（检测技术与自动化装置专业论文）can总线在智能仪器中的研究与应用.pdf

贵州大学硕士论文 c a n 总线在智能仪器中的研究与应用 摘要 现场总线几乎涵盖了所有工业领域，由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、 智能化发展的方向，它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点。传统仪表往往独立使用， 检测控制没有形成系统，随着现场总线技术的发展，将节点智能化、工业仪表网络化成为一种必 然趋势 本文详细介绍了仪表的c a n 总线通信测控网络的实现过程。对内嵌c a n 模块的p i c l 8 f 4 5 8 0 单片机进行了探究，并以它为主要核心部件进行了仪表硬件和软件设计上的设计，首次把内嵌 c a n 模块的p i c l 8 f 4 5 8 0 微处理器用于智能仪表系统中，研究了c a n 协议在带c a n 模块的 p i c l 8 f 4 5 8 0 微处理器上的具体实现；实现一点对多点的c a n 总线的双向通讯测控系统；在上 位机与下位机通信设计上，通过上位机串行和p i c l 8 f 4 5 8 0 单片机的串口，实现p c 机和微处理 器都可以发送和接受数据，完成p c 机与c a n 总线之间的双向通信问题。这样控制室中的p c 机与直接挂接在c a n 总线上的多个智能节点一起构成了远程测控网络，使仪表网络化、智能化。 本文所设计的仪表系统，结构简单，体积小，可靠性与稳定性高，使用方便、应用灵活，在节 约成本、利用有限仪表空间和资源方面进行了探索，逐步完善了仪表功能，增加了其市场的竞 争力，实现了工厂底层网络中，现场设备之间的多点数字通信，加速了仪表应用领域智能化、 科学化与规范化的进程。 关键词：c a n 总线；智能仪表；p i c 单片机；m c p 2 5 5 1 收发器；串口；m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 5 贵州大学硕士论文 c a n 总线在智能仪器中的研究与应用 a b s t r a c t f i e l d b u sc o v e r e da l m o s ta l li n d u s t r i a lf i e l d s n o w a d a y s ，f i e l d b u si st o w a r d st ot h e d i r e c t i o no fd e c e n t r a l i z e da n dn e t w o r k e di ni n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m s ；i tw o u l db e c o m ea p o pg l o b a li n d u s t r i a la u t o m a t i o nt e c h n o l o g y t r a d i t i o n a li n s t r u m e n t sa r eo f t e nu s e da l o n e ，s o t h a tt h e yc a n tb eu s e dt ob u i l dc o n t r o ls y s t e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff i e l d b u st e c h n o l o g y , i tw i l lb ea ni n e v i t a b l et r e n dt ob u i l di n t e l l i g e n tn o d e sa n di n d u s t r i a li n s t r u m e n t a t i o nn e t w o r k t h i sp a p e rd e s c r i b e st h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n go fc a nb u sn e t w o r k ，a n di n t r o d u c e s p i c l 8 f 4 5 8 0m i c r o c o n t r o l l e r , i nw h i c he m b e d e dc a nm o d u l e p i c l 8 f 4 5 8 0m i c r o c o n t r o l l e r s e r v e r da sac o r ec o m p o n e n to fa ni n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ，a n da l lh a r d w a r ed e s i g n sa n d s o f t w a r ed e s i g n sa r cb a s e do ni t i nt h i sd e s i g n ，w ea p p l yt h ep i c l 8 f 4 5 8 0m i c r o c o n t r o l l e r i n t ot h ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ss y s t e mf i r s t l y i tb u i l d sam