（通信与信息系统专业论文）多总线集成的嵌入式系统设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 从2 0 世纪8 0 年代开始，各种现场总线相继产生。在由多种不同类型的现场 总线构成的系统中，各种现场总线产品由于协议的不同而无法相互通信，这严 重妨碍了用户的选择。随着e t h e m e t 技术的快速发展，e t h e r n e t 介入控制已经成 为事实，如何整合e t h e m e t 与现场总线对各种现场总线的未来命运是至关重要 的。各种现场总线在整合的方法上展开了激烈的争夺成为当前现场总线领域的 热点。 基于上述考虑，我们设计了多现场总线集成系统，系统支持m o d b u s 、p p i 、 c a n o p e n 总线协议和t c p ，i p 协议。一方面，系统分别作为m o d b u s 、p p i 、c a n o p e n 总线的一个节点，完成相应通信协议的通信及数据解析；另一方面，系统又能 够完成各总线之间的数据转发与共享：同时，为了支持远程监控能力，系统提 供了以太网接口以支持i n t e m e t 功能。 本文介绍了系统硬件和软件设计方案，系统硬件是由主控c p u 模块、 r s 2 3 2 l l s 4 8 5 模块、c a n 模块三部分组成。主控模块使用1 0 0 m 的中央处理器 c 8 0 5 1 f 1 2 0 ，它为其它模块提供软件和硬件接口并完成总线的通信。r s 2 3 2 r s 4 8 5 模块功能是完成r s 2 3 2 与r s 4 8 5 之间的转换。c a n 模块的功能是完成c a n 2 0 物理链路层协议： 系统软件是采用分层方式实现的，它分为硬件驱动层、协议层和应用层。每 层部有个j 坍议相对应的缓冲区层j 膳之f i j 的数据交换足通过缓冲区来 实现的。在发送的时候，数掘足由协议缓冲区流向硬件缓冲区，而在接收的时 候数据是从硬件缓冲区流向协议缓冲区。 系统支持m o d b u s 、p p i 、c a n o p e n 三种协议。用户可以根据实际需要自由地 配置。系统提供了硬件配置和软件配置两种方式，其中软件配置是通过t c p 仃p 完成的。协议之间的通信是通过地址共享来实现的，本文介绍了轮询方式下的 实地址共享、突发方式下的虚地址共享及虚拟机三种共享方式的实现机制。 最后，文章介绍了一个实际应用的系统和该项目衍生的部分新产品。 关键词：现场总线，总线集成，通信 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t k i n d so ff i e l d - b u sc o n t r o ls y s t e mh a v ec o m ei n t ob e i n gs i n c e1 9 8 0 s h o w e v e r ， s y s t e m sc o n s i s t i n go fd i f f e r e n tb u sp r o t o c o l sc a nn o tc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e r , w h i c hi m p e d e su s e r s s e l e c t i o n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe t h e r n e tt e c h n o l o g y , e t h e m e tp r o t o c o lh a sa l r e a d yb e c o m eas t a n d a r df a c t u a l l ya n di n d u s t r ye t h e r n e th a s b e e na p p l i e dt oc o n t r o lf i e l d s h o wt oi n t e g r a t ee t h e m e ta n df i e l d - b u sc o n t r o l s y s t e mi se x t r e m e l yi m p o r t a n tt ot h ef u t u r eo fk i n d so ff i e l d - b u sc o n t r o ls y s t e m i n a d d i t i o n ，t h ei n t e g r a t i o nm e t h o db e t w e e ne t h e m e ta n df i e l d - b u sc o n t r o ls y s t e mh a s b e c o m eah o t s p o tt ot h o s ew h ow a n tt oe n t e ri n d u s t r yc o n t r o la r e a b a s e do nt h e s ef a c t o r s ，w ed e s i g n e das y s t e mw h i c hi n t e g r a t e ss o m ep r o t o c o l s t h i ss y s t e mc a l