艾爾肯·熱和曼，張文磊，趙季偉

（1.新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)電視臺 播出部，新疆 阿克蘇 843000；2.中國人民解放軍92493部隊88分隊，遼寧 葫蘆島 125000；3.遼寧廣播電視臺 北斗傳媒，遼寧 沈陽 110820）

1 概述

在“三網(wǎng)融合”與NGB的政策和現(xiàn)實的推動下，我國廣電行業(yè)進入一個新的高速發(fā)展期。當(dāng)廣電數(shù)字化以后，在IT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持下，廣播電視系統(tǒng)正在向更高的技術(shù)層次發(fā)展，市場對電視設(shè)備和系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、自動化、智能化需求日益高漲。特別是“云計算”與“物聯(lián)網(wǎng)”概念的出現(xiàn)，為廣電智能化提供了一個劃時代的嶄新思維模式。自動化控制是實現(xiàn)系統(tǒng)智能化的基礎(chǔ)。實現(xiàn)智能化需要兩個基本前提條件，一是智慧的“大腦”，除了高于人腦的運算能力和智慧效果，就是海量知識庫系統(tǒng)的輔佐；二是可靠的自動化控制，除了過程與現(xiàn)場控制的執(zhí)行能力，更需要采集現(xiàn)場信息和數(shù)據(jù)分析，以確?！按竽X”的分析運算成果和智能化控制效果[1]。

無論是將自動化與智能化作為重要賣點的錄像機、攝錄一體機、網(wǎng)絡(luò)前端、發(fā)射機等廣播電視設(shè)備，還是電視中心自動播出、有線電視網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控、廣播電視發(fā)射覆蓋網(wǎng)絡(luò)等廣播電視系統(tǒng)，在自動化的過程控制中，都大量采用RS-232（V.24）串行數(shù)據(jù)或RS-485/422外部總線接口標(biāo)準(zhǔn)，來提供廣播現(xiàn)場的自動控制。然而，隨著廣電的數(shù)字化進程，廣播電視系統(tǒng)規(guī)模越來越大，被控與被管理的范圍越來越寬，被控結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，并不斷趨向于分布式體系結(jié)構(gòu)，使得傳統(tǒng)的RS-232/422/485接口（即EIA/TIA標(biāo)準(zhǔn)），越來越力不從心。

這種發(fā)展過程中的矛盾，技術(shù)先進國家也曾遇到。雖然RS-232被長期大量使用，畢竟是一種點對點的低速傳輸模式，沒有能力支持更高層次的計算機與網(wǎng)絡(luò)間的互操作。特別是在機電環(huán)境日益劣化，被干擾的可能性越來越大——失敗控制和錯誤動作此起彼伏。盡管后來出現(xiàn)了有所改善的RS-422/485總線模式，但與日俱增的設(shè)備與管理智能化需求仍然構(gòu)成當(dāng)前自動化與智能化的新矛盾。近年來，在大規(guī)模的現(xiàn)場自控中，傳感器、執(zhí)行器和控制器的布置范圍更大，管理和控制的智能化要求更高，如果在最底層仍采用傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，安裝成本和介質(zhì)造價將直線上升；而采用流行的局域網(wǎng)（LAN組件）或RS-422/485總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，雖然可以減少長度，卻額外增加了介質(zhì)及相關(guān)硬件與軟件，其系統(tǒng)造價與星型系統(tǒng)相差無幾，而且LAN的可靠性與安全性，普遍令人擔(dān)憂。這就使新興現(xiàn)場總線技術(shù)具備了誕生與發(fā)展的內(nèi)外條件。

針對這種普遍矛盾，IEC TC65C WG6小組于1985年開始負(fù)責(zé)研究現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)工作。WG6小組試圖在最低層次上，設(shè)計一種造價低廉而又能經(jīng)受工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境考驗的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，并陸續(xù)公布了一系列現(xiàn)場總線（Field bus）的功能需求。 此間，美國儀器（設(shè)備）協(xié)會（Instrument Society of America，ISA）和 IEEE也相繼開始了此項技術(shù)的研究。

