工業現場CAN-bus通信網絡搭建原則

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摘要：CAN-bus技術已經成為主流現場總線技術之一。基于CAN-bus網絡的控制系統廣泛應用于工業現場。工業現場由于其電磁干擾大，運行環境惡劣，不僅要求設備抗干擾能力強，還要求有一個健壯的can-bus通信網絡。文章結合工業現場對CAN-bus控制系統的網絡提出了總體搭建原則,詳細分析了CAN-bus的網絡拓撲的優劣勢，列舉現場應用常見的布線方式，電纜選型、終端電阻安裝方式及地線處理，形成了一套可行的CAN通信網絡搭建的規則。

關鍵詞：CAN-bus；網絡拓撲；布線方式；終端電阻；CANGND

隨著CAN-bus技術的發展，以CAN-bus為基礎的通信網絡系統已經廣泛使用在工業控制、軌道交通、航天航空、煤礦、酒店管理等各種場合。CAN-bus總線的控制系統已經是當今主流工業自動化控制系統之一，小至傳感器、傳動控制裝置、數字量、模擬量I/O設備，大到整個現場監控信號的集中設備，無不例外都可以看到CAN-bus的身影。復雜環境的工業環境中不但要求設備抗干擾能力強，還要依托一個穩定、可靠擴展性強的通信網絡，兩者相輔相成才能使控制系統可靠運行。強大的網絡可以為系統的穩定運行提供可靠的保障，甚至忘記它的存在，通信網絡可以認為是控制系統的中樞神經系統。

1CAN-bus搭建原則

組建一個基于CAN-bus的控制系統，意味著現場設備的所有信息通過CAN總線實時傳輸到總控制器，同樣總控制器的控制命令通過CAN總線傳輸到現場設備，由此看出CAN通信網絡搭建是整個系統的基礎工程決定著系統通信的穩定性。CAN控制系統的網絡搭建應在早期必須給予重視，做到網絡總體規劃，設計先行。網絡搭建工作需做好以下幾個步驟：首先，對控制系統充分分析和確定需求；其次，在確定需求的基礎上制定系統建設的目標，包括采用哪些設備、設備配置、應用開發和設備管理等；然后，根據應用需求的節點分布特點，選擇合適的網絡拓撲結構，確定設備型號選擇、布線方式、接線方式、電纜選擇、軟件配置；最后階段才為現場實施。

2CAN-bus拓撲結構

2.1總線型拓撲

CAN-bus典型結構是總線形拓撲，所有節點的CAN接口都連接到總線上，此時總線為所有節點提供公共信道。典型的CAN總線形拓撲為主干-分支結構，如圖1所示，它的優點：結構相對簡單，各節點的通信負載比較均衡，可靠性高，易于擴展（增加和減少節點單元比較方便）；缺點：由于信號在傳輸采用共享信道，因此需要處理多節點總線競爭的問題。

2.2星形拓撲結構

在某些特殊情況下，CAN-bus網絡也會采用星形拓撲，環形拓撲等結構。典型的星型結構如圖2所示，但是，不推薦現場直接使用圖2所示的拓撲結構，強烈建議使用圖3改進型的星形組網方式：利用一個CAN網絡集線器作為星型網絡架構中的核心點，所有網絡數據通過集線器進行轉發和路由，不但能夠有效隔離子網絡的干擾，擴充網絡容量，還能增加通信距離，需注意設計網絡時需考慮通道間報文轉發延時。環形拓撲結構常用于冗余系統，要求CAN環型網絡正常工作且當網絡斷開某處時也能正常工作。在實際應用中CAN網絡斷開的位置是不確定的，詳見圖4，因此終端電阻合理的安裝方式應當是：主控節點安裝單終端電阻120，其他節點并聯一個電阻Rct，每個節點的電阻不一定相等，但最小阻值要求大于120，當所有Rct以及終端電阻接入后CAN_H，CAN_L之間的電阻值為60左右時效果最佳。

