[ZigBee和CAN总线技术在工业控制领域的应用]工业控制总线

　　摘 要:ZigBee是一种低功耗、低成本、高可靠性的短距离低速率无线网络协议。CAN总线是嵌入式工控领域的标准总线。在对数据传输安全性、设备组网灵活性、以及传输网络共存性等性能要求苛刻的现代工业控制领域,采用CAN总线作为系统总线,节点与终端之间应用ZigBee技术的方式有着深厚的发展潜力和运用前景。
　　关键词:ZigBee CAN 工业控制 现场总线
　　中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)05(a)-0026-01
　　随着工业控制的发展,工业自动化已经渗透到工业控制的各个角落,同时在控制过程中,对实时获取节点数据,以及节点数据接口的开放性、标准性,数据传输过程的安全性等要求进一步提高,控制节点的有线控制网络的局限性也就越来越突出了。随着无线技术进一步为公众所接收,其应用的范围也在日益扩大,尤其在工业过程控制领域,由于无线技术的应用,解决了有线技术由于投资成本及环境限制未能实现的功能,提升了过程控制精度,为工厂管理带来极大的方便。ZigBee是在2004年12月,由ZigBee联盟在IEEE802.15.4低速无线网协议基础上提出的。该标准下的短程无线网技术以其数据传输安全可靠、组网灵活、电池寿命长等优点,在工业控制领域中有着深厚的发展潜力。CAN(Controller Area Network)总线是ISO国际标准化的串行通信协议,其高性能和可靠性已被认同,并在工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面广泛应用。
　　1 ZigBee的技术特点及优势
　　1.1 ZigBee技术的特点
　　ZigBee标准包括IEEE 802.15.4协议制定的物理层(PHY)和介质访问层(MAC)标准,以及在这之上由ZigBee联盟制定的网络层和部分应用层标准,它的技术特点主要包括:低功耗:在低耗电待机模式下,两节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月,甚至更长。这是ZigBee的突出优势。而蓝牙可以工作数周、WIFI可以工作数小时;低成本:通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10),降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32KB代码,子功能节点少至4KB代码,而且ZigBee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元;低速率:ZigBee工作在20kbps～250kbps的较低速率,分别提供250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求;近距离:传输范围即相邻节点间的距离,一般介于10m～100m之间。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。
　　1.2 ZigBee技术的应用优势
　　在工业控制中,设备之间的数据传输要求高可靠性,以及工业运用的实时性也要求数据传输的实时性,同时,在运用中也尽量要求设备组网能更加智能,更加灵活,以降低工业运用成本。
　　传输可靠性:ZigBee协议符合七层网络结构,在IEEE802.15.4定义的物理层和子层协议规范基础上,继续定义了网络层和应用层,在应用层中规范了应用支持子层和设备对象。此外还有类似空闲信道评估(CCA)、链路质量指示(LQI)等技术保证了数据传输的可靠性。
　　实时性和组网灵活性:ZigBee的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15ms,节点连接进入网络只需30ms,进一步节省了电能。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000个节点的大网。
　　2 CAN总线的特点及优势
　　2.1 CAN总线的特点
　　CAN总线协议是以国际标准组织的OSI开放系统的7层模型为参考的,并在该标准基础上改为模型结构仅为3层,即只保留了OSI的物理层、数据链路层和应用层,这保证了节点之间数据传输的低差错。
　　CAN总线是两线结构,即为差分形式的物理结构。也就是说,CAN总线上使用“显性”(逻辑0)和“隐性”(逻辑1)两个互补值来表达逻辑。高速CAN总线最快数据传输速率能达1Mbps,此时有效通讯距离为40m,当速率降为5kbps时,有效通讯距离能达10km。
　　2.2 CAN总线的应用优势
　　CAN总线协议支持多主机的工作方式,即任意节点可以在任何情况下主动向网络上的其他节点发送信息,这种方式将在工业控制中发挥巨大的灵活性,在协议层面上支持了控制现场的实时响应能力。此外,CAN总线协议也有着良好的仲裁机制,该机制保证了既不损失报文又不损失时间。
　　3 ZigBee和CAN总线技术的应用
　　在现代工业控制领域,对现场无线化的需求也进一步加大,所以使用CAN总线技术和ZigBee技术的结合,运用到一定范围内的工业控制现场,是一个很好的方式。
　　网关主要由CAN收发器、CAN控制器、ZigBee模块以及负责协议转换的控制器组成。CAN收发器和CAN控制器分别采用TJA1050T和MCP2515等芯片,可以满足大部分现场要求。ZigBee控制芯片采用德州仪器(TI)的CC2430,该芯片结合了一个高性能的2.4GHz直接序列扩频(DSSS)射频收发器核心和一个高效的8051控制器,在保证有效运用的基础上可以很好的实现低成本和低功耗。由于CAN总线与ZigBee通讯的传输速率和传输方式不尽相同,所以为保证两者之间的数据传输的同步性,也为保障系统的稳定性,一般使用譬如高速SPI等高速协议作为转换控制器。
　　4 结语
　　在实际工业现场对ZigBee和CAN总线技术的搭配运用中,体现了很好的灵活性,也大大降低了工业控制现场的管理成本,同时也提升了控制的效能。同时也可以看到,在该方法的基础上,为了能适应更多的控制场合,可以在总线技术上作灵活替换,以得到实现成本与控制效能的最佳结合点。
　　参考文献
　　[1] 王秀梅,刘乃安.利用2.4GHz射频芯片CC2420实现ZigBee无线通信设计[J].国外电子元器件,2005,12(3):59～62.
　　[2] 陈一天,余爱民.802.11b无线局域网抵御辐射干扰能力的分析[J].计算机工程与设计,2005,26(6):1444～1446.
　　[3] 王锐华,益晓新,于全.ZigBee与Bluetooth的比较及共存分析[J].测控技术,2005,24(6):50～56.