現(xiàn)場總線是在生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設(shè)備之間以及對更高控制管理層次之間，構(gòu)成過程自動化的智能互連互通的數(shù)字通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。它不僅是一個基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，還是一個開放式的、全分布的控制系統(tǒng)。這項以智能傳感、控制、計算機、數(shù)字通信等技術(shù)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)一出現(xiàn)，立刻將計算機和互聯(lián)網(wǎng)與傳感器、執(zhí)行器和控制器集成為一個分布式系統(tǒng)，從而成為世界IT與自控技術(shù)發(fā)展的熱點，廣泛應(yīng)用于智能化程度要求較高的汽車、船舶、飛機、軍工制造以及醫(yī)療與環(huán)衛(wèi)監(jiān)控等領(lǐng)域。僅汽車電子一項，全球2010年將安裝5.28億個車載CAN總線節(jié)點（數(shù)據(jù)引自ABI Research《2008車載網(wǎng)絡(luò)研究報告》）。世界自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備領(lǐng)域的重大科技進步，使 “云計算”與“物聯(lián)網(wǎng)”從概念走向現(xiàn)實應(yīng)用。

當(dāng)今的廣電數(shù)字化時代，不僅具備了提及智能化（包括技術(shù)、生產(chǎn)、經(jīng)營和管理）的前提條件，而且，每每提到“智能化”，廣電的各個角落都透露出現(xiàn)場總線技術(shù)的需求愿望；只是沒有被人提領(lǐng)，沒有像其他行業(yè)一樣體察它的存在。然而，它卻像當(dāng)初的“辦公自動化（OA）”概念一樣，引發(fā)了廣播電視系統(tǒng)和管理流程的“后數(shù)字時代”的深層變革。

2 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)架構(gòu)及其由來

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）被自控技術(shù)稱為“5G”（第五代自控系統(tǒng)）。FCS突破了第四代集散式分布控制系統(tǒng) （Distributed Control System，DCS）的局限，以公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，變DCS集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為類似“云計算平臺”的分布式結(jié)構(gòu)，破除通信專網(wǎng)的封閉，把控制功能直接推向現(xiàn)場和“數(shù)物”（Cyber-Physical）的邊際端點[2]。

雖然，F(xiàn)CS是基于局部范圍的計算機通信網(wǎng)絡(luò)，但它根據(jù)全球市場的普遍需求，將現(xiàn)場總線設(shè)備的工作環(huán)境置于過程設(shè)備的底層，以企業(yè)現(xiàn)場設(shè)備級的基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)協(xié)議簡單、容錯能力強、安全性好、成本低的基本要求，并滿足較高的時間確定性和實時性要求以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載穩(wěn)定、多數(shù)需要短幀傳送、信息交換頻繁等現(xiàn)實需求。

自從國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO在1984年創(chuàng)建了一個分層結(jié)構(gòu)的 “開放式系統(tǒng)互連通信的參考模型”（簡稱ISO/OSI參考模型）以來，無論是LAN還是WAN等計算機網(wǎng)絡(luò)，都據(jù)此而獲得高速發(fā)展。然而，從市場需求到網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)看，F(xiàn)CS都不同于上層高速數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，沒有必要按照上層數(shù)據(jù)通信的ISO/OSI參考模型構(gòu)建復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)化開放體系；卻有必要遵循ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化，以通信協(xié)議的低層應(yīng)用，實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備的互連互通。

