船舶CAN-BUS工控网络实验装置

船舶CAN-BUS工控网络实验装置

一、CAN-BUS通信协议概述

CAN-BUS，即控制器局域网络，是德国博世公司在1986年开发的一种国际标准化串行通信协议（ISO 11898和ISO 11519）。它最初是为了满足汽车领域对安全性、舒适性、环保性和成本效益的要求而设计的。在汽车电子控制系统中，不同系统间通信的数据类型和可靠性要求各异，导致线束数量庞大。CAN-BUS通过减少线束数量和实现高速数据通信，解决了这一问题。如今，它已成为欧洲汽车网络的标准协议，并广泛应用于工业自动化、船舶、医疗设备等领域。

二、CAN-BUS的特点

（一）多主控制

在总线空闲时，所有连接单元均可开始发送消息。最先访问总线的单元获得发送权（CSMA/CA方式）。若多个单元同时发送，发送高优先级ID消息的单元将获得发送权。

（二）消息发送机制

所有消息以固定格式发送。总线空闲时，所有连接单元可开始发送新消息。多个单元同时发送时，根据标识符（ID）决定优先级。ID表示消息的优先级而非目的地址。通过逐位仲裁比较ID，获胜单元继续发送，失利单元转为接收。

（三）系统灵活性

连接单元无固定“地址”信息，可在总线上增加单元，无需改变其他单元的软硬件及应用层。

（四）通信速度

根据网络规模，可设定统一的通信速度，确保所有单元通信速度一致，避免错误信号输出。不同网络间可有不同的通信速度。

（五）远程数据请求

可通过发送“遥控帧”请求其他单元发送数据。

（六）错误检测与恢复

所有单元均可检测错误并通知其他单元。检测到错误的单元会强制结束发送，直至成功发送前不断重新发送。

（七）故障隔离

CAN可区分暂时数据错误和持续数据错误。发生持续数据错误时，可将故障单元从总线上隔离。

（八）连接能力

CAN总线理论上可连接多个单元，实际连接数量受时间延迟及电气负载限制。降低通信速度可增加连接单元数，反之则减少。

三、PCB设计说明

（一）设计思路

电路板（除通信电路板）采用核心板+底板设计，核心板相同，底板焊接不同功能模块。底板的电源部分及通信接口部分设计相同，其他部分实现具体功能。

（二）电路板分类

包括核心板、DO（数字量输出）底板、DIN（数字量输入）底板、RO（继电器输出）底板、AIN（模拟量输入）底板、AO（模拟量输出）底板和通信板。

（三）核心板资源

核心板包含CPU及最小单元、数码管、调试及复位接口、底板接口、DA单元、AD单元、模拟量电源单元、USB转TTL接口单元、CAN接口单元、RS485接口单元、RS232接口单元、状态指示灯、功能选择开关、掉电数据存储芯片、数码管驱动单元、运行指示灯等。

（四）底板共性资源

1. 电源输入接口：控制电路和数字量驱动电路可分别单独供电或共用一路电源。DI/DO/RO电路板需两路电源，AI/AO电路板可只提供控制电路24V。

2. 控制电源处理单元。

3. 内部输入/输出，外部输入/输出切换开关：用于切换内外信号源及目标。

4. 外部接线端子。

5. CANBUS接口。

6. RS485接口。

7. RS232接口。

8. 控制位置选择开关：输出性质电路板可选择软件控制或硬件控制。

9. 核心板接入区域。

（五）功能电路板详解

1. 数字量输入电路板（DIN）

包含光电隔离单元、电压转化单元（5V转3.3V）、输入船型开关。在硬件控制模式下，1-10通道控制DO通道1-10，11-20通道控制RO通道1-10。

2. 数字量输出电路板（DO）

包含P-MOS管单元、光电隔离单元、指示单元（双色LED）、CPU电源转化单元、PTC自恢复保险丝。在硬件控制模式下，受电路板第1-10路输入信号控制。

3. 继电器输出电路板（RO）

包含P-MOS单元、光电隔离单元、继电器单元、指示单元、CPU电压转换单元。在硬件控制模式下，受DI电路板第11-20路输入信号控制。

4. 模拟量输入电路板（AIN）

包含电压表指示单元、电位计单元、数码管驱动单元。在硬件控制模式下，输入信号控制模拟量输出对应通道。

5. 模拟量输出电路板（AO）

包含输出电流显示、数码管驱动电路。在硬件控制模式下，输出信号受AI电路板对应通道控制。

6. 通信电路板

包含CPU及最小系统单元、Can接口芯片单元、RS485接口芯片单元、USB供电处理单元、指示单元、掉电数据保存单元、RS232单元、调试单元、USB接口芯片单元、功能选择开关、电源保护单元、USB接口、Can总线接口、RS232接口、RS485接口。

四、系统应用与数据交互

该系统针对CAN-BUS通信原理及应用进行演示，所有控制数据及反馈数据经CAN-BUS总线交叉传输。每块电路板存储网络所有数据，实时记录两两之间的通信状态，并通过CAN-BUS传输到网络上。数据在DI/DO/RO/AO/AI之间周期性交换（约0.7秒），通信电路板将CAN-BUS数据通过USB-TTL路由到PC，提供数据源并接受PC指令，实现软件控制。六块电路板形成两两交叉的CAN数据交互模型，软件可监视每两块电路板之间的CAN-BUS联通情况。