本安型CAN 总线系统的研究与设计
刘强，刘晓文**
作者简介：刘强，（1987-），男，在校研究生，主要研究方向：本安型人机界面
通信联系人：刘晓文，（1964-），女，教授，主要研究方向：. E-mail: xwliucumt@126.com
（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008）
5 摘要：在论文中采用仿真线缆的方式，对CAN 总线通信距离与波特率的关系进行了测试，确
立了延时对CAN 通信的影响。基于电源和CAN 收发器的驱动能力，结合传输线理论，分析计
算得出系统挂接负载的数目。最后采用故障设定的方式，对系统的本质安全性能进行了分析，
并对部分设计参数进行了修订。
关键词：有线通信技术；本安；CAN 总线；传输距离
 25 0 引言
现场总线系统[1] 作为一种数学化的串行双向通信系统，它将传感器、驱动器等多种现
场设备与控制器通过一根电缆进行连接，用以实现对现场状态监测、控制以及远程通信等诸
多功能。现场总线技术有效的提高了系统运行的可靠性，而且在设计安装过程中方便、快捷，
节省了大量的布线和硬件费用，降低了施工成本。现场总线系统因其开放性、对环境的适应
30 性以及设备间、系统间的互可操作性和互用性等优势，在煤炭行业的监控系统中有着广泛的
应用。
然而现场总线系统的本质安全不等同于所有组成设备的本质安全，其作为网络系统在保
证每个设备的电路系统鉴定合格的同时，还必须考虑不同设备间的互联与通信，必须明确这
种相互连接对整个总线系统安全性能的影响。
35 1 本安型现场总线系统
现场总线本安系统常见结构如图1 所示，主要包括：现场总线供电电源、关联设备（安
全栅）、本安型的现场设备、本安型的终端器以及通信介质组成。
 图1 现场总线本安系统结构图
40
本安型现场总线系统的发展得益于本安系统检定认可方式的转变。对于本安系统的检
定，不同于现场本安设备的检测，它还包括关联设备以及通信介质等相关部分，目前两种认
可方式[2]应用普遍：系统认可和参量认可。
参量认可将本安系统中电缆上分布电容和分布电感以集中参数的方式进行考量，忽略了
45 电缆电阻的影响，实验研究表明，电缆使用集中参数测定其对点燃性能的影响要大于实际线
缆的影响。基于此，德国联邦物理技术研究所（PTB）基于PROFIBUS 总线对本安总线系
统的实现和优化进行了研究，结果显示，在试验研究的电缆长度范围内，电缆及其分布阻抗
对总线型系统的本安性能并无不利影响，就此提出了现场总线本安概念－FISCO。
虽然FISCO 概念[3]的提出为现场总线在危险区域的应用提供了巨大的便利，然而，能
50 够适用此技术的总线类型依旧较少。FISCO 模型的基础在于“总线供电”，即通过同一对
线缆达到同时传输工作电流和通信信号的目的，实现“一线两用”。而对于CAN 总线来讲，
由于其信号传输不同于PROFIBUS 的曼彻斯特编码模式，在信号耦合和分离方面尚存在较
大技术问题，因而无法实现总线供电。
CAN 总线系统多采用“集中供电”方式，即使用四芯电缆进行传输，其中两芯用于向
55 节点设备提供工作电源，另外两根用于信号传输。
2 本安型CAN 总线系统的设计
常见的CAN 总线系统如图2 所示。图中RT 为CAN 总线的终端电阻，值一般为120 欧
姆。
60 图2 CAN 总线系统结构图
构建本安型CAN 总线网络就是要确保处于危险区的现场设备的本质安全、确保设备接
口与传输介质组成的系统网络的本质安全。在采用本安现场设备的基础上，此处重点分析系
统网络的本质安全构成。
65 2.1 通信距离分析
CAN 的通信距离与波特率等诸多因素有关，分析影响过程主要有以下三种情况：
 1）通信距离增大，导线长度增加，信号在导线中传输的延时增加。在CAN 的帧结构
中，存在一个位时间的应答间隙。正常通信时，发送器送出隐性位，一个正确接收到有效报
文的接收器需要在应答间隙发送一个显性位报告给发送器。因而，导线延时增加时，为保证
70 接收器完成应答，实现正常通信，就必须采用降低波特率的方式以增加应答间隙的时间。
2）导线长度增加，线路中的分布参数增加，导致接收端信号上升速度变慢，波形发生
畸变。这就使得实际信号的位时间变短，当其超出某个波特率的容差范围时，通信异常。
3）导线长度增加，线路中存在的分布电阻增加，线路中的损耗增加，使得接收端信号
幅度下降。当信号幅度下降超过收发器的识别界限时，通信异常。
75 为探明不同的因素在CAN 通信过程中的影响过程，下面我们利用仿真电缆对CAN 总
线的通信过程进行仿真。仿真线缆的构建模型如图3 所示：
图3 1km 双绞线模型
80 仿真线缆采用国家煤安标准中的双绞线参数：特性阻抗为120Ω、单线分布电阻12.8Ω
/km、单线分布电感0.8mH/km、两线间的分布电容0.06uF/km。图4 为采用1km 参数时的仿
真线缆模型，测试不同长度的仿真线缆时，其参数按照长度比例进行调整。
表1 为不同长度在正常通信的情况下，所能使用的最大通信波特率。
85 表1 传输距离与波特率测试结果
仿真线缆长度（m） 最大传输波特率（Kbps）