為此，F(xiàn)CS協(xié)議只定義了7層結(jié)構(gòu)參考模型中的最下兩層——物理層（PHY）、數(shù)據(jù)鏈路層（DLL），采用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層（AL）的3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。規(guī)定流量控制和差錯控制在數(shù)據(jù)鏈路層執(zhí)行，而報文的可靠傳輸在數(shù)據(jù)鏈路層或應(yīng)用層執(zhí)行。應(yīng)用層協(xié)議由用戶自定，或采用國際組織制訂的種種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如用于過程控制的DeviceNet協(xié)議和用于機電控制的CANopen協(xié)議。應(yīng)用協(xié)議采用用戶自定或國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)各有利弊，這取決于應(yīng)用產(chǎn)品的經(jīng)營策略：是期待局部封閉而整體獲利，還是期待開放后在產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈上循環(huán)獲利？FCS的三層結(jié)構(gòu)所傳送的數(shù)據(jù)單位分別是比特（PHY）、幀（DLL）和報文（AL）。

這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)雖然簡單，但能更為直觀地執(zhí)行協(xié)議，而又不降低性能，達到卓越的性價比。所以，可以認(rèn)為開放性、分散性與數(shù)字通信是FCS最顯著的特征。雖然FCS簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與OSI標(biāo)準(zhǔn)模型并不完全一致，卻是一種等價的開放式實時系統(tǒng)，從而保證對異構(gòu)系統(tǒng)的兼容性。對照ISO/OSI參考模型，現(xiàn)場總線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模式如圖1所示。

從物理層上看，典型的FCS是由現(xiàn)場設(shè)備、接口與計算設(shè)備以及介質(zhì)通信所組成，同時滿足過程控制和生產(chǎn)自動化的需要。值得注意的是，嵌入式系統(tǒng)正在成為FCS工業(yè)數(shù)據(jù)總線中最為活躍的一個應(yīng)用領(lǐng)域。因為嵌入式系統(tǒng)為FCS的投資保護提供了非常有效的解決方案。

目前，國際上許多有實力、有影響的公司都先后在不同程度上進行了FCS系統(tǒng)與產(chǎn)品的技術(shù)開發(fā)，如影響力較大的 Foundation Fieldbus （FF）、Lon Works、Profibus、HART、Dupline和CAN Bus等，它們各有千秋，在不同應(yīng)用領(lǐng)域形成獨自的優(yōu)勢。其中CAN Bus（Controller Area Network bus，控制器局部網(wǎng)總線，以下簡寫為CAN）獨具特色，以其質(zhì)優(yōu)價廉的高可靠性，獲得絕對的應(yīng)用優(yōu)勢，特別適合高可靠性、高智能、高標(biāo)準(zhǔn)廣播電視系統(tǒng)應(yīng)用[3]。

3 CAN的技術(shù)內(nèi)核[4]

CAN技術(shù)是“汽車文化”的結(jié)晶。20世紀(jì)80年代初，很多有實力的電子公司為了解決現(xiàn)代汽車中大量控制與測試傳感器間的數(shù)據(jù)交換，致力開發(fā)一種串行的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。全球汽車電子和部件制造的“老大”——德國博世（Bosch）公司率先提出CAN，試圖以一種多主總線，通過相當(dāng)于P2P對等式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，建立車載CAN控制器局部網(wǎng)。1986年11月博世發(fā)布CAN技術(shù)工業(yè)規(guī)范（V1.0），獲得世界級電子公司的廣泛支持。飛利浦半導(dǎo)體公司于1991年9月繼承和發(fā)布了CAN技術(shù)規(guī)范（V 2.0），包括現(xiàn)今仍在流行的A、B兩部分，V 2.0A規(guī)范了原CAN工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)V 1.2定義的報文格式，而V 2.0B則規(guī)范了“標(biāo)準(zhǔn)的”與“擴展的”兩種報文格式。對此研究多年的ISO，跟蹤和考證了全球CAN的發(fā)展歷程和市場需求，于1993年11月正式頒布 “數(shù)字信息交換——高速通信控制器局部網(wǎng)（CAN）”的國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898）。從而成為當(dāng)今世界應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)之一。

