（控制理论与控制工程专业论文）无线现场总线的研究.pdf

中文摘要 现场总线适应于工业控制系统的分散化、网络化和智能化的要求，促成目前 的自动化仪表、集散控制系统等产品面临体系结构和功能结构的重要变革，导致 了工业自动化产品的又一次更新换代，已经成为世界范围内研究的热点。 但在许多工业环境及过程控制环境下的对象，如移动对象、旋转对象、危险 环境对象等，有线的物理介质难以连接；工业以太网的发展，要求实现现场总线 与以太网技术结合，实现多级网络的互连；工业布线的成本高。针对这一系列的 不足，提出了将无线以太网技术应用于现场总线网络中，这是解决上述问题的最 佳方案。 本文以c a n 总线作为研究对象，在分析c a n 总线和i e e e8 0 2 1 1 x 两种协 议的基础上，设计开发将无线以太网i e e e8 0 2 11 b 应用于工业现场总线c a n 中， 用无线技术作为有线c a n 总线网络的无线扩展。考虑了现有技术兼容问题和易 实现性问题，并综合考虑技术、性能及市场等多方面要求，确定了无线c a n 网 络的技术目标。 本文设计了无线c a n 总线的网络架构一虚拟环网结构( v r e ) ，使有线站点 和无线站点可以在同一个c a n 网络内运行；分析了物理层使用无线扩频技术如 何保证工业需求的高速、高性能；设计专用的a p 节点一a p i w u ，实现有线无 线网段的平滑桥接；在应用层实现c a n 总线和i e e e8 0 2 1 1 b 的融合；设计无线 网段内虚拟主机和虚拟从机的有限状态机，验证了有限状态机的可达性；并对由 此组成的无线c a n 网络的实时性作了初步的研究，针对无线信道自身的特点， 讨论了数据调度算法，确定在无线c a n 网络传输时间严格数据和周期数据的网 络延迟。 关键词：现场总线 c a n 总线 i e e e8 0 2 1 l d s s s 实时性 有限状态机 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t r o ls y s t e m sb e c o m i n gd e c e n t r a l i z e d ，n e t w o r k e da n di n t e l l i g e n t ，t h e t e c h n o l o g yo ff i e l d b u sh a sb e c o m i n gt h er e s e a r c hf o c u sa l lo v e rt h ew o r l d b u tf a c i n gt h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lo f s o m em o b i l e ，r o t a t e do rt h ed a n g e r o u s o b j e c t si nt h ep r o d u c t i o nf i e l do fi n d u s t r ye n v i r o n m e n t , w i r e dp h y s i c a lm e d i u mi s h a r dt o o i n ；w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a le t h e m e t ，m u l t i l e v e ln e t w o r kn e e dt o c o m b i n et h ee t h e m e ta n df i e l d b u s ；t h ec o s to fi n d u s t r i a lw i r el a y o u ti sh i g h i ti st h e b e s ts c h e m et os l o v et h ep r o b l e mb ya p p l y i n gt h ew i r e l e s se t h e m e tt e c h n i c a lt ot h e f i e l d b u s t h i sp a p e ri st or e s e a r c hc a nb u s o nt h ef o u n d a t i o no fa n a l y s i n gc a nb u sa n d i e e e8 0 2 1l x ，t h er e s e a r c ha p p l yw l a ni e e e8 0 2 1 l bt ot h ei n d u s t r i a lc a n f i e l d b u sa se x t e n d e dw i r e l e s sc a nn e t w o r k b yc o n s i d e r i n ge x i s t i n gt e c h n i c a l c o m p a t i b l ep r o b l e m ，e a s yr e a l i z a t i o np r o b l e ma n dt h er e q u i r e m e n to ft h e o t h e r r e q u i r e m e n t s ，t h er