lc o m m u n i c a t e 、v i t l lm o d b u s ，p p l ，c a n o p e na n dt c p 1 pp r o t o c 0 1 f o r o n et h i n g ，a san o d eo fp p i ，m o d b u sa n dc a n o p e nb u s ，i tc a na n a l y z ed a t as t r e a m a m o n gt h e s eb u s e s ；f o ra n o t h e r , i tc a l lr e a l i z ed a t ac o m m u n i c a t i o na n ds h a r e i n g b e t w e e nb u s e s ；m o r e o v e r , i tc a na l s op r o v i d ea ni n t e r n e ti n t e r f a c et om e e tt h e r e q u i r e m e n to f r e m o t e - m o n i t o r i n g t h i sp a p e rh a si n t r o d u c e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nf o rt h es y s t e m t h e h a r d w a r ec o n s i s t so fm a i n - e o n t r o lc p um o d u l e r s 2 3 2 ，r s 4 8 5m o d u l ea n dc a n m o d u l e a1 0 0 mm c ui se m b e d d e di nt h em a i n c o n t r o lm o d u l ew h i c hc a np r o v i d e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ei n t e r f a c et oa n o t h e rm o d a l e i na d d i t i o n ，c o m m u n i c a t i o n b e t w e e nb u s e si si m p l e m e n t e di nt h i sm o d u l e t h et a s ko fr s 2 3 2 r s 4 8 5i st or e a l i z e s i g n a l sc o n v e r s i o nb e t w e e nr s 2 3 2a n dr s 4 8 5 f u n c t i o n so f c a nm o d u l ei st or e a l i z e c a n 2 op h y s i c s l i n k sp r o t o c 0 1 t h es o f t w a r eo ft h es y s t e mi sr e a l i z e db yam e t h o do fl a y e r i n g i ti sd i v i d e di n t o h a r d w a r e - - d r i v el a y e r , p r o t o c o l l a y e ra n da p p l i c a t i o nl a y e r a c c o r d i n g l y , e a c hl a y e r h a sad a t ab u f f e r d a t aa r ee x c h a n g e db e t w e e nl a y e r sb yb u f f e r s d a t aa r ef l o w e d f r o mt h ep r o t o c o lb u f f e rt ot h eh a r d w a r eb u f f e ra tt h et i m eo fs e n d i n gd a t a o nt h e c o n t r a r y , d a t aa r et r a n s r n i a e df r o mt h eh a r d w a r eb u f f e rt ot h ep r o t o c o lb u f f e rw h e n r e c e i v i n gd a t a t h i ss y s t e ms u p p o r t sm o d b n s ，p p ia n dc a n o p e np r o t o c 0 1 u s e r sc a l lc o n f i g u r e t h ep r o t o c o lf r e e l ya c c o r d i n gt ot h e i rr e q u i r e m e n t t w om e t h o d sa r ep r o v i d e dh at h e i i 武汉理工大学硕士学位论文 s y s t e mc o n f i g u r a t i o n ，w h i c ha r eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na n ds o f t w a r ec o n f i g u r a t i o n c o m m u n i c a t i o nb e t w e e np r o t o c o l si sr e a l i z e db yam e t h o do fs h a r i n ga d d r e s s e s t h i s p a p e ri n t r o d u c e st h r e em e t h o d so f s h a r i n ga d d r e s s e s ，w h i c ha l et r u ea d d r e s ss h a r e db y p o l l i n g ，v i 删a d d r e s ss h a r e db yi n c i d e n ta n d v i r t u a lm a c h i n e a tl a s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sa s y s t e mi nr e a l i t ya p p l i c a t i o na n ds o m en e w p r o d u c t sd e r i v e df r o mt h ep r o j e c t k e y w o r d s ：f i e l d ) u sc o n t r o ls y s t e m ，f i e l d - b u si n t e g r a t i o n ，c o m m u n i c a t i o n i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 工业控制总线的发展 1 1 1 集散控制系统( d c s ) 集散控制系统( d c s ) 在八、九十年代占据了主导地位【3 2 1 。其核心思想是 集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能； 若干台下位机下放分散到现场，实现分布式控制；各上下位机之间用控制网络 互连以实现相互之间的信息传递。因此，这种分布式的控制系统体系结构有力 地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。在 集散控制系统中，分布式控制思想的实现正是得益于网络技术的发展和应用， 遗憾的是，不同的d c s 厂家为达到垄断经营的目的而对其控制通讯网络采用各 自专用的封闭形式，不同厂家的d c s 系统之间以及d c s 与上层i n t r a n e t 之间、 i n t e m e t 信息网络之间难以实现网络互连和信息共享。因此集散控制系统从该角 度而言，实质是一种封闭专用的、小具有可互操作性的分白式控制系统。 1 1 2 现场总线系统( f c s ) 所谓现场总线，是指安装在制造或过程区域的现场装置之叫、以及现场装 置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线。以 现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称作现场总线系统( f c s ) 1 6 1 u 7 1 现场总线系统产生于2 0 世纪8 0 年代初，目前主要的f c s 有：基金会现场 总线f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 、控制局域网络总线c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) 、局部操作网络总线l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) 、过程现场总 线p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 和h a r t 总线( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t e t r a n s d u c e r ) 以及d e v i c e n e t 、c o n t r o l n e t 、p - n e t ，等等【2 0 】1 2 l 】。 与传统的d c s 相比，f c s 具有如下优点； 首先，f c s 的信号传输实现了全数字化，从最底层的传感器和执行机构， 逐层向上直至最高层均采用通信网络互连。 武汉理工大学硕士学位论文 第二，f c s 系统结构是全分散式。f c s 废弃了d c s 的输入糯出单元和控制 站，由现场设备或现场仪表取而代之，即把d c s 控制站的功能化整为零，分散 地分配给现场仪表，从而构成虚拟的控制站，实现彻底的分散控制。 第三，f c s 的现场设备具有互操作性。不同厂商的现场设备既可互连也可 互换，并可以统一组态，彻底改变传统d c s 控制层的封闭性和专用性。 第四，f c s 的通信网络为开放式互连网络，既可与同层网络互连，也可与 不同层网络互连，用户可极其方便地共享网络数据库。 