ISO11898只定義了ISO/OSI參考模型的最下面兩層——數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，既保證了通信節(jié)點間無差錯的數(shù)據(jù)傳輸，又達到低廉的工業(yè)實現(xiàn)。應(yīng)用層協(xié)議采用FCS系統(tǒng)的一貫做法，由CAN用戶自行定義。用戶應(yīng)用的CAN分層體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從物理上看，應(yīng)用CAN的實體媒介可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。直接通信距離最遠(yuǎn)可達10 km（對應(yīng)信息傳輸速率5 kbit/s以下）；傳輸速率最高可達1 Mbit/s（對應(yīng)通信距離最長為40 m）。CAN的工作節(jié)點數(shù)取決于總線驅(qū)動電路（接口適配器類型），目前采用低價的通用接口器件可達110個；報文標(biāo)識符可達2 032種（CAN V2.0A），而擴展標(biāo)準(zhǔn)（CAN V2.0B）的報文標(biāo)識符幾乎不受限制。以最簡單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，只需1對傳輸回路即可與外部互連，方便生產(chǎn)集成工藝線束，構(gòu)成錯誤探測和網(wǎng)管的CAN模塊。從數(shù)據(jù)鏈路的邏輯結(jié)構(gòu)上看，CAN具有最為重要的以下幾項技術(shù)內(nèi)核：

1）非破壞性總線仲裁技術(shù)

圖2 CAN分層體系結(jié)構(gòu)模式

CAN協(xié)議的總線分配方式不同于以太網(wǎng)的CSMA/CD協(xié)議，保證不同節(jié)點同時申請總線存取，可以明確地分配總線。CAN協(xié)議是以非破壞性的“位仲裁”方法，解決通信雙方“握手”后，同時發(fā)送數(shù)據(jù)而產(chǎn)生總線存取沖突的問題。而且，當(dāng)總線的傳輸能力不足時，所有傳輸請求都將按重要性的優(yōu)先級來順序處理。實驗和統(tǒng)計證明，以消息內(nèi)容為優(yōu)先的總線存取是一種有效的方案；在總線重負(fù)載的情況下，可以確保傳送有用消息的總線不被占用。而在CSMA/CD協(xié)議的消息仲裁系統(tǒng)中，往往因過載而造成系統(tǒng)崩潰。而且，這種非破壞性總線仲裁技術(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的互操作更簡單、更可靠。

2）數(shù)據(jù)塊編碼方式

CAN協(xié)議的最大特點是對通信數(shù)據(jù)塊基于報文編碼，不同于TCP/IP協(xié)議采用的地址編碼。其主要優(yōu)點是可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點的數(shù)量在理論上不受限制。數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識碼是由11位（V2.0A）或29位（V2.0B）的二進制數(shù)組成，定義211或229個不同的數(shù)據(jù)塊。這種按數(shù)據(jù)塊的編碼方式，可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，構(gòu)成一點對多點以至一點對全局的雙向廣播通信，非常適合分布式測控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信，如分布式現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）。數(shù)據(jù)段長度最多為8 byte，可滿足常規(guī)工業(yè)控制領(lǐng)域中指令、狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般需求。而且，8 byte不會占用總線時間過長，保證了通信的實時性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能，確保數(shù)據(jù)通信的可靠性。

3）多主競爭式模式結(jié)構(gòu)

CAN技術(shù)采用了多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線特征。CAN總線的任意節(jié)點，可在任意時刻主動地向其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送不分主次的信息，而各節(jié)點之間也可實現(xiàn)相互的自由通信，非常方便地構(gòu)成分布式監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，并可向多機備份的智能化冗余系統(tǒng)延展。CAN總線適配器集成了CAN協(xié)議物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的各種功能，直接由硬件完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別等工作。通過通用計算機CAN總線卡和CAN串行接口芯片兩類器件，可以構(gòu)成設(shè)備內(nèi)部的CAN總線或設(shè)備外部的CAN現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)。通用CAN總線卡可以自由應(yīng)用于普通計算機，而接口芯片則在設(shè)備端口或設(shè)備體內(nèi)技術(shù)集成。

