基于CAN总线的生命科学仪器硬件系统设计

　　1 引言

　　在生命科学仪器中，例如基因扩增分析(PCR)仪、荧光分光光度计和酶标仪等仪器的硬件系统中，往往主控模块距离各个子功能模块(例如，步进电机驱动模块、加热控制模块以及荧光信号接收模块等)较远。如果不采用串行总线，而仅仅是将主控模块PCB 板上的板级总线(即DB、AB 和CB 三总线)向外延伸，则存在诸多弊端：①过多的线组占用过多的PCB板上端接面积、布线困难、极易产生断线故障;②主控模块 CPU 的总线驱动能力明显不够，需要增加总线驱动器提高驱动能力，这就增加了电路复杂性和造价;③线组中的各个信号线之间极易产生串扰;④如果A/D 转换器件在主控模块 PCB 板上，则荧光信号接收模块产生的模拟信号传输到主控模块的ADC 时，极易受到噪声的干扰。

　　目前，许多仪器中采用RS232 串行通信完成主控模块与各个子功能模块之间的数据交换任务。但是RS232 串行接口标准速度低、半双工、只能以主—从方式工作不能以多主方式工作、非差分式信号发送/ 接收方式使得信息传输易受干扰，可靠性较低。特别是RS232 难以完成高速实时信号的采集处理任务。

　　CAN总线(控制器局域网络)是一个多主异步串行总线。采用差分式信号发送/接收方式抗干扰能力极强可靠性较高，由于它具有优良的错误处理机制及可靠的数据传送性能，该总线在汽车、飞机、宇航领域和军事装备中都应用非常普遍。现在已在工业控制中推广使用，在医疗仪器中刚开始推广使用。在生命科学仪器(如上所列的各种仪器)中的应用很少，未见报道。

　　本文作者在生命科学仪器的设计中采用了CAN总线，使用效果很好。

　　本文较为详细地论述了 CAN 总线的工作原理、特点、常用接口器件和CAN 节点构成方法及配置原则。并重点论述了CAN 总线在生命科学仪器中的应用设计思想和使用技巧经验，希望能够起到抛砖引玉的效果。

　　2 CAN 总线原理、特点、接口器件和CAN节点构成方法及配置原则

　　CAN是控制器局域网的意思，英文全称为“ControllerArea Network”。CAN最初由德国的Robert Bosch公司开发，原本是提供给汽车电子系统所用的低成本通讯总线，现已成为国际标准(I S O 1 1 8 9 8 和ISO11519)。

　　2.1 CAN特点^[1,2]

　　目前，除了有大量可用的低成本的CAN 接口器件之外，CAN 所以在世界范围内得到广泛认可是由于它具有如下的突出的特点。

　　2.1.1 2线差分传输

　　CAN 总线的收发器是由 CANH 和CANL 两根信号线的电位差的变化来发送和接收信息的，而不是向RS232那样仅由一根信号线对地的电位差表示。因此对共模干扰具有极高的抑制能力，提高了信息传输的可靠性。