（通信与信息系统专业论文）can现场总线及其协议的分析研究和应用.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 随着微电子技术的惑现和发展，现场总线技术隧益成为警今自动控制及通信领域关注 的焦点。c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 现场总线作为一种有效支持分布式控制和实时控 制的技术，以其稳定性好、可靠性高、抗予扰畿力强、通讯速率高、维护成本低及其独特 的设计越来越受到人们的萋视，并被公认为最有前途的现场总线之一。c a n 的应用范围很 广，从高速的网络到低价穰昀多路接线都可以使用c a n 。 本论文首先在深入分析c a n 协议特点、内容、分层结构及其工作原理的基础上，就开 发c a n 现场总线系统的有关技术俸了分析和研究，并探讨了c a n 总线应用软件和硬件的设 计方案。然后着爨以c a n 总线在电力系统继电保护装置中的舆体应用来详细阐述c a n 总线 通信的实现及相获技术。蒸于c a n 总线酶开入开出插件系统以a r m 梭的l p c 2 11 9 为核心处 理器，主要采用e m b e d d e dv i s u a le + 十语言，配以a d s l 。2 集成开发工舆，j t a g 仿真器进行 系统软件的编写和调试。主要获系统的功能要求出发，对其开发设计，并进行调试。露前 该系统的调试工作已经完成。最恁介绍了c a n 总线的其他进展，主要给出了c a n 协议与无 线通信的结合方案。同时讨论了c a n 协议在通信领域、楼宇宙动化系统以及医疗设备中的 应用。 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向： 无线数据与移动计算网络 作者：2 0 0 5 级研究生潘倩姿指导教师钱学荣 题目：c a n 现场总线及其协议的分析研究和应用 英文题目：t h ea n a l y s i sa n da p p l i c a t i o no fc a nf i l e d b u sa n d p r o t o c o l 主题词：c a n现场总线通信a r m应用技术 k e y w o r d s ：c a n f i e l d - b u sc o m m u n i c a t i o n sa r m a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y 南京邮电大学硕士研究皱学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t 黼氇t h ea p p e a r a n c ea n dd e v e l o p m e n to fm i e r o e l e e t r o n i et e c h n o l o g y , t h et e c h n o l o g yo ft h e f i e l d b u sh a sb e e nt h ef o c u so fa u t o m a t i cc o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o nd o m a i n a sa ne f f e c t i v es u p p o r td i s t r i b u t e dc o n t r o la n dr e a l t i m ec o n t r o lo ft h e t e c h n o l o g y c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) f i e l d b u si sa t t r a c t i n gi n c r e a s i n ga t t e n t i o nw i t hg o o ds t a b i l i t y ， 垴垂r e l i a b i l 毋，a n t i - i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t y , h i g h - s p e e dc o m m u n i c a t i o n s ，l o wm a i n t e n a n c ec o s t s a n di t su n i q u ed e s i g n i ti sr e c o g n i z e da st h em o s tp r o m i s i n go n eo ft h ef i e l d b u s t h e r ei saw i d e a p p l i c a t i o na r e ao fc a n 。