4）報文格式

CAN協(xié)議支持A/B兩種報文格式，兩者唯一的區(qū)別是標(biāo)識符（ID）長度不同。標(biāo)準(zhǔn)格式為11位，擴展格式為29位。在標(biāo)準(zhǔn)格式中，報文的起始位稱為幀起始（SOF），然后是由11位標(biāo)識符和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位（RTR）組成的仲裁場。RTR位標(biāo)明是數(shù)據(jù)幀還是請求幀，在請求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)。控制場包括標(biāo)識符擴展位（IDE），是指出標(biāo)準(zhǔn)格式還是擴展格式。它還包括一個預(yù)留位（RO），將來擴展使用。它的最后4 byte指明數(shù)據(jù)場中的數(shù)據(jù)長度（DLC）。數(shù)據(jù)場范圍為0～8 byte，其后有1個檢測數(shù)據(jù)錯誤的循環(huán)冗余檢查（CRC）。報文中數(shù)據(jù)幀的通用格式如表1所示。

表1 CAN數(shù)據(jù)幀通用格式示意圖表

報文的尾部由幀結(jié)束標(biāo)出。在相鄰的兩條報文中間設(shè)有1個很短的間隔位，如果此時沒有站對總線存取報文，總線則處于空閑狀態(tài)。

應(yīng)答場（ACK）包括應(yīng)答位和應(yīng)答分隔符。發(fā)送站發(fā)送此2位時顯現(xiàn)隱性電平（邏輯1），接收站正確接收報文時發(fā)送主控電平（邏輯0）。用這種方法，發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡(luò)中至少有一個站能正確接收到報文。

4 廣電應(yīng)用CAN的理由

CAN早已是舉世公認(rèn)的最有前途的現(xiàn)場總線之一。它以卓越的性能、極高的可靠性和令人普遍接受的性價比，廣泛激起了各行各業(yè)以其實現(xiàn)生產(chǎn)自動化和智能化的夙愿。然而，多數(shù)廣電對設(shè)備和系統(tǒng)的需求仍在追求RS-232/485控制方式，或者僅以規(guī)模和造價含糊描述當(dāng)前和未來的采購需求。而廣播電視設(shè)備制造商和服務(wù)商雖然認(rèn)同CAN，但苦于市場需求而發(fā)展緩慢。

4.1 CAN特別適合廣電應(yīng)用的關(guān)鍵理由

4.1.1 高成熟度

廣播電視系統(tǒng)作為“高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求”的信息系統(tǒng)，特別強調(diào)應(yīng)用新技術(shù)的成熟度。CAN經(jīng)過近20年的進步與發(fā)展，已得到各行各業(yè)的廣泛應(yīng)用。在通信衛(wèi)星、交通工具、機器人、樓宇自控、醫(yī)療器械、數(shù)控機床、智能傳感器、過程自動化儀表等自控設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)上，甚至在奧巴馬“智慧地球”的小區(qū)域智能化方案中，都有CAN的身影。由于CAN的廣泛應(yīng)用，大批供應(yīng)硬件，不僅使其質(zhì)優(yōu)價廉的特點更為突出，而且技術(shù)成熟度也隨之更高[5]。

4.1.2 高可靠性

廣播電視系統(tǒng)的“高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求”集中體現(xiàn)在可靠性上。網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，可以通過統(tǒng)計測量系統(tǒng)殘余數(shù)據(jù)錯誤的概率來鑒別。它描述了傳送數(shù)據(jù)被破壞和這種破壞不能被探測出來的概率。殘余數(shù)據(jù)錯誤概率必須非常小，以至在整個系統(tǒng)生命周期內(nèi)，按平均統(tǒng)計時幾乎檢測不到。倘若將殘留錯誤的概率作為具有80～90位的報文傳送時的位錯誤概率函數(shù)，來評估CAN的殘余錯誤，那么，設(shè)定系統(tǒng)為5～10個站，錯誤率為1/1 000，則最大位錯誤概率為10-13數(shù)量級。例如CAN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸率最大為1 Mbit/s，如果數(shù)據(jù)傳輸能力僅使用50%，對于一個工作壽命4 000 h、平均報文長度為80位的系統(tǒng)，所傳送的數(shù)據(jù)總量為9×1010報文。在系統(tǒng)運行壽命期內(nèi)，不可檢測的傳輸錯誤的統(tǒng)計則平均小于10-2量級。換言之，一個CAN系統(tǒng)按每年365天，每天工作8 h，每秒錯誤率為0.7計算，統(tǒng)計平均后，每1 000年才會發(fā)生一個不可檢測的錯誤[5]。這樣高的可靠性，特別適合廣播電視系統(tǒng)“年無差錯”的高標(biāo)準(zhǔn)“安全播出”系統(tǒng)。

