（模式识别与智能系统专业论文）can无线接入与gps定位集成装置的研究与实现.pdf

摘要 国家8 6 3 基金项目“机群智能化工程机械”由徐州工程机械集团、东南火学、 清华大学、重庆交通学院等单位共同承担研究与开发工作。本文在这样的背景下 对移动现场控制总线c a n 和无线通信网络w l a n g s m 的网络互连的关键技术 进行了较深入的研究，提出了c a n 的无线接入与g p s 定位集成装胃的设计方襞， 并进行了研制和实现。基于工控机方案完成了装置的控体设计与实现，制作了 板载g p s 模块的c a n 通信适配卡：基于嵌入式系统方案，进行了方案的论证、 选型、设计与实现，完成了搭载嵌入式g s m 模块、嵌入式g p s 模块和电源供电 模块的电路板设计。论文首先针对传统施工现场中工程机械的孤立性耵l 低效率们 缺陷，结合现阶段无线通信技术和网络技术的发展，提出了一种在现场总线刚络 基础上进一步发展，向上与适合企业管理的事务处理计算机系统枷连构成的公司 级管控一体化系统，阐述了系统总体结构。之后简单叙述了c a n 现场总线网络、 w l a n 无线局域网、c a n 与w l a n 互连、g s m 通信刚络、g p s 卫足定位技术 和l 陡入式系统的基本原理。接着沦述了机群通信例络的架构设训抛小- j c a n 的无线接入与g p s 定位集成装置的设计步骤和方法。然后进行了集成皴氍的工 控机方案的设计和实现，其中完成了板载g p s 模块的c a n 通信适配卡的硬仆i 5 2 讣及制作、c a n 通信适配卡在w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统下的w d m 驱动程序的改 汁、c a n 通信适配卡上m p u 控制软件的编制以及工控机方案的试验。最后进行 了集成装置的嵌入式系统方案的论证、选型、设计与实现，完成了搭城嵌入式 g s m 模块、嵌入式g p s 模块和电源供电模块的电路扳的硬软件设计，进1 i 7 淡 入式系统方案的试验。论文还结合集成装置的应用范围以及现场总线网络和无线 局域网的发展趋势，对集成装置的改进提出了一些建议。 关键词：c a n无线局域网 g p s 定位 工程机械 一些! ! ! 竺! a b s t r a c t x u z h o u e n g i n e e r i n gm a c h i n e r y g r o u p ，s o u t h e a s t u n i v e r s i t y ，t s i n g h u a u n i v e r s i t yh a v et a k e nc h a r g eo f t h ep r o j e c to f i n t e l l i g e n t i z e de n g i n e e r i n gm a c h i n e r y g r o u p ，o fw h i c hi sn a t i o n a l8 6 3h i g ht e c hp l a n ( 2 0 0 1 a a 4 2 2 0 1 3 ) b a s e do nt h e b a c k g r o u n d ，f i l e m a i n o b j e c t i v e o ft h i sd i s s e r t a t i o ni st or e s e a r c h t i l ek e r n e l t e c h n o l o g y o fi n t e r c o n n e c t i o nb e t w e e nm o b i l ef i e l db u sc o n t r o l l e r n e t w o r ka n d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，a n dt ob r i n gf o r w a r dt h ed e s i g ns c h e m e ，a p p r o a c h ， a n di m p l e m e n t a t i o no ft h ew i r e l e s sc a nc o n n e c t i o na n dg p so r i e n t a t i o ni n t e g r a t e d e q u i p m e n t ， f i r s t l y , a i m e da tt h el i m i t a t i o no fl o we f f i c i e n c ya n di n s u l a t i o no fe n g i n e e r i n g m a c h i n e r yi n t r a d i t i o n a ic o n s t r u c t i o nf i e l d a s u p e r v i s i o ns y s t e m b a s e do nt h e i n t e r c o n n e c t i o no fl o c a lf i e l db u sc o n t r o l l e rn e t w o r