（检测技术与自动化装置专业论文）can总线网络监控系统和can总线智能适配卡的设计.pdf

东南人学颂上论文c a n 总线网络监控系统和c a n 总线智能适配卡的设计 摘要 一【业化网络是实现大规模工业生产管理的基础，是实现工业现代化的重要组成部分。 本文重点研究了直接面向生产一级的工业化网络系统，现场总线控制系统。本文首先探 究了现场总线控制技术的概念和特点、网络体系结构和网络模型，接着介绍了具体应用 的现场总线c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 总线，之后详细地叙述了我们为南京某热处 理设计的基于c a n 总线的现场总线监控系统一钢包炉温度监控系统一的设计开发实 例。本文还详细介绍了c a n 总线智能适配卡的硬、软件设计，以及c a n 总线应用的小 结。最后本文将总结介绍现场总线系统的可靠性和抗干扰性设计。本文的研究必将对我 国自行研制和使用成本低廉、灵活实用的现场总线控制系统起到积极作用。 关键词：现场总线现场总线控制系统控制器局域网 实时监控系统c a n 总线智能适配卡 东南入学碳士论文 c a n 总线网络监控系统和c a n 总线智能适配卡的设计 a b s t r a c t i n d u s t r i a l i z a f i o nn e t w o r ki st h eb a s eo fm a s s i v ei n d u s t r yp r o d u c t i o n i so n eo ft h ev e r y i m p o r t a n tp a r t so fi n d u s t r ym o d e r n i z a t i o n t h i sp a p e rf o c u s e do nt h ef c s ( f i e l d b u sc o n t r o 】 s y s t e m ) ，o n eo f i n d u s t r i a l i z a t i o nn e t w o r k s y s t e m sf a c i n gt om a n u f a c t u r ep r o c e d u r e a tf i r s t t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h et h e o r y , c h a r a c t e r i s t i c ，n e t w o r ks y s t e ms t r u c t u r e ，n e t w o r km o d e lo f f c s ，t h e nd e s c r i b e dw ea p p l i e df i e l d b u s c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) b u s a t i e rt h a t c o m b i n e dw i t ha p r a c t i c a lp r o j e c t p r e s e n t e di nd o t a l lt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fas t e e l s t o v et e m p e r a t u r em o n i t o rs y s t e mb a s e do nc a nb u sf o rs o m ef a c t o r y 。a n dt h ep a p e ra l s o p r e s e n t e dt h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fc a n b u si n t e l l i g e n c ea d a p t e r a tt h el a s t w e e x p a d a t e d 也er e l i a b i t i va n da n t i d i s t u r b a n c ea b i l i t yo f t h es y s t e m w eb e l i e v ei ti sh e l p f u l t od e v e l o pa ne c o n o m i c ，f l e x i b l ea n d p r a c t i c a lc o n t r o ls y s t e mi no u rc o u n t r y k e y w o r d s ： f i e l d b u sf c sc a nc a n b u s i n t e l l i g e n c ea d a p t e r r e a l t i m em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m i l 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，也不包含为获得东南大学或其他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己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 签名：玉坠日期 。