e s e a r c hd e t e r m i n et h et e c h n i c a lg o a l so f w i r e l e s sc a n n e t w o r k t h i sp a p e rd e s i g n e st h en e t w o r kc o n f i g u r a t i o no fw i r e l e s sc a nn e t w o r k v i r t u a lr i n ge x t e n d e d ( v r e ) ，w i r e dn o d e sa n dw i r e l e s sn o d e sm a yr u ni nas a m e c a nn e t w o r k ；a n a l y s e sh o wt og u a r a n t e eh i g hp e r f o r m a n c ea n dt h eh i g hs p e e do f p h y s i c a ll a y e ru s i n gd s s st e c h n o l o g y ；d e s i g n st h es p e c i a la p n o d e a p i w ut h a t r e a l i z e st h es m o o t hb r i d g eo fw i r e d w i r e l e s sn e t ；r e a l i z e st h ee o m b i u a t i o no ft h ec a n a n di e e e8 0 2 1lbi na p p l yl a y e r ；d e s i g n sf i n i t es t a t em a c h i n e ( f s m ) o ft h em a s t e r n o d ea n dt h es l a v en o d e ，v e r i f i e st h ea c c e s s i b i l i t yo ff s m s ；a tl a s t ，t h er e a l - t i m eo ft h e n e t w o r ks y s t e mi sd i s c u s s e d a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i co fw i r e l e s sc h a n n e l ，t h e r e s e a r c hp u t sf o r w a r dt h ea l g o r i t h mo fs c h e d u l i n gd a t aa n dd e t e r m i n e sn e t w o r k t r a n s m i s s i o nd e l a yo f t h ep e r i o dd a t aa n dt i m e - c r i t i c a ld a t ai nw i r e l e s sc a n k e yw o r d s ：f i e l d b u s c a n i e e e8 0 2 1 1 d s s s r e a l t i m e f s m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我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。 学位论文作者签名： 南嘶 签字日期： z 耐年f 月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨望盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 索目耳 导师签名： 签字日期：2 。r 年f 月6 日 签字日期： z 时年f 月z 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 相关技术的现状和发展方向 随着计算机网络技术和微电子技术的发展，工业网络控制技术己从模拟仪表 加4 2 0 m a 电流环系统，d c s 集散控制系统发展到了现在的f c s ( f i e l d b u s c o n t r o ls y s t e m ) 现场总线控制系统，它被誉为自动化领域的计算机局域网，在工 业控制中得到了广泛的应用，是一个控制技术新时代的开端。 但对许多工业环境及过程控制环境下的对象，如移动对象或旋转设备( 机器 人、车床) 上的传感器，手持的数据采集设备( p d a ) 等，距离远的单设备、传 感器、执行器等，临时安装的器件，有线的物理介质连接是较难或甚至无法实现 的，在这种情况下就需要无线技术和现场总线的结合方案。 在工业应用和工厂设备上使用无线技术是具有吸引力的。现场总线系统中， 不倾向使用像e t h e m e t 这样的普通局域网( l a n ) 技术，这是由于这些技术不适 合工业现场的恶劣环境和在满足工业实时性和可靠性的要求上能力不足。而在另 一方面，无线局域网技术( w l a n ) 可以带来的大量效益，如减少电缆和移动性， 吸引这大量的学者和开发人员。