（模式识别与智能系统专业论文）can总线控制系统的实现与分析.pdf

中国科学技术大学硕士学位论文 摘要 控制器局域网( c a n ) 由于其多主的工作方式、优良的稳定性和实时性能、 成熟的仲裁和同步技术，加上开放式总线结构、短擐文高速通讯、远程通讯能力、 超强的纠错和扩展功能，以及控制简单、应用成本低等优点，已经被越来越多地 应用到广大网络控制系统领域，并被公认为最有前途的现场总线技术之一。目前 围绕着c a n 总线技术涌现了大量的新型微控制器芯片等相关产品。使其应用更 加方便和成熟。 但要具体设计一个实时性、稳定性良好的c a n 总线控制系统，仍然需要认 真研究总线中的竞争和同步等核心问题，分析处理网络时延、报文调度效率、带 宽利用率、数据接口瓶颈等技术课题，并且选择合适的系统结构和控制芯片来组 建控制系统，设计高效率的通讯软件和报文调度方案，才能充分发挥c a n 总线 的特长，提高控制系统的抗干扰能力和实用性能。 本文正是在这一设计思路指导下，采用r s 4 8 5 4 2 2 辅助c a n 总线的混合总 线结构，选取c 8 0 5 1 f 系列多功能混合信号微控制器和u s b 转u a r t 桥接器 c p 2 1 0 2 等新型高速芯片作为控制核心，根据c a n 2 0 a 和2 o b 协议规范，合理 分配报文结构，设计了一种基于c a n 现场总线技术的多主、多功能混合总线控 制系统，并且得到了全部硬件系统、通讯软件、上位机管理与测试软件的实现， 通过了实际应用的验证。 通过小型c a n 总线网络测试平台上的冲突实验，进一步研究系统的总线竞 争、网路时延、报文丢失等实时性、稳定性指标。并根据测试结果的分析，引入 报文分配和调度策略，再次通过应用中的验证。改进后的c a n 总线控制系统具 有优良的稳定性和实时性，很大程度上解决了数据接1 ：2 1 瓶颈、总线竞争、报文丢 失、网络时延等主要问题，具有较高的带宽利用效率。加上多种小巧的多功能 c a n 总线节点模块，便携式的u s b 上位机通讯接口，以及c a n 总线本身的开 放性、低成本、控制简单、传输距离远等优点，可方便应用于众多的工业过程控 制和大型远程监控系统等领域。 关键词：c a n ，现场总线，网络控制系统，c 8 0 5 1 f ，总线竞争，u s b 接1 3 中国科学技术大学硬士学位论文耍 a b s t r a c t a so p a ) o ft h em o s tp r o m i s i n gf i e l d b u s ，c o n t r o la r e an e t w o r k ( c a n ) i sn o wm o r ea n di n o r e i m p l e m e n t e di nt h ew i d ef i e l do fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m0 q c s ) ，b e c a u s eo fi t sv a r i o u s a d v a n t a g a ss u c ha sm u l t i - h o s tw o r km o d e ，e x c e l l e n ts t a b i l i l ya n dr e a l - t i m ep e r f o r m a n c e ，m a t l w e a r b i t r a t i o ns c h e m ea n ds y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g y , o p e nb u sa r c h i t e c t u r e ，s h o r tf r a m em e s s a g e a n dh i g h - s p e e dc o m m u n i c a t i o n , t e l e - c o m m a n i c a t i n na b i l i t y , s u p e rc o r r e c t i o na n de x p a n s i o n f u n c t i o n s ，a n ds i m p l ec o n t r o l ，l o wc o s ta p p l i c a t i o n c u r r “t i yn e wm i r e o - c o n 血 o l l e ru n i t s ( m c u ) a n do t h e rr e l a t e ap r o d u c t sa r ee m e r g i n gi nm u l t i t u d ea r o u n dc a nb u st e c h n o l o g y , w h i c hm a k e s c a nb u sm o r ee a s i l yi m p l c r a e n t e d h o w e v e r , i no r d e rt od e s i g nac a nb u sc o n t r o ls y s t e mw me x c e l l e n ts t a b i l 匆a n dr e a l - t i m e p e r f o m 勘c e , t h eb u sc o m p e t r i o na n ds y n c h r o n i z a t i o ni s s u e sn e