b j 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、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留论文。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。沦文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 签名：专奄悬导师签名 饵 日期：坦笙：! ：_ 东南火学倾1 一论文c a n 总线网络监控系统和c a n 总线智能适配卡的设计 第一章现场总线控制系统的概述 本章主要介绍现场总线技术的概念、技术特色、和带来的变革以及现场总线的网络体系结构和 控制网络模型。 1 1 现场总线和现场总线控制系统 随着控制技术，计算机技术和通讯技术的飞速发展，数字化作为一种趋势正在从工业生产过程 的决策层、管理层、监控层和控制层一直渗透到现场设备。现场总线( f i e l db u s ) 的出现，使数字通信 技术迅速占领工业过程控制系统中模拟量信号的最后一块领地。这种全数字化的、全开放式的、可 互操作的控制系统正在迅速发展。 现场总线是一种j 二业数据总线，它是自动化领域中计算机通讯体系中最底层的低成本网络。按 照国际电t 委员会i e c 标准和现场总线基金会f f 的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化 系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场设备是指最底层的控制、执行和计算设备， 包括传感器、变送器、控制器、智能阀门等各种类型的仪表产品。现场总线是用于过程自动化或制 造自动化中的，实现智能化现场设备( 例如变送器、执行器、控制器等) 与高层设备( 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。 现场总线导致了传统控制系统结构的变革，形成了新型网络集成式全分布控制系统，即现场总 线控制系统( f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ，简称f c s ) 。所谓的现场总线控制系统是指分散在各个工业现 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。 它是继基地式控制系统、电动单元鲳合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散式控制系 统( d c s ) 后的新一代控制系统，它顺虑了控制系统的分散化、智能化的发展方向。 1 2 现场总线的技术特色及其带来的变革 技术特色 1 总线式结构 一列传输线( 总线) 挂接多台现场设备，双向传输多个数字信号。这种一对n 的结构比一对一的单 向模拟信号传送结构布线简单，安装费用低，维护简便。 2 开放的互操作性和互换性 现场总线采用统一的协议标准，是开放式的互联网络，对用户是透明的，在传统的d c s 中不 同厂家的设备是不能相互访问的。而f c s 采用统一的标准，不同厂家的网络产品可以方便地接入同一 网络，集成在同一控制系统中进行互操作，因此简化了系统集成。互操作性的含义是来自不同制造 厂商的现场设备，不仅可以相互通信，而且可以统一组态，构成所需的控制回路，共同实现控制策 略。互换性则指不同生产厂家的功能相近的设备之间可以进行相互替换。互操作性与互换性是现场 总线的关键功能之。 3 彻底的分散控制 现场总线将控制功能下放到作为网络节点的现场智能仪表和设备中，废弃了d c s 的输入输出 单元和控制站，把d c s 控制站的功能块分散给现场设备，从而构成了虚拟控制站。这样就做到彻底 的分散控制，提高了系统的灵活性、自治性和安全可靠性，减轻了控制站c p u 的计算负担。 4 信息综合、组态灵活 通过数字化传输现场数据，现场总线能获取现场仪表的各种状态、诊断信息，实现实时的系统 监控和管理。此外，现场总线引入了功能块的概念，通过统一的组态方法，使系统组态简单灵活， 东南大学硕士论文c a n 总线网络监控系统和c a n 总线智能适配卡的设计 不同现场设备中的功能块可以构成完整的控制回路。 5 开放式互联网络 现场总线为开放式互联网络，即可与同类网络互联，以可与不同类网络互联。开放式互联网络 还体现在网络数据库共享，通过网络对现场设备和功能块统一组态。 6 多种传输媒介和拓扑结构 f c s 由于采用数字通讯方式，因此可采用多种传输介质进行通信。根据控制系统中节点的空间 分布情况，可采用多种网络拓扑结构。这种传输介质和网络拓扑结构的多样性给自动化系统的施工 带来了极大的方便f c s 与传统d c s 的主扶结构相比，只计算布线工程一项即可节省很多经费。 某些现场总线的常用传输线是双绞线，通信线供电方式允许现场直接从通信线上摄取能量，这 种低功耗的方式用以实现本质安全环境。 