e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m w h i c hc a r r i e so u tan o d e - t o - m u l t i - n o d ec a nb u st w o - w a yc o m m u n i c a t i o n s i nt h ed e s i g no f c o m m u n i c a t i n gu p p e rc o m p u t e rw i t hl o w e rc o m p u t e r s ( o rm i c r o p r o c e s s o r s ) ，a n yc o m p u t e ro r p i cm i c r o p r o c e s s o rc a ns e n do rr e c e i v ed a t aa n da n ym i c r o p r o c e s s o r sc a nc o m m u n i c a t ew i t h u p p e rc o m p u t e r a n df u l f i l l m e n to fc o m m u n i c a t i o ni sb a s e do ns e r i a li n t e r f a c ew h i c hi s i n t e g r a t e di nu p p e rc o m p u t e ra n dp i cm i c r o p r o c e s s o r b e c a u s eo ft h i sf r a m e w o r k ，t h e i n s t r u m e n tp o s s e s s e si n t e l l i g e n t i z e da n dn e t w o r k e dc h a r a c t e r i s t i c s t h ei n s t r u m e n t ss y s t e m h a sm a n ym e r i t s ，s u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，s m a l ls i z e ，h i g hr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y , l o w e r c o s t s ，e a s et ou s e ，a p p l y i n gf l e x i b i l i t ya n df u l l yu s i n go fl i m i t e dr e s o u r c e sa n ds p a c ei n i n s t r u m e n t s a l lo ft h e s em e r i t si n c r e a s em a r k e tc o m p e t i t i v e n e s sa n da c h i e v ed j i g i t a l c o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nc o n t r o lr o o ma n df i e l de q u i p m e n t i tw i l ls p e e du pt h ei n s t r u m e n t s a p p l y i n gp r o c e s so fi n t e l l i g e n t i z i n ga n ds t a n d a r d i z a t i o n k e yw o r d s ：t h ec a nb u s ，i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s ，p i c - m c u ，m c p 2 5 5 1 ，s e r i a li n t e r f a c e ， m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 o ， 6 贵州大学硕士论文 c a n 总线在智能仪器中的研究与应用 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究在做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签予：写潞珞 日 期： 至q qg 生荭旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：玺曲鲢导师签名： 贵州大学硕士论文c a n 总线在智能仪器中的研究与应用 第1 章绪论 1 1 课题的提出以及意义 现场总线是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成，是用于现场智能化仪表与控制室之间的一 种开放、全数字化、双向、多站的通信系统。它的产生，既是广大用户的实际需求和制造厂商间技 术竞争的结果，也是计算机技术、通信技术和控制技术在工业控制领域相结合的产物。它的出现和 快速发展体现了控制领域对降低成本、提高可靠性、增强可维护性和提高数据采集的智能化的要求。 同时，随着工业的发展，传统的模拟仪表已经不能适应工控的要求。计算机硬件、软件技术及集成 电路技术的迅速发展，对仪器仪表必然提出智能化要求。