而无线局域网技术带来的优势同样对工业应用有 着巨大的吸引力。 1 1 1c a n 总线 一、c a n 总线的概述1 8 i c a n ( c o n t r o l a r e a n e t 、o r k l 即控制器局域网，是德国b o s c h 公司为解决现代 汽车工业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。现在它逐步发展成为用于工业部门控制和通信的现场总线。c a n 具有低 成本、易开发、实时性好以及抗噪声性能好等优点，传输速率最高为1 m b p s ，最 大传输距离为1 0 k m ( 5 k b p s ) ，同时由于c a n 废除了传统的站地址编码，使网络 上的节点理论上为无穷大。c a n 总线的技术规范包括c a n2 0 a 和c a n2 0 b 两 部分，c a n 协议只有物理层和数据链路层两个底层协议。 = 、c a n 总线的特点及优势8 1 1 9 l c a n 属于总线式串行通讯网络，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 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵 第一章绪论 活性。其特点可概括如下： 1 、c a n b u s 接口芯片支持8 位、1 6 位c p u ，总线插卡可任意插在p c 等兼 容机上。方便的构成分布式系统，也可置于温度、压力、流量等物理量的变送器 中，构成智能化仪表。 2 、c a n b u s 的国际标准是i s o 一1 1 8 9 8 ，协议规范为c a n2 0p a r t a ，p a r t b 。 3 、c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动的向网络上 的其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，并且无需站地址等节点信息。 利用这一特点可方便的构成多机备份系统。 4 、c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高 优先级的数据最多也能在1 3 4 t s 内得到传输。 5 、c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达到1 1 0 个：报文标 识符可达到2 0 3 2 种( c a n2 0 a ) ，而扩展标准( c a n2 0 b ) 的报文标识符几乎 不受限制。 6 、c a n 只需通过报文滤波便可以实现点对点、点对多点及全局广播等几 种方式传送数据。 7 、c a n 采用非破坏仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先权 较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响的继续传输数据， 从而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( 以太网则有可能) 。 8 、c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施，保证了低的数据出错 率，同时降低了应用程序的复杂程度，从而使通信更加可靠。 9 、c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其它 节点的操作不受影响。 1 0 、c a n 的直接通信距离最远可达到1 0 k m ( 速率在5 k b p s 以下) ；通信速 率最高可达到l m b p s ( 此时的通信距离最长为4 0 m ) 。 】l 、c a n 的通信介质可以为双绞线，同轴电缆或光纤，选择灵活。 三、c a n 总线存在的不足 1 、c a n 总线中没有路由器，网关等网络连接设备，网络规模有限，大型组 网能力和网络处理能力差。 2 、较适合于小型系统，当用于节点数较多的大型系统时，性能将会下降。 3 、由于c a n 总线是针对相对较少信息的发送而设计优化的一种串行通讯协 议，传输大数据量的能力较差。 4 、由于c a n 协议的物理层和数据链路层已被封装在硬件中，核心内容不透 第一章绪论 明，人为对底层协议的开发和处理的余地小。 5 、与其它的现场总线协议和以太网t c p i p 协议的互操作能力差，限制了网 络规模的扩大和通过t c p p 与异地网络的信息共享。 四、c a n 总线应用的领域 由于具有以上特性，c a n 总线越来越受到人们的重视，目前已有许多大公 司的产品采用了这一技术。c a n 总线的应用范围很广，其中汽车和交通领域占 应用总数的8 0 以上，还用在工业控制领域，楼宇自动化，机器人领域，装载 器械，嵌入式网络，混合引擎控制，医学电子，电话系统，模拟战争，高能量物 理等一些特殊领域。目前，支持c a n 协议的有i n t e l ，m o t o r o l a , p h i l i p s ，s i e m e n s ， n e c ，s i l i o n i ，h o n e y w e l l 等百余家国际著名大公司。 