ka n d s u p e r i o re n t e r p r i s e t r a n s a c t i o nc o m p u t e rn e t w o r ks y s t e mi sp r o p o s e d ，w i t hu s i n gt h ec u r r e n ta d v a n c c d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t e c h n o l o g y s e c o n d l y , t h eb a s i ct e c h n o l o g yo fc a n f i e l db u sc o n t r o l l e rn e t w o r k w l a n c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h ei n 【e r c o n n e c i i o nb e t w e e nc a nm a dw l a n ，g s m c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，g p so r i e n t a t i o na n de m b e d d e ds y s t e ma r es i m p l yd i s c u s s c d t h i r d l y , t h ed e s i g no ft h ea r c h i t e c t u r eo fw h o l ee n g i n e e r i n gm a c h i n e r yg r o u p c o m n m n i c a t i o ns y s t e mi si n t e r p r e t e d ，a n dt h e nt h ed e s i g ns c h e m ea n da p p r o a c ho f t h e i n t e g r a t e de q u i p m e n t a r e b r o u g h t f o r w a r d f o u r t h l y , g r o u n d e d o ni n d u s t r i a l p c ，t h ei n t e g r a t e de q u i p m e n t sd e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n a r e f u l l yp r e s e n t e d i np a r t i c u l a r , t h e h a r d w a r e d e s i g n o fc a n c o m m u n i c a t i o na d a p t e rc a r dw i t ho n b o a r dg p sm o d u l e ，a n dt h ec a r d sw d m d r i v c r a n dm p u sc o n t r o ls o f t w a r ep r o g r a m m i n ga r ef u l f i l l e d t h e nt h ec h a p t e rp r e s e n t st h e e q u i p m e n t sl o c a l ee x p e r i m e n t r e s u l t f i f t h l y ，b a s e d o ne m b e d d e ds y s t e m ，t h ei n t e g r a t e d e q u i p m e n t sd e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o na r ee n t i r e l yp r e s e n t e d a n dt h ed e s i g no f t h ec i r c u i tb o a r dw i t hg s m m o d u l e ，g p sm o d u l ea n dp o w e rs u p p l y m o d u l eo n b o a r di sa c h i e v e d t h e n t h e c h a p t e rp r e s e n t st h ee q u i p m e n t sl o c a l ee x p e r i m e n t r e s u l t f i n a l l y , a l la d v i c eo f t h ei m p r o v e m e n to ft h ei n t e g r a t e de q u i p m e n ti sg i v e n ，w i t h c o n s i d e r i n gt h ed e v e l o p m e n t o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k k e y w o r d s ： c a nb u s w i r e l e s sl a ng p so r i e n t a t i o n e n g i n e e r i n gm a c h i n e r y 。