地磅称重仪表的CAN总线通信设计

本文介绍了一种高速CAN总线称重仪表，该仪表集成了 CANopen协议，以及仪表与传感器通信的内部CAN协议。文中对地磅称重仪表CAN接口电路、CANopen应用 协议及内部CAN协议设计的关键点进行了重点阐述。

引言

CAN总线是一种现场总线，由BOSCH公司于 1986年正式推出。CAN总线最早应用于汽车上，凭借着快速、可靠、高效的特点，CAN总线的应 用很快便拓展到过程控制、工业机械、纺织机械、轨道交通、船舶等领域,并在相应领域诞生了各 具特色的应用标准。

相较于传统的RS485串口通信，CAN有着如 下显著特征：

?多主通信，非破坏性仲裁；

?速率高达1Mbps,实时性好；

?错误处理和检错机制可靠；

?短帧结构单个报文可携带8字节数据，

可实施复杂的数据加密策略；

?严重错误情况下，故障节点自动关闭，不 影响其他节点通信。

CAN是一种开放性的现场总线，其本身只定 义了数据链路层和部分物理层内容，允许用户更 大程度的去开发或定义自己的通信应用。笔者通 过深入了解称重行业的实际需求及国内外的发展动向，开发了一款集成了 CANopen协议和自定义 CAN协议（以下简称KLink协议的称重仪表， 其中CANopen协议用于连接仪表和PC域PLC 等,其协议栈完全符合CiA DS301规范；而 K L ink协议则用于连接仪表和数字传感器，缺省状 态下，该协议运行于125kbps波特率，可连接多达 16个的传感器，通信距离达200米。

1.国内外称重行业C A N总线应用情况

CAN是当前唯一入选ISO标准的现场总线气 在国内外众多领域中得到广泛应用。在称重行业， 国外有很多厂家或组织对其展开了研究，并将其 应用到相关称重产品中去，其中较为知名的是CiA CAN inAutomatW 协会发布的 C iA DSP459、C iA DSP461设备描述文件。

C A这两份有关称重系统的CANopen设备描 述文件，对于建立统一的称重设备通信接口，实 现不同厂家CANopen设备的互联互通有着重要意 义。这两份协议中，CiA DSP459定义了车载称重 设备的CANopen应用，其中包含了一般要求、通 信参数规范、应用参数规范等内容，主要用于卡车、非道路车辆，如叉车、垃圾收运车；而CiA DSP461则定义了常规称重设备的CANopen应用， 其中包含数据加密、仪表及传感器设备描述文件 等，主要用于衡器，如贸易用称重设备。

但在国内，由于技术引入较晚，且相对集中 于车辆、工业机械等行业，CAN总线并不为称重 行业所熟悉，相应的CAN总线称重仪表也并不多 见。

2.CAN接口电路设计

仪表的CAN接口电路起着连接C A N总线网络 和CAN控制器的作用，它是实现CAN数据收发的 关键。

本设计中C A N收发器采用TI公司的SN 65H V D 251。该收发器符合ISO11898-2标准，能以高达 1Mbps的速率实现CAN数据的差分发送和接收。 SN65HVD251收发器有8个引脚，如图1所示，其 中D连接到CAN控制器的TX引脚、R连接到 CAN控制器的RX引脚、Rs用于设定收发器工作 模式斜率、高速。

CAN接口电路中的浪涌保护和信号隔离电路，会对波形质量或传输延时有所影响，设计时应选择 结电容小的浪涌保护器件、传输延时小的隔离器 件。

3.CANopen协议设计

在本设计中，CANopen协议是仪表同PC或 PLC等上位机进行通信的协议。该协议的设计完全 符合CiA DS301规范，支持基于LSS服务的节点 号或波特率更改。

在实际的工控或车载使用中，CANopen称重仪 表往往作为从站运行，故本设计中将仪表设计为 CAN open从站。作为CAN open从站的仪表，其状态 运转如图3所示完全受控于主站的NMT指令。

为减少信号跳变沿的谐波成分，收发器的RS 引脚通过10Kft电阻接地，从而实现收发器的斜 率控制。

由于称重仪表使用环境的多样性，在设计 CAN接口电路时，要特别注意接口的浪涌保护。 本设计中采用了由气体放电管、TVS、热敏电阻等 组成的二级浪涌保护电路如图2所示。在后期的 试验中，该电路通过了 8KV的静电放电实验以及 3KV的雷击浪涌实验，这表明该电路能对CAN接 口提供有效保护。

此外，若传输距离较远，CAN接口电路还应 采用相关隔离保护手段。

CANopen协议有多种通信对象，如NMT、 SDO、PDO、EMCY等，对应不同的NMT状态， 从站可提供的通信对象是不同的见图3中各状 态框。在确定采用何种通信对象时，必须综合分 析所要传输信息的性质及通信需求。在本仪表的 设计中，称重仪表的重量信息皮重、毛重、净 重等作为过程数据，以PDO的形式进行通信； 而其他配置信息或功能设定信息，则采用需确认的SDO进行通信。其中，PDO采用发送类型为 255的异步发送，以TPDO1为例，其通信参数如 表1所示。

CANopen协议栈的核心是对象字典，应用程 序和CANopen协议栈以此为中心进行数据的交换。 对象字典的设计严格遵循C iA DS301及C iA DS306 协议。根据称重仪表数据传输的实际需求，在可 使用的范围内，本设计将对象字典索引区间进行 了划分如表2所示。

4.KL’nk应用协议设计

KLink协议是仪表和传感器间的CAN通信协 议。KLink协议采用主从结构，其中仪表作为通信 主站，负责发起通信并监控网络运行状态；而传 感器则作为通信从站，不主动发起任何通信，仅 响应主站的请求。

仪表和传感器之间传输的数据主要有重量信 息和各种配置、标定、状态信息，它们有着如下 特点：

a重量信息需要持续传送，要求具备最高的 传输优先级；

b配置、标定、状态信息只在特定条件下才 会访问，且需要回应；

c配置、标定、状态信息与具体传感器息息 相关；

d信息需要加密传输； e信息传输要求高的实时性。

结合上述信息传输的特点，K L ink协议采用了 两种通信模型：点对点通信如图4所示、广播 通信如图5所示。设计通信协议的时候，根据 通信对象的属性，如读写、存储、加密、校验等， 为每种通信对象指定了具体的通信模型和通信服 务。对于需频繁传输的重量数据，应支持主从广 播通信；同时，为方便特定条件下的使用，也应 支持主从点对点通信。

试验表明，在连接16个传感器，波特率设定 为125kbps的情况下，KLink协议可实现对重量数 据57Hz的高速读取。该读取频率与网络节点数 量、波特率相关，在传感器数量减少或波特率提 高的情况下，读取速度还会有更大提升。

5.总结

结合CAN总线的一系列特点，笔者全新开发 了一款CAN总线称重仪表，并在仔细分析称重仪 表数据传输需求的基础上设计了其通信协议。相 较于传统RS485接口的仪表，该仪表在速度、加 密传输等方面都显示了其显著优势。

目前，前述研发成果已应用在多款带CAN接 口的物联网及工控仪表中，如D39-W -CAN如图6 所示、KL3101-D2+C、KL3101-D2+C (CANopen。 凭借优异的防作弊性能和高可靠性，该系列仪表 在市场上已得到众多终端用户的青睐。

CAN总线在极度重视安全性、可靠性的汽车 行业应用多年，并在工控等领域得以持续发展其高速、可靠的特性完全胜任称重仪表的数字传 输需要，在未来的称重行业必将有着广阔的应用 空间。