总之，c a n 总线是现场总线中比较有前途的总线之一，受到了越来越广泛 的重视。 1 1 2 c a n o p e n 高层协议 由于c a n 本身并非一个完整的协议，只包括物理层和数据链路层两个底层 协议，要进行高效率的通讯还需要进一步开发高层协议。目前已有几种已经成为 标准的高层协议，比如c a n o p e n 、d e v i c e n e t 、c a l 、c a nk i n g d o m 、s d s 、s a e j 1 9 3 9 。其中c a n o p e n 、d e v i c e n e t 两种应用较多。 一、 c a n o p e n 高层协议 c a n o p e n 是由从事工业控制的c i a ( c a ni na u t o m a t i o n ) 的会员开发的基于 c a n 总线的应用层协议。简单的说，c a n o p e n 就是将c a n 网络中通讯数据的 组建和传输进行标准化，并给用户很大的自由度，允许用户随时添加自己所需要 的新功能。c a n o p e n 协议主要有以下内容： 1 、以对象字典为核心概念，用来定义设备和通讯的相关参数和与各类操作 之间的接口，其它操作均需对对象字典进行访问。 2 、针对数据流量需要和实时性要求的不同，定义了用于过程数据通讯( p d o ) 和服务型数据通讯( s d o ) 两种主要的通讯模式。 3 、定义了状态管理、节点保护和特殊标识符分配( d b t ) 等网络管理服务 和应急对象、时间标记同步信息( s y n c ) 预操作对象。 c a n o p e n 高层协议具有以下特点： 1 、它的最突出的特点是：它既支持管理控制层的数据传输，同时也兼容同 一物理层比较小的传感器和执行器。这就避免了传感器执行器与高层通讯之间网 关的不必要的花费。 2 、既支持对设备参数的直接读取，也支持实时过程的数据通讯。 第一章绪论 3 、既支持周期性通讯也支持事件触发通讯，这可以最大可能的减小总线上 的负载，同时保证最小的响应时间，使c a n o p e n 网络在波特率较低的情况下也 可以获得比较好的通讯特性，特别适合于实时性的工业自动化。 4 、在c a n 总线系统的所有硬件设备不变的情况下，能够开发出c a n 所有 的潜在的功能，而对物理层的硬件连接无特殊的要求。 二、c a n o p e n 的国内外研究动态 c a n o p e n 的应用层协议在国外已有很多方面的应用，受到了足够的重视。 在欧潮，c a n o p e n 协议已被广泛的应用于医疗装置中，并迸一步扩展应用到保 安控制系统；在美国，c a n o p e n 已经成为装载机械和公共运输设备的协议标准， 同时应用于嵌入式系统的控制。目前，国外已有许多大公司开发了c a n o p e n 软 件和硬件产品。 在我国c a n 的应用层协议主要应用d e v i c e n e t ，很少用到c a n o p e n ，因此 c a n o p e n 协议需要在我国进一步推广。 1 1 3i e e e8 0 2 1 l x 无线技术 一、i e e e8 0 2 1 l x 的概述1 4 1 8 0 2 1 l x 标准是i e e e 制定的无线局域网标准，主要是对网络的物理层( p h y ) 和媒质访问控制层( m a c ) 进行了规定，其中对m a c 层的规定是重点。各厂商的 产品在同一物理层上可以互操作，逻辑链路控制层( l l c ) 是一致的，即m a c 层 以下对网络应用是透明的。 i e e e8 0 2 1 1 b 无线局域网的带宽最高可达1 1 m b p s ，比i e e e8 0 2 1 1 标准快5 倍，扩大了无线局域网的应用领域。另外，也可根据实际情况采用5 5 m b p s 、2 m b p s 和1m b p s 带宽，实际的工作速度在5 m b s 左右，与普通的1 0 b a s e - t 规格 有线局域网几乎是处于同一水平。i e e e8 0 2 1 l b 使用的是开放的2 4 g b 频段，不 需要申请就可使用。既可作为对有线网络的补充，也可独立组网，从而使网络用 户摆脱网线的束缚，实现真正意义上的移动应用。 二、i e e e8 0 2 1 l b 的特点及优势【3 l 【4 i l 、速度：2 4 g h z 直接序列扩频无线电提供最大为1 1 m b p s 的数据传输速率， 无须直线传播。 2 、使用范围：8 0 2 1 1 b 支持以百米为单位的范围( 在室外为3 0 0 米；在办公 环境中最长为1 0 0 米) 。 3 、可靠性：与以太网类似的连接协议和数据包确认提供可靠的数据传送和 网络带宽的有效使用。 4 、电源管理：8 0 2 1 1 b 网络接口卡可转到休眠模式，访问点将信息缓冲到客 第一章绪论 户，延长了笔记本电脑的电池寿命。 5 、漫游支持：当用户在楼房或公司部门之间移动时，允许在访问点之间进 行无缝连接。 6 、加载平衡：8 0 2 i l bn i c 更改与之连接的访问点，以提高性能( 例如，当 前的访问点流量较拥挤，或发出低质量的信号时) 。 7 、安全性：内置式鉴定和加密。 8 、网络效率：i e e e8 0 2 1 1 b 无线局域网引进了冲突避免技术，从而避免了 网络中冲突的发生，可以大幅度提高网络效率。 