y 6 4 4 6 7 0 东南大学学位论文独创- 性声明 本人声明所呈交的学位论文足我个人在导师指导一卜进行的街f 究：l 二作及l ：凸c 彳 _ 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，也不包含为歌褂东雨大学或其它救育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志时水研究所做船任何贡献均 已在论文中作了明确的蜕明，f 二表示- y 诩t 意。 研究生签名：数扭e j 则：皇型：堡生 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图二愕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，允许沦 文被查阅和借阅，可以公枷( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公棚i ( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：选! 塾导师签名： 一塑二里竺堕 1 1 机群智能化工程机械 第一章绪论 机群智能化工程机械是指为完成某一具体二| 二程施 ：项目以实现最优资源配援、最佳作 业效率、毋佳施工质量的同步施：i ：智能化：c 程机械组合。机群智能化：i ：程机械通过对抖纠能 化工程机械单机的状态、位置、性能、工作质量和施工进度的在线检测，由机群主控站根榭 施。l 任务完成机群动态组织、施 动态优化调度雨l 集团管理。由丁机群以分j r 明确、高可靠 性的翦机以及能刺备单机进行实时监控、动态调度的机 啡智能控制系统为基础，以最仕作业 效率为日标，将施：i ：对象视同乖问流水线上的加一l ：零1 ，| ：，实现商质由、新效率生产，以c 犯 活机动之策略和协调应变能力适应瞬息万变的形势因而它是全新的j ：科机械没汁耻念_ ! 【j 全 新的建筑施工理念。机群概念的提山改变了工程机械制造企业单纯以追求单机高性能为目标 的传统思路，而代之以机j 1 ；联台作业能力、最佳施j l 质蛆和施。i ：企业的最人综合经济敏c a 为 口标的新背! 念。 机群智能化一1 ：程机械代表了当今1 ：程机械披术干施i ：技术发胜的位高水j i ，它综合r l ： 样施工技术、智能控制、网络通信、动态优化调度等当今最前沿的先进技术。e j l m 机群钳 能化i 科机械已经成为现代：i ：样机械制造利现代化施工技术的发展方向。该项技术住敞洲已 经开始成j ，不但提高了施：i ：质埘，缩短了施1 ：州问，还优化了格个施一i ：的资诅吩眦，为施 。l = 企业带来良好的经济效黼。而在我国当前国内的：科机械技术水平较低，在进行人规模 协同作业时，工程机械的效率低f ，控制手段单一原始，这就迫切要求有新技术、新方法水 迅速提高我国的工程施工效率利施：r 质坩：同时，我国的基础设施建设项日如南水北酮一1 ：科、 i 州气尔输：i ：转! 以及纵横交错的交通网镣现代化人。1 ：羁啪趣波止方兴未艾，这为机胖 ：l | l f j 化一 样- ! 机械提t 址了广阔的应川前景利市场空阃。i ：利机械的智能化 i 体化，实现丁哪l 1 ) m 广： j l 的功能扩展利性能飞越，是一次巨人的技术进步，对船个l ：j ：! 【槭行业的发展柯精r 人 深女q 彩l j 自。 1 2 机群组网方案 目前，工程机械上使用现场总线网络( f i e l d b u s ) 来实现 ：程机械单机内部的传必器、 执行器和控制器之间的通讯。由于现场总线网络具有监视与控制能力强、可靠性与故障容限 高、实时响应性好、实现成本低、对环境要求低等优点，目前止在被越来越多的麻川丁r 业 现场控制羽i 生产白动化领域。 c a n 总线网络是现场总线网络的一种，它具有成本低、数抛传输距离k 、数j ：【| ：传输迎 率商、抗干扰能力强和实时性好等优点。考虑到施工现场的恶劣环境因素，徐卅i j - ；t ：! 甜- ) l 械集 团在l 程机械上采用了c a n 现场总线进行单机内部的控制和通信。 ：14 棵机械所处的施工环境多在野外，同时工科机械本身贝有移动性，这决定了i ：扎l 械 不能使川传统的有线局域网布线方式实现单机之间的信息兆享日前并种工程机械实际上都 是单机自治的信息孤岛，无法形成一个机群，更无法币i 监控中心的上级：r 作站进行通信。这 就给牲个机群的管理、监控币操作带米了不便，也不适合。i ：科机械机群信息化、网络化发眨 的要求。 因此要在单机的现场总线网络基础上进一步发展，将现场总线网络与高级管理网络且 迮，实现信息共享。将在施工现场的工程机械与异地的适合企业管理的监控中心计算机系统 相连，构成公司级管控一体化系统，以便有效地管理和控制现场的操作实现船体的综台信 息管理平处理功能，包括生产调度、系统协调、质最控制、统计决策等从而实现过科控制 东南火掌i 炙i ：学位论文 和经营管理的一体化操作。 