4.1.3 高安全性

“安全播出”是廣播電視系統(tǒng)中第一位重要的職責(zé)，任何一級廣電機構(gòu)都將安全置于高過一切的地位。而廣播電視系統(tǒng)安全性的基本矛盾是：分布比較分散、實時性要求高、現(xiàn)場環(huán)境干擾大。如此“三大矛盾”，恰恰可以發(fā)揮CAN的超群優(yōu)勢。CAN的設(shè)計初衷，就是為了在汽車的自控通信環(huán)境中減少線束的數(shù)量，通過多個LAN進行大量數(shù)據(jù)的高速通信，以達到各種電子控制系統(tǒng)之間不同數(shù)據(jù)類型的安全通信。這與廣電要求解決安全矛盾的需求不謀而合。經(jīng)過20年的實踐，CAN以其卓越的抗電磁干擾性能、快速優(yōu)良的檢錯能力以及對病毒、黑客、木馬等惡意攻擊的天生免疫力，獲得極高的安全性能，并為安全要求更高的尖端國防科技所大量采用。

4.1.4 最低成本

在廣電招標(biāo)項目中，常常把規(guī)模和成本作為第一要務(wù)。而CAN歷來是以低成本與高總線利用率而著稱，遍及從高速網(wǎng)到多線網(wǎng)的低成本工業(yè)自動化的應(yīng)用。而當(dāng)前的市場價格，國際上構(gòu)成CAN神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的接口芯片，每片約3.2美元（已低于RS－232接口處理芯片價格）；國內(nèi)市場每個CAN節(jié)點的成本至多也不超過30元，而LAN局域網(wǎng)節(jié)點的最低成本也要160元。當(dāng)前廣電正處于系統(tǒng)發(fā)展的成長壯大期，再工程與再建設(shè)在所難免。而CAN是基于發(fā)送報文的編碼，并不對控制節(jié)點編碼，因此，增添或刪除CAN節(jié)點不會直接影響系統(tǒng)，系統(tǒng)的可擴展性較高，可得到高效的投資保護。具有投資保護的低成本、高性能的CAN解決方案，對廣電特別有益。

4.2 同質(zhì)對比當(dāng)前同類技術(shù)的應(yīng)用

4.2.1 對比EIA/TIA接口標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前，在廣播電視現(xiàn)場控制系統(tǒng)中，EIA/TIA控制接口標(biāo)準(zhǔn)最為普遍，先將CAN與其進行同類同質(zhì)對比，見表2。從中可見，CAN比EIA/TIA更適合廣電應(yīng)用。

表2 CAN Bus總線與RS－422/485總線及RS－232特性對比表

4.2.2 對比現(xiàn)場總線的同類主要協(xié)議

伴隨市場需求現(xiàn)場控制系統(tǒng)的快速增長，除了EIA/TIA標(biāo)準(zhǔn)和CAN以外，串行數(shù)據(jù)通信的現(xiàn)場總線新技術(shù)層出不窮，可選的廣播電視系統(tǒng)現(xiàn)場總線協(xié)議及控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議很多，擇其重點與CAN進行同質(zhì)同類對比，見表3?？芍?，與同類主要協(xié)議相比，CAN最適合廣電應(yīng)用。