三、i e e e8 0 2 1 l x 应用的领域 无线局域网的应用范围非常广范，如果将其应用划分为室内和室外的话，室 内应用包括大型办公室、车间、智能仓库、临时办公室、会议室、证券市场：室 外应用包括城市建筑群间通信、学校校园网络、工矿企业厂区自动化控制与管理 网络、银行金融证券城区网、矿山、水利、油田、港口、码头、江河湖坝区、野 外勘测实验、军事流动网、公安流动网等。 1 2 课题的提出及意义 1 2 1 课题的提出 一、课题的提出 现场总线技术是控制领域的新热点，是工业控制级设备通讯的一场数字化革 命，代表了自动化的发展方向。但现场总线对于许多工业环境及过程控制环境下 的对象，有线的物理介质连接是较难或甚至无法实现的；另外，面对日益增加的 控制工业对象类型，人们需要在网络上传输的数据己不仅仅是控制数字量等，而 是趋于包括音频，视频( 低分辨率) 的多媒体数据，这对以传输短“数据包”为 特点的现场总线技术也提出了新的要求。 因此本论文利用现有的无线移动通讯技术，在计算机网络通讯技术的支持 下，结合利用现有的现场总线系统，实现一种在工厂现场设备层的具有无线移动 接入能力的、能传输多媒体信息的高性能无线现场总线，以解决工业环境下的诸 如移动对象，危险环境对象与传统的有线连接对象之间的符合工业级实时要求 的、可靠的、兼顾多媒体大容量数据通讯和控制问题。 二、课题的发展现状 现场总线网络的协议在开始就考虑到了工业实时性的要求，把无线技术与处 在工厂现场设备级的现场总线技术结合起来是一个全新的研究课题。目前 第一章绪论 r - f i e l d b u s 在欧盟第十五框架程序计划( 课题项目号i s t - 1 9 9 9 1 1 3 1 6 ) 的资助下， 由德国a k ( 控制和通讯研究所) 和西门子两家牵头，并结合法国、希腊、葡 萄牙等共七家研究部门共同研究。 r f i e l d b u s 是以研制出p r o 劢u s 和无线局域网技术结合起来的新系统为目的。 它可以使p r o f i b u sd p 传输信息和t c p i p 数据流在无线和有线混合的物理层同时 传送数据，这就意味着过程控制数据和多媒体信息例如照片和工业录像可以同时 通过r f i e l d b u s 通道。 该计划的第一阶段时间为1 9 9 9 1 2 2 0 0 2 9 。己初步研究确定了用户需求、方 案框架等，关键技术尚处在研究和发展阶段。第二阶段预计从2 0 0 2 1 2 - 2 0 0 4 6 进 行协议固化，产品标准化及推广应用工作。 三、课题的具体内容 选择c a n 总线作为研究对象，分析c a n 总线和i e e e8 0 2 1 l x 两种协议，并在 此基础上设计i e e e8 0 2 1 l x 作为c a n 总线的无线扩展，使有线站点和无线站点可 以在同一个c a n 网络内运行。考虑现有技术兼容问题和易实现性问题，并综合 考虑技术、性能及市场等多方面要求，确定无线c a n 网络的技术目标；分析及确 定无线c a n 网络的架构；并以此模型架构为基础，分析物理层如何保证工业需求 的高速、高性能，m a c 层如何实现有线无线网段平滑桥接。同时，根据工业网 络实时性的要求，确定在无线c a n 网络传输时间严格数据和周期数据的网络延 迟，并设计无线c a n 总线的有限状态机。 1 2 2 课题的意义 在工业应用和工厂设备上使用无线技术是具有吸引力的。无线局域网技术 ( w l a n ) 可以为工业生产带来大量效益，如： l 、在移动系统下的应用，如自主传输车、机器人、转车。 2 、在可能破坏电缆环境下的分布式控制系统的安装，如可燃可爆的地区， 具有腐蚀性的化学环境。 3 、在工厂快速建设，不希望花太大的力量用于布电缆。 4 、移动机器设备诊断系统，用于编程和配置的无线站点。 由于c a n 广泛的使用，c a n 总线的无线扩展有着巨大的吸引力，也就是， 有线站点和无线站点可以在同一个c a n 网络内运行。这样，已经存在和使用的 设备和投资不必被替换，从而提高了c a n 总线的能力。 第一章绪论 1 3 课题的任务及本系统的优点 一、论文的主要研究内容 1 、分析c a n 总线协议和i e e e8 0 2 1 l x 协议，并以此提出将i e e e8 0 2 1 l x 作为c a n 总线的无线扩充的可能性及不足。 2 、考虑技术、性能及市场等多方面要求，确定无线c a n 网络的技术目标； 分析及确定无线c a n 网络的架构。 3 、选用直接序列扩频作为无线网段的物理层，分析扩频技术的理论原理， 并通过频谱分析其抗干扰等性能特点。 4 、设计专用a p 节点的软件架构，实现有线无线网段的平滑桥接，并协调 有线与无线网段的传输速度。 5 、根据工业网络实时性的要求及无线c a n 网络的特点，研究静态实时调度 算法，结合无线网络吞吐率的分析，确定在无线c a n 网络中传输时间严格数据 和周期数据的网络延迟。 6 、使用有限状态机分析无线扩展的协议，并设计虚拟主机和虚拟从机的有 限状态机。 二、本系统的主要优点 1 、采用2 4 g h z 的直接扩频序列( d s s s ) 技术作为整个无线网段的物理层 平台，为工业现场环境的无线数据传输提供可靠的物理层保障。 