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案例详细
标题基于CAN总线的机场助航灯光监控系统设计
技术领域PLC&PAC
行业包装
简介文章介绍了基于CAN总线的机场助航灯光监控系统设计，并对系统实施过程中的一些关键问题和相应的解决措施进行了说明。
内容


1  前言

    机场助航灯光系统是机场飞行安全的重要保障。综合运用电子、计算机和网络等先进技术对机场各种助航灯光设备进行监视、控制和管理成为当前机场现代化建设的重要内容。随着3Ｃ技术（Computer、Control、Communication）的发展和在机场中的应用，机场助航灯光监控系统逐步发展成为现场总线监控系统(FCS)，实现了现场设备的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，使用于自动控制的现场总线网络与机场运营管理的局域网有机地结合，极大地提高了机场的运行效率和安全性。本文介绍的机场助航灯光监控系统是基于CAN技术的现场总线监控系统，针对 CAN总线论述了其特点、适配卡的设计和在机场灯光综合监控网络中的应用。

2  CAN总线的特点

    现场总线是连接智能现场设备和自动控制系统的数字式双向传输、多分支结构的通信网络。控制器局域网CAN总线是德国Bosch公司从20世纪80年代初为解决汽车中众多控制与测试仪器之间的互连数据通信而开发的一种串行数据通信协议，是国际FF协会推荐的两种先进的现场总线之一[1]。CAN总线的主要特点可概括如下：

    (1) CAN网络和协议遵从ISO11898标准，废除了传统的站地址编码，而代之以对通讯数据块进行编码，使网络内的节点数在理论上不受限制，增减节点时也不必对任何节点的软硬件进行修改；
    (2) 它是一种多主总线，即每个节点机均可成为主机，且节点机之间也可进行通信；
    (3) CAN 网络上的节点信息具有优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在140µs内得到传输；
    (4) 数据段长度最多为8个字节。可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性；
    (5) CAN 节点在自身发生严重错误的情况下具有自动关闭功能，从而保证网络上其他节点的操作不受影响；
    (6) CAN协议采用CRC（循环冗余码）检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。
    CAN总线所具有的卓越性能、极高的可靠性和独特设计，特别适用于分布式测控系统之间的数据通讯[2]，完全满足机场助航灯光监控系统对于实时性、可靠性、稳定性的要求。

3  CAN适配卡设计

    在基于CAN总线的助航灯光监控系统中，作为现场网络的CAN总线与PC上位机的通信完全是通过CAN适配卡来完成的，所以适配卡的性能决定着整个网络的通信质量。下面介绍一种CAN适配卡的制作。
    CAN通信适配卡插在PC扩展插槽上，主要由五部分组成：双口RAM及其控制电路，89C51微控制器，SJA1000CAN控制器电路、中断申请电路、复位电路，SJA1000CAN控制器与82C250CAN控制器接口电路。其原理框图如图1所示：



图1  适配卡原理框图

    (1)  SJA1000是PHILIPS公司生产的独立CAN通信控制器，它符合CAN2.0协议，完全兼容PCA82C200，支持29位标识符模式，有64Ｂ的接收缓冲区。SJA1000集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，能通过验收屏蔽码寄存器和验收码寄存器对标准帧或扩展帧进行单向/双向接收滤波；对CAN总线上的每一个错误可进行错误中断；可通过检测具体位来仲裁丢失中断等特性。PCA82C250是CAN 协议控制器和物理总线的接口，与SJA1000的RX、TX连接，它可以提供总线的差动发送能力和接收能力，高速应用可达1Mbps，最多可挂110个节点。
    (2)  为了防止微控制器因为受到外界干扰而不能正确执行指令甚至陷人死循环，在模块中加入复位芯片X25045。该芯片集成了看门狗计数器、电压检测、4K的E2PROM三种功能。看门狗计数器为微控制器提供了一个独立的保护系统，当系统出现故障时，在可选的超时周期之后，X25045看门狗将以RESET信号做出响应。芯片中的低电压监测电路在电压不足的情况下保护系统，并在电源恢复正常时对整个系统进行复位。该芯片还提供了E2PROM，用户可以根据需要通过串行输入、输出向内存读写一些配置信息，如模块地址、通信波特率等信息，可以通过上位PC机方便地修改这些参数。
    (3)  为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，将SJA1000的TX0和RX0通过高速光耦6N137与82C250相连[3]，如图2所示，这样就很好地实现了总线上各CAN节点间的电气隔离。电源的完全隔离可采用小功率电源隔离模块或带5V隔离输出的开关电源模块实现，能避免PC机由于环流造成的损坏，增强了系统在现场环境中使用的可靠性，提高了抗干扰能力。