而现场总线的出现为仪器仪表的更新换代、 产品升级，以及实现进一步的高精度、高性能( 特别是多参数在线实时测控与自动测控) 、高稳定、 高可靠、高适应性、多功能、低消耗等提供了巨大动力和发展空间。 智能化是自动化仪表核心部分，所谓智能化表现在其具有多种功能，使仪器集工业现场信号 检测、运算、控制等于一体。在工控方面，过去控制的算法，只能由调节器或d c s 来完成，如今一 台智能化的变送器或者执行器，只要植入p i d 模块，就可以与有关的现场仪表在一起，在现场实现 自主调节；从而实现控制的彻底分散，从而减轻了d c s 主机的负担，使调节更加及时，并提高了整 个系统的可靠性。随着科技的进步，科学仪器的结构也日益简化，体积缩小，重量减轻，操作也更 方便，价格也逐步降低，而且能在工业条件下操作。 目前，现场总线几乎涵盖了所有工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼宇自动化、家 庭自动化等等。由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，它一经 产生便成为全球工业自动化技术的热点，全世界的普遍关注。而现场总线的出现，使工业自动化仪 表重点发展基于现场总线技术的主控系统装置及智能化仪表和专用自动化仪表成为一种必然趋势， 它推进仪器仪表系统的数字化、智能化、网络化，完成自动化仪表从模拟技术向数字技术的转变。 1 2 课题研究的特点和内容 采用m i c r o c h i p 公司的c a n 驱动器m c p 2 5 5 1 ，将专用微处理器p i c l 8 f 4 5 8 0 置入传统的测量控制 装置内，使其各自具有数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线作为总线，把多个 测量控制仪表连接成网络系统，按照公开，规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设 备间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成适应智能仪表系统中实 际需要的自动测控网络。 本课题针对仪表的发展方向，结合实用性和经济性提出的一种解决方案。充分利用了现代计算 机技术，在仪表的c a n 总线通讯方面做了一定的研究工作。 我们采用p i c 单片机作为仪表的核心，设计出的数据采集控制系统，能完成数据采集的功能和 实时数据的显示以及实时控制。此外，仪表采用目前较为流行的c a n 总线来实现通讯功能，使得仪 表的性能得到提高。我们在硬件上采用了单片机p i c l 8 f 4 5 8 0 0 作为仪表的控制核心，并采用 m i c r o c h i p 的c a n 收发器m c p 2 5 5 1 连接c a n 总线，使仪表具有双向通讯的功能。研究的内容包括仪 7 贵州大学硕士论文 c a n 总线在智能仪器中的研究与应用 表的硬件电路设计，软件设计，上位机( p c ) 能实时地显示采集的数据和数据动态图形显示以及对 实际对象完成控制。 本课题的研究工作已完成了以下方面的内容： ( 1 ) 率先把带c a n 模块的p i c l 8 f 4 5 8 0 微处理器用于智能仪表测控系统中。 ( 2 ) 自己设计并且搭建电路，研究c a n 协议在所选内嵌c a n 总线控制器的p i c l 8 f 4 5 8 0 微处 理器上的具体实现，成功实现了多个c a n 智能节点的c a n 总线通信网络系统。 ( 3 )在每一个智能节点，对模拟或者数字信号进行采集、处理，然后经过c a n 总线传送到c a n 智能主节点。 ( 4 ) p c 机与下位机串行通信，每一个智能节点能够与p c 机进行通讯。 ( 5 )在液位智能节点中实现p i d 控制算法，并且把控制量输出用于控制水箱液位。 ( 6 )上位机采用m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 做出远程监控室的多节点监控界面。 ( 7 ) 用m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 串口编程，实现多个智能节点测量值的显示、设定值的显 示和发送、设定值发送成功的回显、在线监测网络节点数以及液位高位报警显示。 第2 章现场总线控制系统脚嘲 2 1 现场总线简介 现场总线( f i e l d b u s ) 是9 0 年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼字 自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现 场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开 放式、新型、全分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综 合技术，已经受到世界范围的关注，成为当今自动化领域技术发展的热点。现场总线本质上就是用 于现场仪表与控制系统和远程控制调度之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、 多点、多站的通讯系统。现场总线在制造业、流程工业、电力、交通、楼宇、医药、环保、化工等 领域和行业的自动化系统中具有广泛的应用前景。