二、现场总线产生的变革 1 用一对通信线连接多台数字仪表取代一对信号线连拨一台仪表 2 用多变量、双向、数字通信方式取代单变量、单向、模拟传输方式 3 用多个功能的现场总线仪表取代单功能的现场模拟仪表 4 用分散式的虚拟控制总站代替集中式的控制站 5 用现场总线控制系缴f c s ) 取代集散式的控制系统( d c s ) 6 变革了传统的信号标准、通信标准和系统标准 7 变革了传统的自动化系统体系结构、设计方法和安装调试方法 1 3 现场总线的体系结构和控制网络模型 一、体系结构【2 现场总线采用了三层网络结构一一物理层、数据链路层和应用层。为什么只采用三层网络结构 而不采用七层0 s i 机构? 主要是因为：1 面向控制的信息通常非常有限，当要求这种信息必须快速 到达目的站时，七层模式使数据转换远远慢于实时操作要求：2 现场总线设备并不需要0 s i 地址； 3 与o st 系统有关的网络接口的造价对现场总线系统来说显得过高，包括0 s i 系统所有各层的总开 销，对现场总线的应用来说同样显得过高；4 现场总线网络采用低成本的桥接器、路由选择器和网 间连接器等实现与其他开放式系统( 例如0 s i 网络、m a p 网络) 的连接。这种网络结构具有结构简 单、执行协议赢观、价格低廉等优点，同时性能又令人满意。因此，现场总线是一种开放式实时系 统，只具有简单的网络结构，而与有着七层协议的0 s i 不完全保持一致。现场总线体系结构模式如 f 图： 2 东南大学硕l 论文c a n 总线网络瓶控系统和c a n 总线智能适配卡的设计 用户程序 工 应用层信息 叫 网络管理 珊据g 魄皂 l l c 子层 l 数据h 饿c 予恩子崖l l 。 南 媒体 二、控制网络模型【3 】 图1 1f i e l db u s 体系结构模式 现场总线本质上是一种控制网络，因此网络技术是现场总线的重要基础。和i n t e r n e t 、i n t r a n e t 等类型的信息网络不同，控制网络真接面向生产过程因此要求拥有很高的实时性、可靠性、数据 完撼性和可用性。为满足这些特性，现场总线对标准的网络协议作了简化，一般只包括i s o o s i7 层模型中的3 层。此外，现场总线还要完成与上层j 二厂信息系统的数据交换和传递。综合自动化是 现代r 业自动化的发展方向，在完整的企业网构架中，现场总线控制网络模型应涉及从底层现场设 备网络到上层信息网络的数据传输过程。 统的现场总线控制网络模型应具有三层结构，从底向上依次为：现场智能设备层、现场总线监 控层、远程监控层。 1 现场智能设备层 依照现场总线的协议标准，智能设备采用功能块的结构，通过组态设计，完成数据采集、a d 转换、数字滤波、温度压力补偿、p i d 控制等各种功能。智能转换器对传统检测仪表电流电压进行 数字转换和补偿。此外，总线上应有p l c 接i s l ，便了连接原有的系统。 现场设备是以网络节点的形式挂接在现场总线网络上，为保证节点之间实时、可靠的数据传输， 现场总线控制网络必须采用合理的拓扑结构。 常见的现场总线网络拓扑结构有 环形网，其特点是时延确定性好 传输效率f 降。 总线网，其特点是节点接入方便 网络效率下降。此外传输时延不定。 重载时网络效率高，但轻载时等待令牌产生不必要的时延 成本低。轻载时时延小，但网络通信负荷较重时时延加大 树型网其特点是可扩展性好，频带较宽，但节点间通信不便。 令牌总线网，结合环形网和总线网的优点，即物理上是总线网，逻辑上是令牌网。这样，网络 传输时延确定无冲突，同时节点接入方便，可靠性好。 2 现场总线监控层 这一层从现场改备中获取数据，完成各种控制、运行参数的监测、报警和趋势分析等功能，另 外还包括控制组态的设计。监控层的功能一般由上位计算机完成，它通过扩展槽中网络接口板与现 场总线相连，协调网络节点之间的数据通信；或者通过专门的现场总线接口( 转换器) 实现现场总线网 3 东南尺学坝1 ：论文c a n 总线网络监控系统和c a n 总线智能适配卡的设计 段与以太网段的连接，这种方式使系统配置更加灵活。这一层处于以太网中，因此，其关键技术是 以太网与底层现场设备网络间的接口，主要负责现场总线协议与以太网协议的转换，保证数据包的 正确解释和传输。监控层除上述功能外，还为实现先进控制和远程操作优化提供支撑环境。 3 远程监控层 其主要目的是在分布式网络环境下构建一个安全的远程监控系统。首先要将中间监控层的数据 库中的信息转入上层的关系数据库中，这样远程用户就能随时通过浏览器查询网络运行状态以及现 场设备的工况，对生产过程进行实时的远程监控。赋予一定的权限后，还可以在线修改各种设备参 数和运行参数，从而在广域网范围内实现底层测控信息的实时传递。目前，远程监控实现的途径就 是通过i n t e r n e t ，主要方式是租用企业专线或者利用公众数据网。由于涉及实际的生产过程，必须保 汪网络安全，可以采用的技术包括防火墙、用户身份认证以及密钥管理等。在这方面，w o r l d f i p 现 场总线技术具有优势。 在整个现场总线控制网络模型中，现场设备层是整个网绍模型的核心，只有确保总线设备之间 可靠、准确、完整的数据传输，上层网络才能获取信息以及实现监控功能。当前对现场总线的讨论 多停留在底层的现场智能设备网段，但从完整的现场总线控制网络模型出发，应更多地考虑现场设 备层与中间监控层、i n t e r n e t 应用层之间的数据传输与交互问题，以及实现控制网络与信息网络的紧 密集成。 1 4 多种类型的现场总线 经过长达1 0 几年的争论，于2 0 0 1 年8 月制定出1 0 种类型的现场总线【4 1 。 