e dt ob es t u d i e di nd e p t l lo t h e r t e c h n i c a ls u b j e c t ss u c ha sn e t w o r kd e l a y , f r a m es c h e d u l i n ge f f i c i e n c y , b a n d w i d t hu t i l i z a t i o na n d b o t t i e n e e k so fd a t at r a n s m i s s i o ni n t e r f a c es h o u l da l s ob ea n a l y z e da n dr e s o l v e d a p p r o p r i a t e s y s t e ms t l u c r l r ea n dc o n t r o lc h i pn e e dt ob ec h o s e nt os e tu pt h ec o n t r o ls y s t e m e f f i c i e n t c o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ea n df r a m es c h e d u l es h o u l db cd e s i g n e di no r d e rt og i v ef u l lp l a yt ot h e s u p e r i o r i t yo fc a nb u s o n l yi ns u c huw a y 伽lt h ea n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t ya n dp r a c t i c a l p e r f o r m a n c eb ei m p r o v e d i nt l i j sg u i d a n c eo fc a nb u sc o n 廿o ls y s t e md e s i g n , t h i st h e s i ss e l e c t st h er s 4 8 5 4 2 2a s s i s t e d c a nb u ss y s t e ma r c h i t e c t u r e n e wh i g h - s p e e dc h i p ss u c ha sm i x e ds i g n a lm u l t i f u n c t i o n a lm c u f a m i l yc 8 0 5 1 fa n dc p 2 1 0 2 , ak i n do f u s b t ou a r tb r i d g e , a r ec h o s e na st h ec o n t r o lc o r e , b a s e d 0 1 1t h ec a n2 0 aa n d2 0 bp r o t o c o l 。f r a m ea r c h i t e c t u r eo f t h ec a ns y s t e mi sd e t e r m i n e d f i n a l l y am u l t i - h o s t , m u l t i f u n c t i o n a lm i x e db u sc o n t r o ls y s t e mb a s e do nc a nf i e l d b u st e c h n o l o g yi s d e s i g n e da n di m p l e m e n t e di na l lt h eh a r d w a r es y s t e m , c o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e ，p cn 1 ：m a g e m e n t a n dt e s t i n gs o f t w a r e t h i sd e s i g nh a sa l r e a d yb e e nc e r t i f i c a t e di nt h ea p p l i c a t i o n b a s e do n t h ec o n f l i c t se x p e r i m e n t so nas m a l ln e t w o r kt e s tp l a t f o r m , b u sc o m p e t i t i o n , n e t w o r k d e l a y , f r a m el o s sa n do t h e rr e a l - t i m e ，s t a b i l i t yp e r f o r m a n c e sa l ef u r t h e rs t u d i e d a c c o r d i n gt ot h e a n a l y s i so nt h et e s tr e s u l t s , f r a m ed i s t r i b u t i o na n df r a m es c h e d u l i n gs t r a t e g ya l ei n t r o d u c 粼la n d a g a i nb e e nc e r t i f i c a t e d i n p l a c t i c e t h e s e s o l u t i o n si m p r o v et h e s t a b i l i t ya n dr e a l - t i m e p e r f o r m a n c eo ft h ec a nb u sc o n t r o ls y s t e m , a n dg i v et h es y s t e mam o r ee f f i c i e n tb a n d w i d t h u t i l i z a t i o n n 幢m a i ni s s u e s ，f o re x a m p l e 。