CAN總線在大型潮汐物理模型控制與測量中的應用

張宏偉，劉 猛，郭文華

（上海河口海岸科學研究中心河口海岸交通行業(yè)重點實驗室，上海 201201）

1 問題的提出

現(xiàn)有的潮汐物理模型測控系統(tǒng)還有不少采用集中式控制結構，各種控制設備和測量儀器都與監(jiān)控計算機以星型結構連接，監(jiān)控計算機對儀器設備進行集中控制和數(shù)據采集。然而，隨著潮汐物理模型研究目的和研究對象的多樣化，系統(tǒng)需要采集處理的數(shù)據項目逐漸增多，模型上新增的儀器設備也越來越多，如果仍采用過去的點對點方式連接的電纜進行信號傳輸，將產生大量的電纜線路和連接器，對系統(tǒng)性能造成不利影響。

因此，潮汐物理模型在改造或新建測控系統(tǒng)時逐步采用了數(shù)據總線技術，以共享式總線通信網絡取代星型集中互聯(lián)結構。文獻資料顯示，RS485總線技術在中小型潮汐物理模型測控系統(tǒng)中得到了較多的應用［1］。作為一種多點差分數(shù)據傳輸?shù)碾姎庖?guī)范，RS485總線技術適用于組建系統(tǒng)容量 （即帶RS485功能的儀器設備串行并聯(lián)的數(shù)量）不超過15的通信網絡。對于大型潮汐物理模型至少數(shù)十臺儀器設備的應用場合，若采用RS485總線技術，則必然采取多級級聯(lián)的方式構建系統(tǒng)，但這將會增加不確定的通信延遲，對物理模型的某些邊界控制來說，這樣的延遲有時會顯著地降低其實時性和可靠性，影響模型試驗的精度和可重復性。而且，RS485只能支持點對點的通信方式，系統(tǒng)的通信協(xié)議編制和網絡調試比較復雜，實際應用中因單臺設備通信故障而導致整個系統(tǒng)癱瘓的情況時有發(fā)生。由于集中式星型互聯(lián)結構和RS485總線在應用中的上述局限性，本文采用國際標準化組織認可 （ISO11898）的控制器局域網絡 （CAN），作為長江口潮汐物理模型測控系統(tǒng)的通信總線，成功解決了系統(tǒng)的通信問題。

2 CAN總線的特性

長江口潮汐物理模型全長300m，口外最大寬度105 m，布置有20處邊界控制點和近50處水位、流速數(shù)據采集點，構建數(shù)據總線分布式測控系統(tǒng)時，其通信系統(tǒng)應滿足：數(shù)據傳輸速率高，實時性高；系統(tǒng)的整體可靠性高，即單臺設備或總線出現(xiàn)故障時對整體性能的影響盡可能小。作為一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網絡，CAN總線定義了物理層和數(shù)據鏈路層，完全能夠滿足上述要求。CAN總線具有以下特點：①以雙絞線為介質傳輸差分電氣信號，直接傳輸距離最遠可達10km，單級網絡里可接入設備數(shù)最多可達110個；②多主站結構的工作方式，各通信節(jié)點可以在任意時刻向網絡上發(fā)送信息，通信方式靈活；③采用非破壞性總線仲裁技術，保證數(shù)據傳輸?shù)目煽啃?；④采用短幀結構傳輸信號，傳輸時間短，具有較強的抗干擾能力和較高的實時性［2-4］。

3 系統(tǒng)方案設計

3.1 系統(tǒng)原理

圖1為長江口潮汐物理模型CAN總線系統(tǒng)原理框圖，由監(jiān)控計算機、模型現(xiàn)場儀器設備和通信網絡組成。各個控制器和測量儀器之間通過CAN總線進行通信，以實現(xiàn)儀器測量數(shù)據的共享、控制指令的發(fā)送和接收等。系統(tǒng)具有2個主節(jié)點：監(jiān)控計算機和蝶閥控制器。模型邊界控制值的給定與狀態(tài)顯示由監(jiān)控計算機完成；整個網絡的通信節(jié)拍控制由蝶閥控制器中移植了嵌入式實時操作系統(tǒng)的微控制器來完成。系統(tǒng)的通信內容可分為信息和命令2類，信息類包括測量數(shù)據、診斷信息、儀器和設備的狀態(tài)；命令類主要是發(fā)送給各類控制器的執(zhí)行命令。通信的主要內容如下。