c a ni su s e df r o mh i g h s p e e dn e t w o r kt ol o wp r i c el e v e lm u l t i - c h a n n e l c o n n e c t i o n f i r s t l y , b a s e do nt h et h o r o u g ha n a l y s i so fc h a r a c t e r i s t i c s ，c o n t e n t ，l a y e r e ds t r u c t u r ea n d w o r k i n gp r i n c i p l eo fc a np r o t o c o l ，t h ep a p e rm a k e sad e t a i l e dt e c h n i c a la n a l y s i sa n dr e s e a r c h o nt h ed e v e l o p m e n to ft h ec a nf i e l d b u ss y s t e m ，a n dd i s c u s s e st h ed e s i g ns c h e m eo fs o f t w a r e a n dh a r d w a r eo fc a nf i l e d * b u s + s e c o n d l y , 也er e a l i z a t i o no fc o m m u n i c a t i o na n dc o r r e l a t i o n t e c h n o l o g ya r ed e t a i l e dd e s c r i p t e dt h r o u g ha na p p l i c a t i o no fr e l a y i n gp r o t e c t i o nd e v i c ei ne l e c t r i c p o w e rs y s t e mb a s e do nc a nb u s 。t h es y s t e mo fi op l u g i ni nr e l a y i n gp r o t e c t i o nd e v i c eb a s e d o nc a nb u su s e sa r mc o n t r o l l e rl p c 2i19 t h es y s t e ms o f t w a r ei sw r i t t e na n dt e s t e db y e m b e 。d d e dv i s u a lc + + l a n g u a g e , a d s 1 + 2i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n tt o o la n dj t a gs i r n u l a t o r f r o mt h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n to ft h es y s t e m ，t h i sp a p e rg i v e st h ed e s i g ns c h e m e , a n dm a k e s d e b u g g i n g b yn o wt h ed e b u g g i n go ft h es y s t e mh a sa l r e a d yb e e na c c o m p l i s h e d 。f i n a l l y , t h e p a p e rd e s c r i b e st h ep r o c e s so fc a nb u s , m a i n l yi n c l u d i n gt h ec o m b i n a t i o no fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s 。t h ea p p l i c a t i o no fc a nb u si nc o m m u n i c a t i o n s ，b u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m a n dm e d i c a le q u i p m e n tf i e l d sa r ed i s c u s s e ds i m u l t a n e o u s l y 1 1 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向： 无线数据与移动计算网络 作者：2 0 0 5 级研究生潘倩姿指导教师钱学荣 题目：c a n 现场总线及其协议的分析研究和应用 英文题目：t h ea n a l y s i sa n da p p l i c a t i o no fc a nf i l e d b u sa n d p r o t o c o l 主题词：c a n现场总线通信a r m应用技术 k e y w o r d s ：c a n f i e l d - b u sc o m m u n i c a t i o n sa r m a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y 南京邮电大学硕士研究生学位论文 英文缩略语 英文缩略语 a c k ( a e k n o w l e d g m e n t )应答 a f ( a r b i t r a t i o nf i e l d )仲裁场 b a s ( b u i d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m )楼宇自动化系统 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k )控制器局域网络 c a s ( c o m m u n i c