基于CAN总线的集散控制系统智能节点的设计

在自动化领域中，集散控制系统（Distributed Control System，DCS）已经是一个成熟的控制系统，它通过分散控制、集中操作的方式，提高了工业自动化水平。现场总线技术的发展，尤其是CAN（Controller Area Network）总线技术，为集散控制系统的智能化带来了新的机遇。 CAN总线技术起源于20世纪80年代中期，最初由德国博世公司（Robert Bosch GmbH）为汽车工业设计，用以改善车辆中各控制单元之间的通信。随着技术的成熟和标准化，CAN总线逐步扩展到其他工业自动化领域，成为一种非常流行和可靠的通信协议。CAN总线的特点在于它支持多主通信，所有节点均具有相同的地位，没有主从区分，通信基于报文滤波，无需专门的调度机制。 CAN总线集散控制系统的智能节点设计，包含几个关键部分，包括上位机、CAN总线控制网络和CAN智能节点。上位机主要负责系统的在线监控，通常通过CAN适配卡与CAN总线连接，以实现对整个系统的集中监控与管理。CAN智能节点则是集散控制系统中的执行单元，它负责数据采集、处理、控制和显示等功能。 CAN总线智能节点的设计，关键在于硬件选择和电路设计。硬件设计上，常用的CAN控制器可以分为两类：一类是独立的CAN控制器，另一类是集成CAN功能的微控制器。本文选用了Intel的87C196KD微处理器和PHILIP的SJA1000CAN控制器进行设计。SJA1000是一个性能优异的CAN总线控制器，它能够实现CAN总线通信协议的物理层和数据链路层的所有功能。它支持两种工作模式：Basic mode和Peli mode，其中Peli mode能够支持扩展帧和更多种类的报文标识符。由于Peli mode的帧长度较长，为了提高效率，通常在实际设计中会优先选择Basic mode。 在硬件电路设计中，智能节点主要由五个部分组成：微控制器87C196KD、独立CAN控制器SJA1000、CAN总线收发器82C250、高速光电耦合器6N137和复位电路。87C196KD作为智能节点的核心，负责处理数据采集和控制逻辑。SJA1000控制器负责处理CAN通信协议的相关功能，与微控制器之间通过数据总线、地址总线和中断信号线相连。CAN收发器82C250作为控制器与物理总线之间的接口，负责发送和接收CAN总线上的信号，通过匹配电阻以消除信号反射。高速光电耦合器6N137用于隔离和保护电路，提升抗干扰性能。复位电路则保证了系统在异常情况下能够正常重启。 在应用中，CAN总线的通信速度和通信距离都有相对理想的表现。其通信速率最高可达1Mbps，而通信距离在不同速率下可达到10km到40m不等。节点数目方面，其主要取决于总线驱动电路的限制，一般可达110个节点。CAN的报文标识符种类多，其中CAN2.0A标准支持2032种标识符，而CAN2.0B标准支持更广泛的标识符，几乎不受限制。此外，CAN总线具有良好的错误检测和处理机制，包括循环冗余校验（CRC）和非破坏性总线仲裁技术。 针对现场环境的复杂性，CAN总线控制系统智能节点还应具备良好的抗干扰能力，这通常通过在硬件设计中加入滤波和隔离措施来实现。例如，在CAN控制器和收发器之间加入高速光耦合器，可以有效隔离电气干扰，确保数据通信的稳定性和可靠性。 基于CAN总线的集散控制系统智能节点的设计涵盖了自动化控制系统的核心技术点，包括CAN总线技术的特性、智能节点的硬件设计思路以及如何实现高效率、高可靠性的现场通信。这些知识在工业自动化领域中具有重要的应用价值，对于工程师来说，理解和掌握这些知识点，有助于设计和实现更加稳定和智能的自动化控制系统。