1 t s 6 1 1 5 8 现场总线该总线主要采纳f o u n d a t i o nf i e l d b u s 总线和w o r l d f i p 总线基本技术，可 以支持各种工业领域的信息处理、监视和控制系统，用于过程控制传感器、执行器和本地控制器之 间的低级通信，可以与工厂自动化的p l c 实现互连。根据使用场合和用途不同，现场总线又分为 h l 低速现场总线和h 2 高速现场总线。在这里，h 1 现场总线主要用于现场级，其速率为3 1 2 5 k b p s ， 负责两线制向现场仪表供电，并能支持带总线供屯设备的本质安全；h 2 现场总线主要面向过程控制 级、监控管理级和高速工厂自动化的应用，其速率为l m b p s ，25 m b p s 和1 0 0 m b p s 。 2 c o n t r o l n e t 和e t h e r n e t i p 现场总线c o n t r o l n e t 采用一种新的通信模式，即生产者客户 ( p r o d u c e r c o n s u m e r ) 模式，这种模式允许网络上的所有节点，同时从单个数据源存取相同的数据， 特点是增强了系统的功能t 提高了效率和实现精确的同步。e t h e r n e t i p 以太网工业协议是一种开放 的i 业网络，使_ j 有源星形拓扑结构，可以将1 0 m b p s 和1 0 0 m b p s 产品混合使用。该协议在 t c p u d p i p 之七附加控制和信息协议( c i p ) ，提供一个公共的应用层。c o n t r o l n e t 和e t h e m e t i p 都 使用c i p 协议通信，分享相同的对象库、对象和设备行规，使得多个供应商的设备能在上述整个网 络中实现即插即用。 3 p r o f i b u s 现场总线主要供应商是西门子。分为p r o f i b u s d p v 1 和p r o f i b u s d p v 2 。 p r o f i b u s d p 特别适用于设各级自动控制系统与分散1 1 3 之间高速通信。p r o f i b u s p a 专为过程自动化 笈计，它能够将变送器和执行器连接到一根公共总线，使用两根线就可以完成供电和数据通信，并 能实现本质安全性能。以此为基础，扩展的d p 功能d p v l 进一步完善了p r o f i b u s p a 功能；d p v 2 解决了从站之间的通信与时间同步等重大问题。p r o f i b u s d p v i 主要是增加了非循环服务，并扩大 了。j2 类主站的通信。p r o f i b u s - d p 性能的特征是在循环连接( m s c y c 1 ) 的基础上应用数据交换服 务，实现一个主站和一系列从站之间集中的数据交换。1 类主站指p l c 、p c 或控制器。2 类主站指 操作员站和编程器等。d p v l 扩展了上述功能，在已有的m s c y c 1 连接基础上，增加了非循环服务， 利用新的服务可以对从站中任何数据组进行读写。过去，2 类主站只能利用d p 从站的无连接服务， 现在! i l i j 可通过面向连接的通信对数组进行非循环读写，同时为进入因特网通信扩充了功能。 p r o f i b u s - d p - v 2 可以实现循环通信、非循环通信以及从站之间的通信。由y - 从站之间可直接通信， 通信时间缩短】个d p 总线周期和主站周期，从而使反应时间缩短6 0 至9 0 ，同时建立了等时间 4 东南大学硕士论文c a n 总线网络监控系统和c a n 总线智能适配卡的设计 f 司隔的总线循环周期其时间偏差小于l g s ，即适用于高精度定位控制，又可实现闭环控制。 4 p n e t 现场总线由丹麦p r o c e s s d a t as i k e b o r ya p s 公司开发，主要应用于啤酒、食品、农 业和饲养业。p - n e t 现场总线是一种多主站、多网络系统，总线采用分段结构，每个总线分段上可 以连接多个主站，主站之间通过接口能够实现网上互连，它允许在几个总线区直接寻址，无需递阶 i 嘲络结构。该总线通信协议包括1 、2 、3 、4 和7 层，并利用信道机构定义用户层。通信采用虚拟令 牌( v i r t u a lt o k e n ) 传递方式。第3 层和第4 层的功能由宿主处理器中的软件解决。该总线物理层基 丁r s 一4 8 5 标准使用屏蔽双绞线电缆，传输距离1 2 k m 。 5 f f h s e 现场总线h s e 网络遵循标准的以太网规范，并根据过程控制的需要适当增加了一些 功能，但这些增加的功能可以在标准的e t h e m e t 结构框架内无缝地进行操作，因而f fh s e 总线可以 使用当前流行的商用( c o t s ) 以太网设备。1 0 0 m b p s 以太网拓扑是采用交换机形成星形连接，这种 交换机具有防火墙功能，以阻断特殊类型的信息出入网络。h s e 使用标准的1 e e e 8 0 2 3 信号传输， 标准的e t h e r n e t 接线和通信媒体。设备和交换机之间距离，使用双绞线为t 0 0 米，光缆可达2 千米。 