这种开放型的工厂底层控制网络，构造了新一代 的网络集成式、全分布、集散控制系统，因而又被誉为自控领域的局域网。 2 2 其他几种有影响的现场总线控制系统 1 基金会现场总线 基金会现场总线，即f o u n d a t i o nf i e l db u s ，简称f f ，这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技术。它以i s o o s i 开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应 用层为f f 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。基金会现场总线分低速h l 和高速h 2 两种通信速率。h l 的传输速率为3 1 2 5 k b p s ，通信距离可达1 9 0 0 m ，可支持总线供电，支持本质安全 防爆环境。h 2 的传输速率为i m b p s 和2 5 m b p s 两种，其通信距离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传输介 质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合i e c i l 5 8 2 标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯 特编码，从而使串行数据位流中具有足够的定位信息，以保持发送双方的时间同步。 8 贵州大学硕士论文 a n 总线在智能仪器中的研究与应用 为满足用户需要，h o n e y w e l l 、r o n a n 等公司已开发出可完成物理层和部分数据链路层协议的专 用芯片，许多仪表公司已开发出符合f f 协议的产品。 2 a s i 总线 a s i 是s i e m e n s 开发的一种硬件替代总线，有主一从组织( 最多6 2 个从设备) ，它得到p r o f i b u s 行业组织( p t o ) 的支持。它将数据和电源集成在单独一根电缆内，数据传输速度较快，3 1 个从设 备的循环时间为5 m s 。a s i 结构简单，并支持包括星形、线性、分支和树形结构在内的许多网络拓 扑。虽然它目前能支持一些模拟设备，但它还不能方便地支持诸如条码阅读器、定标器、仪表和操 作员接口等串行设备。 目前，在一些对附加的功能要求不高的场合，诸如食品加工、饮料灌装和药物包装等行业，a s i 总线得到了广泛应用。 3 d e v i c en e t d e v i c en e t 是一种应用层协议，它采用最初由德国的b o s c h 公司开发的控制器局域联网( c a n ) 技术，遵循i s o 0 s i 参考模型，按照该基准模型，它的网络结构划分为三层：物理层、数据链路层 和应用层，物理层下面还定义了传输的物理介质。d e v i c en e t 在同一网段上最多可容纳6 4 个节点， 数据传输率为1 2 5 k b i t s 、2 5 0 k b i t s 和5 0 0 k b i t s 三种。d e v i c en e t 是一种基于主一从连接的网络， 一个主设备需要来自从设备的连接和主一从两个设备的非控制及i 0 数据的协商连接。一旦建立了 i o 连接，主设备通过使用轮询、循环或状态改变通信模式与从设备通信。最近，已在这种网络内 加入了“时间同步”( c i ps y n c ) 和d e v i c en e t 安全网络( c i ps a f e t y ) 。d e v i c en e t 没有对等 通信。d e v i c en e t 支持包括从光电监视器到驱动器，和质量流控制设备等大量的设备类型。由于其 标准得到众多经销商支持，因而产品价格很有竞争性。 4 p r o f i b u s - d p p r o f i b u s - d p 是一种基于r s - 4 8 5 的i o 网络，运行于1 2 m b i t s 。它是一种主一从结构网络，最 多有1 2 6 节点和2 4 4 字节信息量。p t o 是促进和维持p r o f i b u s d p 标准的经销商组织。 p r o f i b u s d p 的1 2 m b i t s 传输速率高于任何一种c a n 网络，从而得到众多经销商的支持，并有 众多产品可供利用。然而，由于它需用一种硬件a s i c ，因而当网络规模较小时，费用较高。 p r o f i b u s d p 得到s i e m e n s 的积极支持，而且s i e m e n s 的p l c 提供内装的连通性，因而目前 p r o f i b u s d p 独步欧洲工业控制网络市场。一般来说，凡是需用s i e m e n sp l c 的地方，p r o f i b u s d p 也就成为标准的通信网络。 5 c o n t r o ln e t c o n t r o ln e t 最初是作为a l l e n - b r a d l e y 数据总线的替代产品而开发的。它是d e v i c en e t 和 e t h e r n e t i p 的前驱，填补了高确定性网络和可重复性网络之间的间隙。为提高灵活性而设计的这 种网络使用户能构想出更好地利用网络带宽的设备配置。c o n t r o ln e t 工作于5 m b i t s ，并支持几 种网络拓扑结构。通讯方式采用在相同导线上的多个主设备的对等报文传送。