图2  适配卡接口电路图

    CAN适配卡与PC机之间的数据交换是通过双端口RAM来实现的。双端口RAM有两套数据地址总线，一端接PC机的PCI总线，另一端接适配卡上的微控制器总线。通过CAN适配卡驱动程序，PC机对其自身内存与适配卡上的双端口RAM统一编址。这样，通过对适配卡的双端口RAM的读写，PC机实现了与CAN适配卡的数据交换。
    CAN适配卡与CAN总线的数据交换是由微处理器通过访问CAN控制器的接收缓冲区以及发送缓冲区来实现的。当CAN控制器的发送缓冲区为空时，微处理器将待发送的数据填入CAN控制器的发送缓冲区，由CAN控制器负责向CAN总线发送。当CAN控制器的接收缓冲区中有数据时，微处理器将其取走。这样，实现了CAN网卡与CAN总线的数据交换。

4  基于现场总线的助航灯光监控系统设计

    基于CAN现场总线的机场助航灯光监控系统至上而下由三级网络构成，依次为主干千兆光纤冗余网络、塔台及灯光站冗余局域网、灯光站冗余现场网络及其它设备的通信网络。主干网络采用环/总线形混合配置的拓扑结构设计；塔台及灯光站内冗余局域网采用硬件双冗余设计，监控计算机、交换机等设备均为冗余配置；灯光站内灯光回路和故障灯定位系统等控制对象采用冗余CAN总线，市电监视、柴油发电机组等采用RS-485总线。系统结构如图3所示。



图3  系统结构示意图

    在CAN冗余现场网络中，灯光站内的控制对象（如恒流调光器CCR、顺序闪光灯控制器SFLU、绝缘电阻监测系统IRMU、故障灯监测系统ICMS、停止排灯监控系统等）的接口单元均通过两根屏蔽双绞线与现场冗余CAN网络连接。工作时，任何一个现场网络故障或某一设备的CAN接口单元故障，通讯将自动转到备用网络或接口继续进行，主/备网络无扰切换时间小于500ms。



图4  系统数据采集拓扑图

    由现场各控制对象的智能监控单元完成数据采集、数据处理、控制运算、控制输出等功能，与上层各操作站的信息交互通过现场总线进行。现场智能监控单元通过现场总线和现场控制计算机内的适配卡实现与上层管理网络的通讯，传送所要求的监控数据、系统运行信息和状态，在上层网络各操作站的监控计算机中以文字、表格、曲线、图形和动画的形式显示现场数据、工作状态、变化趋势和故障情况，为管理人员的操作提供可靠、准确的实时信息；同时接收上层网络下达的命令，从而实现灯光相关设备的实时监控。
    系统的网络通信采用Winsock技术，使用UDP协议。系统软件采用了面向对象的管理、分析和设计方法，使用了多线程、COM组件等技术，实现了实时多任务的处理。系统数据采集拓扑图如图4所示。系统结构简洁清晰，具有良好的开放性，支持ODBC、OLE。整个监控软件基于中文版WINDOWS 2000操作系统和Microsoft Visual Studio.NET企业版开发，数据显示和操作界面采用VB开发，CAN总线数据收发部分采用VC开发，通过COM、DLL的形式实现与VB的联合运行。
   
    采用CAN总线技术的助航灯光监控系统具有良好的可靠性、稳定性和实时性，其优点体现在以下几个方面：
    (1)  总线型结构设计，减少了现场布线和调试的工作量，降低了系统成本，增加了系统的可维护性。
    (2)  由于各种调光设备与高压控制柜和低压控制柜摆放距离较近，工作时会产生电磁干扰，而CAN总线抗干扰能力强，能够保证通讯的可靠性和数据的准确性。
    (3)  机场在改扩建时（尤其是进行Ⅱ类和Ⅲ类建设）往往增加许多设备，使用CAN总线技术在增删节点时不必对现场节点的软件和硬件作任何改动。
    (4)  由于应用CAN总线的系统具有良好的开放性，不同厂家的设备可以在同一个系统中使用，降低了机场的建设和运营成本。
    (5)  CAN总线技术与以太网技术有机结合，使塔台和灯光站的工作人员可以实时看到现场设备的状态信息，对其进行参数调整和故障诊断，真正实现了助航灯光设备的远程实时监控，为飞机起降提供快速、准确地引导。

5  结束语

    基于CAN总线的机场灯光监控系统，是采用现场总线控制系统的特点，把信息处理过程放到现场进行，而通过操作站集中管理。在国内三十多个机场的实际应用表明，该系统能够经受住现场的考验，通信速率高，出错率极低，运行效果良好，体现了CAN总线高性能、高可靠性的优点。而且，由于CAN协议参考OSI开放系统互联模型，可由用户定义应用层协议，通过各种CAN转接设备，将CAN与计算机相连，使整个机场的助航灯光设备、目视引导设备和地面活动物体引导系统均能纳入到机场控制系统的整体管理中，这在机场信息化、现代化的建设中显得尤为重要。