6 s w i f t n e t 现场总线由美国s h i ps t a r 协会主持制定，得到美国波音公司的支持，主要用于 航空和航天等领域。该总线是一种结构简单、实时性高的总线，协议仅包括物理层和数据链路层。 s w i f t n e t 现场总线采用分层总线式拓扑结构。物理层传送速率为5 m b p s ，此时每秒传送1 0 5 个不同 的报文。总线使用t d m a ( s l o t t e dt i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 槽路时间片多路送取方式，提供专 j ； j 高速、低抖动同步通道和按要求指定的通道。 7 w o r l d f i p 现场总线w o r l d f i p 协议是欧洲标准的第三部分，其产品在法国占有6 0 市场， 在欧洲占有大约2 5 份额，它广泛应用于发电与输配电、加工自动化、铁路运输、地铁和过程自动 化领域。w o r l d f i p 现场总线系统分为三级，即过程级、控制级和监控级。它能满足用户各种需要， 适合于各种类型的应用结构，集中型、分散型和主站从站型。w o r l d f i p 协议由物理层、数据链路层 和应用层组成。 8 i n t e r b u s 现场总线由德国p h o e n i xc o n t a c t 公司开发，1 n t e r b u sc l u b 俱乐部支持。 i n t e r b u s 在全球有1 0 0 0 多家总线设备生产商，提供2 5 0 0 多种产品，到目前为止，i n t e r b u s 在 全球自动化领域已有5 0 多万套应用系统得到广泛应用。i n t e r b u s 现场总线是一种开放的串行总 线，可以构成各种拓扑形式，并允许有1 6 级嵌套连接方式。该总线最多可挂5 1 2 个现场设备，设备 之间的最大距离4 0 0 米，无需中继器网络的最大距离为1 2 8 公里。i n t e r b u s 总线包括远程总线和 本地总线。协议包括物理层、数据链路层和应用层。 9 f fh i 现场总线 h 1 现场总线是由f f 现场总线基金会负责制定的。f f 基金会成员由世界著 名的仪表制造商和用户绍成，其成员生产的变送器、d c s 、执行器、流量仪表占世界市场的9 0 ， 它们对过稗控制现场t 业网络的功能需求了解透彻，在过程控制方面积累了丰富的经验，提出的现 场总线网络架构较为全面。f fh 1 现场总线协议由物理层、数据链路层、应用层以及考虑到现场装 置的控制功能和具体应用而增加的用户层组成。h 1 总线支持多种传输媒体：) ；【绞线、电缆、光缆和 无线媒体。传输速率为3 1 2 5 k h p s ，通信距离最大为l9 0 0 米。 1 0 p r o f i n e t 现场总线p n o 组织于2 0 0 1 年8 月发表了p r o f l n e t 规范。p r o f l n e t 将上厂自动化 和企业信息管理层i t 技术有机地融为一体，同时又完全保留了p r o f i b u s 现有的开放性。该方案支持 开放的、面向对象的通信，这种通信建立在普遍使用的e t h e r n e tt c p i p 基础上，优化的通信机制还 可以满足实时通信的要求。 此外还有这样几种上面未提到但很常用的现场总线： 1 ) 控制器局域网( c o n t r o l a r e a n e t w o r k ) ，本设计的就是c a n 总线，我将在第二章对它进行 详细的介绍。 2 ) l o n w o r k s 现场总线，由美国e c h e l o n 公司推出并有它与摩托罗拉、东芝公司菇同倡导， 于1 9 9 0 年正式公布而形成的，它采用i s o o s l 模型的全部七层通讯协议，采用面现对象的设计方法， 通过刚络变量把网络通信设计简化为参数设置，已被广泛应用于楼宇自动化、家庭自动化、保安系 统、办公设备等行业基本在工业上没有应用。 3 ) h a r t 协议( h i g l l w a y a d d r e s s a b l e r e m o t e t r a n s d u c e r ) ，最早有r o s e m o u n t 公司开发并得 5 东南大学颂士论文c a n 总线网络监控系统和c a n 总线智能适配卡的设计 到八十多家仪表公司的支持，- p1 9 9 3 年成立了h a r t 通讯基金会，这种被称为可寻址远程传感器高 速通道的开放通讯协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通讯属于模拟系统向数 字系统转变过程中的过渡性产品。 1 5 本课题研究的背景和主要内容 本课题主要围绕一个实时监控系统项目为背景而展开工作的，要求以多台w t 4 0 0 b 数字式程序 温度控制仪为现场设备的工业应用环境为背景，以p c 机作为上位机设计并实现一个二级主从式现 场总线数据采集及监控控制系统。 本实验室原有一个c a n 的现场总线框架，基于这个框架存在的c a n 总线系统十分理想化，相 对简单，已不能应用于改变了的工业应用环境。本课题的任务是为上述的项目有继承的重构一套 c a n 总线实时监控系统，这是本课题的最主要任务。