t h eb o t t l e n e c k so fd a t at r a n s m i s s i o ni n t e r f a c e , b u s c o m p e t i t i o n , f i l u l l el o s s ，n e t w o r kd e l a y , a r eg r e a t l ys o l v e d w i t hav a r i e t yo fm u l t i f u n c t i o n a la n d c o m p a c tc a nn o d em o d u l e s , p o r t a b l eu s bi n t e r f a c en o d em o d u l ea n dt h eo p e n , l o w - c o s t , s i m p l e 2 中目科学技术大学硕士学位论文 c o n t r 0 1 1 0 n gt r a n s m i s s i o na d v a n t a g e s , t h i sc a nc o n t r o ls y s t e mc a nb ec o n v e n i e n tf o rm a n y i n d u s w i a lp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m s g i a n tr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m sa n do t h e r 船曲 k e yw o r d j ：c a n 。f i c l d b u s ，n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ( n c s ) ，c s 0 5 1 f , b u sc o m p e t i t i o n , u s b i n t e r f a c e 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定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，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 舻弋二 作者签名：莹生竺 如。1 年s 月弓l e t 中国科学技术大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 随着计算机技术、网络技术以及微控制器芯片技术的不断发展，自动控制系 统已经从传统的模拟控制系统发展为计算机数字控制系统，从集中式控制逐渐向 分散式控制发展，将网络引入控制系统中，形成网络控制系统，实现控制系统的 全面数字化、网络化。伴随着网络控制系统的迅速发展和广泛应用，多种多样的 工业控制总线技术孕育而生，已经由最早的集中式数字控制系统( c c s ) 经过集 散式控制系统( d c s ) 向现场总线控制系统( f c s ) 顺利过渡。 控制器局域网c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) ，就是在众多的控制总线技术 中脱颖而出的一款性能优良的新型工业总线技术，它是现场总线的一种，是由德 国b o s c h 公司在1 9 8 6 年为解决现代汽车中大量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协议。它的网络模型结构包括物理层、数据链路层 和应用层，以双绞线为信号传输介质，通信速率最高可达1 m b p s ( 4 0 m ) ，直接传 输距离最远可以达到1 0 k m ( s k b p s ) ，每条总线可挂接设备多达1 1 0 个，特别适用 于实时性要求很高的网络。由于通信速率高、仲裁与同步技术成熟、开放性好、 报文短、纠错能力和扩展能力强以及控制简单、应用成本低等优点，c a n 总线 已被应用到众多的工业过程监控领域，是公认最有前途的现场总线之一l l j 。 本章的内容从控制总线技术和控制总线技术的发展历程开始，首先比较 c a n 与其他几种主要的控制总线技术，接着研究分析网络控制系统性能指标， 进而论述本论文的研究内容和研究意义。 1 1网络控制系统以及现场总线的发展蠲国旧 自上个世纪八十年代以来，工业自动控制系统已经向着c n d s ，c m s ( 计算机 集成制造系统计算机集成过程控制系统) 方向发展，其目标是实现生产管理的 全局优化，最大限度地提高生产力。作为c i m s 系统重要组成部分的工业控制系 统，也随着企业管理模式的变化而得到不断发展。工业控制仪器仪表已从模拟量 向数字量、智能化，从单台独立工作向网络化转化。