a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m )通信自动化系统 c f ( c o n t r o if i e l d )控制场 c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k )循环冗余校验 c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t ) 载波侦听多路访问冲突检测 c s m a c a ( c a r r i e rs e n s em u l t i a c c e s s c o l l i s i o na v o i d a n c e )载波侦听多路访问冲突避免 d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m )集散式控制系统 d f ( d a t af i e l d )数据场 d l c ( d a t al e n g t hc o d e )数据长度码 e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu t l i t )电子控制单元 e f ( e r r o rf r a m e ) 错误帧 e i a ( e l e c t r o n i ci n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n )电子工业协会 e o f ( e n do f f r a m e )帧结束 f c s ( f i e l d - b u sc o n t r o ls y s t e m )现场总线控制系统 f f ( f o u n d a t i o nf i e l d - b u s )基金会现场总线 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e )通用分组无线业务 h a r t ( h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) h a r t 协议 i d ( i d e n t i f i e r )标识符 i e c ( i n t e m a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n )国际电工技术委员 l l c ( l o g i cl i n kc o n t r 0 1 )逻辑链路控制 l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i o nn e t w o r k )局部操作网 m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 )介质访问控制 m a u ( m e d i u m a t t a c h m e n tu 1 1 i t ) 媒体访问单元 m d i ( m e d i u md e p e n d e mi n t e r f a c e )媒体相关接口 南京邮电大学硕士研究生学位论文 英文缩略语 o a s ( o f f i c ea u t o m a t i o ns y s t e m ) p l s ( p h y s i c a ls i g n a l i n g ) p m a ( p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t ) p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d - b u s ) r e c ( r e c e i v ee r r o rc o u n t e r ) r i s c 巫e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) r t r ( r e m o t et r a n s m i s s i o nr e q u e s t ) s o f ( s t a r to ff r a m e ) t c p i p ( t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o e o l i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) t e c ( t r a n s f e re r r o rc o u n t e r ) w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 6 1 办公自动化系统 物理信令 物理媒体附属装置 过程现场总线 接收错误计数器 精简指令集计算机 远程传送请求 帧起始 传输控n 网际协议 发送错误计数器 无线局域网 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：麴薹姿日期兰! 兰：竺! z 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：多钾看鎏导师签名： 谢京邮电大学硕士研究擞学位论文 筇章绪论 1 1 引言 第一章绪论 r s 4 8 5 1 j 是电孑工韭协会e i a 于1 9 8 3 年京订并发布的串行总线标漆。