现场总线控制系统在经纬仪中的应用
摘要：当前，科学技术飞速发展，测量手段日新月异，对于靶场的光电经纬仪，从系统的复杂性、故障率等特性方面考虑传统通信方式已无法满足要求。现场总线作为一种全数字化、双向、开放的多站串行通信总线，以其高速率和高可靠性，使实时控制变得非常容易实现，已经成为当前发展的热点。本文重点分析了控制器局域网(CAN)的技术特点，提出了一种基于CAN总线的光电经纬仪内部通信系统实现方案。
关键词：光电经纬仪 现场总线 CAN 总线
1、引言
在靶场试验的测控系统中，光电经纬仪一直发挥着重要的作用。光电经纬仪是一种用于空间移动目标跟踪定位成像的高精度光电探测仪器。因其具有实时、高精度、动态跟踪和能够实现图像再现等优点，被广泛应用于航空、航天、武器实验、天文观测等科研和军事领域。光电经纬仪各分系统的输出数据结构不同，通信方式主要有RS232，RS422／485，并口等。这几种通信方式存在较多的先天性缺陷：通信速率低、传输距离短、线路利用率低、抗干扰能力差、容错性差、不易扩展、难以维修和测试。
随着光电跟踪探测技术迅速发展，对目标的测量技术要求不断提高，传统的通讯方式已无法满足要求。要解决上述问题，就需要寻找一种在实时性、可靠性等方面均能满足经纬仪要求的通信方式来统一设备内部的通信。经过对各种数据通信方式的比较，发现现场总线控制具有明显的优势。
2、现场总线控制系统
现场总线：安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。它是一种开放的、全数字化、双向，多站的通讯系统。
采用现场总线将使控制系统结构简单、系统安装费用少并且易于维护；现场总线技术越来越受到人们的重视。但由于各种现场总线侧重面不同，各有相应的应用领域，目前多种现场总线并存的现象。目前比较流行的现场总线主要有：FF(Foundation FieldBus，基金会现场总线)，PROFIBUS(Process FieldBus，过程现场总线)，LonWorks(Local Operating Network，局部操作网)，HART(Highway Addressable Remote Transducer，可寻址远程传感器数据通路)，CAN(Controller Area Network，控制器局域网)。在对各种现场总线的综合比较中发现，CAN总线具有突出、优异的性能。本文不对其它总线作具体介绍，只详细介绍CAN总线。
3、CAN总线
3.1CAN总线简介 CAN (Controller Area Network，控制器局域网)是一种有效支持分布式实时控制的串行通信网络，具有通信率高、实时性好、可靠性高、连接方便和性价比高等特点。CAN协议最大的特点就是废除传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点是可使网络内的节点个数在理论上不受限制，还可以使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。由于CAN总线本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而扩展到了机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗机械、家用电器及传感器等领域。
3.2CAN总线的技术特点CAN总线构建的通信系统具有很多优秀的特性：CAN网络具备良好的可靠性设计，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，保证了基于CAN总线可以构成多主结构或冗余结构的系统。系统具有良好的故障隔离能力，CAN总线接口电路通过2个输出端(CANH，CANL)与物理总线相连。在任意时刻，CANH端的电平只能是高电平或悬浮状态，而CANL端的电平则只能是低电平或悬浮状态，从而使得即使多个节点同时向总线发送数据，也不会出现总线“短路”的情况。CAN具有良好的传输防错设计，CAN采用短帧结构，数据传输的时间短、受干扰的几率低，且CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施。CAN总线的通信距离远，速率高。直接通信距离最远可达10Km(速率在5Kb／s以下)，通信速率最高可达1Mb／s(通信距离最长为40m)。CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活、结构简单、器件容易购置、每个节点的价格较低，而且开发技术容易掌握，能充分的利用现有的单片机开发工具，具有较高的性能价格比。从以上可以看出应用CAN总线能够很好地解决光电经纬仪内部通信的问题。
4、基于CAN总线的光电经纬仪通信方案
4.1基于传统通信方式的光电经纬仪结构 在传统的控制领域，集中控制系统占据主流地位，它具有系统实时性强、扩展方便、稳定性高等优点；但它的缺点在于：集中控制系统将带来大量复杂的接线工作，使现场维护以及故障诊断变得极为困难。经纬仪对目标进行跟踪的过程中，需要采集和交换的数据主要有：被跟踪目标的位置信息、目标位置与视场中心偏差值、引导信息、当前设备位置信息、图像信息、时间信息、伺服控制位置信息、伺服控制速度信息等。分系统在采集数据、主机交换数据的同时还要获得其他分系统的数据。可见主控微机要负担大量的数据计算和交换任务，控制功能不能分散，导致任务风险集中于主机，一旦主机出现问题将导致整台设备瘫痪。点对点的连接方式不仅使得接口结构复杂，大量的电缆也增加了设备内部的电磁辐射和干扰，设备的体积庞大，布线的难度高。
4.2基于CAN总线的光电经纬仪通信方案 基于CAN总线的光电经纬仪结构使用单一的串行总线结构代替了多种通信方式的并行结构。主控微机所需信息可以从CAN总线上取得，分系统通过总线与主机交换数据的同时还可以从总线上直接获取其他分系统的数据，提高了总线利用率、数据传输的实时性还减轻了主机的压力、提高了系统工作的稳定性。现场总线将所有的信号点通过一根通信连接在一起，这样就使得整个系统的接线变得更加简洁、方便。现场总线往往可以同时使用总线电缆、光纤、红外技术及无线技术。可以根据现场需要选择不同的传输媒介：距离较短，没有特殊要求的场合选择普通总线电缆；距离较远不易布线的场合还可以选择无线通信。这些都是传统的集中控制所无法实现的。
很多人认为总线控制对系统的安全性以及可靠性不信任。其实，总线电缆在抗损坏、抗干扰能力强方面都大大优于以往所选用的普通信号线缆，故障的发生率低，从大的方面上来讲系统的稳定性要优于传统的集中控制方式。目前总线控制中常选择智能分散技术或分层、分支技术。当我们需要在现场处理一些过程数据，同时又不希望整个系统的其它部分对此处造成影响，我们可以选择一个智能分散控制器用于此处，在现场对数据处理后再将一些系统控制器需要的数据上传。
5、结语
随着计算机、控制器、通信和CRT显示器技术的发展，现场总线技术在工业控制、自动化领域得到了飞速的发展。现场总线技术的应用为光电跟踪探测设备提供了一个新的发展空间，使系统结构趋于简单明了，数据传输将具有突出的实时性和可靠性，跟踪探测精度随之会有大幅度的提高，但是在具体实施方面还有很多需要注意的问题，有待于进一步的研究和试验。
参考文献
[1]郭长艳。光电经纬仪中现场总线的选择和应用。现代电子技术。2005。
[2]徐争颖。CAN总线及其网络系统的实现。自动化与仪表。2005。
[3]孙翠娟，蒋洪。CAN总线在远程数据采集系统中的应用。计算机与现代化，2003。