我们发现在实际应用该系统中出现了通信不稳 的问题，在缺少c a n 分析工县的情况下，问题一筹奠展，为了彻底的解决这个通讯不稳的问题，于 是我们决定自行研制c a n 总线智能适配卡，期望借此更深入的了解c a n 总线技术。并希望能在c a n 总线系统中完全使用自己研发的产品。 本课题研究目标和预期成果： 1 主题部分( 项目部分) ：构建一套c a n 总线监控系统。工作内容有：二次开发c a n 总线通 讯竹点p ，包括硬件部分的设计，软件部分的设计，上位机监控软件的设计。 监控系统功能包括： 现场数据获取：包括当前运行的温度曲线设定值数据、当前温控仪的状态、当前的程序段号、 步进号、测量值、设定值、运行时间、p i d 参数和报警值。 数据处理：p c 机显示当前运行的温度曲线设定值数据、当前温控仪的状态、当前的程序段号、 步进号、测量值、设定值、运行时间、p i d 参数和报警值并存储相应的数据。能组合一台温控仪四 点中任意测点的曲线，显示，打印曲线，利用游标在曲线上滑动显示当前点的数据，以便进行参数 分析。 输出控制参数：温度曲线设定值数据，p i d 参数。 报警信息提示：在p c 上显示超温、低温报警、断偶报警、温度曲线程序段结束报警、停l k f - 作报警。另外超温报警可选用电铃鸣响报警。 扩展仪表功能：对于一次温度设定值曲线，仪表只能提供一组p i d 参数，现在要使仪表能使用 4 组p i d 参数控温。 2 研究部分：研制c a n 总线智能适配卡，工作内容有：c a n 总线智能适配卡的硬件设计和 软件设计，智能卡驱动程序的设计，上位机a p i 函数的设计。 本文将以南京某热处理厂( 钢包炉温度控制) 监控系统的研究和开发为例，深入探讨基于c a n 总线的现场总线系统的设计方案和c a n 总线智能适配卡的研发。笔者将在第二章介绍c a n 总线， 第二章介绍基7 - c a n 总线的实时监控系统的构建。第四章介绍c a n 总线智能适配卡的研发。第五 章介绍系统的可靠性和抗干扰设计。第六章是结论。 6 东南人学 【受士论文c a n 总线网络监控系统和c a n 总线智能适配卡的设计 第二章控制器局域网( c a n ) 的介绍 2 1c a n 的基本知识5 1 c a n ，全称为“c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ”，即控制器局域网，最初出现在8 0 年代末的汽车工 业中，由德国b o s c h 公司最先提出。c a n 属于现场总线的范畴，是国际上应用虽广泛的现场总线之 。是初，c a n 被设计为汽车环境中的微控制器通讯，组建汽车电子控制网络。后来，c a n 的应用范 闱遍及从高速网络到低成本的多线路网络。如发动机管理系统、变速箱控制器、仪表设备、电子主 干系统中均嵌入c a n 控制装置。 一个由c a n 总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网 络硬件的电气特性所限制。例如，当使用p h i l i p sp 8 2 c 2 5 0 作为c a n 收发器时，同一网络中允许挂 接1 1 0 个节点。c a n 可提供高达i m b i t s 的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。另外，硬 件的错误检定特性也增强了c a n 的抗电磁干扰能力。 c a n 具有十分优越的特点，使人们乐于选择。这些特性包括： 低成本 极高的总线利用率 很远的数据传输距离( 长达l o k m ) 高速的数据传输速率( 高达1 m b i t s ) 可根据报文的i d 决定接收或屏蔽该报文 可靠的错误处理和验错机制 发送的信息遭破坏后，可自动重发 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能 报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息 c a n 有两种协议：c a n 2 o a ，c a n 2 o b 。c a n 2 o a 是标准c a n ，标志符长度是1 1 位，c a n 2 0 b 是扩 展格式c a n ，标识符长度可达2 9 位。 c a n 中的总线数值为两种互补逻辑数值之一：“显性”或“隐性”。“显性”c d o m i n a n t ”) 数值表示逻辑0 ，而“隐性”( “r e c e s s i v e ”) 表示逻辑1 。“显性”和“隐性”位同时发送 日寸，最后总线数值将为“显性”。在“隐性”状态下，v c a n h 和v c a n l 背固定与平均电平，v d i f f 近似为0 。在总线空闲或“隐性”位期间，发送“隐性”状态。“显性”状态以大于最小阀值的差分 电压表示。 c a n 系统内两个任意节点之间的最大传输距离与其位速率有关。位速率越大，传输距离越近。 2 2c a n 的分层结构2 1 c a n 遵从o s i 模型，按照o s i 基准模型，c a n 结构划分两层：数据链路层和物理层。 按i e e e 8 0 2 2 和8 0 2 3 标准，数据链路又划分为： 逻辑链路控制( l l 。