r s 一4 8 5 是为了弥 3 ： r s - 2 3 2 通讯距离短、速率低等缺点丽产生的。它只规定了平衡驱动器和接收器的电特性， 蕊没有裁定接插件、传输电缆和应用层透讯协议。在过去盼2 0 年时闯里，建议性标准r s 一4 8 5 作为一种多点差分数据传输的电气规范，被应用在许多不同的领域，用做数据传输链路。 但是基于在r s 4 8 5 总线上只能有一个主祝的特点，它往往应用在集孛控制枢纽与分散控制 单元之间。由于r s 。4 8 5 总线本身存在的许多局限性，随着科技的发展，r s 4 8 5 的总线效率 低、系统的实黠性麓、通讯的可靠性低、后期维护成本嵩、网络工程调试复杂、传输距离 不理想、单总线可挂接的节点少、应用不灵活等缺点慢慢地暴露出来。 表1 1e a n 总线与r s 。4 8 5 的比较磁 特性 r s 4 8 5c a n b u s 成本低廉每节点稍高2 e 元 数据传输率低晶 总线剃用率 低 高 通信距离小于3 千米可达1 0 千米 网络特性单主节点多主节点 容错机制无可靠的错误处理和 检镨视制 通信失败率赢低 系统实施性低较高 后期维护成本 高 低 如表1 1 所示，相比较r s 。4 8 5 ，c a n b u s 3 】f 4 】【5 】总线在成本、可靠性、实时性，灵活性、 易用性、通讯能力、传输距离等方面有着明显的优势，成为业界最有前途的现场总线之一。 c a n 现场总线取代r s - 4 8 5 总线是一种比较彻底的方案，也是一种必然趋势。 粥京邮电大学硕士研究皱学位论文 第一章绪论 1 2c a n 现场总线的简介 现场总线弼磁是连接智麓现场设备和鲁动化系统的数字式、双南传输、多分支结构的 通信网络，它的关键标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通讯。现场总线是用于 过程自动化或制造舀动讫中的，实现智能化现场设备( 铡如变送器、执行器、控制器等) 与高层设餐( 例如主机、网关、人机接口设备) 之间互联的、全数字、串行、双向的通信 系统。通过它可以实现跨网络的分布式控制。随着仪表智能化和通讯数字化技术的发展， 各种现场总线( f f 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、h a r t 、c a n 等) 技术的研究也成为热门课题。 现场总线已经发展成为集计算机网络、现场控制、生产管理等内容为一体的现场总线控制 系统f c s 。所谓的现场总线控制系统【s 】是指分教在各个工业现场的智能仪表通过数字现场 的总线连为一体，并与控制室的控制器和监视器共同构成的控制系统。这是继基地式控饿 系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数譬控制系统、集敖式控制系统d c s 9 蔚的新一代控制系统，它顺应了控制系统的分散化、智能化的发展方向。 c a n 即控制器髑域网络，最初是由德圄b o s c h 公司为勰决现代汽车中众多的控制与测 试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线，是现场总线技术中最成熟、最有 发展前途的微处理器局域鼹络。c a n 属于总线式通讯嬲络，由于其采用了许多新技术及独 特的设计，与一般的通讯总线相比，c a n 总线的数据遥讯具有突出的可靠性、实时性和灵 活性。相比较f f 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 等现场总线，c a n 在篷内外工业测控领域的应用 熨加广泛。最初，c a n 被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载备电子控制装置e c u 之间交换信息，。形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱、控制器、仪袭 装备、电予主干系统中，均嵌入c a n 控制装置。由于其卓越的性能，在工、监自动化、多种 控制设备、交通工具、医疗器械以及建筑、环境控制，通信领域等众多部门受到越来越广 泛的关注。 羔。3c a n 总线国杰辨的发展及应用情况 戈蓰进c a n 以及c a n 协议的发展，在欧溯成立了e i a q 删i na u t o m a t i o n ) 。在c i a 的努力推广下，c a n 技术已在各个领域得到了广泛的应用。现已有4 0 0 多家公司加入y c i a ， c i a 已成梵全球应用c a n 技术酶权威。根据蜃内外资料报道，c a n 技术已应用于家震电器 和智能楼宇以及小区建设中。如安防系统、抄表系统、家电控制等。它投资少，每个节点 可以随枫访闯，通信速度完全满足要求，且在这类应震孛数据交换量都很少。适当的燕关 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 如c a n 与t c p i p 协议的转换，可以使一个居室或一栋大楼的现场c a n 信息转变为i n t e m e t 的形式外传，或反过来通过这类网关把外部网传来的信息转换为c a n 的形式，这样就实现 了所谓的远程控制。 实践证明，基于c a n 总线的控制系统将有广阔的应用前景，c a n 总线必将最终成为市 场占有率很高的主要总线产品之一。 