它采用如同d e v i c e n e t 和e t h e t n e t i p 那样的控制和信息协议( c i p ) 应用层。c o n t r o ln e t 提供确定性的和可重复 9 贵州大学硕士论文 c a n 总线在智能仪器中的研究与应用 的操作，并允许用户构想出用来控制i o 和报文数据的每个报文部分。但与以太网相比，c o n t r o ln e t 传输速率较低。 6 c c l l i n k c c - i n k ( c o n t r o l & c o m m u n i c a t i o nl i n k ) 是由三菱电机为主的多家公司于1 9 9 6 年底推出 的开放式现场总线，2 0 0 5 年7 月c c l i n k 正式取得中国国家标准认证( g b z 1 9 7 6 0 2 0 0 5 ) 。c c - 1 l i n k 是高速的现场总线，它能够同时处理控制和信息数据。它通过简单的总线，将工业设备( 如限位开 关、光电传感器、电磁阀门、条形码读取器、变频器、触摸控制屏、用户操作接口等) 连接成为设 备层的网络。同时这个网络还可以方便地连接到其他网络( 如：e t h e r n e t ，m e l e c n e t h 等) 。c c l l i n k 又是一种简单的现场总线解决方案，不但解决了工业现场配线复杂的问题，大幅度地降低了工程的 成本，提高了可靠性和稳定性，而且还拥有了非常重要的网络侦听功能，使系统维护更加简单，这 是以往的连接方式所无法完成的。开放式的协议保证了供应商可以提供丰富的各类部件，在现场同 类部件间可以直接替换，而且减少配置工业自动化系统的成本和时间。到目前，c c l i n k 已经包括 了c c - l i n k 、c c l i n l c 几t 、c c i n kv 2 0 、c c l i n ks a f e t y 等4 种有针对性的协议，构成c c - l i n k 家族的比较全面的工业现场网络体系。 2 3 现场总线发展前景 现场总线技术的兴起，开辟了工厂底层网络的新天地。首先，现场总线使自控设备与系统步入 了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域。其次，一对双绞线上可挂接多个控制设备， 便于节省安装费用、节省维护费用，可以有效降低系统成本。第三，提高了系统的可靠性，为用户 提供了更为灵活的系统集成主动权，其良好的开放型和兼容性，可以适应各种现场控制需要。所以 它必将促进企业网络的快速发展，为企业带来新的效益，并会得到广泛的应用，推动自动化相关行 业的不断发展。目前现场总线在欧美等发达国家和地区发展迅速，并已有较多的应用范例。根据市 场的需求和技术的发展趋势，国外各大仪表制造厂都把发展现场总线技术和产品放在技术进步的第 一步。现场总线智能仪表与系统作为关键技术已经列入国家“九五”科技攻关计划。 第3 章c a n 总线1 3 l 【5 】 3 1c a n 总线起源 c a n 最初出现在8 0 年代末的汽车工业中。当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多， 而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着 需要更多的连接信号线。提出c a n 总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之 间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件可以 被挂接在该总线上。b o s c h 公司于1 9 8 6 年正式公布了这一总线，且命名为c a n 总线。在底特律的汽 车工程协会大会上，由b o s c h 公司研究的新总线系统被称为“汽车串行控制器局域网”。u w ek i e n c k e 、 s i e g f r i e dd a i s 和m a r t i nl i t s c h e l 分别介绍了这种多主网络方案。此方案基于非破坏性的仲裁 机制，能够确保高优先级报文的无延迟传输。并且，不需要在总线上设置主控制器。此外，c a n 之 父上述几位教授和b o s c h 公司的w o l f g a n gb o r s t 、w o l f g a n gb o t z e n h a r d 、o t t ok a r l 、h e l m u t 1 0 贵州大学硕士论文 c a n 总线在智能仪器中的研究与应用 s c h e l l i n g 、j a nu n r u h 已经实现了数种在c a n 中的错误检测机制。该错误检测也包括自动断开故 障节点功能，以确保能继续进行剩余节点之间的通讯。传输的报文并非根据报文发送器接收器的 节点地址识别( 几乎其它的总线都是如此) ，而是根据报文的内容识别。同时，用于识别报文的标 识符也规定了该报文在系统中的优先级。 典型的分散式控制系统由现场设备、接口与计算设备以及通信设备组成。现场总线( f i e l d b u s ) 能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，因而现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的 一个领域。现场总线的研究与应用己成为工业数据总线领域的热点。