而随着计算机网络技术的迅 速发展，现代过程控制系统也已经从d c s 向f c s 全面过渡。回顾整个控制系统 体系结构的发展历史，它经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟 仪表控制系统、集中式数字控制系统、集散式控制系统以及当前正在不断发展壮 大的现场总线控制系统。 继早期的计算机控制体系之后，随着系统规模的不断扩大和计算机技术的飞 中国科学技术大学硕士学位论文第l 章绪论 速发展，分布式计算机控制系统由必要成为可能，由数字调节器、可编程控制器 ( p l c ) 和多个计算机递阶构成的集中、分散相结合的集散式控制系统( d c s ) 应运而生。由于测量变送仪表一般为模拟仪表，因此它是一种模拟数字混合信号 系统，在功能、性能上较模拟仪表、集中式数字控制系统有了很大进步。但是， 在d c s 中的控制节点之间关联是松散的，实时的控制任务如采样、计算以及执 行，是在单个处理站点中完成的，只有少数如开关量信息、监控信息、报警信号 等是通过网络传送的，因此d c s 并不是完全意义上的网络控制系统。加上在d c s 形成过程中，受早期计算机系统存在的系统封闭这一缺陷影响，各厂家自成系统， 难以实现互换与互操作，难以组成更大范围信息共享的网络系统。 到了上世纪八十年代中期，随着微处理器和计算机功能的不断增强以及价格 的急剧降低，计算机网络系统得到迅速发展，而生产过程底层的测控自动化系统， 采用一对一连线，用电压、电流等模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集 散系统，难以实现设备之间的信息交换，使自动化系统成为“信息孤岛”。现场 总线就是在这种实际需求的驱动下形成的，它是应用在生产现场、在微机化的测 控设备之间实现双向串行多节点数字信号通讯的系统，也被称为开放式、数字化、 多点通信的底层控制网络。现场总线技术将专用的微处理器置入传统的测控仪 表，使它们各自都具有了数字计算和数字通讯能力，采用可进行简单连接的双绞 线等作为总线介质，把多个测控仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协 议，在位于现场的多个微机化测控设备之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，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言 之，f c s 就是把单个分散的测控设备变为网络节点，以现场总线为纽带，把它们 连接成可以互相沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。 从1 9 8 4 年美国仪表协会( i s a ) 下属的标准与实施工作组中的i s a s p 5 0 开 始制定现场总线标准，到1 9 8 6 年德国开始制定过程现场总线( p r o c e s sf i e l d b u s ) 标准，简称p r o f i b u s ，由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发的序幕。 1 9 9 2 年，由s i e m e n s 等8 0 家公司联合成立了i s p 组织，着手在p r o f i b u $ 基础上制定现场总线标准；1 9 9 3 年h o n e y w e l l 、b a i l e y 等1 2 0 家公司成立了w o r l d f i p 组织，以法国标准f i p 为基础制定现场总线标准。此时各大公司均以认识到 现场总线统一国际标准的必要性，现场总线技术势在必行：但由于行业与地域发 展历史等原因。加上各公司和企业集团受自身商业利益驱使，现场总线的标准化 工作进展缓慢。 1 9 9 4 年i s p 与w o r l df i p 北美部分合并，成立了现场总线基金会( f i e l d l m s f o u n d a t i o n ，f f ) ，推动了现场总线标准的制定和产品开发，并于1 9 9 6 年第一季 度颁布并示范了低速总线h l 的标准 中田科学技术大学硕士学位论文 第1 章绪论 与此同时，在不同行业还陆续派生了一些有影响的现场总线标准。杰出代表 如德国b o s c h 公司的c a n ( c o n t r o l a r e a n e t w o r k ) 以及美国e c h e l o n 公司的l o n w o r k s 等，他们都是在公司标准的基础上形成，并得到其他许多公司、厂商、用 户以及国际组织的支持，并在工业控制、楼宇监控、交通控制等监控领域广泛推 广和发展。在近期内，出现了多种现场总线标准共存、同一生产现场有多种异构 网络互连通讯的局面。不过在不久的将来，发展共同遵从的同一总线标准，真正 形成开放互连的系统，才是控制系统与现场总线技术发展的必然嘲。 1 2 几种主要的控制总线 从世界范围来看，现场总线技术已经进入一个蓬勃发展的时期，加上当前工 业控制领域多种控制网络、多种总线技术的共存局面，广泛应用的现场总线技术 就有十多种，加上已经发展成熟应用广泛的其他工业总线如r s - 4 8 5 4 2 2 、r s - 2 3 2 、 s p i 、i e e e1 3 9 4 、i 2 c 总线等，它们各具特色，大量应用在各种不同的领域，显 示了较强的生命力。