第五，f c s 的技术和标准实现了全开放，从总线标准、产品检验到信息发 布完全是公开的，面向世界任何一个制造商和用户。 现场总线作为当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的 计算机局域网。它的出现，标志着自动化系统步入一个新时代的开端，将对该 领域产生前所未有的冲击和影响。 1 1 3 互连网 在各种现场总线的竞争中，以e t h e m e t 为代表的c o t s ( c o m m e r c i a l o f f - t h e s h e l f ) 通信技术i f 成为现场总线发展中新的亮点【2 4 1 。在 2 0 0 0 年1 0 月i n t e r - k a m a 展览会上，几乎所有远程i o 接口技术的供应商均提供 了一个支持t c p i p 协议的以太网接口，在销售各自p l c 产品的同时，提供与远 程i 0 和壤于p c 的控制系统相连接的接 i 【1 】【2 1 f 9 1 。可以肯定的是，t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 己成为以太网事实上的网络层、传送层的通信 规约，以太网已变为网络拓扑的唯一选择1 3 ”。 e m e m e t 技术渗透到工业控制中，出现了现场总线型网络技术与以太网因 特网开放型网络技术的自然结合，以太网不仅可以成为工业高层网络上的信息 系统，也可以上下贯通直接与现场设备相连。 e 1 e m e t 在工业现场的应用需要解决实时性问题，可互操作问题“，与现 场总线技术的结合是解决上述问题的途径之一f 9 1 。如何整合e 廿l e m e t 与现场总 线，对各种现场总线的未来命运是至关重要的。 目前现场总线正在开发与e t h e m e t 结合的技术有： c o n t r o l n e td e v i c e n e t 和e t h e m e t i p 联合推出c i p ( c o n t r o la n d i n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) ； f o u n d a t i o nf i e l d b u s 推出h s e ( h i g h s p e e de t i l e m e t ) ； 2 武汉理工大学硕士学位论文 p r o f i b u s 推出p r o f i n e t ； 还有一些现场总线本身就是与e t h e m e t 功能接近的l a b l 局域网。因此，它 们不经过e t h e m e t 而直接与t c p i p 结合，如m o d b u s 推出m o d b u st c p i p ， w o r l d f i p 推出w o r l d f i pt c p f i p 。 1 2 现场总线发展的趋势 现场总线的国际标准虽然制订出来了，但是，由于采用了不同的网络技术， 现场总线技术不能实现统一，它与i e c ( 国际电工委员会) 于1 9 8 4 年开始制订 现场总线时的初衷是相违背的1 4 1 。因此，现场总线今后的发展将呈以下趋势： 多种总线并存 现场总线国际标准i e c 6 1 1 5 8 中采用的8 种类型，以及其他一些现场总线， 将在今后一段时间内共同发展，并相互竞争相互取长补短湖。此外，国际跨国 公司除了从事他们所支持的现场总线技术的研究与开发，还兼顾其他总线的应 用。 每种现场总线将形成其特定的应用领域 目前全球用于连接分散的i o 产品和控制器的总线和网络产品多种多样，但 未来将有越来越多的市场份额集中在越来越少的总线和网络产品卜随之会产 生新的市场领导者。随着时间的推移，占有市场8 0 左右的总线将只有六七种， 而且其应用领域比较明确。 多总线集成已成为必然的趋势 由于现场总线种类繁多，且各自在不同领域得到了广泛应用。各种现场总 线代表着不同公司多年的研发投资和市场利益，不同总线的技术侧重不同，各 有特色，各有相应的应用领域。就目前各种现场总线技术来看，没有哪种现场 总线能够完全适用于所有的应用领域哼1 。尽管工业以太网因其无可比拟的优势 进入现场控制级已成为发展趋势；但至少现在看来，它难以完全取代现场总线 而成为实时控制通信的单一标准h 们。因此，多种现场总线共存的局面将在一个 很长的时间内存在。在由多种不同类型的现场总线构成的系统中，各种现场总 线产品由于协议的不同而无法相互通信，严重妨碍了用户的选择。对用户而言， 如果一个系统中每一个智能化产品均选择其专用的通信卡或通信控制器，系统 的组态性和灵活性将很差，而且改造升级的成本会很大。因此，多总线集成已 武汉理工大学硕士学位论文 成为必然的趋势 1 3 课题的来源及总线集成器设计要求 本课题为一横向项目，项目的基本要求为： 能够通过c a n o p e n 总线与多台变频器通信，从而控制变频器的工作。 该公司原来一些自动化线由西门子p l c 与f c s 2 0 0 0 控制器通过p p i 协 议通信分散控制，各控制系统信息与数据不能共享。现在要求各个控制系统的 数据能够汇总到一起供技术部门分析用。 该公司早期的一些设备都通过m o d b u s 协议相互通信。同样要求各个控 制系统的数据能够汇总到一起供技术部门分析用。 该公司由一总公司和多个分公司组成现要求各分公司的信息能够汇总 到总公司。 