尽管目前对现场总线的研究还 没有提出一个完善的标准，但现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统采用。同时，正由 于现场总线的标准尚未统一，也使得现场总线的应用得以不拘一格地发挥，并将为现场总线的完善 提供更加丰富的依据。控制器局部网c a n ( c o n t r o l l e ra e r a n e t w o r k ) 正是在这种背景下应运而生 的。 由于c a n 为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。为此， 1 9 9 1 年9 月p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 制订并发布了c a n 技术规范( v e r s i o n2 o ) 。该技术规范 包括a 和b 两部分。2 0 a 给出了曾在c a n 技术规范版本1 2 中定义的c a n 报文格式，而2 0 b 给出 了标准的和扩展的两种报文格式。此后，1 9 9 3 年1 1 月i s 0 正式颁布了道路交通运载工具一数字信 息交换一高速通信控制器局部网( c a n ) 国际标准( i s 0 1 1 8 9 8 ) ，为控制器局部网标准化、规范化 推广铺平了道路。 3 2c a n 总线性能特点 5 】 c a n 总线由于采用了许多新技术和独特的设计，与一般的通信系统相比，c a n 总线的数据通信 具有突出的可靠性、实时性和灵活性，其特点可概括如下： ( 1 ) 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地向网络上其它节点发送信 息，而不分主从。也就是说挂在c a n 总线上的节点可以以点对点的方式也可以为广播方式通信，可 以是单主方式也可以是多主方式。特别是c a n 以多主方式工作时，网上任意一个节点可在任意时刻 向网上其它节点发送信息。利用这个特点能够容易地构成多机冗余系统，以提高系统的可靠性。 ( 2 ) c a n 协议不采用传统的站地址编码方式，而代之以对通信数据块进行编码，用一个1 1 位 或2 9 位二进制数组成的标志符来区分不同的数据块。这种编码方式使得系统设置非常灵活，无需 站地址等节点信息，通信方式灵活。 ( 3 ) c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，通过c a n 总线传送的信息帧可以设定成不同的优先级， 当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点主动退出发送，而最高优先级的节点可不受 影响地继续传输数据，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 会出现网络瘫痪情况。 ( 4 ) c a n 的数据帧采用短帧结构，传输时间短。数据段的最大长度为8 个字节，这样不但能够 满足工业控制领域中传送控制命令、工作状态和测量数据的一般要求，而且保证了通信的实时性。 ( 5 ) c a n 总线的通信介质多样化，组合方式灵活。c a n 的通信媒体有双绞线、同轴电缆、光纤 贵州大学硕士论文 c a n 总线在智能仪器中的研究与应用 等，在实际系统的应用中，往往可以灵活地混合使用。高速数据传输速率：c a n 总线数据传输速率 可达1 m b i t s s 。远距离数据传输：当数据传输速率为5 0 k h p s 时传输距离可达l o k m 。 ( 6 ) c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个；标准帧( c a n 2 o a ) 报文标识符( 1 1 位) 可达2 0 3 2 种，而扩展帧( c a n 2 o b ) 的报文标识符( 2 9 位) 个数几 乎不受限制。 ( 7 ) 报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低。 ( 8 ) c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施，具有很好的检错效果。 ( 9 ) c a n 的节点有能力识别永久性故障和暂时扰动，对错误作出界定，对己损报文进行标注并 自动重新发送，当故障计数大于2 5 5 时，节点被“脱离总线”，脱离总线状态不允许对总线有任何 影响。 3 3 c a n 总线协议内容【3 l 【5 j p 0 】p 2 】 3 3 1c a n 总线分层结构 c a n 总线的物理层定义了物理数据在总线上各节点问的传输过程，主要是连接介质、线路电气 特性、数据的编码解码、位定时和同步的实施标准。b o s c hc a n 基本上没有对物理层进行定义， 但基于c a n 的i s o 标准对物理层进行了定义。设计一个c a n 系统时，物理层具有很大的选择余地， 但必须保证c a n 协议中媒体访问层非破坏性位仲裁的要求，即出现总线竞争时，具有较高优先权的 报文获取总线竞争的原则，所以要求物理层必须支持c a n 总线中隐性位和显性位的状态特征。在没 有发送显性位时，总线处于隐性状态，空闲时，总线处于隐性状态；当有一个或多个节点发送显性 位，显性位覆盖隐性位，使总线处于显性状态。在此基础上，物理层主要取决于传输速度的要求。 从物理结构上看，c a n 节点的构成如图3 - 1 所示。 