日前，无线通信技术正在迅速发展完善中，使用无线组网方案实现机群与监控中，t 3 , 上级 ：作站的通信是理想的选抒。可用的无线组网通信方式主要有无线局域网( w l a n ) 、无线 电台、g s m t g p r s 三种。我们选) j 运彳j ：免赞的无线局城刚( w l a n ) 作为暇拨移动】：，! 机 械与监控中心上级： 作站的通信主干网，不仅能满足信息传输的快述、准确和可靠的监求， 而且符合未来的移动通信的技术发展方向。考虑到当前无线局域网接入点的覆敲范i ：h 较小、 存在盲点，将初期投入少、覆盖范围火、但信息传输费川高的g s m 作为无线岗域网的补充 方案，这将人大扩展无线通信网络的覆盖范h j i 及可靠性。 机群无线i | ) i 信网络的架构如图1 1 所示。 幽1 1 机群无线通信网络架构幽 由幽i 1 可见，监控中心内的：e 作站和服务器组成有线局域网( i n t r a n e t ) ，如以太咧。 ：崔机械在施 二现场进行施工使用车载的无线接入装置实现印载的c a n 现场总线同 w l a n i g s n i 无线通信网络的连接。监控中心的工作站计算机使刚w l a n 无线网络接入点 或g s mm o d e m 与现场的工税机械进行无线通讯，对现场的。i ：程机械进行管理和监控。 w l a n 无线网络接入点( a c c e s sp o i n t ) 是整个w l a n 无线网络的基m i ，捉 iw l a n 尤线 网络的通信支持，网络中所有站点对网络的访问羽l 通信均由其控制。同n _ ja c c e s sp o h l t 还提 供与有线局域网豹接口，充当局域网之闻韵转接器， 1 3 集成装置及关键技术 c a n 无线接入与g p s 定位集成装置是使用在单一移动1 ：样机桃上将i j ：样机 戚上的 c a n 现场总线网络接入无线通信网络( w l a n g s m ) 。实现c a n 无线按入f 内集成皱置。这 样，在现场施工的所有工程机械( 单机) 和监控中心的上级： 作站就成为一个可实现信息交 换的智能机排。该集成装置为工程机械单机之问、单机和士控制站之间的通信以及把个_ i ：| l 卅 智能化建立了稳定的数据通 营跬路，监控中心的：1 作蚺可通过该通信链踏监控施_ 现场的 笙二翌竺堡 工程机械的当前工作状态对其进行调度、管理和控制。装置还通过自身搭载的g p s 卫昂 定位器实现单机的精确定位，井将定位信息发往监控中心的工作站。 集成城置的功能示意图如图1 2 所示： 图t 2c a n 无线接入与g p s 定位集成装置功能示意幽 本装置使用的关键技术包括：c a n 现场总线技术，实现j 。删机械上现场总线的控删和 通信；w l a n 无线局域网技术g s m 无线通信技术，实现：l 程机械雨i 监控中心“l ：作站的无线 通信：c a n 现场总线网络同w l a n g s m 无线通信网络的互连其中包括便什的接口近接 和软件的通信协议的转换；g p s 卫星定位技术，实现 ：g 蹦【械旧精确定能；嵌入，系统， 实现集成皱置的方案核心之一。也是集成装置的最终实现目标。 1 4 本课题的应用价值 本课题是结合当前机群智能化工程机械发展的要求提出的。这是一个崭新的研究领域， 目前国际上还没有移动现场总线网络和无线通信网络互连的产品问世。该装置的丌发成功 将为工程机械机群提供稳定的通信链路，从而为机群智能化奥定基础，进l f i i 捉升我圈j r 程机械的智能化和信息化水平，这个提升过程也是信息化带动 业化战略在丁程机械领 域的具体表现。本课题中使用的技术火多是现成的成熟技术，开发风险铰小，课题精巫 ： 符种现成通信技术的综台，井应j 日于实际的：| 二捌项目。该皱盖z i 仅可以戍刖- 丁本：羁! 项目， 还可以应刚于车辆之间的无线通信和定位监控领域，具有良且f 的1 1 t 场前景。 1 5 本课题的主要研究内容 东南大学顺i ：学位沦义 本课题的任务就是研究和设计移动现场总线刚络平i 】无线通信刚络互连的办案，外宴现该 方案a 针对工控机和嵌入式系统两种实现核心，构建j ：f ；i 于移动现场总线阿络年l l 无线通信网络 互连的网桥设各。为实现】：程机械的机群智能化奠定基础。 本文的主要内容安排如一f ： 筇二章论文阐述了课题相荚的关键技术。包括：c a n 现场总线刚绍通f j 、w l a n 光线 局城网、c a n 同w l a n 的互近、g s m 通信网络、g p s i j 星定他搜术利i 跌入式系统旧j m 木 原理。 第三章论文论述了机群通信网络的架构没计，捉山了c a n 的无线接入与g p s 定似集戍 装置的敬计步骤和实现方案。 第四章阐述了集成装盈的l 1 ：控机设计和实现方案先l 耐述丁浚方案的懿体殴汁和蛮埘 然后详细论述了扳载g p s 模块的c a n 通信适配r 的硬什设计方案及实现t 以及c a nj m 僻 适配p 在w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统f 的w d m 驱动私疗的设计霸lc a n 通信适配| = 上m p u 控 制软r l ：的改计，最后介蜊了该方案的试验结果。 