各分公司与总公司的数据共享可以通过互连网完成，已不在本课题讨论范 之内。现在我们要设计一总线集成器。一方面它要同时支持m o d b u s ，p p i ， c a n o p e n 总线协议；另一方面，它要支持t c p i p 协议以便数据的监控与组态。 考感到产品的通用性，我们在该网络节点中增加了m o d b u s ，p p i 主从模式 下的通信协议。具体采用那种模式可以通过配置来选择。这样一来，网络就具 备了以下功能： 1 当把网络节点的所订的总线协议都配置为e 模式，就町以用它对总线数 据进行组态。这就是项目要求的配置。 2 当把所有的协议都配置为从模式，网络节点就分别当作对应三条总线的 三各从节点。 3 当网络节点配置一些总线为主模式，配置另一些总线为从模式则集成器 可以当总线桥用。 此外，也可以只用网络节点的一条或两条协议。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章总线集成器系统模型及支持的协议 2 1 总线集成器模型的选择 2 1 1 总线桥级连缺陷分析 目前有部分产品采用总线桥级连的方式来完成协议之间的通信。总线桥提 供两个端口并连接到两条总线上。当总线集成器作为某总线的从节点时，我们 把这条总线称为主总线：当总线集成器作为某总线的主节点时，我们把这条总 线称为从总线。总线桥作为主总线上的一个从节点( 或称从机，下同) ，接收并解 析主总线上主节点的命令。总线桥作为从总线的一个主节点( 或称主机，下同) ， 它可以向从总线的其它从节点发送命令。这样，当总线桥的主总线的主节点向 总线从总线的从节点发送命令时，可以先把命令发给总线桥，然后由总线桥把 命令解析并重新封装从总线协议格式的数据，并发给从总线的从机。如图2 一l ， 假设g 为c a n o p e n 总线的主节点，总线桥2 作为c a n o p e n 总线的从节点和p p i 总线的主节点，总线桥1 作为p p i 总线的从节点和m o d b u s 总线的主节点。现在 g 要向m o d b u s 从机a 请求数据。 图2 - 1 总线桥级连 整个通信过程如下： 1 g 向总线桥2 发送c a n o r e n 格式的数据，总线桥2 接收并解析该数据， 同时合成p p i 格式的数据并发送到总线桥i 。 2 总线桥l 解析接收到的p p i 格式的数据，同时合成m o d b u s 格式的数据 并发送到a 。 3 a 把应答的m o d b u s 格式的数据发送给总线桥1 。 武汉理工大学硕士学位论文 4 总线桥1 把m o d b u s 格式的数据解析并重新封装成p p i 格式的数据后发 送到总线桥2 。 5 总线桥2 把p p i 格式的数据解析并重新封装成c a n o p e n 格式的数据后发 送到g 。 从上面的通信过程可以看出，总线桥级连至少存在三个不可避免的缺陷。 首先，采用这种方式通信，如果级连的总线桥过多，必然增加总线通信的 延时。这种延时既包括总线内部各通信线路上产生的延时又包括各总线桥c p u 处理的时间。如果延时过大，就不能保证通信的实时性。 其次，如果级连的某个总线桥出现问题，即使其后面的所有的总线桥都工 作正常，总线桥前后节点之间也不能通信。 最后，采用这种方式通信，总线桥前面的节点通信比较容易，而后面的节 点通信困难。这对后面的节点就极为不公平；同时，总线的负荷也极为不均匀， 对总线的流量控制也比较困难。 2 1 2 星形连接时总线各端口问的调度 由于总线桥的上述缺陷，我们在设计时采用星形接法( 见图2 2 ) 。 图2 - 2 总线星型连接 该图中，总线集成器提供三个端口并分别接到m ，n ，p 总线上。现在假设 总线n 上的节点c ( 主节点) 要向m 总线的节点a ( 从节点) 请求数据( 假设n 为c a n o p e n 总线，m 为m o d b u s 总线，p 为p p i 总线) ，其通信过程如下： 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 n 总线上的节点c 按照c a n o p e n 协议格式向总线集成器的c 端口( 总 线集成器作为n 总线的一个从节点) 发送请求报文。 2 总线集成器解析c a n o p e n 报文并封装成m o d b u s 协议格式的报文，通过 其a 端口( 总线集成器作为m 总线的主节点) 发送到m 总线的a 节点。 3 m 总线的节点a 把应答的m o d b u s 格式的报文发给总线集成器，由它封 装成c a n o p e n 格式的报文后传送到节点c 。 由上面的通信过程可知：节点c 与节点a 的通信只是通过了总线集成器的 c 、a 两个端口而与p 总线毫无关系，即使p 总线出现通信故障，也不会影响节 点c 与节点a 的通信。这样，一方面，缩短了总线通信延时；另一方面也减小 了总线通信的故障概率；同时也减轻和平均了总线上的负荷。 2 2 总线集成器星形连接的总体框架 本设计要求系统支持m o d b u s 、p p i 、c a n o p e n 及t c p i p 协议。一方面，系 统分别作为m o d b u s 、p p i 、c a n o p e n 总线的一个节点，要完成相应总线协议内 部的通信；另一方面，系统又要能够完成各总线之间的数据转发与共享：同时， 为了支持远程监控能力，系统必须提供以太网接口以支持i n t e m e t 功能。