图3 - 1 典型的c a n 总线网络结构 在c a n 中，物理层从结构上可分为三层：分别是物理层信令( p h y s i c a ll a y e rs i g n a li n g ，p l s ) 、 物理介质附件( p h y s i c a lm e d i a a t t a c h m e n t ，p m a ) 层和介质从属接口( m e d i ad e p e n d e n t ：i n t e r - f a c e ， 如i ) 层。其中p l s 连同数据链路层功能由c a n 控制器完成，p m a 层功能由c a n 收发器完成，m d i 层 定义了电缆和连接器的特性。理论上，c a n 总线上的节点数几乎不受限制，可达到2 0 0 0 个，实际上 受电气特性的限制最多只能接1 1 0 个节点。 c a n 的数据链路层是其核心内容，其中逻辑链路控制( l o g i c a ll i n kc o n t r o l ，l l c ) 完成过滤、 过载通知和管理恢复等功能，媒体访问控制( m e d i u ma e e e s sc o n t r o l ，m a c ) 子层完成数据打包解 1 2 贵州大学硕士论文 c a n 总线在智能仪器中的研究与应用 包、帧编码、媒体访问管理、错误检测、错误信令、应答、串并转换等功能。这些功能都是围绕信 息帧传送过程展开的。 3 3 2c n 总线的报文传输和结构 1 报文类型 在c a n 2 0 b 的版本协议中有两种不同的帧格式，不同之处为标识符域的长度不同，含有1 1 位 标识符的帧称之为标准帧，而含有2 9 位标识符的帧称为扩展帧。如c a n l 2 版本协议所描述，两 个版本的标准数据帧格式和远程帧格式分别是等效的，而扩展格式是c a n 2 0 b 协议新增加的特性。 为使控制器设计相对简单，并不要求执行完全的扩展格式，对于新型控制器而言，必须不加任何限 制的支持标准格式。但无论是哪种帧格式，在报文传输时都有以下四种不同类型的帧： ( 1 ) 数据帧( d a t a ) 数据帧将数据从发送器传输到接收器。 ( 2 ) 远程帧( r e m o t e ) 总线单元发出远程帧，请求发送具有同一标识符的数据帧。 ( 3 ) 错误帧( e r r o r ) 任何单元检测到总线错误就发出错误帧。 ( 4 ) 过载帧( o v e r l o a d ) 过载帧用在相邻数据帧或远程帧之间提供附加的延时。 2 报文帧结构形式 在报文传输时，不同的帧具有不同的传输结构，下面将分别介绍四种传输帧的结构，只有严格 按照该结构进行帧的传输，才能被节点正确接收和发送。 ( 1 ) 数据帧数据帧格式如图3 - 2 所示。数据帧由七种不同的位域( b i tf i e l d ) 组成：帧起始( s t a r t o f ) 、仲裁域( a r b i t r a t i o nf i e l d ) 、控制域( c o n t r o lf i e l d ) 、数据域( d a t a f i e l d ) 、c r c 域( c r c f i e l d ) 、应答域( a c kf i e l d ) 和帧结尾( e n do f ) 。数据域的长度可以为0 8 个字节。 顿：固窒 l 一 蜂# 垮魏域 痒簿碡教羲域 。聪经验鸽域lil 熊 图3 - 2 报文的数据帧格式 1 ) 帧起始( s o f ) ：帧起始( s o f ) 标志着数据帧和远程帧的起始，仅由一个“显性”位组成。在 c a n 的同步规则中，当总线空闲时( 处于隐性状态) ，才允许站点开始发送( 信号) 。所有的站点必须 同步于首先开始发送报文的站点的帧起始前沿( 该方式称为“硬同步”) 。 2 ) 仲裁域：仲裁域如图3 - 3 所示，仲裁域由标识符和r t r 位组成，标准帧格式与扩展帧格式的 仲裁域格式不同。标准格式里，仲裁域由1 l 位标识符和r t r 位组成。标识符位有i d 2 8 - 一i d l 8 。扩 展帧格式里，仲裁域包括2 9 位标识符、s r r 位、i d e ( i d e n t i f i e re x t e n s i o n ，标志符扩展) 位、r t r 位。其标识符有i d 2 8 i d o 。为了区别标准帧格式和扩展帧格式，c a n l o 1 2 版本协议的保留 位r l 现表示为i d e 位。i d e 位为显性，表示数据帧为标准格式；i d e 位为隐性，表示数据帧为扩展 1 3 贵州大学硕士论文 c a n 总线在智能仪器中的研究与应用 帧格式。在扩展帧中，替代远程请求( s u b s tit u t er e m o t er e q u e s t ，s r r ) 位为隐性。仲裁域传输顺 序为从最高位到最低位，其中最高7 位不能全为零。r t r 的全称为“远程发送请求( r e m o t e t r a n s m i s s i o n r e q u e s t ) ”。r t r 位在数据帧里必须为“显性”，而在远程帧里必须为“隐性”。它 是区别数据帧和远程帧的标志。 嘲l l 苡奠：l l ls o f | l i 眩黝j 谗 r l 较 l n fd ld l cl ll 懒始妓 一 一l f i ll 之慢许 i s r ri d l ：ll 翁绽拓澎符lr t r r lmd l c l 图3 - 3 数据帧中的仲裁域结构 3 ) 控制域：控制域由6 位组成，包括2 个保留位( r o 、r l 同于c a n 协议扩展) 及4 位数据长度码， 允许的数据长度值为0 8 字节。 