汪軍 饒傳新 王華 陳星

摘要：指出了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是如今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。我國(guó)現(xiàn)有新型自動(dòng)氣象站多采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)來(lái)進(jìn)行設(shè)備間的通信和控制，CAN總線(xiàn)是應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一，新型自動(dòng)氣象站主采集器和各分采集器之間多用CAN總線(xiàn)進(jìn)行通信。運(yùn)用CAN總線(xiàn)有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但也時(shí)有故障發(fā)生，能夠及時(shí)排除CAN總線(xiàn)故障，保證設(shè)備的正常運(yùn)行顯得尤為重要。對(duì)CAN總線(xiàn)的概念、特點(diǎn)和各種故障進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的解決辦法，供各位維護(hù)人員參考。

關(guān)鍵詞：CAN總線(xiàn);新型站;通訊;故障分析

中圖分類(lèi)號(hào)：P412.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2019）16-0242-03

1CAN總線(xiàn)簡(jiǎn)介

為了弄清楚CAN總線(xiàn)的概念，應(yīng)先了解現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的概念，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是如今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問(wèn)題。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的種類(lèi)眾多，CAN總線(xiàn)是應(yīng)用最廣泛最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之一，CAN總線(xiàn)是英文Con-troller Area Network的縮寫(xiě)，是ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。

1.1CAN總線(xiàn)在氣象部門(mén)新型自動(dòng)氣象站中的應(yīng)用

隨著我國(guó)氣象現(xiàn)代化的發(fā)展，各種氣象要素的新型設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用，為了滿(mǎn)足靈活多變擴(kuò)展的需求，新型自動(dòng)氣象站從原來(lái)集中式結(jié)構(gòu)改成了分布式結(jié)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、傳感器、電源部件、數(shù)據(jù)傳輸模塊和GPS授時(shí)模塊五部分組成，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括主采集器、溫濕度分采集器、地溫分采集器、土壤水分觀(guān)測(cè)分采集器、輻射分采集器以及可擴(kuò)展的氣候分采集器。各采集器之間采用CAN總線(xiàn)進(jìn)行雙工通信，執(zhí)行11898總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)（圖1）。

1.2新型自動(dòng)站氣象站中采用CAN總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)

（1）靈活擴(kuò)展的能力。已建自動(dòng)氣象站需要增加新的觀(guān)測(cè)要素或傳感器時(shí)，不需要對(duì)系統(tǒng)已有的傳感器連接、布線(xiàn)作改動(dòng)，只需要將新的分采集器或傳感器加入到系統(tǒng)中，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的軟件升級(jí)和配置就行。

（2）互換兼容。新型自動(dòng)氣象站采用的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是基于CAN總線(xiàn)技術(shù)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)CANopen協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)，涉及數(shù)據(jù)鏈路層、物理層和應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)定義。按照統(tǒng)一設(shè)計(jì)要求，只要滿(mǎn)足功能規(guī)格書(shū)要求的主分采集器，具備統(tǒng)一的物理接口和應(yīng)用接口，就可以實(shí)現(xiàn)各廠(chǎng)家采集器兼容、互換的目的。

（3）支持多主方式，可以實(shí)現(xiàn)熱備份或系統(tǒng)冗余。

（4）可靠的檢錯(cuò)機(jī)制和錯(cuò)誤處理，節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)可自動(dòng)關(guān)閉輸出，發(fā)送的信息受到破壞后可自動(dòng)重發(fā)，具備很高的網(wǎng)絡(luò)可靠性。

（5）允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息，具有極高的總線(xiàn)利用率。

（6）可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播。

（7）由硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層通信協(xié)議。

（8）通信介質(zhì)為雙絞線(xiàn)，抗干擾能力強(qiáng)。

（9）通信距離較遠(yuǎn)，速率為5Kbps時(shí)，直接通信距離最遠(yuǎn)達(dá)10km。

2CAN總線(xiàn)故障分類(lèi)

由于多個(gè)分采集器的CAN總線(xiàn)的連接電纜是并聯(lián)在一起的，任何一個(gè)分采集器CAN總線(xiàn)出現(xiàn)故障，都會(huì)導(dǎo)致一個(gè)分采集器或整個(gè)與CAN總線(xiàn)相連的其它分采集器數(shù)據(jù)異常，至使整個(gè)CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱。在檢修過(guò)程中，應(yīng)查看具體的故障癥狀，根據(jù)故障癥狀并結(jié)合線(xiàn)路結(jié)構(gòu)圖來(lái)初步分析有可能是哪些原因造成的，做到心中有數(shù)。CAN總線(xiàn)故障主要有斷路、短路、互相接反等。下面就逐個(gè)分析，分析中主要用到電壓法和電阻法。由于CAN網(wǎng)絡(luò)的特性，在新型自動(dòng)氣象站系統(tǒng)設(shè)時(shí)CAN H或CAN L在正常的情況下都有一個(gè)對(duì)地標(biāo)準(zhǔn)電壓，在輸入電壓為13.8V（12V）時(shí)，CAN H或CAN L對(duì)地的標(biāo)準(zhǔn)電壓均約為3.45V。電壓測(cè)量法可用于判斷線(xiàn)路是否有對(duì)地或電源短路、斷路等問(wèn)題。電阻法是在電壓法無(wú)法判斷的情況下用于判斷CAN網(wǎng)絡(luò)的電阻值與正常情況下電阻值的差別來(lái)判斷CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障。