2 、通过设计专用的无线a p 节点( 即a p i w u ) ，实现复合异质有线无线网 段的平滑桥接。 3 、在有线，无线异质覆合的现场总线中，可确定信息传输的延迟，保障数据 传输的实时性和可靠性。 4 、在应用层实现有线无线网段的集成和数据的实时性调度，方法实现简单。 5 、通过静态调度算法实现对周期数据的调度，并根据无线网络自身的特点， 在提高网络吞吐率的基础上实现对时间严格数据和时间可用数据的调度。 6 、使用有限状态机分析网络，并可使用面向对象的编程方法实现有限状态 机。 第二章通讯协议 第二章通讯协议 c a n 协议包括c a n 2 0 a 和c a n 2 0 b 两部分内容，定义了数据链路层和物 理层，不是一个完整的网络协议，缺少应用层和网络管理部分，用户可以根据实 际应用开发自己的应用协议。 用无线技术扩充有线网络已有许多实例，如无线局域网络i e e e8 0 2 1 1 x ，是 对以太局域网的无线扩展。但由于传统以太网的m a c 层协议的先天缺陷，无法 应用到实时性要求甚严的工业控制场合中。以b l u c t o o t h 、h o m c r f 为代表的个人 局域网技术实现了小范围的数据灵括交换，但尚未完全成熟。 匝e e 在1 9 9 9 年9 月公布了8 0 2 1 l 的扩展版本8 0 2 1 l b ，新标准定义的无线网络 的传输速率可达到1 1 m b p s ( 与以太网的传输速率相似1 ，因此又被称为无线咀太 网。8 0 2 1 1 b 协议可以向用户提供高速率的的无线通信，在一些有干扰和4 i 稳定 的环境下，协议物理层的扩频机制和m a c 层的根据信道状况动态调整传输速率 的机制也可以保证设备间的通信质量。8 0 2l1 b 协议的这些特点使它在工业控制 领域有较好的应用前景。 2 1c a n2 0 b 协议的介绍2 1 1 8 】【9 l | 1 2 】 2 1 1c a n2 0 b 协议的基本概念 为了达到设计透明度以及实现灵活性，根据1 s o o s i 参考模型，c a n 被细分 为以下不同的层次： 数据链路层 一逻辑链路拧制子层f l l c ) 一媒体访问控制子层( m a c ) 物理层 1 、逻辑链路控制子层( l l c ) 的作用范围涉及报文滤波、过载通知、以及恢 复管理： 为远程数据请求以及数据传输提供服务；确定由实际要使用的l l c 子层接收 哪一个报文：为恢复管理和过载通知提供手段。 2 、媒体访问控制子层( m a c ) 是c a n 协议的核心： m a c 子层的作用主要是传送规则，也就是控制帧结构、执行仲裁、错误检 m a c 予层的作用主要是传送规则，也就是控制帧结构、执行仲裁、错误检 r 第二章通讯协议 第二章通讯协议 c a n 协议包括c a n 2 0 a 和c a n 2 0 b 两部分内容，定义了数据链路层和物 理层，不是一个完整的网络协议，缺少应用层和网络管理部分，用户可以根据实 际应用开发自己的应用协议。 用无线技术扩充有线网络已有许多实例，如无线局域网络i e e e8 0 2 1 1 x ，是 对以太局域网的无线扩展。但由于传统以太网的m a c 层协议的先天缺陷，无法 应用到实时性要求甚严的工业控制场合中。以b l u e t o o t h 、h o m e r f 为代表的个人 局域网技术实现了小范围的数据灵活交换，但尚未完全成熟。 i e e e 在1 9 9 9 年9 月公布了8 0 2 1l 的扩展版本8 0 2 1 1 b ，新标准定义的无线网络 的传输速率可达到1 1 m b p s ( 与以太网的传输速率相似) ，因此又被称为无线以太 网。8 0 2 1 l b 协议可以向用户提供高速率的的无线通信，在一些有干扰和不稳定 的环境下，协议物理层的扩频机制和m a c 层的根据信道状况动态调整传输速率 的机制也可以保证设备间的通信质量。8 0 2 1 1 b 协议的这些特点使它在工业控制 领域有较好的应用前景。 2 1c a n2 0 b 协议的介绍1 2 1 1 8 1 1 9 1 1 1 2 2 1 1c a n2 0 b 协议的基本概念 为了达到设计透明度以及实现灵活性，根据i s o o s i 参考模型，c a n 被细分 为以下不同的层次： 数据链路层 逻辑链路控制子层( l l c ) - 媒体访问控制子层( m a c ) 物理层 1 、逻辑链路控制子层( l l c ) 的作用范围涉及报文滤波、过载通知、以及恢 复管理： 为远程数据请求以及数据传输提供服务；确定由实际要使用的l l c 子层接收 哪一个报文；为恢复管理和过载通知提供手段。 2 、媒体访问控制子层( m a c ) 是c a n 协议的核心： m a c 子层的作用主要是传送规则，也就是控制帧结构、执行仲裁、错误检 第二章通讯协议 测、出错标定、故障界定。它把接收到的报文提供给l l c 子层，并接收来自l l c 子层的报文。m a c 子层负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定。m a c 子 层也被称作故障界定的管理实体监管。此故障界定为自检机制，以便把永久故障 和短时扰动区别开来。理所当然，m a c 子层的修改是受到限制的。 