250 140
500 70
750 50
1000 30
为分析数据传输失败的原因，我们捕捉了750m 仿真线缆采用62.5Kbps 波特率非正常
通信的情况下，发送端的信号波形，如图4 所示：
90 图4 750m、60Kbps 接收端信号波形
作为比较，正常通信情况下的发送端信号波形，如图5 所示。
 图5 正常通信时接收端信号波形
95
从CAN 的帧结构可以了解到，应答间隙前一位为隐性状态的CRC 界定符（图中显示
为显性电平后的一个位时间段，此波特率下位时间为16us）。也就是说，如果通信正常，
则接收器应答产生的显性电平应该在最后一个高电平后的32us 内到达发送端，如图5 所示。
从图4 可以看出，非正常通信的情况下，发送端接收到的应答显性电平与最后一位高电平的
100 时间间隔为39us，超过了正常通信所允许的32us。从图4 中还可以发现，接收端的应答显
性电平到达发送端时，其幅值衰减为2V（波形上的尖峰为信号反射产生的叠加效果）。由
于接收端显性信号的幅值不低于1V 即视为正常，因而综合上述描述可以得出，线路延时对
CAN 通信产生的影响远大于信号衰减产生的影响。
2.2 挂接负载数量分析
105 2.2.1 供电网络挂载节点
供电网络挂载节点受电源输出参数、电缆参数以及节点输入参数影响。其运算公式如下：
 其中：UOmax 为电源的最高输出电压；IOmax 为电源的最大输出电流；UImin 为设备节点的
最小输入电压；IImax 为设备节点的最大输入电流；r 为单位长度传输线缆的直流阻抗；l 为
110 传输线缆的长度。
受制于系统本能性能的要求，隔爆兼本安电源的输出功率有限，在采用18V、700mA
电源进行供电的情况下，线缆中可挂接最大负载数为14。
2.2.2 通信网络挂载节点
通信网络挂在节点数受CAN 收发器的驱动能力以及传输线路损耗的影响。通过上面的
115 测试可知，CAN 总线的通信距离主要受线路延时限制，从接收端波形看，分布参数所造成
的波形畸变较整体波形影响不大。因而，在对CAN 信号的高电平进行分析时，可以简化为
直流情况。
通信网络的电路模型如图6 所示。图中UO 为信号输出电压，即CANH 与CANL 之间
的差分电压，显性状态下为1.5～3V。
 图6 通信网络电路模型
以常用的CAN 收发器PCA82C250 为例，其最小驱动能力可达45Ω，CANH 与CANL
之间的输入阻抗RI 约为20kΩ。在不考虑线缆阻抗的情况下，节点所能挂接的节点数n 满
 解得：n≤112。也就是说，在不考虑线缆阻抗的情况下，最大可以挂接112 个节点。
当线缆长度增加，而分布阻抗无法忽略的情况下，以1km 为例，挂载节点的数目必须
满足两个方面：1、收发器的驱动负载即线路总的阻抗大于45Ω；2、接收端显性信号幅值
130 不低于1.5V。
根据第一种条件可以得知，可挂载节点数n 满足：
 解得：n≤251。
接收端显性信号的幅值受两方面影响：1、线路中直流电阻的损耗；2、节点数目增加使
135 得通信网络中等效的终端电阻下降，引起信号反射。
根据基尔霍夫电压定律可得接收端在直流损耗的情况下的显性信号幅值：
 根据传输线信号反射理论[4]，在终端反射信号与入射信号满足以下公式：
 140 其中：ZC 为传输线的特性阻抗，此处值为120Ω；ZL 为传输线终端的负载阻抗，此处
为节点输入阻抗与终端电阻并联后的阻值，即：
 由于接收端在通信正常的情况下，显性信号幅值不小于1V。即：
1 I I I U =U++U. ≥
145 考虑最恶劣情况，即发送端显性电压为最小值1.5V 的情况下，可解出，采用1km 传输
线时，CAN 网络可挂载节点数n≤61。
因此，综合收发器驱动能力以及接收端显性信号幅值变化两方面因素，在采用1km 传
输线时，最大可挂接61 个负载。
 3 系统本安性能的分析
150 3.1 供电网络分析
供电网络常见能量对外释放故障包括负载短接以及断开时的放电。
本系统采用的隔爆兼本安电源在电源输出发生短路故障时，过流过压保护动作延时大约
为2us，在18V、700mA 的情况下，电源最大输出能量大约为0.025mJ。
由于电源采用矩形输出特性，当电源因故障关断后，不再有能量输出，因此，对外释放
155 的能量主要由传输线缆中的分布电容储能以及负载输入电容储能两部分组成，而且电路中的
电容处于并联关系，如图7 所示。
图7 供电网络电容分布
160 结合本安电容电路最大闭合放电能量公式[5]可知：
2
0
0 0
[ ( ) ( )]( )
4 I L M O
u E u E u C C W W
.
. + Σ + < .
式中：WM 为甲烷气体混合物最小点燃能量0.525mJ；WO 为电源因保护延时而输出的能
量，此处为0.025mJ；uO 是放电维持电压值11V；
由此可以解出，当供电网络挂接14 个负载时，每个设备的最大输入电容CI＜0.4uF。
165 当供电网络中的负载在最大电流的情况下断开时，由于电感电路放电时断开间隙电压瞬
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