4 ) 数据域：发送缓冲区中的数据按照长度代码指示长度发送。对于接收的数据，同样如此。它 可为o 8 字节，每个字节包含8 位，首先发送的是m s b ( 最高位) 。 5 ) c r c 校验码域：它由c r c 域( 1 5 位) 及c r c 边界符( 一个隐性位) 组成。c r c 计算中，被除的多 项式包括帧的起始域、仲裁域、控制域、数据域及1 5 位为0 的解除填充的位流给定。此多项式被 下列多项式x 1 5 + x 1 4 + x 1 0 + x 8 + x 7 + x 4 + x 3 + l 除( 系数按模2 计算) ，相除的余数即为发至总线的c r c 序 列。发送时，c r c 序列的最高有效位被首先发送接收。之所以选用这种帧校验方式，是由于这种 c r c 校验码对于少于1 2 7 位的帧是最佳的。 6 ) 应答域：应答域由发送方发出的两个( 应答间隙及应答界定) 隐性位组成，所有接收到正确的 c r c 序列的节点将在发送节点的应答间隙上将发送的这一隐性位改写为显性位。因此，发送节点将 一直监视总线信号己确认网络中至少一个节点正确地接收到所发信息。应答界定符是应答域中第二 个隐性位，由此可见，应答间隙两边有两个隐性位：c r c 域和应答界定位，如图3 - 4 所示 壤芬臻 l r c 心贸秘域一 够磁q 8 爱琶嘎翳凌否张定轷 图3 4 应答域 7 ) 帧结束域：每一个数据帧或远程帧均由一串七个隐性位的帧结束域结尾。这样，接收节点可 以正确检测到一个帧的传输结束。 ( 2 ) 错误帧由两个不同的域组成：第一个域是来自控制器的错误标志：第二个域为错误分界符。 其结构如图3 5 所示。 1 4 贵州大学硕士论文 c a n 总线在智能仪器中的研究与应用 致撰鳜卜韭堕+ 噬黼 蹲 餮振志 一i 一 豫l 凳铄。e 的皱佼 锚误分弊莳 图3 - 5 错误帧结构 1 ) 错误标志：有两种形式的错误标志。 激活( a c t i v e ) 错误标志。它由6 个连续显性位组成。 认可( p a s s i v e ) 错误标志。它由6 个连续隐性位组成。 它可由其他c a n 控制器的显性位改写。 2 ) 错误界定：错误界定符由8 个隐性位组成。传送了错误标志以后，每一站就发送一个隐性位， 并一直监视总线直到检测出1 个隐性位为止，然后就开始发送其余7 个隐性位。 ( 3 ) 远程帧远程帧也有标准格式和扩展格式，而且都由6 个不同的位域组成：帧起始、仲裁域、 控制域、c r c 域、应答域、帧结尾。与数据帧相比，远程帧的r t r 位为隐性，没有数据域，数据长 度编码域可以是0 - - 8 个字节的任何值，这个值是远程帧请求发送的数据帧的数据域长度。当具有 相同仲裁域的数据帧和远程帧同时发送时，由于数据帧的r t r 位为显性，所以数据帧获得优先。发 送远程帧的节点可以直接接收数据。远程帧结构如图3 - 6 所示。 倾藏鼍 嚣 ￥ 譬怠釜k 荐：羲l 戢昝i 鬟i 髭 枣私疆域| 婶矧域 。悲 图3 - 6 远程帧结构 ( 4 ) 过载帧过载帧由两个区域组成：过载标识域及过载界定符域。下述三种状态将导致过载帧 发送： 1 ) 接收方在接收一帧之前需要过多的时间处理当前的数据( 接收尚未准备好) ； 2 ) 在帧空隙域检测到显性位信号； 3 ) 如果c a n 节点在错误界定符或过载界定符的第8 位采样到一个显性位节点会发送一个过载 帧。 过载帧的具体结构如图所示： 嗽锆键回锘j 麓摊镗! 卜暹堑盈型l _ 一鳜，s j 窜r 味成 符峻矗甓稽释。芝得 l 垃绠衍獭 3 位定时要求 i 耋馈弼鳝叹一l ；上馈弘窖e j 壤蠹 妓负擂拜逭许 图3 - 7 过载帧结构 贵州大学碰l 论空c a n 总线 嘈能仪器十的研究q m 月 标称位速率是指理想发送器在没有重新同步的情况下每秒发送的位数量。标称位速率的倒数即 为标称位时间。不同的c a n 系统中，c a n 的位速率不同。但在一个给定的c a n 系统中位速率是一 定的其虽人值受所选用的c a n 控制器类型、收发器和物理介质等因素的影响，可在一定范围内自 由设定。c a n 总线的数据传输速率虽高可选1 m b i t s ，通常用石英晶体振荡器作为时钟发生器，可 以独立地进行位定时的参数设置，这样即使网络中节点之间的时钟周期不一样，仍可获得相同的位 可以把标称位时间划分成为几个不重叠的时间片段，它们是同步段、传播段、相位缓冲段1 和 半旨h 并十而 。 f 。 当c a n 总线上的一个仪表发送数据时将报文广播形式发送给网络中所有仪表。挂接在总线 上的每个仪表，其报文开头的n 个位称为标识符，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向 内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的，不可能有两个仪表发送具有相同标识符的报文。 当一个仪表要向其它仪表发送数据时，该仪表的c p u 将要友送的数据和自己的标识传送给本仪表 的c a n 芯片，井处丁准备状态；当它收到总线分配时，转为发送报文状态。c a n 芯片将数据根据 协议组织成一定的报文格式发出，这时网上的其它仪表处于接收状态。每个处于接收状态的仪表对 接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。由t - c a n 总线是 一种面向内容的编址方案，田此 h 容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。因