盡管應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)，實現(xiàn)廣播電視系統(tǒng)智能化的解決方案各異，但是，仍然存在共性的基本特征。廣電系統(tǒng)采用CAN現(xiàn)場控制的典型應(yīng)用原理如圖3所示。

表3 廣電應(yīng)用串行數(shù)據(jù)現(xiàn)場控制總線協(xié)議特性對比表

5 應(yīng)用舉例

5.1 設(shè)備應(yīng)用一：數(shù)字發(fā)射機

鞍山嘉惠電子采用Microchip公司dsPIC系列16位單片機構(gòu)成發(fā)射機設(shè)備的現(xiàn)場控制系統(tǒng)。設(shè)備以主控單元構(gòu)成管理級主控PC機的下位機，接收和執(zhí)行來自專網(wǎng)（虛擬）的管理策略和系統(tǒng)指示，同時對發(fā)射機輸出傳感器和現(xiàn)場敏感數(shù)據(jù)進行多通道并行采集，此間采用遞推平均濾波法使采集的數(shù)據(jù)達到實時可取值，經(jīng)數(shù)據(jù)格式變換后，按知識模型進行邏輯判別，再依據(jù)管理級指定的控制策略，對CAN總線控制器接口輸出自適應(yīng)的發(fā)射機現(xiàn)場控制信息；同時，按照CAN上位機指定的接口和地址發(fā)送本級發(fā)射機的共享數(shù)據(jù)，以達到全系統(tǒng)、全網(wǎng)絡(luò)的智能化運行和管理。嘉惠數(shù)字發(fā)射機CAN平臺原理結(jié)構(gòu)和功能控制詳見圖4。

CAN的總線控制下位機以激勵器控制器為例，經(jīng)過主控單元對輸出電流、電壓、溫度、入射、反射、頻偏和帶肩、調(diào)制誤差率（Modulation Error Ratio，MER）等數(shù)據(jù)分析，以CAN總線對激勵器控制器發(fā)出指令，快速響應(yīng)并自動執(zhí)行（可通過控制面板人工干預(yù)）預(yù)處理參數(shù)調(diào)整、冗余備份切換、狀態(tài)聲光報警、回路門限控制等，使得發(fā)射機能夠以智能化適應(yīng)無人值守的工作環(huán)境。

嘉惠數(shù)字發(fā)射機重要特點之一，是利用CAN允許與以太網(wǎng)或其他局域網(wǎng)相連的特性，在系統(tǒng)管理級的下位構(gòu)成本級設(shè)備的CAN總線平臺（參考圖3）。由CAN接口接入功能模塊的控制指令和應(yīng)用程序，管理和執(zhí)行整機的智能化機電現(xiàn)場控制。這一特點與德國R&S數(shù)字發(fā)射機的CAN平臺類似，將發(fā)射站的設(shè)備現(xiàn)場控制由近端引向遠(yuǎn)端，以便提供單頻網(wǎng) （Single Frequency Network，SFN）系統(tǒng)的智能化網(wǎng)管控制。

5.2 設(shè)備應(yīng)用二：播控中心矩陣

被大連捷成稱為“銀河”的GALAXY大型高可靠矩陣，還有新型X-PLUS全規(guī)模、多格式混插矩陣，以及EXCEED系列大型VGA視頻矩陣等，都能按需達到256×256的控制規(guī)模，甚至還可以再提高。它的成功之處在于采用了獲市政府獎的 “i-MOD系列智能化信號處理平臺”。這個平臺的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為兩部分：一部分是信號處理的CAN平臺，使其能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)的智能化信號處理和調(diào)度；另一個是工藝結(jié)構(gòu)平臺，使其達到工業(yè)化的通用生產(chǎn)，還可拓展到各種廣播電視系統(tǒng)設(shè)備的模塊化工藝結(jié)構(gòu)。從i-MOD智能平臺上得到的RS-232/422/485、TCP/IP、C-BUS等標(biāo)準(zhǔn)的自適應(yīng)接口控制，均在接口硬件中自動地快速實現(xiàn)，不需人工干預(yù)。以廣電應(yīng)用最多的RS-232接口為例，CAN接口控制的主程序流程如圖5所示。