_ l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 媒体访问控制( 淞k m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 物理层叉划分为： 物理信令( p l s p h y s i c a ls i g n a l l i n g ) 物理媒体附属装置( p m a - - p h y s i c a m e d i u ma t t a c h m e n t ) 媒体相关接( m d i 埘e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e ) m a c 子层运行借助称之为“故障界定实体( f c e ) ”的管理实体进行监控。故障界定是使判别短 7 东南夫学硕上论文c a n 总线1 嘲络监控系统和c a n 总线智能适配卡的设计 暂干扰和永久性故障成为可能的一种自检机制。物理层可借助检测和管理物理媒体故障实体进行监 控( 例如总线短路或中断，总线故障管理) 。l l c 和m a c 两个同等的协议实体通过交换帧或协议数据 单元( p d u - - p r o t o c o ld a t au nj t ) 相互通信。 2 2 1 逻辑链路控制( l l c ) 子层 一、l l c 子层功能 l l c 子层提供的功能包括：；陵接收滤波、超载通告和恢复管理。 1 帧接收滤波：在l l c 子层上开始的帧跃变是独立的，其自身操作与先前的帧跃变无关。帧 内容由标识符命名。标识符并不能指明帧的目的地，但描述数据的含义，每个接收器通过 帧滤波确定此帧与其是否有关。 2 超载通告：如果接收器内部条件要求延迟f 一个l l c 数据帧或l l c 远程帧，则通过l l c 子层开始发送超载帧。晟多可产生两个超载帧，以延迟下一个数据帧或远程帧。 3 恢复管理：发送期间，对丁丢失仲裁或被错误干扰的的帧，l l c 予层具有自动重发送功能。 在发送成功完成前，帧发送服务不被用户认可。 二、l l c 帧结构 l l c 帧是等同l l c 实体( l p d u ) 之间进行交换的数据单元，以下分别描述l l c 数据帧和远程帧 的结构。 1 l l c 数据帧 l l c 数据帧由三个位场，既标识符场、数据长度玛( d l c - - d a t al e n g t hc o d e ) 场和l l c 数据场。 2l l c 远程帧 l l c 远程帧由两个位场( 标识符场和d l c 场) 组成。l l c 远程帧标识符格式与l l c 数据i 帧格 式相同，只是不存在数据场。d l c 的数值是独立的，此数据为对应数据帧的数据长度码。 2 2 2 媒体访问控制( l l c ) 子层 一、m a c 子层结构功能模型 m a c 子层功能由i e e e8 0 2 3 中规定的功能模型描述。 1 发送部分功能包括： ( 1 ) 发送数据封装 接收l l c 帧并接口控制信息 - c r c 循环计算 通过向l l c 帧附加s o f 、r t r 位，保留位、c r c 、a c e 和e o f 构造m a c 帧 ( 2 ) 发送媒体访问管理 - 确认总线空闲后，开始发送过程( 通过帧间空闲应咎) m a c 帧串行化 插入填充位( 位填充) 在丢失仲裁情况下，退出仲裁并转入接收方式 错误检测( 监控，格式校验) 应答校验 确认超载条件 构造超载帧并开始发送 构造出错帧并开始发送 输出串行位流直物理层准各发送 8 东南火学硕士论文c a n 总线网络监控系统和c a n 总线智能适配卡的设计 2 接收部分功能包括： ( 1 ) 接收媒体访问管理 由物理层接收串行位流 解除串行结构并重新构筑帧结构 检测填充位( 解除位填充) 错误检测( c r c 、格式校验、填充规则校验) 发送应答 构造错误帧并开始发送 确认超载条件 重激活超载帧结构并开始发送 ( 2 ) 接收数据御装 由接收帧中去除m a c 特定信息 输出l l c 帧和接口控制信息至l l c 子层 二、m a c 帧结构 c a n 系统中，数据在结点间发送和接收以四种不同类型的帧出现和控制，其中：数据帧将数据 由发送器传至接收器；远程帧由节点发送，阻请求发送具有相同标识符的数据顿，出错帧可由任何 肖点发送，以检测总线错误，而超载帧用于提供先前和后续数据帧或远程帧之间的附加延时。另外， 数据帧和远程帧以帧间空间隔同先前帧隔开。 1m a c 数据帧 一个m a c 数据帧由七个不同位场构成，它们是：帧起始( s o f - s t a ro ff r a n c e ) 、仲裁场、控制 场( 两位保留位+ d l c 场) 、数据场、c r c 场、a c k 场和帧结束( e o f e n do ff r a m e ) 。 2 m a c 远程帧 激活为数据接收器的节点可以通过发送一个远程帧启动源节点发送各自的数据。一个远程帧由 6 个不同位场构成：帧起始( s o f ) 、仲裁场、控制场( 两位保留位+ d l c 场) 、c r c 场、a c k 场和帧结束( e o f ) 。其中，仲裁场由来自l l c 子层的标志符和r t r 位构成。在m a c 数据帧 中，r t r 位数值为1 。帧起始( s o f ) 、控制场、c r c 场、a c k 场和帧结束( e o f ) 等位场 均与m a c 数据帧的相应位场相同。 