第五章阐述了集成装置的嵌入式系统实现方寨，详鲺论述了嵌入式系统方案的沦证、选 ，阻设计与实现，叙述了扳载嵌入式g s m 模块、嵌入式g p s 模块和电源供l u 模块纳电路板 的硬软件设计最后介绍了该方案的试验结果a 4 笙三翌塑差些堡皇垫查 第二章相关理论与技术 2 1 数据通信的层次结构 国际标准化组织i s o 在1 9 8 3 年推山了开放系统参考模型o s i r m 的标准i s 0 7 4 9 8 。o s 参考模型采_ h ；i7 层协议结构如幽2 1 所示。 物理雠怍柳聩蜒休 图2 ，1o s i 参考模型 ( 1 ) 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) ：建立、保持和断开一条物理电路井提供时钟信号，以便透 明地传送比特流。它从第二层数据链路层( d l l ) 接收数据帧，并将帧的结构和内容串行发 送即每次发送一比特，然后这些数据流被传送给d l l 重新组合成数据帧。 ( 2 ) 数据链路层( d a t a l i n k l a y e r ) ：在相邻结点之间无差错地传送以i 噱为单位的数据，捉 供数据有效传输的端到端连接。帧结构包含控制信息和上层数据。帧中有地址、序号、校验 锋控制信息，可以进行差错控制、流量控制等。 ( 3 ) 网络层州e l w o r k l a y e r ) ：负责在源机器和目标机群之间建立它们所使川的路由，j 1 ：在 网络i 嵩端之问传送分组。网络层需要选择合适的路由，使分组通过分段灼数据链路传到网 络另一端。对人型网络，路由选扦和流量控制牧复杂。网络层服务可分为i 旺i l ；! ；】连接服务枷无 连接服务。面向迎接服势也可称为虚电路服务，是一种可靠的、保证顺序的、无丢火的服务。 无连接服务也常称为数据报服务，不保证顺序可能有丢火，但简单、易于实现。网络层提 供的服务使它的上层不需处理网络中的数据传输羽l 交换问题。 ( 4 ) 传输层( t r a n s p o r tl a y e r ) ：提供类似于数据链路层所提佣1 勺服务，为端一端户提供充 整可靠的通信服务。不过与数据链路层不同。传输层的功能姓在本g l a n 网段上捉供这种 功能。传输层还提供对乱序数据包的排序功能。 ( 5 1 会话层( s e s s i o n l a y e r ) ：管理和协调两个计算机之间的信息交互。提供建立和使川连 垄堕查堂塑! ：堂些堡苎 搂的方法。一个连接就称为一个“会话”，对会话进行管理，如单舣：i ：选抒。为方便亚1 e 而进行通信任务分解和同步，当运输层连接出现故障时船个通信活动不必从头开始只需 从同步点进行重传。 ( 6 ) 表不层( p r e s e n t a t i o nl a y e r ) = 负责管理数据编码方式。例曲j ，川户词以订哪些数据类 型( 箍数、实数、字符等) ，每种类型如何编码咎。并种计算机内部对髯利馓掘类刑的收示力 法是不一样的需要由表示层加以转换。表示层还有加密和解密、数据压缩等功能。 ( 7 ) 应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) = 确定应删进穰的性质，为麻川进积 提0 i | 信接e l 。根据 不同威川性质应j 1 j 层需要据0 i 不同的功能羽i _ l j l 务如i i u f 仆、l | ：j c 系控制、- 埔1 0 输、远 地操1 11 等。由于应川的种类锻多，使得应川层报复炽。 以上7 层功能义可按其特点分为低层和高层。通常将1 3 层划分为低层其口的烛保证系 统之问跨越网络的可靠信息传输。高层为4 7 层，是一些面向戍川的信息处理和通信功能。 2 2 现场总线的通信协议 2 2 1 现场总线及其分类 现场总线是新型自动化系统，又是低宽带的底层控制网络。它可与i 习特网( i n t c r n c t ) 、 企业内部网( i n t r a n e t ) 相连且位于生产控制和网络结构f 内底层而称z 为底层嘲i n t r a n e t 。 它作为网络系统最显著的特征是具有开发统一的通信协议，脚负着生产运行一线测蚓控制的 特殊任务。 现场总线与施r 现场设备直接连接，一方面将现场测最控制设备互连为通信网络，实现 不同网段、不同现场通信设备间的信息共享；同u j x 将现场运行晌并种信息传送到控制室t ，f 进一步实现与操作终端、上层控制管理网络的近接和信息北孪。在把一个现场设钎的远 j 参数、状态以及故障信息等送往控制室的同时，义将各种控制、维护、纰态命令，乃至现场 改薪的一1 ：作l b 泓! 等送往各棚芙的现场设符，沟通了生产过剃现场绂控制改桥之叫及妃l 业一啊 层控； ；! | 管理层次之阋的j 1 ) 系。由丁现场总线所蛸负的是删埘控制的特非任务，m 它具订i i 已的特点。它要求信息传输的实时性强可靠性高且多为短帧传送，传输述率一股柏：儿 k b p s 至1 0 m b p s 之间。 当i j i f 流行的儿类现场总线有：基金会现场总线f f 、控制器埘域网( c a n c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 总线、l o n w o r k s 总线、p r o f i b u s 总线、h a r t 总线，其中c a n 总线魁山德网 b o s c h 公司推山，j _ l = l 于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。