（电力电子与电力传动专业论文）rs232485与can总线协议转换器的研究与设计.pdf

英文摘要 r e s e a r c ha n dd e s i g no f p r o t o c o lc o n v e n e rb a s e do n r s 2 3 2 4 8 5a n dc a nb u s a b s t r a c t f i e l d b u si st h et e c h n o l o g yw h i c hi su s e dt or e a l i z eb i d i r e c t i o n a l ，s e r i a l ，m u l t i n o d e d i g i t a lc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nf i e l dd e v i c ea n df i e l dd e v i c e ，o rc o n t r o lr o o m f i e l db u s i su s e di nm a n u f a c t u r ef i e l d t h ed i f f e r e n c eo ff i e l db u si np r o t o c o ls t a n d a r db r i n g s c o m p l e x i t yt op r a c t i c ea n d i n f l u e n c et h eo p e n i n ga n di n t e r o p e r a b i l i t yo fb u s i nt h i sc a s e ， i tn e e dp r o t o c o lc o n v e r t e rt oi n t e r c o n n e c td i f f e r e n tb u s e s s ot h i st h e s i sd e s i g n st h e p r o t o c o lc o n v e r t e rt oi n t e r c o n n e c tt r a d i t i o n a lr s 4 8 5n e t w o r ka n dc a n b u s i ti su s e dt o d a t ac o l l e c t i n gs y s t e m ，t h r o u g hr s 2 3 2i n t e r f a c ei tc o n n e c t st oc o m p u t e ra n dc o n f i g u r e s d y n a m i c a l l yp a r a m e t e ro ft w ob u s e s f i r s t l y , a i m i n ga tt h el i m i t a t i o no ft h er e a l - t i m ec a p a b i l i t yo fc a nb u s ，b a s e do n a n a l y z i n gc o m m u n i c a t i o np r i n c i p l eo fc a nb u st h a ti n c l u d e sf o r m a to fm e s s a g e ， s t r u c t u r eo ft h ef r a m ea n dw r o n gt y p ee t c ，t h et h e s i sb r i n g st h em e t h o dt h a td i s t r i b u t e d d y n a m i cp r i o r i t yf o r w a r dt oc h a n g er e a l - t i m ec a p a b i l i t y s e c o n d l y , t h i st h e s i sd e s i g n s t h eh a r d w a r eo fr s 2 3 2 r s 4 8 5p r o t o c o lc o n v e r t e rt h a ti n c l u d ec o r em o d u l e ，c a n i n t e r f a c e ，r s 4 8 5i n t e r f a c e ，r s 2 3 2i n t e r f a c ea n dp o w e rs u p p l yo fs y s t e m i nt h ep o w e r s u p p l yo fs y s t e m ，t h ed e s i g na d o p t sa t 8 9 s 5 1a sc p u d e a l i n gd a t a ，s j a l 0 0 0a sc p u o f c a nb u sa n dp 8 2 c 2 5 0a st r a n s c e i v e ro fc a nb u ss e n d i n ga n dr e c e i v i n gd a t a f i n a l l y , b a s e do nt h eh a r d w a r e ，t h ep r o g r a mo fe a c hf u n c t i o ni sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h em a i n p r o g r a mm o d u l e ，c a nc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，r s 4 8 5c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ， r s 2 3 2c o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o np r o g r a mc o n n e c t i n g t op c b yr s 2 3 2 i nc a nc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dr s 4 8 5c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，i t a d o p t si n t e r r u p tm o d et or e c e i v ed a t a ，i n q u i r ym o d et os e n dd a t a h u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o np r o g r a mc a nm a k ep r o t o c o lc o n v e r t e rb e c o m em a i nn o d eo fn