因此在现场总线标准统一与完善之前，实际的控制系统应用 中，应对领域内各种常用的控制总线进行分析与比较，并合理的选择和综合应用。 以下对工业控制领域常见的几种总线，给出简要的介绍和比较： r s - 2 3 2 、r s 4 2 2 与r s - 4 8 5 都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协 会( e i a ) 制订并发布的，r s 2 3 2 在1 9 6 2 年发布，命名为e i a - 2 3 2 - e ，作为工 业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。 r s - 4 2 2 由r s 2 3 2 发展而来，它是为弥补r s - 2 3 2 之不足而提出的。为改进 r s - 2 3 2 通信距离短、速率低的缺点，r s - 4 2 2 定义了一种平衡通信接口，将传输 速率提高到1 0 m b s ，传输距离延长到4 0 0 0 英尺( 速率低于1 0 0 k b s 时) ，并允许 在一条平衡总线上连接最多1 0 个接收器r s - 4 2 2 是一种单机发送、多机接收的 单向、平衡传输规范，被命名为t i m e 认_ 4 2 2 a 标准。 为扩展应用范围，e i a 又于1 9 8 3 年在r s - 4 2 2 基础上制定了r s - 4 8 5 标准， 增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加 了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为 t i a e l a 一4 8 5 - a 标准。由于e i a 提出的建议标准都是以“r s ”作为前缀，所以 在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以r s 作前缀称谓。 r s - 2 3 2 ，r s - 4 2 2 与r s - 4 8 5 标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接 插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的商层通信协议。因此在视频 中田科学技术大学硕士学位论文第1 章绪论 界的应用，许多厂家都建立了一套高层通信协议，或公开或厂家独家使用。如录 像机厂家中的s o n y 与松下对录像机的r s - 4 2 2 控制协议是有差异的，视频服务 器上的控制协议则更多了，如l o u l h 、o d e t i s 协议是公开的，而p r o l i n k 则是基 于p r o f i l e 上的嘲。 1 2 2c a n 总线 c a n 是控制器局域网c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 的简称，最早由德国 b o s c h 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现 已被i s o 国际标准组织定为国际标准。由于得到了m o t o r o l a 、l m e l 、p h i l i p 、 s i 锄垧晦，n e c 等公司的支持，广泛应用于离散控制系统i ”。 c a n 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的。不过其 网络模型结构只有三层，即只取o s t 底层的物理层、数据链路层和顶层的应用 层。其信号传输介质为双绞线。通信速率最高在4 0 m 内可达l l v l b p s ，直接传输 距离最远可达1 0 k m ( s k b p s ) 。每条总线可挂接节点数多达1 1 0 个i s 。 c a n 的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效数据为8 个字节，正因为如 此，每帧传输时间短，受干扰的概率也就低。加上优良的仲裁和同步机制、报文 自动过滤重发、总线错误检测机制，使得c a n 总线特别适用于实时性、稳定性 要求商的网络州。 由于通信速率高、开放性好、报文短、纠错能力和扩展能力强以及控制简单、 应用成本低等优点，c a n 总线的应用范围早已不再局限于汽车工业，已经彼广 泛应用于过程控制、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗 机械以及传感器等工业控制领域1 2 l ，并在现场总线的实际工程应用中占了较大的 份额，例如在国内，主要应用的三种现场总线所占市场份额分别为：c a n 总线 超过6 0 ，l o n 总线约3 0 ，基金会现场总线( f f ) 接近l o i l o l 。 总结c a n 总线的优点，突出表现在其结构简单、稳定性能高、抗干扰能力 强、扩展性和开放性好，以及成本低廉等方面；而缺点则是传输报文短，限制了 大批量数据的传送效率，例如视频监控、大数据文件传送等应用，不如传统的 r 8 - 4 8 5 4 2 2 总线网络实用，另外由于网络模型简单，系统设计需要从底层开始， 难以实现较为复杂的高级应用，开发工作量也相对较大 1 2 3l o n 总线 l o n w o r k s 技术由美国e c h e l o n 公司开发研制，并由e c h e l o n 与m o t o r o l a 、东 芝公司共同倡导，与1 9 9 0 年正式公布。