圖1 長江口潮汐物理模型分布式測控系統(tǒng)架構圖

3.1.1 系統(tǒng)啟動時的自檢

監(jiān)控計算機負責向各個控制器和數(shù)據采集儀器發(fā)送自檢命令，并收集各儀器設備的返回信息，通過分析處理，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)網絡或設備故障，確保試驗前儀器設備全部工作正常。

3.1.2 走潮通信

走潮包括漲潮和落潮，是模擬潮汐水流流態(tài)的主要過程。監(jiān)控計算機根據模型多邊界控制策略，通過CAN總線向蝶閥、單向泵、雙向泵等邊界控制器發(fā)送給定數(shù)值；各控制器通過CAN總線采集測量儀器的數(shù)據，結合設定數(shù)值經具體算法向執(zhí)行機構輸出適宜的控制信號，完成多邊界的動態(tài)控制。

3.1.3 退潮通信

退潮的過程，若是通過手動電氣按鈕執(zhí)行，則設定信號直接傳遞到蝶閥控制器，同時通過CAN總線將這一動作信息廣播到監(jiān)控計算機和其他控制器。各控制器根據約定的退潮規(guī)則，調節(jié)對應執(zhí)行機構運行直到潮位降到約定的最低值。若是通過監(jiān)控程序執(zhí)行退潮操作，則系統(tǒng)CAN總線進行潮位為零的走潮過程通信。

3.1.4 狀態(tài)數(shù)據刷新通信

在約定周期內，各控制器采集電機的電樞電流、電機轉速，判斷是否缺相；各測量儀器檢測自身的工作溫度、工作電壓等狀態(tài)信息，通過CAN總線向監(jiān)控計算機發(fā)送，確保系統(tǒng)運行實時受控。

3.1.5 系統(tǒng)運行監(jiān)控

在系統(tǒng)運行過程中，檢測總線上數(shù)據幀的收發(fā)情況，及時發(fā)現(xiàn)異常，自動作出緊急處理，甚至向監(jiān)控計算發(fā)出報警信息。

3.2 網絡節(jié)點的工作狀態(tài)

系統(tǒng)的網絡節(jié)點包括連接在CAN總線上的監(jiān)控計算機、控制器和測量儀器，它們的工作狀態(tài)很大程度上決定了網絡的使用情況。各節(jié)點工作狀態(tài)之間的切換涉及到通信信息的優(yōu)先級設置、總線的喚醒策略、故障排除及自修復等問題。系統(tǒng)節(jié)點的工作狀態(tài)可分為4類。

3.2.1 初始化狀態(tài)

上電完成本地節(jié)點的初始化后，向監(jiān)控計算機發(fā)送完成信息。監(jiān)控計算機完成自檢，并收到所有節(jié)點的完成信息后，廣播系統(tǒng)初始化完成的信息。

3.2.2 運行狀態(tài)

各節(jié)點通過CAN總線實現(xiàn)測量數(shù)據、控制命令的發(fā)送和接收。當休眠條件滿足時，節(jié)點轉入休眠狀態(tài)；當節(jié)點故障計數(shù)器的計數(shù)值超過設定值時，節(jié)點轉入總線關閉狀態(tài)。

3.2.3 總線關閉狀態(tài)

處于關閉狀態(tài)的節(jié)點延遲一段時間后，嘗試將通信轉移到備用總線上。若轉移成功，初始化后發(fā)送主總線故障信息。若轉移不成功，則永久脫離總線，并點亮自身的故障led。節(jié)點總線關閉后，必須復電才能重啟。

