工业现场CAN-bus通信网络搭建原则

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摘要：CAN-bus技术已经成为主流现场总线技术之一。基于CAN-bus网络的控制系统广泛应用于工业现场。工业现场由于其电磁干扰大，运行环境恶劣，不仅要求设备抗干扰能力强，还要求有一个健壮的can-bus通信网络。文章结合工业现场对CAN-bus控制系统的网络提出了总体搭建原则,详细分析了CAN-bus的网络拓扑的优劣势，列举现场应用常见的布线方式，电缆选型、终端电阻安装方式及地线处理，形成了一套可行的CAN通信网络搭建的规则。

关键词：CAN-bus；网络拓扑；布线方式；终端电阻；CANGND

随着CAN-bus技术的发展，以CAN-bus为基础的通信网络系统已经广泛使用在工业控制、轨道交通、航天航空、煤矿、酒店管理等各种场合。CAN-bus总线的控制系统已经是当今主流工业自动化控制系统之一，小至传感器、传动控制装置、数字量、模拟量I/O设备，大到整个现场监控信号的集中设备，无不例外都可以看到CAN-bus的身影。复杂环境的工业环境中不但要求设备抗干扰能力强，还要依托一个稳定、可靠扩展性强的通信网络，两者相辅相成才能使控制系统可靠运行。强大的网络可以为系统的稳定运行提供可靠的保障，甚至忘记它的存在，通信网络可以认为是控制系统的中枢神经系统。

1CAN-bus搭建原则

组建一个基于CAN-bus的控制系统，意味着现场设备的所有信息通过CAN总线实时传输到总控制器，同样总控制器的控制命令通过CAN总线传输到现场设备，由此看出CAN通信网络搭建是整个系统的基础工程决定着系统通信的稳定性。CAN控制系统的网络搭建应在早期必须给予重视，做到网络总体规划，设计先行。网络搭建工作需做好以下几个步骤：首先，对控制系统充分分析和确定需求；其次，在确定需求的基础上制定系统建设的目标，包括采用哪些设备、设备配置、应用开发和设备管理等；然后，根据应用需求的节点分布特点，选择合适的网络拓扑结构，确定设备型号选择、布线方式、接线方式、电缆选择、软件配置；最后阶段才为现场实施。

2CAN-bus拓扑结构

2.1总线型拓扑

CAN-bus典型结构是总线形拓扑，所有节点的CAN接口都连接到总线上，此时总线为所有节点提供公共信道。典型的CAN总线形拓扑为主干-分支结构，如图1所示，它的优点：结构相对简单，各节点的通信负载比较均衡，可靠性高，易于扩展（增加和减少节点单元比较方便）；缺点：由于信号在传输采用共享信道，因此需要处理多节点总线竞争的问题。

2.2星形拓扑结构

在某些特殊情况下，CAN-bus网络也会采用星形拓扑，环形拓扑等结构。典型的星型结构如图2所示，但是，不推荐现场直接使用图2所示的拓扑结构，强烈建议使用图3改进型的星形组网方式：利用一个CAN网络集线器作为星型网络架构中的核心点，所有网络数据通过集线器进行转发和路由，不但能够有效隔离子网络的干扰，扩充网络容量，还能增加通信距离，需注意设计网络时需考虑通道间报文转发延时。环形拓扑结构常用于冗余系统，要求CAN环型网络正常工作且当网络断开某处时也能正常工作。在实际应用中CAN网络断开的位置是不确定的，详见图4，因此终端电阻合理的安装方式应当是：主控节点安装单终端电阻120，其他节点并联一个电阻Rct，每个节点的电阻不一定相等，但最小阻值要求大于120，当所有Rct以及终端电阻接入后CAN_H，CAN_L之间的电阻值为60左右时效果最佳。

