长度20 m，结果为100 ns。因此，通过系统并返回的总传播时间为：
2（传播延迟+收发器传播延迟）=2×（100+250）=700 ns。
为了给控制器编程，必须将寄存器设置为“时间量子”的整数倍。时间量子的时长等于CAN系统时钟的时间周期，设为28 ns。
对于28 ns的时间量子，每位包括36（1000/28=36）个时间量子。
PROP-SEG=ROUND-UP（700 ns/28 ns）=25个时间量子。
从每位的36个时间量子中，减去用于PROP-SEG的25个时间量子和用于SYNC-SEG的1个时间量子，余下的时间量子分配给PHASE-SEG1和PHASE-SEG2，每段5个。
CAN系统时钟存在容差，因而会出现累积相位误差。这要求系统通过再同步跳跃（RJW）同步，RJW为4和PHASE-SEG1二者中的较小值。
3通信协议
在CAN2.0规范中，除了定义物理层和数据链路层外，并未定义ISO参考模型的其他层结构。为了实现不同生产厂家的电气设备能通过CAN总线网络进行通信，系统在应用层采用CANopen作为CAN网络通信协议，这样可实现不同设备的互用性与互换性，避免信息出现“信息孤岛”[7-8]。系统采用CANopen作为CAN网络通信协议，并通过网关实现多个CANopen从站设备与基于TCP/IP的骨干网的相互通信。网关在CANopen网络上是CANopen主站，在EtherNet网络上是TCP Server，可以实现多个CANopen从站与具有TCP Client设备之间的数据通信。CANopen是基于CAL（CAN Application Layer）并继承了CAL的通讯和服务协议子集。CANopen标准主要包括通讯子协定、设备子协定和寻址方案，它支持设备监控、网络管理和节点间的通讯。
一个CANopen 设备至少需要对象字典、通信接口和应用程序，他们之间的联系如图5所示。CANopen总线上收发通信对象的服务由通信协议接口实现，不同CANopen设备间的通信都是通过交换通信对象来完成的。CANopen协议中定义了4种通信对象（通信模式），用于对不同作用的信息进行处理：NMT对象（网络管理对象）、SDO对象（服务数据对象）、PDO对象（过程数据对象）、特殊功能对象。
其中对象字典用来设定设备组态及进行非即时的通讯。对象字典由16位元索引变量阵列构成，并通过变量调整设备的组态。一个CANopen设备至少需要一个服务数据对象SDO（Service Data Object）以支持必要的网络管理服务。CANopen 设备间采用master/slave、client/server和producer/consumer三种通信模型。其中client/server模型在 SDO 协定中定义，SDO client 将对象字典的索引及子索引传送给 SDO server，并由此产生若干个需求数据的 SDO 封包。producer/consumer通信模型设备至少需要一个过程数据对象PDO（Process Data Object），通过PDO协定可在多个节点间即时交换资料。为了保证CANopen设备的兼容性需求，CANopen设备需要满足一致性、互用性和互换性。
图5CANopen设备软件结构
CANopen设备通过状态机 （state machine）控制实现启动及重置。状态机需包括以下的几个状态：初始化，预操作，操作和停止四个状态。当CANopen设备接收到网络管理 （NMT） 通讯对象，根据状态变更命令，状态机会转换到对应的状态。CANopen设备节点必须支持最小boot-up，CANopen设备最小化boot-up节点状态转换如图6所示。图6中的字母（a，b，d，e，f）表示CANopen设备节点在不同状态时可以使用的通讯对象。
CANopen设备节点状态转移由NMT命令服务发起，NMT服务在任何时候都可使节点进入不同工作状态。NMT命令函数如下：
1：Start-Remote-Node （0x01）
2：Stop-Remote-Node （0x02）
3：Enter-Pre-Operational-State （0x80）
4：Reset-Node （0x81）
5：Reset-Communication （0x82）
6：设备初始化结束，自动进入Pre-Operational状态，发送Boot-up消息
a：NMT；b：Node Guard；c：SDO；d：Emergency；e：PDO；
f：Boot-up。
在系统中各个从节点被配置成监测状态，从节点周期性的向主节点发送心跳报文，主节点通过心跳报文来判断各个从节点所处的工作状态（见图7）。在系统初始化后，首先从节点进入预操作状态，发送Boot-up报文通知主节点。然后主节点向从节点发送SDO报文对其进行对象字典配置，配置结束后向主节点发送握手信息。继续等待接收主节点的NMT报文，并根据NMT改变从节点工作状态。
4结论
CAN总线规范的灵活性和高抗噪声干扰能力使该协议更适用于煤矿各系统间通信。针对系统间通信电缆系统很容易受过压瞬变和接地环路的干扰和破坏，设计基于隔离式CAN总线网络的煤矿设备与工业以太环网的接入通信系统，详细分析了高速通信下的隔离式CAN网络控制器参数，使其能以1Mbps的速度运行，并采用CANopen协议作为CAN网络应用层通信协议。系统将隔离式CAN网络用于不同系统间的煤矿长距离的串行通信，以数字方式将CAN总线与连接至总线的各系统隔离开来，减少信号失真和误差，并防止系统和元件受系统和总线电压及接地失配影响，同时CANopen在保证网络节点互用性的同时允许节点的功能随意扩展，保障了煤矿恶劣环境中矿井通信的实时性和物理安全性。
参考文献：
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（责任编辑：何学华，吴晓红）