其总线规范已铍i s o 国际标准组织制定为国际标准，并且广泛应用于离敞控制领域。它是基n 丁o s l 模州，但进 行了优化，采刚了其中的物理层、数据链路层、应h | 层，提高了实时性。其。1 y 点订优先线i 5 定支持点对点、一点对多点、广播模式通信。各节点可随时发送消息。传输介质为似绞线 通信选率与总线比变有关。c a n 总线采川短消息报文，每一帧有效字：讧数为8 个；当住点 山借时，可自动关c j 】，抗干扰能力灶，t 一蕞性高。 2 2 2c a n 总线通信协议 c a n ( c o n t r o i l e ra r e an e t w o r k ) 总线网络是一种有效支持分布式控 i j | j 或实时控制的” 行通信网络，属于现场总线( f i e l db u s ) 。c a n 总线最早山德国b o s c h 公司在上i t i ： e8 0 年代 末提山，被应川于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。c a n 总线具有成本低、数据 传输距离跃、数据传输速率高、抗干扰能力强和实时性蚶等优点。c a n 总线网络灶多j ! 方 6 一 塑三翌塑叁些堡兰丝查 式的串行通讯总线它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，) f ：且 不需要在总线上设置主控制器，传输的报文并非根据报文发送器器，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，同时州于识别报文的标识符也规 定了该报文在系统中的优先级。 c a n 总线网络具有下列主要犄性：多主站依据优先权进行总线访问；无破坏m 均基- i ： 优先权的1 1 1 裁；借助接收滤波的多地址帧传送：远程数据请求；配置灵活性：全系统数据干u 容性：错误检测和山错信令；发送期间若丢失仲裁戏由于山错而遭破坏的帧可白动重发送； 暂时钟 误和永久性故障：仃点的判别以及故障：竹点的白动脱离。 c a n 总线网络在m a c 层的标准协议姓c s m a c d ，i ! j j 绒波侦听多跚打j 坟，冲突检测 ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 。 l j ；i jc s m a 访问总线，j l j 刘总线 上信吁进行检测。只有当总线处r 空闲状态时，才允f i ：发进。利川这种方法。以允汁多个 。1 ，点挂接到同一网络上。当检测到一个冲突位时，所有：坩点亟新f i 到监听总线状态孤到i ：j l 冲突时间过后。才开始发送。在总线超载的情况f ，这种技术可能会造成发送信号经过i 1 ：多 延迟。为了避免发送时延，可q - i _ jc s m a c d 方式访问总线。肖总线上有两个仃点同时进行 发送时，必须通过“无损的逐位仲裁”方法米使有最高优先权的报文优先发送。枉c a n 总 线上发送的每一条报文都具有唯一的一个1 1 位或2 9 位数字的l d 。 c a n 总线状态般决1 ： 二进制数。0 ”而不是l ，所以l d 号越小，则该报文拥有越高的优先权。吲此一个为 全0 标志符的报文具有总线上的最高级优先权。可川另# l - f l ( j 方法米解释：1 1 f ! 稍息冲突的 位置，第一个：铃点发送0 而另外的仃点发送l 。那么发送0 的竹点将取得总线的控制权” 且能够成功的发送山它的信息。 c a n 遵从o s i 模型，c a n 结构划分为两层，数掘链路层毋i 物理层”，如吲2 2j j i f 小： 图2 2 c a n 的分层结构 7 查塑查兰塑：! ：兰些丝兰 1 逻辑链路控制( l l c ) 子层 l l c 子层提供的功能包括：帧接收滤波、超载通告嗣j 恢复管理吼l l c 数据帧由三个 位场，即标识符场、数据长度码( d l c d a t a l e n g t hc o d e ) 场和l l c 数据场组成，如图2 3 所示： 图2 3l l c 数据帧结构 ( ”标识符：标识符长度为i l 位，其虽高七位( i d 1 0 i d 0 ) 不应全为“1 。 ( 2 ) d l c 场：d l c 指山数据场字：个数。d l c 由4 位构成，数据场k 应可为0 ，数掘 帧允许数据字节数目范围为0 8 。 ( 3 ) 数据场：数据场由数据帧内被发送数据组成，它可包括0 8 个字。仃。 标准c a n 的标志符长度是1 l 位而扩展格式c a n 的标忠符k 应可达2 9 似。c a n 小 议的2 0 a 版本规定c a n 控制器必须有一个l1 位的标忠符。同时，在2 0 b 版本中规定， c a n 控制器的标志符长度可以是11 位或2 9 位。遵循c a n 2 0 b 协议的c a n 控制器可以发 送和接收1 1 位标识符的标准格式报文或2 9 位标识符的扩展格式报文。