3 出错l 陨 出错帧由两个不同场构成，第一个场有来自不同节点的错误标志叠加给出，第二个场为错误界 定符。 4 超载帧 存在两类具有相同格式的超载帧：l l c 要求的超载帧和重激活超载帧，前者为l l c 子层所要 求，以表明内部超载状态，或者将有m a c 子层的一些出错条件而被启动发送。 超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符。超载界定符有8 位“隐性”位构成。发送超载 标志后，每个= 肖点均监控总线，直至检测到“隐性”位，以完成8 位长度超载界定符。 5 帧间空间 数据帧和远程帧同前述的任何帧( 数据帧、远程帧、出错帧、超载帧) 以称之为帧空间的位场 隔开。与此相反，超载帧和错误帧前面不存在帧间空间并且多个超载帧也不用帧间空间分隔。 帧间空间包括间歇场和总线空闲场，并且对于先前帧已发送“错误一认可”的节点还有暂停发 送场。 三、m a c 帧编码和发送接收 帧起始、仲裁场、控制场、数据场和c r c 序列帧段均以位填充方法进行编码。当发送器在发送 位流中检测到5 个数值相同的连续位( 包括填充位) 时，它在实际发送位流中，自动插入一个补码 位。 g 东南大学硕士论文c a n 总线网络监控系统和c a n 总线智能适配卡的设计 数据帧或远程帧的其余位场( c r c 界定符、a c k 场和帧结束) 为固定形式，不进行位填充。错误 帧和超载帧也为固定格式，同样不使用位填充方法进行编码。 帧中的位流按照非归零( n r z n or e t u r n t o z e r o ) 方法编码。这意味着，这就意味着一个完 接位其位电平要么是“显性”，要么是“隐| 生”。 一帧应由其s o f 场开始逐个位场进行发送。在一场内应首先发送最高位 对于发送器和接收器一帧的有效时点是不同的。对于发送器，若在帧结束完成前不存在错误， 则该帧为有效。若一帧被破坏，则进行恢复处理。对于接收器，若在帧结束最后一位前不存在错误， 则该帧为有效。 四、媒体访问和仲裁 当检测到间歇场未被“显性”位中断后，认为总线被所有节点释放。总线一旦释放，“错误一活 动”节点可以访问总线。总线一旦释放。接收当前或先前帧的“错误一认可”节点可以访问总线。 。旦完成暂停的发送，并且其间没有其它节点开始发送，发送当前帧或已发送完先前帧的“错误一 人可”节点可以访问总线。当允许节点访问总线时，m a c 数据帧和m a c 远程帧可以起始。m a c 错误帧 和m a c 超载帧如上述规定被发送。发送其间，发送数据帧或远程帧的每个节点均为总显主站。 当许多节点一起开始发送时，此时只有发送具有最高优先权帧的节点变为总线主站。这种解决 总线访问冲突的机理是基于竞争的仲裁。仲裁期间，每个发送起将发送位电平同总线上监测到的电 平进行比较。若相等，则节点可以继续发送。当送出一个“隐性”电平，而监测到的为“显性”电 平时，表明节点丢失仲裁，并且不应再送更多位。当送出“显性”电平，而监测到“隐性”电平时， 表明节点检测出位错误。 基于竞争的们z 裁依靠标识符和紧随其后的r t r 位完成。具有不同标识符的两帧中，优先权被标 注于帧中，较高优先权的标识符具有较低的二进制数值。若具有相同标识符的数据帧和远程帻同时 被初始化，数据帧较之远程帧具有较高优先权，它通过按照r t r 位数值标注达到。 五、错误检测 m a c 子层具有下列错误检测功能：监测、填充规则校验、帧校验、1 5 位循环冗余码校验和应管 校验。 1错误类型 ( 1 ) 位错误 正在想总线送出一位的节点同时在监测总线。但监测到的位数值与进出的位数值不同时，则 检测到位错误。其中例外情况是：在仲裁期间，当送出隐性信息位或a c k 隙期间送出隐性位 时，而检测到显性伉不导致位错误；送出认可错误标志，而检测到“显性”位的节点不将其 理解为位惜误。 ( 2 ) 填充错误 在使用位填充方法进行编码的帧场中，出现的六个连续相同的电平位的位时，则检测到填充 错误。 ( 3 ) c r c 错误 c r c 序列由发送器的c r c 计算结过构成。接收器以发送器相同的方法计算c r c 。当所计算的 c r c 序列不等于接收到的序列时，则检测到c r c 错误。 ( 4 ) 形式错误 当围定格式位场含有一个或更多非法位时，则检测到形式错误。其中列外是：接收器在帧结 束的最后位监测到“显性”位时，不将其理解为形式错误。 ( 5 ) 应答错误 在发送器a c k 隙期间未检测到“显性”位时，则检测到一个应答错误。 当检测到以上这些错误之一，l l c 子层被告之，并且，m a c 子层启动发送错误标志。 当任何节点检测到位错误、填充错误、形式错误或应答错误时，由各自节点在下一位启动发 1 0 东南大学硕士论文c a n 总线捌络监控系统和c a n 总线智能适配卡的设计 送错误标志。当检测到c r c 错误时，错误帧在仅随a c k 界定符后的那位启始发送，除非另一 个错误条件的错误帧已经准备好启动。 2 错误界定规则 网络中的任何一个节点，根据其错误计数器数值，可能处于f 列三种状态之一。 ( i ) “错误一激活”节点：一个“错误一激活”节点可以正常参与总线通信，并在检测到错误时。 发出一个活动错误标志。活动错误标志e h 6 个连续显性位组成，并且遵守位填充规则和在规定 帧中出现的所有固定格式。 ( 2 ) “错误一认可”节点：一个“错误一