基于 CAN 总线的模块化远程 IO 系统设计与热插拔机制实现

一、引言

在工业自动化控制系统中，远程 IO 系统（Remote IO System） 是实现设备信号扩展、异地控制与模块化维护的核心组件。传统远程 IO 多采用 RS485 或工业以太网，而 CAN 总线因其布线简单、抗干扰能力强、节点数多、实时性好，正在逐渐取代 RS485 成为模块化 IO 扩展的重要通信基础。

本篇文章将围绕 基于 CAN 总线的远程 IO 系统设计 展开分析，重点讲解以下内容：

• 模块化 IO 结构设计

• CAN 总线通讯协议与节点地址映射

• IO 状态同步与输入轮询策略

• 输出控制机制与回显校验

• 节点热插拔识别机制

• 故障自恢复与主控容错处理

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二、系统结构与设计目标

1. 应用场景

• PLC/工控主站 IO 扩展

• 智能仓储传感器/执行器管理

• AGV 分布式控制模块

• 远程继电器/电磁阀驱动单元

2. 设计目标

模块	目标说明
IO 模块可热插拔	插入后自动识别注册，拔出无异常
支持输入/输出混合通道	如 DI + DO / AI + AO 模块
主控统一调度	主控采集所有输入状态并控制输出
CAN 帧标准化设计	所有模块报文结构统一，扩展简单
故障模块隔离	单个模块异常不影响全局系统运行

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三、模块化结构设计

1. IO 模块物理结构

• 电源：24V 工业电源接入

• 通讯：CAN_H / CAN_L + GND

• 单片机：STM32F103 / GD32F130 等

• IO 驱动芯片：

  • DI：光耦隔离输入

  • DO：MOS 或继电器驱动

  • AI：16-bit ADC，如 ADS1115

  • AO：DAC + 电压/电流变换电路

2. 接口定义举例（8路混合 IO）

接口名称	类型	描述
IO1~IO4	DI	数字输入
IO5~IO6	DO	数字输出（继电器）
IO7	AI	模拟输入（0~10V）
IO8	AO	模拟输出（0~10V）

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四、CAN 通讯协议设计

1. 通讯架构：主从模型

• 主控定时轮询所有 IO 模块状态

• 主控下发控制命令控制 DO、AO 输出

• 所有模块需按统一报文格式响应

2. CAN ID 分配方案（标准帧 11 位）

类型	起始 ID	用途
控制命令帧	0x200	主控 → 模块（设置输出）
状态上报帧	0x300	模块 → 主控（输入反馈）
注册帧	0x400	模块 → 主控（上线广播）
心跳帧	0x500	模块 → 主控（保活）

模块地址（模块ID）由主控动态分配或模块 EEPROM 烧录预设，避免重复。

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五、报文格式定义

1. 控制命令帧（0x200 + 模块ID）

字节位	内容	说明
0	控制字类型	0xA1=DO输出, 0xA2=AO设定
1	通道编号	DO1DO8 / AO1AO2
2~3	输出值	DO为 0/1，AO为模拟量
4~7	预留/CRC8	可用于检错

2. 状态反馈帧（0x300 + 模块ID）

字节位	内容	说明
0	状态标志位	RUN/FAULT 等
1	DI 状态	每 bit 表示一路
2~3	AI 通道 1	电压值（mV）
4~5	AI 通道 2
6~7	CRC8 校验

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六、IO 输入轮询与输出控制机制

1. 输入轮询机制

主控每隔 T 毫秒（如 100ms）依次查询每个模块状态：

c

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for (module_id in modules) { send_status_query(module_id); wait_response(); update_DI_status(); refresh_AI_curve(); }

2. 输出控制机制

• 来自上位机（如 SCADA）的指令下发至主控

• 主控解析后构造控制帧并下发至目标模块

• 模块执行输出控制并返回回显帧

• 主控对比期望值与实际值一致性，保障控制安全

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七、模块热插拔机制实现

1. 上电自注册广播（0x400）

模块启动后，自动广播如下注册帧：

字节	内容
0	注册标志 0xB1
1	模块类型码（如 0x10=4DI4DO）
2~3	模块编号（EEPROM 或 DIP）
4~5	固件版本
6~7	CRC8 校验

2. 主控响应注册

主控接收后将该模块加入在线列表，并发送配置帧设定其心跳间隔与响应周期。

3. 心跳检测

模块每隔 N 秒发送心跳（0x500+模块ID）：

c

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Byte0: 0xC1 Byte1: 状态字 Byte2~7: 可附加温度、电源电压、通信状态等

主控连续丢失 M 次心跳后，标记模块离线，并可做通知/切换/报警处理。

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八、模块节点软件框架（STM32 实现）

1. 初始化阶段

c

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CAN_Init(); Load_ModuleID_From_EEPROM(); GPIO_Init(); ADC_Init(); Timer_Init(); Broadcast_Registration_Frame();

2. 主循环逻辑

c

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while (1) { Receive_CAN_Msg(); // 监听控制命令 Process_DO_Control(); // 控制输出通道 Update_DI_Status(); // 采集输入状态 Sample_Analog_Inputs(); // 模拟采样 Send_Status_Frame(); // 周期上报状态 Send_Heartbeat(); // 定时心跳包 }

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九、主控管理逻辑

1. 模块发现与登记

• 维护模块 ID → 类型 → 状态的映射表

• 动态添加/删除模块，更新配置 UI

• 显示每模块在线/离线/故障/IO 状态等

2. IO 操作 API 示例（上位机）

python

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def set_DO(module_id, channel, value): frame = [0xA1, channel, value & 0xFF, value >> 8] can.send(0x200 + module_id, frame) def read_DI(module_id): can.send(0x210 + module_id, [0x01]) return parse_reply()

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十、故障检测与系统容错设计

故障类型	原因分析	应对策略
模块掉线	掉电/线缆松动	主控超时判断，发告警
输出不一致	模块未执行或反馈错误	回显对比失败，自动重发命令
控制无响应	主控发送帧失败或 ID 错配	加入软件 ACK 确认机制
CRC 校验失败	通讯干扰 / 程序Bug	丢弃错误帧，记录日志
地址冲突	EEPROM 或 DIP 编码重复	主控记录冲突ID，自动分配新ID

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十一、总结与拓展方向

基于 CAN 的远程 IO 系统，具备如下优势：

• 节点可即插即用，部署灵活

• 同一条 CAN 总线最多支持 100+ 模块

• 主控集中管理，系统扩展性强

• 模块结构统一，维护成本低

后续可拓展方向：

• 增加 CANopen 协议兼容（PDO/SDO 模式）

• 支持 IO 配置远程升级（Bootloader + Flash）

• 加入时间同步协议，精确采样时间戳

• 接入边缘计算/云平台实现分布式控制