如果禁i t c a n 20 1 3 ， 则c a n 控制器只能发送和接收1 1 位标识符的标准格式报文而忽略扩展格式的报文结4 ! j 。 但不会出现错误。目前p h i l i p s 公司主要推广的c a n 独立控制器均支持c a n 2 0 b | j - 议，即 支持2 9 位标识符的扩展格式报文结构。 2 m a c 数据帧结构 c a n 系统中，数据在h 点间发送平接收以四种不同类型的帧山现和控制，其。 ，：数抛 帧将数据由发送器传至接收器；远程帧由。甘点发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧： 出错帧可由任何节点发送，以检洲总线错误，而超载帧川于提供先前平i | 后续数据帧或远私：帧 之问的附加延时。 一个m a c 数据l i 岐由七个不同位场构成，如图2 4 所示它们足：帧起始( s o f s t a ro f f r a m e ) 、仆裁场、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 d o f f r a m e ) 3 1 。 l帧起始i 仲裁场i控制场l数据场ic r c 场i a c k 场 i 帧结束i 图2 4m a c 数据帧结构 2 3 无线局域网通信技术 无线局域网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 ) 是实现移动计算机网络的关键技术 2 一它是实现穆动计算机网络中移动站的物理层与链路层功能，为移动计算机网络提供必 要的物理接口的网络。 无线局域网是计算机网络与无线通信技术结合的产物。七一t 年代人们就开始了无线网 的研究。到八十年代随着以太周域网的迅猛发展，w l a n 技术也有了微人的提高。目前 采川的是i e e e8 0 2 11 b 协议标准，工作频段在9 0 2 m h z 9 2 8 m h z 、2 4 g h z 2 4 7 8 5 g h z 羽l 5 7 2 5 g h z 5 8 5 0 g h z ，调制方式为扩展频谱的调制方式。现在，高述无线网络的传输述率 8 一笙三芏塑叁型堡兰垫查 昙达到11 m ，完全能满足一般的网络传输要求包括传输文字、卢啬、幽像锝。捉至可以 多路声音、图像并发的传输。无线网络的最大传输距离也达到儿十公里甚至更远。随着无 线网络的应用领域越来越广其相应的价格也开始降低。 1 网络协议 无线局域网的协议分成两人类，类是以高速传输应j h 发腮为主例! 【fi e e e8 0 2 ii b i e e e 8 0 2 1 1 a ：另一类是以低速短距离的应用为主例如i e e e8 0 2 1 5 ( b i u e t o o t h ) 和 h o m e r f 。i e e e8 0 2 1l 协议只涉及到o s i 七层协议的最底两层：物理层和数据链路层，网 络结构相对简单根据需骚数据链路层一般义分为逻辑链路控制层( l l c ) 和；【! i l 体访问控制 层( m a c ) i e e e8 0 2 11 协议只定义了m a c 层。 2 传输方式 无线局域网的传输介质和频段分配由物理层确定。i e e e8 0 2 i1 有三种物理层规范：2 l 外 线和两个r f 传输方法( 直接序列扩频d s s s 和跳频扩频f h s s ) 。其中红外线局域网采川小 于1l li n 波长的红外线作为传输媒体，红外线传输方法工作在8 5 0 m m 9 5 0 m m 段，峰值功 率为2 w ，支持数据速率为1 m b p s 和2 m b p s 。具有较强的方向性，受阳光干扰较人，目前微 少使川。d s s s 和f h s s 无线局域网都使用无线电波作传输! c ! i l 体在我国一般：i ：作在 2 4 2 4 8 3 5 g h z 频段，发射功率低于自然的背景噪声，基本上防l i i 了通信信号被偷i ! j i = 和窃取， 也正因为扩频通信方式具有抗干扰、抗噪声、抗衰减和保密性能好的优点，所以计算机刚络 通信中常使用这剥，方式。d s s s 采_ i jb p s k 利d q p s k 调制技术，支持1 m b p s 雨j2 m b p s 数掘 速率。在目前应用最多的是d s s s ，其次为f h s s 。 3 网络拓扑 无线局域网的拓扑结构可归结为两类：无中心或叫点对点( p e e r t op e e r ) 拓扑羊 l ，心 ( h u b b a s e d ) 拓扑。 无中心拓扑的网络要求网中任意两个站点均可直接通信。采 f j 这种拓扑结构阀网络一般 使_ l ；l 公j _ | 广_ f | 信道，各站点都可竞争公用信道而信道接入控制( m a c ) 协议人多采h jc s m a ( 载波检测多址接入) 类型的多址接入协议。这种结构的优点是网络抗毁性好、建网容易、 赞川较低、整体网络移动性好。但当网中用户数( 站点数) 过多时，信道竞争成为限制网络 性能的要害。另一方面，这种网络中信息的路由信息随着心户数的增加快逃上升，严重时路 山信息可能! i 据人部分有效通信。同时为了满足任意两个站点可以直接通信，刚络中站点布 局受到环境和覆盖范围限制较火。