它采用i s o ，o s i 模型的全部七层通讯协 中国科学技术大学硕士学位论文 第l 章绪论 议，采取了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置； 通信速率从3 0 0 b p s 到1 5 m b p s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞 线) ；支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外、电力线等多种通信介质，并 开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为“通用控制网络”。 l o n w o r k s 技术所采用的l o n t a l k 协议被封装在被称为n e u r o n 的神经元芯片 中而得以实现。n e u r o n 芯片中有三个8 位c p u ，其中一个用于完成开放互联模 型中的第一、第二层即物理层、数据链路层功能，称作媒体访问控制处理器，实 现介质访问的控制与处理；第二个c p u 用于完成第3 “层功能，称作网络处理 器，进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件计时、网络管理， 并负责网络通信控制、收发数据包等；第三个c p u 用于执行操作系统服务和用 户代码，称为应用处理器。此外，芯片中还具有存储信息缓冲区，用以实现各 c p u 之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。 e c h e l o n 公司的技术策略是鼓励各o e m 开发商运用l o n w o r k s 技术和n e u r o n 神经元芯片，来开发自己的应用产品。据称目前已经有2 6 0 0 多家公司在不同程 度上卷入了l o n w o r k s 技术，1 0 0 0 多家公司已经推出了l o n w o r k s 产品，并进一 步组织起l o n m a r k 互操作协会，开发推广l o n w o r k s 技术与产品。l o n 总线 已经被广泛应用于楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、 工业过程控制等行业。另外，在开发智能通信接口、智能传感器方面，n e u r o n 神经元芯片也有其独特的优势 1 1 i 。 l o n w o r k s 技术的优点，主要在于协议高度集成、支持多种串行传输介质、 提供完整的硬件和软件开发平台，使得l o n 总线的应用开发非常便捷；缺点则 是结构复杂、价格仍较为昂贵，不适用于注重成本和简单实用的工业控制领域， 并且开发者只能按照系统提供的开发模块进行开发，在一定程度上限制了l o n 总线应用。 1 2 4 基金会现场总线 除了c a n 总线和l o n 总线，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 ) 也是实际应用较为广泛的一种现场总线技术。它在过程自动化领域得到广泛支 持，具有良好的发展前景。其前身是以美国f i s h e r - r o s e m o u n t 公司为首，联合 f o x b o r o 、横河、a b b 等8 0 多家公司制定的i s p 协议，和以h o n e y w e l l 公司为首， 联合欧洲等地的1 5 0 多家公司制定的w o r l df i p 协议。屈于用户的压力，这两大 集团于1 9 9 4 年9 月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的 现场总线协议1 1 2 j 。 f f 总线以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。用户层主要针 对自动化测控应用的需要。定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定 了通用的功能块集。由于这些公司是该领域自控设备的主要供应商，对工业底层 网络的功能需求了解透彻，也具备足以左右该领域自控设备发展方向的能力，因 为由他们组成的基金会所颁布的现场总线规范具有一定的权威性。 f f 总线分低速h l 和高速h 2 两者通信速率。其中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 r n ( 可加中继器延长) ，可支持总线供电，支持本 质安全防爆环境。h 2 的传输速率可为l m b p s 和2 5 m b p s ，通信距离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m ，物理传输介质支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合i e c l l 5 8 - 2 标 准，物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。 基金会现场总线的主要技术内容，包括f f 通信协议，用于完成开放互连模 型中第2 7 层通信协议的通信梭( c o m m u n i c a t i o ns t a c k ) ，用于描述设备特征参 数属性以及操作接口的叻l 设备描述语言、设备描述字典，用于实现测量、控 制、工程量转换等应用功能的功能块，实现系统组态、调度、管理等功能的系统 软件技术，以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术1 1 3 1 。 