1 4 课题的研究意义及论文的主要工作 c a n 是一种具有国际标准而且性价比又比较高的现场总线，c a n 总线在组网和通信功 能上的优点以及它的高性能价格比，决定了它在许多领域都有广阔的应用前景和发展潜 力。现场总线的发展方向趋于智能化，网络化。而c a n 总线作为最有前途的现场总线，为 了以后能更好地将c a n 现场总线应用到通信，电子工业等各个领域，让c a n 发挥其优越性， 很有必要对其通讯协议，数据交换原理，报文帧类型，错误检测机制等等进行深入地分析 研究。 本文的主要工作是在深入理解c a n 协议特点，分层结构及工作原理的基础上，对其应 用的有关技术进行分析。本文的主要内容包括： ( 1 ) 现场总线技术的分析 ( 2 ) c a n 总线的特点分析。 ( 3 ) c a n 总线技术规范的分析。 ( 4 ) c a n 总线通信机制的研究，包括c a n 协议，帧结构，数据传输交换原理的剖析。 ( 5 ) c a n 总线控制器的接口技术。 ( 6 ) c a n 总线应用软件和硬件的设计方案。 ( 7 ) c a n 总线在电力通信中的具体应用，开发设计基于c a n 总线的i o 插件系统，着 重讨论c a n 协议通信的具体实现及其相关技术。 ( 8 ) c a n 总线其他一些进展，主要阐述c a n 总线与通信技术的结合技术的发展情况， c a n 协议在楼字自动化系统以及医疗设备领域中的应用。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章现场总线技术 第二章现场总线技术 2 1 控制系统的发展演变过程 计算机控制系统【1 0 1 的发展阶段经历了工业化时代，自动化时代以及信息化时代。2 0 世纪4 0 年代出现了气动信号体制，6 0 年代出现了模拟式电子仪表与电动单元组合的自控 系统，7 0 年代中后期，在过程控制自动化领域中逐步实现了集散控制系统d c s ，8 0 年代 出现的现场总线控制系统f c s 突破了d c s 从上到下的树状拓扑结构，并采取总线通信机 制的拓扑结构，进入开放、分散、可开发的体制与全数字化的体制。 控制系统在经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集 中式数字控制系统以及集散控制系统d c s 后，今后将朝着现场总线控制系统的方向发展。 现场总线是指现场仪表和数字控制系统输入输出之间的全数字化、双向、多站的通讯系统。 现场总线技术近年来成为计算机工业控制界关注的一个焦点，其原因在于它向人们展示了 一种全新的系统集成思想。 ( 1 ) 基地式气动仪表控制系统 安装在生产现场，只具备简单的生产测控功能，能成为封闭状态，无法与外界沟通信 息，单点控制。 ( 2 ) 电动单元组合式模拟仪表控制系统 出现了集中控制室，生产现场点的参数通过统一的模拟信号传送到集中控制室，模拟 信号传递要一对一的物理连接，精度低，抗干扰能力差。 ( 3 ) 集中式数字控制系统 用数字信号代替模拟信号传输到集中控制室。用一台数字式计算机来进行集中控制， 一旦计算机出现故障，则造成所有控制器瘫痪。 ( 4 ) 集散式控制系统( d c s ) 集散式控制系统针对集中式控制系统风险集中的弊端，把一个控制过程分解为多个子 系统，由多台计算机协同完成，采用阶梯式控制结构。它体现的是集中管理与分散控制的 思想。其结构体系可描述为“三站一线”，即工程师站、操作员站、i o 站和通信网络。工 程师站负责系统管理、控制组态、系统生成与下装；操作员站实现控制系统的控制操作、 过程状态显示、历史数据的收集、报警状态显示以及趋势显示和报表生成打印等：现场i o 4 南京邮电太学硕士研究生学位论文第二露现场总线披术 站实现备种信号贻采集耱处理、回路熬运算饔控铡结果输出等；通信网络负责提供各释功 能站之间的数据遇信和联络。 ( 5 ) 薪型的瑗场总线控懿系统( f c s ) 突破了d c s 系统中通信封闭的缺陷，是基于公开化，标准化的解决方案，将集教的控 裁系统结构变成了新型熬全分布绻梅，它是在d c s 基础上发展起来的，僵它超篷了d c s 的框架，是一次质的跳变。它打破了传统控制一对一的设备连接而将控制模块置入现场设 备，尧接制功麓彻底下放到现场，依靠现场智链设备本身实现基本控制功能。 2 。2 控制系统的网络体系结构 随着计算祝挞制系统的逐步演纯，控制系统的掰络体系缮构也耀威的经历了集中式， 阶梯式和分布式的演化过程。 ( 1 ) 集中式控制结构 集中式控制结构的特点是对控制系统中的信息统处理，拥有一个全局数据库以记录 系统的各种控制活动，每个控制实体都与中央处理单元独立连接。随着控制系统变褥越 来越复杂，响应递度慢，可靠性差，可扩展性差等缺陷逐渐暴露出来。 ( 2 ) 阶梯式控制结构 与集中式控制结构相比，阶梯式控制结构有许多优点。阶梯式的数据库结构使得整体 的数据量比集中式控翻系统大大减少，具有各宣特定动能静单元在响应命令和遴信时有更 大的灵活健。但其也存在些固有的缺陷，如上层故障会造成下层控制的整体瘫痪，设备 布置斡改变会影嫡捌整个控卷g 系统，出于通信延对往往使上层决策滞屠予下层状态麴变化 丽造成控制失误等。d c s 控制系统采用阶梯式控制结构。 ( 3 ) 分布式控制系统 从总体上看，分布式结构由若干个相互独立又相曩关联的实体组成，各实体在系统中 处于同一层次上，享有充分熬“自制投 。并且控剁系统功熊能够不依赖于控铡室的计算 机或控制仪表，或接在现场完成，实现了彻底的分散控制，从而降低了系统的复杂性，大 大提高了系统的可扩充性，窖锩性翻可靠牲。 