因此这中网络结构较适合于h _ | 户数相刘较少的川户椰规 模。 在有中心拓扑结构中，要求一个无线站点充当中心站( 基女| | i ) 也称a p ( a c c e s s i o i n t ) ， 网络中所有站点对网络的访问和通信均由其控制。由于覆盖氛围相对较小，当网络川户增加 时网络吞吐性能及网络时延性能的恶化并不剧烈因而可以进行较高速率的通信。由于每个 站点只需在中心站覆盖范围之内就可与其他站点通信，故网络中站点祈局受环境i 聪制较小。 l t u , i - ，中心站为实现局域网互连和接入有线主干网提供了一个逻辑接入点。有中心网络拓扑 结构的弱点时抗摧毁性差，中心站点朐故障容易导致整个网络的瘫痪，弗且中心站点的引入 增加了网络成本。在实际应用中，。丘线局域网往往与有线主干网绱合起米锼川，这州，a p 充当局域网之间的转接器。 2 4c a n 现场总线同w i ，a n 无线网络的互连 在机群智能化：l 。程机械系统中，上层企业管理层和监控层采用的通信网络是e t h e r n e t 以太网，而在作业现场机械采用的通信网络是c a n 现场总线。本课题要实现以太网和c a n 9 堡堕查堂型：! ：兰些笙苎 总线网络的互连，实现管理监控层( 以太网) 和生产测控层( c a n 总线网) 之间f 内连接 使上下层数据能方便地进行交流。 2 4 1 网络互连的概念 网络互联结构方案可根据不同层次的中继系统选择不同的互l l j 设备。中继系统越指网络 互联所通过的中间设备。若某中继系统在进行信息转发时与其它系统兆享兆同的第n 层协 议此中继系统称为第n 层中继系统。 从协议的层次看，可将中继系统分为4 种对应的u i 有4 种刚络且1 1 ) 方式及刚问连接_ ： ；， 它们可以有针对性地称为： ( 1 ) 物理层中继系统一一中继器( r e p e a t o r ) ； ( 2 ) 数据链路层中继系统一一网桥( b r i d e ) ： ( 3 ) 网络层中继系统一一路由器( r o u t e r ) ； ( 4 ) 高层中继系统一一网芙( g a t e w a y ) 。 这些互连设备可以泛称为网关( g a t e w a y ) 。对于t c p i p 网络，其网际互连故器通常也称 为网荚( 或i p 网关) ，这利- 网关专指在i p 层( 位于网络层顶部的子层) 的且迮破帑，实际 上可归类为路由器”j 。 应用屠! ： 囊幂眉：i 台话詹蓦l 悖- 稽| | | i 一铬屠i ；：i l 健路屡 ；：；l 物理餍i 应哪辔 ! - 寰示屉 台话盛 t ： 体盛 ：舟培詹 ：证矗啊 ? ：怖理层 幽2 5 网际互连殴备 中继器是工作在物理层的互连设备，川来连接同种类型的多段网络媒体q 继器，形成一 个较人的l a n 。中继器的工作对所有数据站和款取网络n 0 活动先全透叫。中继器的土世f 1 ： h 是：延j 受网络的作用范围：改变网络的拓扑结构。由于中继器仅在物理层互连，它只能川 于同种网络互连，一般只川予以太网互连。 网桥是在数据链路层对帧进行存储转发，与高层卧议无芙。不同类州i 】5 | | 络之问i r 通过 网桥连通但商层协议不周则无法进行互操作：故实际上网桥只川于采川相同网络操作系统， 或网络层及其高层协议相同的同类l a n 的互联，但它们的m a c 子层可以有很人| _ i 勺4 i 同。 在_ l i j 网桥连接两个l a n 时，网桥根据所接收到的信息分组中的路径信息，把数据分组从一 个l a n 发向另一个l a n 。网桥把几个物理网络连接起来后提供给川户帕仍然烂一个逻j _ l 删 络，心户根本不知道有网桥存在，它在两个l a n 之间提供透明路径选择。 路由器工作在o s i 协议的网络层它所互连的网络不仅限于l a nz 问而且可以川米 近接l a n 萃”w a n 。路由器在网络中作为独立。捧点是可见的。它除具有扩充l a n 的距离羽l 减少网络上的通信龋外，主要功能是为通信精确定尼住路径。路由器定期上j 棚邻路山器交换 信息，以随时反应拓扑结构的动态变化。根据协议支持能力，可分为单协议蹄由器和多讪、议 路由器。网络层编址是路由器进行路由选择的基础。 2 4 2 c a n 同w l a n 的互连 0 一一笙= ：翌塑茎些鲨! 垫查 c a n 避从o s i 模型- 按照o s i 基准模型，c a n 结构分成两层：物理层；f i l 数据链路层； w l a n 所使_ | = f j 的i e e e 8 0 2 1 1 协议也只定义了o s i 模型中的物理层和数据链路层其中数据 链路层只定义了m a c 子层没有定义l l c 子层。因此。c a n 的无线接入装置实现的 w l a n i c a n 的互连应在数据链彗各层实现，适合的互连方式难刚桥。网桥运行在数 l | ：链路层 的m a c 层对两种网络的数据帧进行存储转发并且不妨僻两层孙议，i _ ! f l 对两层悱议址透 明的。 w l a n 平c a n 各自的数据帧具有不同的m a c 头所以集成装簧即网桥需要修改数 据帧的m a c 头再将数据帧发往对方网络。 w l a n 使用的i e e e8 0 2 1 1 协议的m a c 层数据帧结构如削2 6 ，每一个帧分成1 1 i