1 3网络控制系统的性能 网络控制系统的实际设计是以最优的系统性能指标为目标，总线的分配、方 案的选择、网络结构的设计以及系统实现的成效，都是建立在对控制系统的性能 分析基础上的。一个优秀的网络控制系统应该满足实时监控、智能扩展、可远距 离传输、可应对复杂网络、良好的稳定性和方便、完善的上位机管理等要求。 简单来说，判断一个网络控制系统的优劣，主要考察的是其系统实时性和稳 定性指标。这些指标在实际设计中主要体现在总线竞争和同步问题的解决、网络 时延、报文丢失率、报文调度效率、带宽利用率、数据接口瓶颈等议题上。 c a n 总线由于其简单实用的设计、多主工作方式、传输距离远和传输速率 高、开放性好、扩展能力强以及优良的仲裁和同步机制，获得了工业监控领域， 特别是大型远程控制网络的广泛应用，占据了很大一部分总线市场份额，成为现 场总线的杰出代表。下面就以c a n 总线控制系统为例，分析影响系统性能的首 要因素，讨论网络控制系统设计中的主要议题。 总线竞争与仲裁：由于是多主控制。网络控制系统中各个节点在数据发送和 接受过程中必然会存在竞争，如何协调各节点收发顺序，如何解决总线仲裁，是 维持总线秩序、减少数据传输失败和提高总线抗干扰性能的关键。这点c a n 总 线做得很好，它以非破坏性的总线仲裁技术，靠标识符的优先级争用总线，采用 报文自动过滤重发，接收方式选用开放式广播接收，并且增加了远程数据请求。 6 中胃科学技术大学硕士学位论文 第l 章绪论 再加以简单的优先级分配和消息屏蔽、报文优先级分配设计，c a n 总线控制系 统可以很好地解决总线竞争问题。 网络时延：在网络控制系统中，数据一旦经过网络节点发送，经过远距离传 播损耗、随机干扰、远程请求、中继转发等，就会产生网络时延，网络时延会影 响总线的同步，进而影响控制系统性能。c a n 总线技术本身针对网络时延设置 了多种校验、同步方法，并且增加了强大的错误诊断和处理机制，减小了网络时 延对系统性能的影响。 总线同步：针对系统中的网络时延，为了确保数据传输的准确性，保证报文 被正确识别，必须解决总线各节点之间的相互同步。c a n 在每一位数据中选择 最优的时刻作为位插入校验点，将位校验与总线传输波特率紧密联系在一起，确 保了总线各节点间的位同步，确保了数据的准确性。 报文丢失：在网络系统中，由于随机干扰或者网络异常等意外情况的存在， 使得报文的保护和错误、丢失诊断处理机制显得尤为重要。c a n 总线中的接收 回复电平校验、c r c 循环校验码校验、位插入校验、报文格式校验和发送端报 文响应校验等一系列检验机制，可以发现网络中的全局性错误、发送节点的局部 性错误和报文传输中5 个以下的随机分布错误、小于1 5 个的突发错误和任一奇 数个错误，剩余出错概率仅为传输率的4 7 x1 0 1 1 ，大大减少了报文丢失及其对 系统稳定性的影响。 报文调度g 网络控制系统由于在同一时刻只有一个节点能占用总线进行数据 传输，为了充分利用总线的带宽，提高总线通信效率，合理地报文调度必不可少。 c a n 总线因为采用了报文标识符优先级争用总线，以及报文广播和屏蔽位过滤 接收方式，将报文调度问题转化为报文的优先级标识符分配问题，进而将问题简 化。 此外，还有防雷击等抗干扰问题、数据格式转化和接口瓶颈等一系列问题， 也是决定网络控制系统性能的重要指标。这些问题的解决一是需要总线技术本身 的支持，也需要选择性能优良的控制芯片和合理的硬、软件设计来实现。本论文 将在第三、四章节结合实际，进行详细的分析与设计。 1 4本文的研究内容与相关工作 针对于网络控制系统和现场总线技术的杰出代表之一，本文就c a n 总线控 制系统展开研究，从设计一个优良网络控制系统的性能分析入手，着重讨论设计 中的核心问题，选择合适的网络结构和新型控制芯片，具体设计一种基于多个具 有丰富s o cm c u 的远距离多功能混合c a n 总线控制系统，实现其多种节点的 硬件、软件设计，完成系统组建；在此基础上通过多机试验，测试并剖析c a n 7 中嗣科学技术大学硬士学位论文第1 章绪论 总线控制系统实时性、稳定性等系统性能，并根据试验结果设计合适的改进方案， 完善整个控制系统。 一个优秀的网络控制系统应该满足实时监控、智能扩展、可远距离传输、可 应对复杂网络、良好的稳定性和方便、完善的上位机管理等要求。本论文首先比 较当前控制领域中最常用的两种控制总线c a n 和r s 一4 8 5 ，给出了完整的控制 系统解决方案。接着分析了c a n 总线控制系统设计过程中的一系列重要问题：7 如何保证c a n 总线数据传送的一贯性和连续性，如何很好地处理总线与c p u 竞 争消息r a m ，以及上位p c 机数据接口瓶颈和数据冲突等。根据这一思路，分 析比较了大量的m c u 、c a n 控制器芯片和不同的总线结构，设计出基于c 8 0 5 1 f 系列单片机的c a n 复杂总线控制系统，很好地解决了这些核心问题本文中设 计的硬件系统和基本的软件系统全部实现，并在多机测试实验中验证了系统性 能。 