3.2.4 休眠狀態(tài)

整個節(jié)點關閉電機驅動回路，處于低功耗模式，一旦接收到本地喚醒信號或通過CAN總線傳來的遠程喚醒信號，就從休眠狀態(tài)轉入運行狀態(tài)，其間需要使用網絡初始化信息。

3.3 通信協(xié)議

CAN總線標準沒有規(guī)定應用層，可以根據應用需要編制通信協(xié)議，最大限度地發(fā)揮CAN總線的優(yōu)異性能。

3.3.1 通信幀ID編碼

CAN總線采用非破壞性總線仲裁技術，通過通信協(xié)議幀ID的編碼可以支持點對點、組播、廣播等多種傳輸方式［3］。當總線上有多個節(jié)點同時進行發(fā)送時，通過 “無損的逐位仲裁”方法使有最高優(yōu)先權的通信幀優(yōu)先發(fā)送。在CAN總線上發(fā)送的每一條通信幀都具有唯一的1個11位或29位數(shù)字的ID。傳輸過程中高位先發(fā)，CAN總線狀態(tài)取決于二進制數(shù) “0”而不是 “1”［4］，因此通信幀ID號設置越小，其擁有的總線競爭優(yōu)先權越高。本系統(tǒng)采用11位ID號對通信協(xié)議幀進行編碼。表1給出了系統(tǒng)通信協(xié)議幀的ID分配，高5位標識設備，低6位用于同類設備的地址設置。監(jiān)控計算機和蝶閥控制器的發(fā)送信息為高優(yōu)先級。

3.3.2 通信方式

系統(tǒng)通信協(xié)議以 “周期同步，分時應答”的方式運行（見圖2）。由于監(jiān)控計算機安裝的Windows是多任務操作系統(tǒng)，難以勝任實時控制的時間精度要求，由可進定時中斷處理的蝶閥控制器協(xié)調系統(tǒng)運行節(jié)拍。監(jiān)控計算機與現(xiàn)場儀器設備之間采用分時應答的方式交換數(shù)據。在實際工作中，監(jiān)控計算機在蝶閥控制器的協(xié)調下，按照固定節(jié)拍（100ms）定時向各儀器設備發(fā)送控制信息，控制設備在收到控制指令后，立即響應指令，并返回上一周期的狀態(tài)信息；測量儀器在收到控制指令后，返回上一周期的測量數(shù)據；若連續(xù)20個周期未收到監(jiān)控計算機的控制信息，現(xiàn)場節(jié)點通過異常幀向監(jiān)控計算機返回其地址信息報警。

表1 通信協(xié)議幀ID分配表

為避免發(fā)生沖突消耗時間，除了蝶閥控制器外，要求每個現(xiàn)場節(jié)點只有在收到監(jiān)控計算機的消息后才能向其發(fā)送消息，即除蝶閥控制器外每個節(jié)點的通信都是由監(jiān)控計算機發(fā)起和控制的。

圖2 “周期同步，分時應答”的系統(tǒng)通信圖

3.4 雙總線冗余設計

由于潮汐物理模型的環(huán)境條件比較惡劣，特別是模型進行土建改造時，通信電纜易受拉、壓、砸、擠等而發(fā)生故障。從提高系統(tǒng)通信保障能力的目的出發(fā)，采用總線冗余的方法，通過使用2條CAN總線電纜來實施通信，其基本設計思路如下：系統(tǒng)布置好2條有較大間隔距離的CAN總線，監(jiān)控計算機和每臺現(xiàn)場儀器設備都設計有2路CAN通道，正常工作時只有1路CAN通道和1路CAN總線起作用。出現(xiàn)總線故障時，總線切換邏輯根據錯誤類型選擇另一路CAN通道或是另一路CAN總線?，F(xiàn)場節(jié)點保持對錯誤計數(shù)的檢測，當計數(shù)超過出錯報警極限后，將進入脫離總線狀態(tài)，同時節(jié)點將切換CAN通道。