2.1CAN斷路

當(dāng)某個(gè)分采集器CAN H或CAN L導(dǎo)線(xiàn)斷路時(shí)，會(huì)導(dǎo)致該分采集器無(wú)法實(shí)現(xiàn)通信，其他分采集器的通信不受影響。根據(jù)CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)特性一般會(huì)在線(xiàn)纜末端串入120Ω的終端電阻，終端電阻因自動(dòng)氣象站生產(chǎn)廠(chǎng)家的不同，終端電阻的串人位置略有不同，無(wú)錫公司生產(chǎn)的自動(dòng)氣象站在CAN總線(xiàn)終端，華云公司生產(chǎn)的自動(dòng)氣象站在采集器內(nèi)CAN總線(xiàn)接入處。在CAN總線(xiàn)接入分采集器的情況下，關(guān)閉電源后可以用萬(wàn)用表電阻檔測(cè)量CAN H與CANL之間的電阻來(lái)判斷是否斷路。正常情況下電阻值在幾十歐姆，若電阻變得無(wú)窮大則說(shuō)明CAN H或CAN L其中有一根或兩根線(xiàn)有斷路。

2.2CAN短路

2.2.1CANH與CANL短路

當(dāng)任一分采集器CAN H與CANL出現(xiàn)短路，CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)會(huì)關(guān)閉，無(wú)法進(jìn)行通信，與CAN總線(xiàn)相連的分采集器均無(wú)法上傳數(shù)據(jù)，采集軟件中相關(guān)要素顯示缺測(cè)。在輸入電壓為13.8V時(shí)，CANH與CANL對(duì)地電壓均約3.45V，與正常時(shí)對(duì)地電壓基本相同。此時(shí)用下面的方法進(jìn)行排除。

在CAN總線(xiàn)接人設(shè)備的情況下，關(guān)閉電源后可以用萬(wàn)用表電阻檔測(cè)量CAN H與CAN L之間的電阻，正常情況下電阻值在幾十歐左右，若電阻值很小只有1—2fl說(shuō)明CAN H與CAN L短路。在判斷具體哪個(gè)分采的CAN總線(xiàn)短路時(shí)，應(yīng)逐個(gè)斷開(kāi)分采集器的CAN總線(xiàn)連接電纜再測(cè)量，否則容易誤判。

2.2.2CAN H對(duì)電源（正極）短路

當(dāng)任一分采集器出現(xiàn)CAN H對(duì)電源（正極）短路故障時(shí)，可導(dǎo)致整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)無(wú)法通信，與CAN總線(xiàn)相連的分采集器均無(wú)法上傳數(shù)據(jù)，采集軟件中相關(guān)要素顯示缺測(cè)。當(dāng)輸入電壓為13.8V時(shí)，用萬(wàn)用表測(cè)得CAN H對(duì)地電壓約為13.5V，CAN L對(duì)地電壓約為11.6V。

2.2.3CAN H對(duì)地短路

當(dāng)任一分采集器出現(xiàn)CAN H對(duì)地短路故障時(shí)，可導(dǎo)致整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)無(wú)法通信，與CAN總線(xiàn)相連的分采集器均無(wú)法上傳數(shù)，采集軟件中相關(guān)要素顯示缺測(cè)。當(dāng)輸入電壓為13.8V時(shí)，用萬(wàn)用表測(cè)得CAN H和CAN L對(duì)地電壓均為0V。

2.2.4CAN L對(duì)地短路

當(dāng)任一分采集器出現(xiàn)CAN L對(duì)地短路故障時(shí)，因CAN總線(xiàn)的容錯(cuò)特性，此時(shí)各采集器的通信不受影響。當(dāng)輸入電壓為13.8V時(shí)，用萬(wàn)用表測(cè)得CAN H和CAN L對(duì)地電壓均為OV。

2.2.5CANL對(duì)電源（正極）短路

當(dāng)任一分采集器出現(xiàn)出現(xiàn)CAN L對(duì)電源（正極）短路故障時(shí)，可導(dǎo)致整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)無(wú)法通信，與CAN總線(xiàn)相連的分采集器均無(wú)法上傳數(shù)據(jù)，采集軟件中相關(guān)要素顯示缺測(cè)。當(dāng)輸入電壓為13.8V時(shí)，用萬(wàn)用表測(cè)得CAN H對(duì)地電壓約為13.5V，CANL對(duì)地電壓約為13.8V。

2.3CANL與CAN H導(dǎo)線(xiàn)互相接反

當(dāng)任一分采集器出現(xiàn)CANL與CANH導(dǎo)線(xiàn)互相接反這種故障時(shí)，一般情況下，接錯(cuò)的那個(gè)分采集器將無(wú)法通信，其他分采集器的通信不受影響。遇到這種情況時(shí)，可在斷電的情況下用萬(wàn)用表電阻檔測(cè)量分采集器和主采集器CANL（CANH）是否在同一路徑上。

3CAN故障總結(jié)

實(shí)際應(yīng)用中各分采集器與主采集器的CAN總線(xiàn)和供電線(xiàn)多由同一根多芯電纜擔(dān)負(fù)，并且多芯電纜埋于地溝或管道中，隱蔽不易察看，因鼠咬、損毀、腐蝕等出現(xiàn)短路、斷路的情況時(shí)有發(fā)生。當(dāng)出現(xiàn)采集軟件中由CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)通信的氣象要素?zé)o數(shù)據(jù)顯示時(shí)，按上述所列方法檢查線(xiàn)路，一般很快就可排除故障。