2 3 现场总线的优点 ( 1 ) 系统豹开放性 开放是指对稻关标准的一致性和公开性，强调对檬准的共谈与遵从。开放系统是指世 s 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章现场总线技术 界上任何遵守相同标准的设备或系统之闯都可以互连。各不同厂家的设备之闯可互连鸯系 统丽实现一致通信与信息交换。在f c s 中，用户可以根据需要，将遵从相同协议的不同厂 家的产品集成到一个规模随意的系统中，通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统， 从根本上打破了d c s 系统的封闭性。 ( 2 ) 墨操作性与互用性 互操作性是指实现互连设备间、系统阅的信息传递与沟通；互用性则指不网生产厂家 的性能类似的设备乏间可以实现相互替换。 ( 3 ) 现场设备的智能化与功能自治化 现场总线系统将传感测爨、补偿计算与控制等功麓分散到现场设备中完成，仅靠现场 设备霹可完成自动控制豹基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 ( 4 ) 系统结构的高度分散性 现场总线已构成一秘薪的全分敖性控制系统豹体系结构，从根本土改变了现有的d c s 系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 ( 5 ) 对现场环境的适应性 。 工作在生产现场，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境设计的，可支持双 绞线、同轴电缆、光缆、射频、红舛线、电力线等，具有较强的抗于扰能力，能采用两线 制实现供电与通信，并可满足安全防爆要求。 6 节省硬件数量与投资。 现场总线系统中分散在现场的镨能设备能直接执行传感测量、补偿计算与控制等功 能，放可减少变送器的数量，不再嚣要单独的调节器、计算单元等，也不褥需要d c s 系统 的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控p c 机作为操作站，从 而节省了硬件投资，并减少了控测室数占地面积。 ( 7 ) 节省安装维护费用 现场总线系统f l l 】豹接线十分篱单，一对双绞线或一条电缆上可以挂接多台设备，鼓可 节省大量的电缆、端子、槽盒、桥架，而连线设计与接头校对的工作量也可大大减少。当 需要增加瑗场控铡设鍪对，秃嚣增加新的电缆，可裁近连接在原有的电缆上，即节省了投 资，也减少了设计安装的工作量。e l i 于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理能力，并 遥过数字逯讯将相关熬诊新维护信息送往控制室，是户霹瑷查询所有设备款运行、诊断维 护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护时间，减少了维护的工作量。 3 臻户具有离度豹系统集成主动权 用户可以自由选择遵从相同协议的不同厂家的产晶来集成系统，避免了因选择了某 6 糍衷邮电大学硕士研究生学位论文第二章现场总线技术 品牌的产晶而被“框死 了使用设备的选择范围，从而使用户真正具有系统集成的主动权。 提高了系统戆准确性与可靠性：现场总线设备豹智能化积数字化，扶根本上提离了测量与 控制的精度。同时，由于系统的结构简化，设备与连线的减少，现场仪表内部功能的加强， 减少了信号熬往返传输，提离了系统豹可靠性。 2 。4 当前的现场总线标准 自8 0 年代末以来逐渐形成了几种有影响的现场总线技术【1 2 1 ，它们大都以国际标准组织 的开放系统互连模型律秀基本框架，并根据行垃酶应用需要施加某些特殊规定恁形成酌标 准，在较大范围内取得了用户与制造商的认可。它们具有各自的特点，也显示丁较强的生 螽力，对现场总线技术的发展发挥了较大斡俸用。 ( 1 ) 基金会现场总线f f f f 是国际主公认的唯一家不属于某企业的公正憋菲商啦化的国际檬准纯组织。f f 是 在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的种技术。其前身是以荧国 f i s h e r - r o s e m o u n t 公司为首，联合f o x b o r o 、搂河、a b b 、西f 了子等8 0 家公司制定的i s p 协议 和以h o n e y w e l l 公司为首，联合欧洲等地1 5 0 家公司制定的w o r l df i p 协议。这两大集团于 1 9 9 4 年9 b 合并，成立了现场总线基金会，致力于开发国际土统一薛现场总线协议。基金 会现场总线分为h l 釉h 2 两种通信速率。h 1 的传输速率为3 1 2 5k b p s ，传输距离为2 0 0 m 、 4 0 0 m 、1 2 0 0 m 和1 9 0 0 m 四种。珏2 的赞输速率可为i m b p s 和2 5 m b p s 两种，其通信鼯离分剐炎 7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传输介质可支持双绞线、同轴电缆和光纤，其传输信号采用曼切斯特 编码。 ( 2 ) p r o f i b u s 现场总线 p r o f i b u s 是作为德国国家标准和欧溯国家标准的现场总线标准。