4 系統(tǒng)應用

系統(tǒng)開發(fā)并在長江口潮汐物理模型安裝與調試后，從2個方面對系統(tǒng)的運行性能進行了評估：①網絡通信。系統(tǒng)容量為66個節(jié)點，通信波特率設置為50kbps的條件下，采用CAN分析儀實時記錄一段運行時間內的全部信息及其發(fā)生的時刻，時間分辨率為0.1ms。對記錄數(shù)據進行分析的結果表明：系統(tǒng)的通信周期設計為100.0ms時，實際運行中，信息的出現(xiàn)周期集中在100.0ms附近，其最小值和最大值分別為99.6ms和100.5ms，周期抖動在0.5ms以內；通信協(xié)議內各通信幀的發(fā)生井然有序，沒有遺漏或重復，網絡運行沒有沖突、阻塞現(xiàn)象。系統(tǒng)的CAN總線通信具有較好的實時性和可靠性；②測控效果。網絡通信的性能最終要從系統(tǒng)潮汐物理模型邊界控制和數(shù)據采集的最終效果來體現(xiàn)，主要包括潮位控制、上游單向流量控制和外海旋轉流的雙向控制，以及水位、流速數(shù)據的采集，其中潮位控制是衡量和檢驗系統(tǒng)整體性能的關鍵指標。根據潮流泥沙模擬技術的行業(yè)規(guī)范，模型潮位偏差在正式試驗時段內應控制在1mm以內，表2為系統(tǒng)運行時隨機抽取的一次全潮潮位控制偏差情況。雖然系統(tǒng)在平潮階段的潮差（0.3～0.5mm）要比生潮階段的漲落偏差 （0.1～0.2mm）大1倍，但其最大潮差也僅為規(guī)范要求值的1／2，總體來看明顯優(yōu)于規(guī)范要求。

表2 CAN通信的潮汐模型水位控制偏差表

系統(tǒng)經評估驗收后，已經在橫沙東灘促淤圍堤工程、青草沙水庫工程、南京以下深水航道上延等多個潮汐模型定床、動床試驗研究中得到應用。結果表明，在雙絞線物理連接良好的條件下，個別節(jié)點的通信故障不會影響網絡通信，系統(tǒng)運行整體穩(wěn)定可靠，模型試驗結果的可重復性好。

5 結 語

隨著潮汐物理模型模擬研究技術的發(fā)展，其測控系統(tǒng)需要集成的儀器設備種類和數(shù)量都在不斷增加，集中式星型互聯(lián)結構、RS485總線等常規(guī)的系統(tǒng)集成技術因其固有的局限性而越來越難以勝任。采用新的數(shù)據總線技術設計和開發(fā)測控系統(tǒng)已成為一種必然趨勢。本文結合潮汐物理模型實際運行的特點，具體討論了CAN總線技術的應用，詳細介紹了CAN總線系統(tǒng)的原理、節(jié)點狀態(tài)描述、通信協(xié)議設計，并采用雙總線冗余設計思想來實現(xiàn)系統(tǒng)設計。實際應用結果表明：該系統(tǒng)能夠完成模型控制和數(shù)據采集所需的正常通信，達到了較高的性能指標，實現(xiàn)了明顯優(yōu)于規(guī)范要求的測控效果。

［1］朱伯榮，陳志昌，羅曉峰.長江口河工模型試驗中的儀器設備［J］.水利水運工程學報，2005（1）：63-66.

［2］饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現(xiàn)場總線CAN原理與應用技術［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2002.

［3］鄔寬明.現(xiàn)場總線技術應用選編3［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

［4］魏豐，潘小虎，曾勇，等.光纖CAN總線集線器及其組網研究 ［J］.儀器儀表學報，2011，32（12）：2840-2844.