详细研究方案： 1 根据c a n 总线自身的特点，分析c a n 总线系统设计过程中的竞争 和同步问题，以及对系统实时性、稳定性能的影响，和远距离数据传输过程 抗干扰理论的分析； 2 分析不同的总线结构，比较c a n 总线和常用的工业总线，选取 r s - 4 8 5 4 2 2 作为c a n 总线的有力补充，设计以c a n 为主的多功能混合控制 网络结构； 3 根据应用需要，设计c a n 总线控制系统总体结构，主要由上位p c 机，带有u s b 接口的主机c a n 节点、通用c a n 节点，c a n 网关节点、中 继器节点，以及专用于高精度a d c 采样和精密控制的智能测控节点组成。 网络采用总线式拓扑结构，工作在多主通讯方式，可根据具体应用需求任意 添加或删除节点； 4 比较大量的m c u 、c a n 控制芯片，确定最终的芯片选型为：c 8 0 5 1 f 系列单片机( f 0 4 0 、f 3 5 0 ) ，u s b 转u a r t 桥接芯片c p 2 1 0 2 ，带s p i 接口 c a n 控制器m c p 2 5 1 5 ，s n 6 5 h v d 2 3 0 ，s p 3 4 8 5 等； 5 根据远程控制系统实时性、稳定性要求，针对各种噪声干扰、多功 能或扩展需求以及意外状况，合理设计各节点电路； 6 针对c 8 0 5 1 f 0 4 0 内部c a n 2 吩控制器特性，以及c 8 0 5 1 f 系列单片 机自身特点，合理分配资源，设计基本的c a n 总线通讯软件； 7 基于u s b 转u a r t 桥接芯片c p 2 1 0 2 ，完成主机c a n 节点与上位 p c 机u a r t 通讯软件设计，完成上位机u s b 通讯与测试界面，实现u s b 总 s 中目科学技术大学硕士学位论文第1 章绪论 线与c a n 总线的数据接口，实现上位机对c a n 总线的直接监控； 8 基于f 3 5 0 和m c p 2 5 1 5 ，完成专用a d 采样和现场控制的智能测控 节点软件设计，包括基本采样软件和c a n 总线通讯软件；基于f 0 4 0 和 s j a l o o o ，设计c a n 网关和中继器节点： 9 初步设计c a n 节点报文标识符分配方案，确定各节点仲裁码、屏蔽 码，优化分配c a n 消息队列； l o 采用已设计节点组建一个多机测试网络，模拟远距离总线传输试 验，通过大量数据传输，分析数据冲突、报文丢失、网络时延，进而剖析系 统实时性与稳定性能； 1 1 在试验结果分析的基础上，对系统做出一系列改进，再次试验以 检验改进效果，完善系统设计。 研究成果：系统硬件系统已经搭建完毕，基本c a n 通讯软件以及上位机通 讯软件与测试界面也已实现，并在多机数据传输实验中验证了性能并得到改善。 该系统能够实现多功能、便捷、快速的远距离、大规模实时监控，在进一步试验 后加强了系统的实时性和稳定性。所设计的c a n 总线控制系统结构简单、集成 度高、易扩展、易操作，能够方便实现各类工业过程、传感器网络、水利工程等 领域的分布式实时监控，应用前景广阔。其主要特点如下： 1 通过理论分析和实际复杂网络试验的检验，研究了控制网络的实时性和 稳定性能，这对于控制网络的理论发展具有很大的意义； 2 采用了r s - 4 8 5 4 2 2 辅助c a n 总线的新型混合总线，以及多种功能节点 的总线式拓扑结构，充分发挥这两种常见工业总线的优势，更加适合复杂、远距 离测控的应用； 3 采用多个具有丰富s o c 的新型高速微控制器，内部大量的数字、模拟外 设( 包括c a n 2 0 1 3 控制器) ，应用广泛，尤其适用于测控领域； 4 上位机c a n 节点的u s b 接口，选用u s b 转u a r t 桥接芯片c p 2 1 0 2 ， 使得在常见的r s 2 3 2 通讯基础上，直接实现u s b 总线通讯功能，简单便捷； 5 多节点大批量数据测试试验，直接模拟系统应用环境，比其他分析手段 更加简洁、准确； 6 引入的报文调度策略，优化了c a n 总线的传输设计方案，更加充分地利 用带宽，减少数据丢失和网络时延的不均匀性，大大改进了控制系统的实时和稳 定性能。 研究意义t 本论文实现了一个基于c a n 总线的远程实时混合总线控制系统 9 中国科学技术大学硕士学位论文第1 章绪论 设计，通过多机试验分析其实时性、稳定性性能，采用合理的改进方法来完善， 使之能适用于广大的工业过程监控领域，如各类工业过程、传感器网络、水利工 程等分布式实时监控系统，具有广阔的应用前景；同时在控制网络的实时性、稳 定性理论研究方面也有很大的意义。 此外，基于c 8 0 5 1 f 0 4 0 、c 8 0 5 1 f 3 5 0 单片机以及u s b 转u a r t 桥接器c p 2 1 0 2 等新型芯片的c a n 总线控制系统设计方案，目前国内外尚未有具体案例。利用 这款新型8 位单片机，来实现一个实时性优良的大规模、远距离c a n 总线控制 系统，是在技术上的一种大胆尝试和突破，对以后c a n 总线控制系统的设计和 具体应用，也有一定的指导意义。 接下来，就从分析c a n 总线技术规范开始，分别设计c a n 总线控制系统 的总体结构和硬、软件实现，最终通过多机实验验证并分析本系统的实时性和稳 定性性能。 i o 中国科学技术丈学硕士学位论文第2 章c a n 总线技术 第2 章c a n 总线技术 控制器局域网c a n 作为一种性能优良、成本低廉的现场总线技术，已经被 越来越多地应用到广大控制系统领域。作为本论文的背景知识和技术规范，本章 分别就c a n 总线技术的主要特征、c a n 2 0 技术标准以及c a n 总线模块设计的 要求展开讨论。 2 1控制器局域网( c