3 、物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位的实际传输。 同一网络的物理层对于所有的节点当然是相同的。尽管如此，在选择物理层方面 还是很自由的。物理层定义信号是如何实际地传输的，因此涉及到位时间、位编 码、同步的解释。 廊 d e v i c e n e t | n i j c a n o p e n 屡 。9 饕键；裂”h 。曲 数蓑襞罄韶 据姒l ( 舟履访6 4 0 ) 链 敷封浆j 出i 鬣e 路 巾卉虢鹳( 填充j 躬 涂填宅) 蛳体齿州瓣剥3 睽 销议h a 洲 t 1 t * 柏：定 j 扣 譬 j 化，一觚 橡t i ， r 他 i l t t ：泔，1 1f fr 争j z 日勿 恤蝙州，剿 f ；己f f j 王峨 h 步 崩 p m a ( 物刖舟顺掰jd l l 榭州j m d a ( i ，介j * h 1 ) ；的批ti ) 图2 1c a n 总线协议图 2 1 2c a n 的帧格式 在本文中用到标准格式，其格式如下 仆箴场 一 一箍靛赣一 ( 、r c ia ( k h “s sk l t狂 5 r n ) l l 位枉： h 托 1n l c d i l i a f0 sl j l e s ) i t t ) fi 川 i d l e fi n h t 牲 【d k 图2 2c a n 标准帧的数据格式 c a n 2 0 b 有两种不同的帧格式，不同之处为识别符场的长度不同：具有11 位识别符的帧称之为标准帧；而含有2 9 位识别符的帧为扩展帧。 s o f “隐性”电平是帧起始位，1 1 位的标识符一般包括自定义的帧类型和目 第二章通讯协议 的节点的i d 地址，r t r 为“显性”电平代表此帧为数据帧，为“隐性”电平代表 此帧为远程帧。控制场的前两位作为控制总线发送电平的备用位，后面四位是数 据长度码，用于指定数据场中的字节数目( o 8 ) 。 2 1 3c a n 的帧类型 报文传输由以下4 个不同的帧类型所表示和控制： 数据帧：数据帧将数据从发送器传输到接收器，由7 个不同的位场组成，包 括帧起始、仲裁场、控制场、数据场、c r c 场、应答场和帧结束。数据场的长度 可为。至r j 8 个字节；仲裁场的标识符和数据场的具体数据由用户通过软件填写；其 它位场由硬件控制器自动生成。 远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。远程帧 与数据帧格式区别是，前者的r t r 位必须为“隐性”电平而后者必须为“显性” 电平，且远程帧不存在数据场。 错误帧：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。由两个不同的场组成，包 括第一个场由来自各站的错误标志叠加得到，第二个场是出错界定符。 过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧( 或远程帧) 之间提供一附加 的延时。包括超载标志和超载界定符两个位场。 数据帧和远程帧可以使用标准帧及扩展帧两种格式。它们用一个帧问空间与 前面的帧分隔。 2 1 4c a n 总线访问冲突仲裁方式 c a n 总线物理层通常是双绞线。当逻辑“1 ”被写进总线里，两条线的电平 是2 5 v ，并被定义为“隐性”位。当逻辑0被写进总线里，一条线被上拉到 为5 v ( c a n 高) 另一条线被下拉到地( c a n 低) ，这叫做“显性”位。但是 如果显性位和隐性位都被不同的节点同时写进总线里，总线显示“显性”位，所 以显性位覆盖了隐性位，这些都是c a n 网络冲突检测的基础。 c a n 采用非破坏的c s m a c d 竞争方式解决潜在的总线访问冲突，不丢失数据 和带宽。当节点开始传送它们各自的报文时，标识符的每一个位都被写到总线里， 而且能够被每一个节点读回。如果一个节点写进了隐性位而读回显性位，它会知 道另一个较低标识符号码的( 高优先权) 节点正在访问总线。它会停止传送报文 并继续接收更重要的报文。这种技术叫做“非破坏性逐位”仲裁。它保证了如果 发送一个高优先权报文，它将会赢得仲裁并能够在一个保证的时间限度晕到达它 的目的节点。这些都由系统设计者来控制。必须注意：如果两个节点用同样的标 识符发出数据两个都会得到总线的仲裁并丌始传输数据。在某一点数据会不同并 第二章通讯协议 产生错误。两个节点都会后退并且重新丌始整个传输过程，在最坏的情况下它会 锁死网络。 2 1 5c a n 错误检测 c a n 协议有五种错误检测的方法：三个是报文级的而两个是位级的。如果一 个报文出错，那么错误检测的任何一个方法使节点不接收这个报文并产生一个出 错帧，使所有的帧都忽略它并使发送节点重新发送这个报文。 在报文级检查中，有g r c 检查和应答隙。g r c 检查是一个1 5 位c r c ，它计 算描述符场和数据字节的c r c 。应答场有两位，包括一个应答位和一个应答界 定符。这个发送器将会把一个隐性位放在应答场。任何一个正确接收报文的节点 在应答场写一个显性位。如果发送器在应答场没有读回一个显形位，它将产生一 个出错帧并重新传送报文。最后，在报文级还有一个形式检查。它检查那些总是 隐性位的报文场。如果检测到显形位，就会产生错误。