系统的 结构框图见图2 3 。 图2 - 3 总线集成器整体框架 武汉理工大学硕士学位论文 图中提供了三个总线物理层接口( 两个r s 4 8 5 接口，一个c a n 接口) 。其中 c p u 的两个r s 2 3 2n ( u a r t 0 ，u a r t l ) 通过r s 2 3 3 r s 4 8 5 模块接到r s 4 8 5 总线 上；c p u 的s p i 接口通过c a n 总线模块接到c a n 总线上，它们分别为m o d b u s 、 p p i 和c a n o p e n 协议提供物理链路支持并按照各自的总线协议进行通信。系统的 远程监控是通过以太网接口模块完成。除此之外，系统还提供了存储器扩展和 一些i 0 接口。 2 3 总线集成器支持的协议 总线集成器支持三种协议，它们分别是m o d b u s 协议、c a n o p e n 协议和p p i 协议。 2 3 1m o d b u s 协议简介 2 3 1 1m o d b u s 协议简介”h ” m o d b u s 协议是应用于电子控制器上的一通用工业协议。标准的m o d b u s 口 是使用r s 2 3 2 c 兼容串行接口，控制器通信使用主从技术，主机可单独和从机 通信，也能以广播方式和所有从机通信。如果单独通信，从机返回消息作为 回应：如果是广播方式，则不作任何回应。 m o d b u s 协议的主机通信格式包括地址码、功能码、所有要发送的数据及一 错误检码。从机的应答也由m o d b u s 协议构成包括从机地址、功能码、要返回 的数据、和一错误检测码。如果在消息接收过程中发尘一错误，或从机不能执 行其命令，从机将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。 2 3 1 2m o d b u sr t u 消息帧 控制器能被设置为两种传输模式( a s c 或r 1 m ) 中的任何一种，并在标 准的m o d b u s 网络通信。本系统仅支持r t u 模式，其结构表2 1 ： 表2 - 1r t u 模式 武汉理工大学硕士学位论文 使用r t u 模式，消息发送至少要以3 5 个字符时间的停顿间隔开始。可以 使用的传输字符是十六进制的0 - 9 ，a f 。当接收到第一个域( 地址码) ，每个 从机都进行解码以判断是否发往自己的。在最后一个传输字符之后，一个至少 3 5 个字符时间的停顿标定了消息的结束，一个新的消息可在此停顿后开始。 整个消息帧必须作为一连续的流转输。如果在帧完成之前有超过1 5 个字符 时间的停顿时间，接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息 的地址码；同样地，如果一个薪消息在小于3 5 个字符时间内接着前个消息开始， 接收的设备将认为它是前一消息的延续，这将导致一个错误，因为在虽后的c r c 域的值不可能是正确的。 2 3 1 3r i o 主从通信过程 r t u 主从通信的过程如下：主机首先向某一从机发出命令，总线上所有的 从机都一直在监控着总线，如果主机是向本机发送命令( 地址码是本从机地址号) 则对主机作出应答。 表2 2 足主机读取o l 号从机的保持寄存器内容的通信过程( 寄存器起始地 址为0 0 1 0 h ，读取长度为1 个字长) 。 表2 2 一个完整的主从通信例子 主机请求 地址功能伊5第一个寄第。个寄寄存器的寄存器的 存器的高存器的低 数量的高数量的低错误校验 位地址位地址 位位 0 10 30 0l o0 00 1x x 从机应答 数据高字数据低字 地址 功能码字节数 错误校验 节节 0 10 324 12 4x x 十六进制数4 1 2 4 表示即十进制数1 6 6 7 6 ，错误校验为c r c 值 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2p p i 协议简介 p p l 协议是采用主从结构的通信方式，传输模式是r 1 町，适用于半双工的 r s 4 8 5 。协议规定总线上有一主机，多个从机，每个从机分配唯一的地址。一次 读写操作的步骤包括两次握手：主机发出读写申请命令，从机接收后作出应答 响应表示已收到主机命令，完成第一次握手；主机接到从机第一次握手时发出 的响应则发出主机确认命令，从机接收到这个确认后，把主机要求的数据回应 给主机，完成第二次握手。通信的字节采用1 1 位传输方式：( 1 b i t 起始+ 8 b i t 数据+ i b i t 奇偶+ i b i t 停止) 。 p p i 数据链路层( f d l ) 数据帧结构如下： 1 无数据且长度固定的帧 l 兰型i 曼里! i 里垒l 璺垒i ! 竺l ! 竺璺 i ! 翌i 墨! 堕 2 带数据且长度可变的帧 除此之外，p p l 还增加了从机对主机请求命令的确认帧0 x e 5 。 各字段说明如下： s d l ：无数据帧的开始界定符o x l 0 。 s d 2 ： 可变长度帧的j r 始界定符0 x 6 8 。 l e 与l e r ：l e 与l e r 相同，都表示数据长度，长度为d a 到d u 的字节数 总和。 