圖5 CAN/RS-232接口主程序圖

其實，國外主流的廣播電視設(shè)備早已在應(yīng)用CAN技術(shù)。如10年前NVision的智能矩陣就出現(xiàn)了應(yīng)用CAN技術(shù)的控制接口。當(dāng)用戶不采用CAN接口時，器件呈現(xiàn)睡眠狀態(tài)，并不耗電，而當(dāng)啟用時則通過總線激活，被系統(tǒng)控制所喚醒，從而達到低能耗的應(yīng)用。決不像現(xiàn)在廣電系統(tǒng)中大量閑置不用的接口，依然在吞噬著人類的綠色資源。然而，大連捷成公司每年供應(yīng)國內(nèi)大小幾百部（件）中心矩陣，無一在廣播電視信號處理系統(tǒng)中啟用CAN平臺或接口。

5.3 系統(tǒng)應(yīng)用一：數(shù)字電視自動播出控制系統(tǒng)

廣電的設(shè)備應(yīng)用忽視了CAN，而系統(tǒng)應(yīng)用更是如此。在各地廣播電視中心自動播出控制系統(tǒng)中，占有70%以上市場份額的北京格非視頻SuperVision系列自動播控系統(tǒng)，雖然早已完備了CAN平臺，但市場還是熱衷于傳統(tǒng)的RS-232/422控制接口，結(jié)果在日益強大的現(xiàn)場機電干擾下，RS-232/422接口終于出現(xiàn)了可怕的 “偽動作”。聯(lián)想通信衛(wèi)星將RS-485總線改為現(xiàn)場總線控制，解決了失敗控制的國際成功案例，充分驗證了存活期超過30年的EIA/TIA接口標(biāo)準(zhǔn)，將走完其生命周期[6]。

5.4 系統(tǒng)應(yīng)用二：現(xiàn)場實況轉(zhuǎn)播系統(tǒng)

南非2010世界杯剛剛結(jié)束就傳來消息：64場全部賽事的實況現(xiàn)場轉(zhuǎn)播，只使用1對CAN總線駁接大小轉(zhuǎn)播車43臺，將全部賽場置于世界足聯(lián)的“一人之下”，平息和證實了足球現(xiàn)場判裁“萬人之上”的爭議。如同露天礦的大型作業(yè)現(xiàn)場以及銀行網(wǎng)點安防系統(tǒng)應(yīng)用CAN一樣，在大型電視實況轉(zhuǎn)播現(xiàn)場建立分布式集群控制的智能化中樞上，充分展示了CAN的特殊作用和卓越貢獻。

6 結(jié)論

未來廣播電視的技術(shù)攻堅戰(zhàn)，將逾越“數(shù)字化”與“網(wǎng)絡(luò)化”的歷史進程，直逼系統(tǒng)與管理的“智能化”。而當(dāng)前廣播電視系統(tǒng)實現(xiàn)智能化過程控制的瓶頸，不在于“想不到”，而在于“不信任”。伴隨汽車文化的普及，現(xiàn)場總線控制和CAN技術(shù)將如同豪門名車、知名汽車新技術(shù)一樣，變少數(shù)人尊崇為多數(shù)人共享的智能化手段之一。

[1] 章劍雄，馮浩.現(xiàn)場總線技術(shù)概述[J].自動化與儀表，2002（6）：1-3.

[2] 楊春杰，王曙光，亢紅波.CAN總線技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[3] 劉澤祥.現(xiàn)場總線技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[4] 饒運濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[5] 邵旻.CAN總線綜述[EB/OL].[2010-02-03].http：//gongxue.cn/xuexishequ/ShowArticle.asp?ArticleID=15939.

[6] 文全剛.嵌入式系統(tǒng)接口原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.