该项技术是由西门子 公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用o s i 模型的物理层、数据链路层。 分散化的外围设备( d p ) 蘩隐去了第3 层至第7 层，丽增加了童接数据连接拟合作先用户 接口；现场总线信息规范( f m s ) 型则只隐去第三至第六层，采用了应用层。过程自动化 ( 淞 型的标准蟊前还处予截定过程之中。其最大传输速率蔻1 2 m b p s ，传输蹈离为1 0 0 m 和4 0 0 m ，传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接1 2 7 个站点。 ( 3 ) l o n w o r k s 现场总线 l o n w o r k s 是幽美星e c h e l o n 公司手1 9 9 0 年正式推出的。它采用i s o o s i 模型的全部 7 层协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变薰把网络通信设计简化为参数设置， 7 博京邮电大学硕士研究缴学位论文第二章现场总线技术 其最大传输速率为1 5 m b p s ，传输距离茺2 7 0 0 m ，传输介质可以是双绞线、光缆、辩频、 红辨线和电力线等。l o n w o r k s 应用范围主要包括楼字自动化、工业控制等，在组建分布 式监控网络方面有较优越的性能。 ( 4 ) h a r t 现场总线 h a r t 现场总线是r o s e m o u n t 公司子1 9 9 6 年推出的一种通信协议。其特点是在现有模拟 信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品。它 按命令方式工作，采用三类命令来完成三个不同层次的功能。在当前的过渡时期，h a r t 具有较强的市场竞争能力。 ( 5 ) c a n 现场总线 最早踟德国b o s c h 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间麴数据通信。c a n 结构模型取i s o o s i 模型的第l 、2 、7 层协议，器p 物理层、数据链路层和应用层。遂信速率 最高可达1 m b p s ，通信距离最远可达1 0 0 0 0 m 。物理传输介质可支持双绞线，最多可挂接设 备ll o 个。c a n 的信号传输采用短帧结构，每帧的有效字节数为8 个，传输时间缀，受干扰 的概率低。当节点严重错误时，具有盘动关耀功能，以切断该节点与总线的联系，具有较 强的抗干扰能力。 2 5 几种常用现场总线的比较 上述凡种现场总线各有不同戆侥缺点，在不同领域中得到不同的应用。下面就褥络构 成方面和通信方面加以比较。 掰络构成方面 f f 总线的网络具有物理层、数据链路层和应用层，并在应用层之上增加了用户层，构 成了西层结构的通信模型，低速网络有总线鄹树型两种阙络结构。l o n w o r k s 总线吴有完 熬的7 层协议，通信方式和网络结构形式较多，节点数在常用总线中是最多的。p r o f i b u s ， h a r t 帮c a n 都具有物理层，数据链踌层和应雳层三屡协议。c a n 结构较力篱单，可靠 性强，但节点数只能达到1 1 0 个。 通信方蘧 f f 总线使用的是基于令牌交换的主从式通信方式；l o n w o r k s 总线采用的是l o n t a l k 协 议：p r o f i b u s ，h a r t 分裂以令膊主靛，令牌查询方式通讯；c a n 总线是多主站依据优 先级进行总线访问。这几种总线都具有优先通信的功能，但f f 总线可以鬻先进行良好规划 来大大提高对信道的剃震。这些总线都可文通过如双绞线等多种奔质蒋输，c a n 总线与 8 谢裘邮电大学硕士研究坐学位论文籀二章现场总线技术 l o n w o r k s 总线都具有较广的通信速率范围，可根据传输距离的不同而选择不同的速率，而 f f 总线支持低速3 1 + 2 5 k b p s 和高速1 0 0 m b p s 至u i g b p s 或更离熬速率。 表2 1 为几种常用的现场总线的比较。由表2 1 所示，对于实时、高速、高可靠性的小 型控制网络，采用c a n 总线组网，不失隽一种低成本、麓性能的方法。这种方法可利用熟 悉的开发王具和单片机，加上c a n 控制器和收发器组成控制网络，无须熟悉新的软件和购 买昂贵的设备，署发周裳短，成本低。c a n 总线被公认为最有前途，应用最广泛的现场总 线之一。 表2 - l 几种常用现场总线熬比较 性能 o s i 层次介质访问纠错方式通讯速率最大节点 蓉群j 方式 ( m b p s ) 数 f f 1 , 2 ，3 ，8令牌，主从 c r c2 53 2 p r o f i b u s 1 , 2 ，7令牌，主苁 c r c1 21 2 8 l o n w o r k sl 7c s m ac r c1 2 52 4 8 h a r t 1 , 2 ，7 令牌，查询 c r c1 21 5 c a n 1 , 2 ，7位仲裁 c r elll o 2 6 现场总线的未来 随着现场总线技术的应用日益广泛以及现场总线国际标准的加紧制定，现场总线技术 正在迅速地发震。统一i 褥t c p i p 协议使得i n t e m e t t 穗络离速发震；统一的超级v c d 标准解决 了c v c d 和s v c d 之争，带来了市场的繁荣。现场总线技术的发展也迫切需要一个统一标准 的现场总线控制系统。