d a ：目的站地址。 s a ： 源站地址。 f c ： 命令码( 0 x s c ，0 x 6 c ，0 x 7 c 数据交换：0 x 0 8 应答) 。 d s a p ：目的服务存取点。 s s a p ：源服务存取点。 d u ： 数据单元。 f c s ：校验码( 从d a 到d u 的字节累加和) 。 e d ： 结束界定符0 x 1 6 。 s y n ：帧与帧同步字段( 至少3 3 个空闲位) 。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 在一次读写中，一次最大可读写2 2 2 个字节。p p i 协议规定了i 、q 、s m 、 m 、v 、s 等6 种数据类型，对于每种数据类型在下位机可以定义6 种变量的长 度。上位机能够直接读出以上变量区中的位、字节、字、双字等，其中读位变 量时，是读取该位所在的字节值，然后上位机自动识别该位的值。按照读写的 数据类型不同，对应的变量名的特征码是不同的，表2 - 3 给出各变量所对应的特 征码。 表2 3 各数据类型对应的特征码 数撂炎爆 特征码 s0 4 l l s m0 5 i l 8 l i l q 8 2 l m心h r挂4 f f 图2 4 用一个例子来说明p p i 的通信过程：我们假设向主机要求向2 号从机 读2 个i 类型数据。 主 c 6 81 b1 b 鹋0 20 06 c3 2 0 10 30 0a 1a 10 00 e0 00 0 0 40 11 2o ai 00 20 00 20 00 0 咀从1 6 1 00 20 05 c5 e1 6 1 71 7 鹋0 00 20 83 2 0 30 0o oa110 00 20 0 0 0o o0 40 1f f0 40 0i 0 9 d1 6 图2 4 p p i 通信过程 从 且 d 通信的过程可以分为4 步： a 主机向2 号从机发出命令，要求从i 数据区的0 号地址连续读取两字节 数据。 武汉理工大学硕士学位论文 b 从机应答e 5 ，表示己接收到主机的命令了。 c 主机对从机的应答e 5 作出响应( 1 0 ，0 2 ，0 0 ，5 c ，5 e ，1 6 ) ，告诉从 机已收到了它的应答。 d 从机如果接收倒了主机的响应，就按照主机的要求把数据发送给主机。 经过这四步后，一次完整的读i 区数据的通信就算完成了。 2 3 3c a n o p e n 协议简介 2 3 3 1c a n o p e n 简介 c a n o p c n 是基于c a n 串行的总线网络系统“。它的应用层和通信行规既支 持对设备参数的直接存取也支持对时间苛求的过程数据通信 4 0 l 。c a n o p e n 的设 备接口和应用行规定义了标准化的应用对象和基本功能。它的网络管理服务简 化了项目设计、系统集成和诊断控制。在每个分散的控制应用中，c a n o p c n 总 线都有各自所需的不同的通信对象；在c a n o p e n 总线上，所有这些通信对象都 是标准化的并在对象字典中详尽地进行了描述。 c a n o p c n 对象字典可以用一个1 6 位的索引进行存取，在数组和结构的情况 下，再用一个8 位的子索引。该字典描述了设备的全部应用对象，此外，设备 制造商可定义非标准化的应用对象j j 。 2 3 3 2 通信对象 c a n o p e n 指定有四类通信埘象。 第一类对象为过程对象p d o ( p r o c e s sd a t ao b j e c t s ) 。每个p d o 有一个唯一的 标识符且可以仅通过一个节点发送，但其接受者可不止一个( 生产者消费者通 信) 【别1 3 0 】。发送p d o 可用多种方式，如由内部事件驱动、由内部定时器驱动、 由远程请求驱动和由接收到来自特定节点的一个同步信息驱动。应用对象和支 持该传送方式的缺省映象在对象字典中对每一个p d o 都作了描述。p d o 标识符 具有高优先级以确保良好的实时性能。在p d o 殃象对象中定义了被传送的应用 对象，它描述了所映象的应用对象的顺序和长度，在预操作状态期间支持动态 p d o 映象的设备必须支持这个功能。若在预操作状态下支持动态映象，则服务 数据对象s d o 客户负责数据的一致性【3 l 】。 第二类通信对象是传送组态数据的服务数据对象s d o ( s e r v i c ed a t a o b j c o t s ) 。组态数据可以通过s d o 传送多于8 个字节数据。这些数据是分段传输 武汉理工大学硕士学位论文 的。第一段的第1 个字节包含必须的数据流控制信息；第一段的第2 ，4 字节包 含要读出或写入的对象字典登入项的索引和子索引；第一段内的最后四个字节 可作为组态数据用。同样的c a n 标识符第二段以及其后继段包含了控制的字节 和多达7 个字节的组态数据。接受者确认每个字节以便有点对点通信( 客户服务 器、。 第三类通信对象是网络管理对象、节点保护对象和n m t 对象。节点保护对 象是由n m t 主站节点远程请求的具有一个字节的c a n 帧数据字节，它主要包 含节点的状态。n m t 对象映象到一个单一的带有2 个字节数据长度的c a n 帧， 它的标识符为0 ，由n m t 主站发送的n m t 对象强制节点转换成另一个状态。 c a n o p e n 状态机规定了初始化状态子程序的操作状态和停止0 e 式为准备) 状态。 