它检查：帧起始、帧结束、 应答界定符以及c r c 界定符位。 在位级检查中每一个位都由发送器监控。如果一个位被写进总线但读到的是 它的反，错误就会产生。只有标识符场用于仲裁和应答隙是除外的，它要求显性 位覆盖隐性位。最后的一种错误检测方法是通过位填充规则。当一个报文没有被 填充，即如果在逻辑电平相同的连续5 位后，下一位不是前面的反，则产生一个 错误。 活动错误帧包括六个显形位，它们违背了位填充规则，所有的c a n 节点都 认为它是一个错误并产生自己的错误帧，所以错误帧的长度可以在6 位_ j l n l 2 位 之i 训。错误帧后是8 位隐性位界定符场，而总线在重发被破坏的报文前是空闲的。 要注意报文在被成功接收之前仍要争取仲裁。 2 2 c a n o p e n 应用层协议的介绍5 1 ”5 2 2 2 1 概述 c a n o p e n 是建立在c a n 协议的物理层和链路层基础上的标准化的应用层协 议。c a n o p e n 的标准化是指设备接1 2 1 和通讯协议( c i a d s 4 x x ) 定义了标准化 的应用对象和基本功能。c a n o p e n n 络管理服务( n m t ) 简化了项目设计系统 集成和诊断。在每个分敖的控制应用中都有各自所需的不同的通信模式( p d o 、 s d o ) ，在c a n o p e n 总线上所有这些通信模式的相关参数都在对象字典中详尽地 进行了描述。对象字典是整个c a n o p e n 协议的核心。 第二章通讯协议 2 2 2 对象字典 c a n o p e n 对象字典是一个参数列表，定义了设备参数、各个通讯参数并存储 应用中输入输出的数据，描述了设备的全部应用对象。可以用一个1 6 位的索引进 行存取，另外用一个8 位的子索引描述了每个参数具体定义的子项。对象字典 最大占6 4 k 的存储空间，特定的参数类型分布在临近的寻址空间，如表2 1 所示： 对象字典虽然占很大的空间，但并不是所有的参数都要定义。其中必须要实 现只有0 0 0 1 h 0 0 9 f h 和1 0 0 0 h 1 f f f h 两部分，2 0 0 0 h 5 f f f h 是用户自己定义 的特定参数，用户可以根据自己的需要进行相应的定义，这一部分各个系统都有 所不同。 索引区域参数功能 0 0 0 1 h 0 0 9 f h 定义数据类型 o o a o h o f f f h 保留 1 0 0 0 h 1 f f f h与通讯相关的参数 2 0 0 0 h 5 f f f h用户自己定义的特定参数 6 0 0 0 h 9 f f f h与特定设备相关的参数，用于存储相关的数据 a o o o h f f f f h保留 表2 一l 数据字典索引的定义 2 2 3c a n o p e n 网络中主节点和从节点的概念 在c a n o p e n 网络中，主节点负责各种网络管理，并对网络中的通讯做合理的 调度。 主节点主要功能是：初始化时控制从节点的状态；程序运行中i 剐启动或终止 从节点，或改变从节点的状态：通过s d o 通讯对对象字典的参数进行读驳和修改； 监视从节点的运行状况和是否发生错误( 即进行节点保护) ；由从节点中获得相 应的信息和运行状态；启动和终止s d o 通讯：发送s y n c 报文：提供分配特定标 识符( d b t ) 等网络管理的服务。 从节点主要负责底层的网络通讯和控制任务。每个从节点只完成属于自己范 围内的特定任务，进行实时数掘的传输( p d o 通讯) ，响应主节点发送的管理信 息帧，对自己负责的底层设备进行数据采集和控制。 对于c a n o p e n 网络中必须实现的管理功能，一般由一个节点来实现，但也可 以由几个节点分别承担。尤其对于s y n c 报文传输和标识符的分配，分丌来实现 会更好。一个节点是否为主节点对对象字典中设置，在软件编程中，主节点和从 第二章通讯协议 节点有很大的不同。 2 3i e e e8 0 2 1 l x 协议的介绍1 3 】1 4 1 1 2 3 1 1 3 2 1 2 3 1 无线局域网的概念及演化 无线局域网络( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ，w l a n ) 是指以无线信道作传 输媒介的计算机局域网。其常见的形式是把个计算机站点以无线方式连入一个 计算机网络中，作为网络中的个点，使之具有网络工作站所具有的各种功能， 并能享受网络中的各种服务。 无线入网的计算机能在一定的区域内移动同时又随时与网络系统保持联络。 应该说，计算机无线网是有线网的一种补充，它是在有线网的基础上发展起来的， 能快速、方便地解决以有线方式不能实现的网络信道的连通问题。 自1 9 9 0 年早期的无线网络产品问世以来，无线局域网出现了很多协议标准， 妻i j i e e e8 0 2 11 ，i e e e8 0 2 1l b ，i e e e8 0 2 1 1 a ，i e e e8 0 2 11 e ，蓝牙( b l u e t o o t h ， 又称i e e e8 0 2 1 5 ) ，h o m e r f ，o p e n a i r 等。几种主要的无线局域网协议标准对 比如表2 2 所示。 协议标准发布时间最大传输滤波段最大覆盖范围 ( m b p s ) ( g