徨是多种总线共存的蜀谣在一个缀长时闻蠹存在仍是无法避免的。 为了适应务种不同现场总线协议，必须实现各种现场总线控制系统的集成。现场总线协议 长麓争论不体，使褥f c s 系统的发震相对缓慢。茺了加快薪一代系统静发展，久傲开始寻 求新的出路。近年来，现场总线开始转向在i t 领域广泛应用的、开放的、常年来发展最为 成功的e t h e m e t 丽络技术。 2 7 本章小结 本章主要是对现场总线做一个全溪系统的奔绍。从现场总线靛演交过程，现状以及未 来的发展趋势等方面逐一做彳介绍。 9 南京邮电大学颂士研究生学位论文第三章c a n 总线技术 3 1c a n 总线特点 第三章c a n 总线技术 c a n f 玛】是一种有效支持分布式控制和实时控制的总线式串行通信网络，具有物理层， 数据链路层和应用层三层协议。c a n 总线专用接口芯片中以固件形式集成了c a n 协议的 物理层和数据链路层功能：可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循 环冗余校验、优先级判别等多项工作。c a n 总线各节点之间依据优先权进行总线访问，以 广播的形式进行通信。 由于采用了许多新技术及独特的设计，c a n 总线与一般的通讯总线相比，它的数据通 讯其有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括如下： 多主控制 在总线空闲时，所有的单元都可开始发送消息( 多主控翩) 。最先访问总线的单元可 获得发送权( c s m a c a 方式) ，多个单元同时开始发送时，发送高优先级i d 消息的单 元可获得发送权。 消息的发送 在c a n 协议中，所有的消息都以固定的格式发送。总线空闲时，所有与总线相连的 单元都可以开始发送新消息。两个以上的单元同时开始发送消息时，根据标识符i d 决定 优先级。m 并不是表示发送的目的地址，而是表示访问总线的消患的优先级。两个以上 的单元同时开始发送消息时，对各消息i d 的每个位进行逐个仲裁比较。仲裁获胜( 被判 定为优先级最高) 的单元可继续发送消息，仲裁失利的单元则立刻停止发送而进行接收工 作。c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载 很重的情况下，也不会出现网络瘫痪的情况( 以太网则可能) 。 系统的柔软性 与总线相连的单元没有类似于“地址 的信息。因此在总线上增加单元时，连接在总 线上的其它单元的软硬件及应用层都不需要改变。 通信速度 根据整个网络的规模，可设定适合的通信速率。在同一网络中，所有单元必须设定成 统一的通信速率。只要有一个单元的通信速率与其它的不一样，此单元就会输出错误信号， 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 篇三章c a n 总线技术 妨碍整个网络的通信。不同网络闻则可以有不同的通信速率。c a n 的直接通信距离最远可 达1 0 k i n ( 速率5 k b p s 以下) ；通信速率最高可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 。 远程数据请求 可通过发送“遥控帧 请求其他单元发送数据。 错误检测功能错误通知功能错误恢复功能 所有的单元都可以检测错误( 错误检测功能) 。检测出错误的单元会立即同时通知其 他所有单元( 错误通知功能) 。正在发送消息的单元一里检测出错误，会强制结束当前的 发送。强制结束发送的单元会不断反复地重新发送此消息直到成功发送为止( 错误恢复功 能) 。 故障封闭 c a n 可以判断融错误的类型是总线上暂时的数据错误( 如外部噪声等) 还是持续的数 据错误( 如单元内部故障、驱动器故障、断线等) 。由此功能，当总线上发生持续数据错 误时，可将引起此故障的单元从总线上隔离出去。 连接 c a n 总线是可同时连接多个单元的总线。可连接的单元总数理论上是没有限制的。但 实际上可连接的单元数受总线上的时闻延迟及电气负载的限制。降低通信速率，可连接的 单元数增加；提高通信速度，则可连接的单元数减少。 3 2 c a n 总线技术规范 3 2 。1c a n 总线的电气特性 c a n 总线的通信线路由两根导线组成，分别为c a n - h 和c a n l ，这两根导线也就是 c a n 网络中的总线【1 4 1 。网络中所有的节点都挂接在该总线上，并且都通过这两根导线来交 换数据。c a n 控制器根据两根线土麴电位差来判断总线电平。总线电平分为显性电乎和隐 性电平，二者必居其一。发送方通过使总线电平发生变化，将消息发送给接收方。 总线上某一时刻显现麴数毽由两裰导线上电压v c a n h 和v c a n l 的差值表示。该 差分电压v d i f f 可表示“显性 和“隐性两种互补的逻辑数值。在“隐性 状态下，差 分电压v d i f f 近似力0 ；“显性状态v d i 嚣则大于_ 个最小阙值。在c a n 总线标准通信协 议中规定“显性”表示逻辑“o ；而“隐性”则表示逻辑“+ l 。c a n 总线位数值如图3 1 魇示。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章c a n 总线技术 平 均 电 压 电 平 i 刊v 甜v 一 圳 ； k 隐性位显性位隐性位 图3 1 总线位数值表示 。 当在总线上出现同时发送娌曼