3CAN-bus布线方式

3.1“手牵手”式

手牵手布线常用于简单网络，是总线的一种基本布线方式。网络中上一个设备仅与下一个设备相连，可以形象的看成“手拉着手”，示意图如图6。这种布线方式下，支线长度为零，可看成只有主干线的总线形网络。需要注意，网络上设备的总线连接器必须是可拆卸式的连接器，当拆下设备时，不会影响网络上其他节点的通信。布线时，终端电阻必须合理安装，常要求在首尾两端分别安装一个阻值为120的终端电阻，不能只接单端或完全不接。

3.2“T型”连接

工业现场中最常采用“T型”连接的布线方式，采用标准的T型连接器使得布线变得十分容易和轻松。布线之前首先要确定总线波特率下对应最大电缆距离，表1中列举了三种波特率与电缆长度的关系。所谓最大电缆长度，并不特指干线长度，而是网络上任意两个设备间最大的长度。大多数情况下，最大距离为终端电阻之间的距离。在确定最大电缆长度后，第二步须确认支线累积长度，如果波特率在1Mbps情况下，支线长度不要超过30cm，如果实际情况无法避免增加分支的长度，可使用中继器（CAN网桥）延长通信距离，又或者降低整个网络的通讯速率。

4电缆的选择

电缆常用AWG标准来表示它的直径，电缆参数详见表2。众所周知，越粗的导线具有更好的强度，更低的阻值，然而导线线径越粗，制作需要的材料越多，这样会导致电缆重量更重、安装更难、成本也更贵。因此，选择电缆的挑战在于：保证网络通信可靠稳定的前提下，使用尽可能小直径的导线，以减小成本和安装复杂度。随着技术发展，导线的材料不断改进，其性能不断提高，导线的实际尺寸可能比标称规格稍大或者稍小一些。市面上电缆品牌很多，参数也不尽相同，为了方便用户选择，推荐不同总线长度下的电缆规格，请参考表3。

5终端电阻的安装

终端电阻用于消除传输阻抗不连续和不匹配，从而提高信号质量。除上述作用外，终端电阻还有另外一个重要的作用，从收发器设计原理上来看，终端电阻可以确保总线快速进入隐性电平状态并增加抗干扰能力。开放式和密封式终端电阻详见图8，建议安装在干线的末端，型号为：120，5%，1/4W。密封式终端电阻分为公头和母头，安装在T型分接器上，位于支线的末端。请不要将终端电阻安装在不可拆卸的设备上！如果这样，当拆下该节点，可能导致整个网络通信故障，建议使用外部的终端接头或显而易见的终端电阻，因为它们比内部安装更容易发现，更容易安装。

6CANGND的处理

虽然CAN总线使用两根信号线进行差分传输，实际使用中参考电位（CAN_GND）对CAN总线有影响。CAN_GND应在网络中的某一点被接地，需确认单点接地，否则会在CAN_GND线上形成地环流。CAN网络的接地遵循两个原则：（1）CAN信号的参考地（CAN_GND）必须连接，且要接到大地，须保证单点接地。（2）电缆屏蔽层接到大地，也必须保证单点接地。所有工业现场的CAN设备都应具备电气隔离接口，实际使用中应注意设备CAN接口是否为电气隔离接口，通常产品手册会有提及。如果网络中连接了一个没有电气隔离的CAN接口，CAN_GND的实际效果是通过该设备已经接入大地，因此，网络中最多只能连接一个没有电气隔离的CAN接口。

7结语

工业现场网络搭建工业控制系统不可或缺的部分，因此在对系统进行规划设计时，一方面要充分考虑现场的应用需求和实现手段，另一方面要综合现场环境、近期与远期建设等诸多因素。工业现场中搭建通信网络是一项复杂的工程，一个好的网络可以节省后期大量的维护成本。搭建一个可靠稳定，可扩展性强的通信网络是应用工程师的挑战，也是工程师们不断的追求。

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作者：蔡清龙 帅金泉 石启杰 单位：广州致远电子有限公司 广州思泰信息技术有限公司