3CAN-bus布線方式

3.1“手牽手”式

手牽手布線常用于簡單網絡，是總線的一種基本布線方式。網絡中上一個設備僅與下一個設備相連，可以形象的看成“手拉著手”，示意圖如圖6。這種布線方式下，支線長度為零，可看成只有主干線的總線形網絡。需要注意，網絡上設備的總線連接器必須是可拆卸式的連接器，當拆下設備時，不會影響網絡上其他節點的通信。布線時，終端電阻必須合理安裝，常要求在首尾兩端分別安裝一個阻值為120的終端電阻，不能只接單端或完全不接。

3.2“T型”連接

工業現場中最常采用“T型”連接的布線方式，采用標準的T型連接器使得布線變得十分容易和輕松。布線之前首先要確定總線波特率下對應最大電纜距離，表1中列舉了三種波特率與電纜長度的關系。所謂最大電纜長度，并不特指干線長度，而是網絡上任意兩個設備間最大的長度。大多數情況下，最大距離為終端電阻之間的距離。在確定最大電纜長度后，第二步須確認支線累積長度，如果波特率在1Mbps情況下，支線長度不要超過30cm，如果實際情況無法避免增加分支的長度，可使用中繼器（CAN網橋）延長通信距離，又或者降低整個網絡的通訊速率。

4電纜的選擇

電纜常用AWG標準來表示它的直徑，電纜參數詳見表2。眾所周知，越粗的導線具有更好的強度，更低的阻值，然而導線線徑越粗，制作需要的材料越多，這樣會導致電纜重量更重、安裝更難、成本也更貴。因此，選擇電纜的挑戰在于：保證網絡通信可靠穩定的前提下，使用盡可能小直徑的導線，以減小成本和安裝復雜度。隨著技術發展，導線的材料不斷改進，其性能不斷提高，導線的實際尺寸可能比標稱規格稍大或者稍小一些。市面上電纜品牌很多，參數也不盡相同，為了方便用戶選擇，推薦不同總線長度下的電纜規格，請參考表3。

5終端電阻的安裝

終端電阻用于消除傳輸阻抗不連續和不匹配，從而提高信號質量。除上述作用外，終端電阻還有另外一個重要的作用，從收發器設計原理上來看，終端電阻可以確保總線快速進入隱性電平狀態并增加抗干擾能力。開放式和密封式終端電阻詳見圖8，建議安裝在干線的末端，型號為：120，5%，1/4W。密封式終端電阻分為公頭和母頭，安裝在T型分接器上，位于支線的末端。請不要將終端電阻安裝在不可拆卸的設備上！如果這樣，當拆下該節點，可能導致整個網絡通信故障，建議使用外部的終端接頭或顯而易見的終端電阻，因為它們比內部安裝更容易發現，更容易安裝。

6CANGND的處理

雖然CAN總線使用兩根信號線進行差分傳輸，實際使用中參考電位（CAN_GND）對CAN總線有影響。CAN_GND應在網絡中的某一點被接地，需確認單點接地，否則會在CAN_GND線上形成地環流。CAN網絡的接地遵循兩個原則：（1）CAN信號的參考地（CAN_GND）必須連接，且要接到大地，須保證單點接地。（2）電纜屏蔽層接到大地，也必須保證單點接地。所有工業現場的CAN設備都應具備電氣隔離接口，實際使用中應注意設備CAN接口是否為電氣隔離接口，通常產品手冊會有提及。如果網絡中連接了一個沒有電氣隔離的CAN接口，CAN_GND的實際效果是通過該設備已經接入大地，因此，網絡中最多只能連接一個沒有電氣隔離的CAN接口。

7結語

工業現場網絡搭建工業控制系統不可或缺的部分，因此在對系統進行規劃設計時，一方面要充分考慮現場的應用需求和實現手段，另一方面要綜合現場環境、近期與遠期建設等諸多因素。工業現場中搭建通信網絡是一項復雜的工程，一個好的網絡可以節省后期大量的維護成本。搭建一個可靠穩定，可擴展性強的通信網絡是應用工程師的挑戰，也是工程師們不斷的追求。

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作者：蔡清龍 帥金泉 石啟杰 單位：廣州致遠電子有限公司 廣州思泰信息技術有限公司