在加电后每个c a n o p e n 处于初始化状态，然后自动地转换到预操作状态。在此 状态下提供的同步对象和节点保护对象还允许s d o 的传送。如果n m t 主站已 将一个或多个节点设置为操作状态，则允许他们发送和接受p d o 。在停止状态 除n m t 对象外不允许通信。n m t 状态转化见图2 - 5 。 括号里的字母说明种类型允许进入不同的状态： ( a ：n m t ，b ：n o d eg u a r d ，c ：s d o ，d ：e m e r g e n c y ，e ：p d o ，f b o o t - u p ) 1 启动远程节点( 0 x 0 1 ) 2 停止远程节点( 0 x 0 2 ) 3 进入操作状态( 0 x 8 0 ) 4 复位节点( 0 x s l ) 5 通信复位( 0 x 8 2 ) 6 节点初始化结束 图2 - 5c a n o p e n 状态转化 武汉理工大学硕士学位论文 除此之外，c a n o p e n 还定义了三个特定的用于同步应急指示和时间标记的 对象。 2 3 3 3 标识符的地址分配 由于c a n 是一种面向网络的通信对象( c o b ) ，在网络中每个c o b 有一个 或多个关联的标识符，标识符隐含地指定了它的优先级。因此，对c o b 的标识 符的地址分配是系统设计中的一个主要方面。为了减少组态工作量，c a n o p c n 网络定义了强制性的缺省标识符地址分配表( 见附录1 ) 。这些标识符在预操作 状态中是可用的，通过动态的分配还可以修改它们。地址分配表包含一个功能 部分和一个块i d 部分。( 如图2 。6 ) ，c a n o p e n 设备必须提供它所支持的通信对 象的相应的标识符缺省行规i d 。 1 0q86二li 1r i ：u n c l i a a ( d en l r i i ) 图2 - 6 标识符的地址分配 图2 - 6 功能部分决定对象的优先级，而i d 模块部( m o d u l e i d p a r t ) 在相同功 能的设备问进行区分。i d 地址分配表与预定义的主，从连接集相对应并允许在单 主与多达1 2 7 个从站设备之间进行点对点通信。预定义的主从连接集支持个 应急对象，一个s d o 、4 个接收p d o 、4 个发送p d o 和节点保护对象等( 见附录 1 1 。 为优化标识符的地址分配，系统设计者可改变标识符的地址分配。这种改 变可静态地完成( 也就是说，在系统运行期间标识符是固定的) ，也可动态分 配( 即用s d o 服务通过c a n 网络分配标识符) 。动态分配是基于c a n o i ) e n 系 统的优选方法。为了把数据项传送到网络中的正确地点，有时必须把 t r a n s m i t - p d o 与r e c e i v e p d o 连接在一起。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统硬件设计 3 1 硬件系统概述 硬件系统由主控模块、r s 2 3 2 r s 4 8 5 模块、c a n 模块和u o 接口模块四个 部分组成( 见图3 1 ) 。 主控c p u 模块完成整个系统的控制：包括与以态网的通信，通过u a r t 口 与p p i 、m o d b u s 总线通信，通过s p i 口与c a n 总线通信以及存储器的扩展等功 能。r s 2 3 2 r s 4 8 5 模块完成r s 2 3 2 与r s 4 8 5 转化功能。c a n 模块完成c a n 2 0 链路层协议以及通过s p i 接口与c p u 交换数据等功能。 下面对主控模块、r s 2 3 2 4 8 5 模块及c a n 模块作简单介绍。f o 接口模块非 本文重点，不予介绍。 3 2 主控模块 图3 1 硬件框架图 3 2 1c 8 0 5 1 f 1 2 0 介绍 c 8 0 5 1 f 1 2 0 器件是完全集成的混合信号系统级m c u 芯片，为1 0 0 脚t q f p 封装，具有6 4 个数字u o 引脚( p 0 - v t ) 。下面列出了一些主要特性： 高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的c i p - 5 1 内核( 可达1 0 0 m i p s ) 。 武汉理工大学硕士学位论文 全速、非侵入式的在系统调试接口。 1 2 8 k 字节可在系统编程的f l a s h 存储器，8 k + 2 5 6 字节的片内r a m ， 可寻址6 4 k 字节空间的外部数据存储器接口。 硬件实现的s p i 、s m b u s 1 2 c 和两个u a r t 串行接口。 5 个通用的1 6 位定时器、5 个捕捉，比较模块的可编程计数器定时器阵 列。 片内看门狗定时器v d d 监视器和温度传感器。 支持j t a g 调试和边界扫描。 可编程数字i 0 和交叉开关 图3 - 2c 8 0 5 1 f 1 2 0 交叉开关图 c 8 0 5 1 f 1 2 0 具有标准8 0 5 1 的端口( p 0 、p 1 、p 2 、p 3 ) 及4 个附加的端口( p 4 、 p 5 、p 6 、p 7 ) ，因此共有6 4 个通用端口i o 。这些端口f