引言
CAN總線是一種現場總線，由BOSCH公司於1986年正式推岀。CAN總線最早應用於汽車上，憑借著快速、可靠、高效的特點，CAN總線的應用很快便拓展到過程控製、工業機械、紡織機械、軌道交通、船舶等領域叫並在相應領域誕生了各具特色的應用標準。
相較於傳統的RS485串口通信，CAN有著如下顯著特征：
•多主通信，非破壞性仲裁；
•速率高達1Mbps,實時性好；
•錯誤處理和檢錯機製可靠；
•短幀結構（單個報文可攜帶8字節數據），可實施複雜的數據加密策略；
•嚴重錯誤情況下，故障節點自動關閉，不影響其他節點通信。
CAN是一種開放性的現場總線，其本身隻定義了數據鏈路層和部分物理層內容，允許用戶更大程度的去開發或定義自己的通信應用。筆者通過深入了解稱重行業的實際需求及國內外的發展動向，開發了一款集成了CANopen協議和自定義CAN協議（以下簡稱KLink協議）的稱重儀表，其中CANopen協議用於連接儀表和PC（或PLC等），其協議棧完全符合CiADS301規範；而KLink協議則用於連接儀表和數字傳感器，缺省狀態下，該協議運行於125kbps波特率，可連接多達16個的傳感器，通信距離達200米。
1國內外稱重行業CAN總線應用情況
CAN是當前唯一入選ISO標準的現場總線図,在國內外眾多領域中得到廣泛應用。在稱重行業，國外有很多廠家或組織對其展開了研究，並將其應用到相關稱重產品中去,其中較為知名的是CiA（CANinAutomation）協會發布的CiADSP459、CiADSP461設備描述文件。
CiA這兩份有關稱重係統的CANopen設備描述文件，對於建立統一的稱重設備通信接口，實現不同廠家CANopen設備的互聯互通有著重要意義。這兩份協議中，CiADSP459定義了車載稱重設備的CANopen應用，其中包含了一般要求、通信參數規範、應用參數規範等內容，主要用於卡車、非道路車輛，如叉車、垃圾收運車；而CiADSP461則定義了常規稱重設備的CANopen應用,其中包含數據加密、儀表及傳感器設備描述文件等，主要用於衡器，如貿易用稱重設備。
但在國內，由於技術引入較晚，且相對集中於車輛、工業機械等行業，CAN總線並不為稱重行業所熟悉，相應的CAN總線稱重儀表也並不多見。
2CAN接口電路設計
儀表的CAN接口電路起著連接CAN總線網絡和CAN控製器的作用，它是實現CAN數據收發的關鍵。
本設計中CAN收發器采用TI公司的SN65HVD25lo該收發器符合ISO11898-2標準，能以高達1Mbps的速率實現CAN數據的差分發送和接收。SN65HVD251收發器有8個引腳，如圖1所示，其中D連接到CAN控製器的TX引腳、R連接到CAN控製器的RX引腳、Rs用於設定收發器工作模式（斜率、高速）。

為減少信號跳變沿的諧波成分，收發器的RS引腳通過10KH電阻接地，從而實現收發器的斜率控製。
由於稱重儀表使用環境的多樣性，在設計CAN接口電路時，要特別注意接口的浪湧保護。本設計中采用了由氣體放電管、TVS、熱敏電阻等組成的二級浪湧保護電路如圖2所示。在後期的試驗中，該電路通過了8KV的靜電放電實驗以及3KV的雷擊浪湧實驗，這表明該電路能對CAN接口提供有效保護。
此外，若傳輸距離較遠，CAN接口電路還應采用相關隔離保護手段。
CAN接口電路中的浪湧保護和信號隔離電路，會對波形質量或傳輸延時有所影響，設計時應選擇結電容小的浪湧保護器件、傳輸延時小的隔離器件。

3CANopen協議設計
在本設計中，CANopen協議是儀表同PC或PLC等上位機進行通信的協議。該協議的設計完全符合CiADS301規範，支持基於LSS服務的節點號或波特率更改。
在實際的工控或車載使用中，CANopen稱重儀表往往作為從站運行，故本設計中將儀表設計為CANopen從站。作為CANopen從站的儀表，其狀態運轉如圖3所示完全受控於主站的NMT指令。

CANopen協議有多種通信對象叫如NMT、SDO、PDO、EMCY等，對應不同的NMT狀態，從站可提供的通信對象是不同的（見圖3中各狀態框）。在確定采用何種通信對象時，必須綜合分析所要傳輸信息的性質及通信需求。在本儀表的設計中，稱重儀表的重量信息（皮重、毛重、淨重等）作為過程數據，以PDO的形式進行通信;而其他配置信息或功能設定信息，則采用需確認的SDO進行通信。其中，PDO采用發送類型為255的異步發送，以TPDO1為例，其通信參數如表I所示。

CANopen協議棧的核心是對象字典，應用程序和CANopen協議棧以此為中心進行數據的交換。對象字典的設計嚴格遵循CiADS301及CiADS306協議。根據稱重儀表數據傳輸的實際需求，在可使用的範圍內，本設計將對象字典索引區間進行了劃分如表2所示。

4KLink應用協議設計
KLink協議是儀表和傳感器間的CAN通信協議。KLink協議采用主從結構，其中儀表作為通信主站，負責發起通信並監控網絡運行狀態；而傳感器則作為通信從站，不主動發起任何通信，僅響應主站的請求。
儀表和傳感器之間傳輸的數據主要有重量信息和各種配置、標定、狀態信息，它們有著如下特點：
a）    重量信息需要持續傳送，要求具備最高的傳輸優先級；
b）    配置、標定、狀態信息隻在特定條件下才會訪問，且需要回應；
c）    配置、標定、狀態信息與具體傳感器息息相關；
d）    信息需要加密傳輸；
e）    信息傳輸要求高的實時性。
結合上述信息傳輸的特點，KLink協議采用了兩種通信模型：點對點通信（如圖4所示）、廣播通信（如圖5所示）。設計通信協議的時候，根據通信對象的屬性，如讀寫、存儲、加密、校驗等,為每種通信對象指定了具體的通信模型和通信服務。對於需頻繁傳輸的重量數據，應支持主從廣播通信；同時，為方便特定條件下的使用，也應支持主從點對點通信。
 

試驗表明，在連接16個傳感器，波特率設定為125kbps的情況下，KLink協議可實現對重量數據57Hz的高速讀取。該讀取頻率與網絡節點數量、波特率相關，在傳感器數量減少或波特率提高的情況下，讀取速度還會有更大提升。
5總結
結合CAN總線的一係列特點，筆者全新開發了一款CAN總線稱重儀表，並在仔細分析稱重儀表數據傳輸需求的基礎上設計了其通信協議。相較於傳統RS485接口的儀表，該儀表在速度、加密傳輸等方麵都顯示了其顯著優勢。
目前，前述研發成果已應用在多款帶CAN接口的物聯網及工控儀表中，如D39-W-CAN如圖6所示、KL3101-D2+C、KL3101-D2+C（CANopen）o憑借優異的防作弊性能和高可靠性，該係列儀表在市場上已得到眾多終端用戶的青睞。
CAN總線在極度重視安全性、可靠性的汽車行業應用多年，並在工控等領域得以持續發展。

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