e t w o r kt o m a n a g ec a n b u sa n dr s 4 8 5a n dc o n f i g u r ep a r a m e t e rd y n a m i c a l l y t h ep r o t o c o lc o n v e r t e ri nt h et h e s i sc a nb ea p p l i e dt os o m em o n i t o r i n gs y s t e mf o r e x a m p l et e m p e r a t u r em o n i t o r i n go fc a b l e a l s o ，i tc a nc o n n e c tr s 4 8 5n e t w o r kw i t h c a nb u sn e t w o r k ，c o m p l e t ec o l l e c t i n gd a t ao ft w ob u s e sa n di t l a y sf u n c t i o nf o r 英文摘要 p r o t o c o lc o n v e r t e ra p p l y i n gt om o r ei n d u s t r yf i e l di nt h e f u t u r e k e yw o r d s ：c a nb u s ；r s 4 8 5 ：p r o t o c o lt r a n s f o r m e r ：n e t w o r km o n i t o r i n g 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 一本人郑重声明：本论文是在导师的指导卜，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博士 硕士学位论文= = b 墨蛰2 巡三生鱼燮总线垃这装拯噩的班究生超让：。除论文中已经注明引 用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 础弓月加 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管 理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权人连海事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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于： 保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：荔晰师签名： 日期：弼年；月歹? 日 r s 2 3 2 r $ 4 8 5 总线与c a n 总线协议转换器的研究与设计 第1 章绪论 1 1 课题的背景和意义 随着计算机、控制、网络、电子等技术的发展，现场总线技术应运而生。根 据国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 标准的定义：现场总线是一种互联现场自动化设备及 其控制系统的双向数字通讯协议【1 1 。现场总线作为一种开放的、全数字化、双向、 多站的通信系统，它具有开放性、可互操作性与互用性、现场设备的智能化与功 能自治性、系统结构的高度分散性和对现场环境的适应性等技术特点，使它能够 节省硬件数量与投资、节省安装费用、节省维护费用。因此，现场总线近年来得 到了迅猛的发展和应用，给自动控制领域带来了空前的变化1 2 1 。现场总线国际标准 i e c 6 1 1 5 8 中采用了8 种协议类型，每种总线都有其产生的背景和应用的领域，至 今仍未完成统一的标准。这种多个标准共存的现状还会持续很长时间，由于不同 的现场总线的通信协议有很大的差异，要实现不同总线之间数据通信，不同总线 之间的通讯及协议转换就成为现实问题。 在现场总线的几种总线协议中，c a n 总线协议由于其采用了许多新技术及独 特的设计，与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和 灵活性等特点已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。 而r s 4 8 5 尽管不能称为现场总线，但其采用的是二线差分平衡传输技术，也具有、 结构简单、抗干扰能力强等优点，因此还有许多设备继续沿用这种通信协议，采 用r s 4 8 5 技术的通信设备也仍具有一定的生命力1 1 1 。但r s 4 8 5 总线本身存在的许 多局限性，随着科技的发展r s 4 8 5 的总线效率低、系统的实时性差、通讯的可靠 性低、后期维护成本高、网络工程调试复杂、传输距离不理想等缺点慢慢暴露出 来。r s 2 3 2 串行通信是早期为促进公共电话网络通信而制定的标准，适用于数据 终端设备和数据通信设备之间的接口，是目前异步通信中应用最广的标准总线1 3 l 。 由于c a n 总线的广泛应用，已经有越来越多的工业设备带有c a n 总线接口， 而与此同时，很多带有r s 4 8 5 接口的设备仍在延用，因此，设计r s 4 8 5 与c a n 的协议转换器是很有意义的。但在现存的总线产品中，它们只是单纯地将两种总 第1 章绪论 线相连，并不能与上位机相连，这样就不能实时地了解通信结果和状态，也不能 动态地修改网络中节点的配置信息，所以在此基础上增加一个r s 2 3 2 接口与上位 机相连，以实现灵活方便实时地对各个通信节点进行控制和配置等功能就更具有 实际意义。本课题就是在这种背景下提出的。 1 2 现场总线的概述 现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、 智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络。现场总线的主要目的是用 于控制、报警和事件报告等工作。现场总线是一个低层级的网络协议，通信协议 的基本要求是响应速度和操作的可预测性的最优化，在其之上还允许有上级的监 控和管理网络，负责文件传送等工作，为引入智能现场仪表提供了一个开放平台。 1 2 1 现场总线的特点 现场总线规定了不同厂家的设备之间应具备的互操作性，用户在选择和增加 新设备时具有了更大的灵活性，所选用的产品只要符合现场总线标准就可以随时 加入到现有的现场总线系统，而不受设备生产供应商的约束。 现场总线促使传统控制系统结构发生变革，形成新型的网络集成式全分布控 制系统一现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。这是新一代控制系统， 它顺应了控制系统向分散化、网络化、智能化的发展方向。基于现场总线的自动 化监控及信息集成系统主要优点：。 ( 1 ) 增强了现场级信息集成能力 现场总线可以从现场设备获取大量丰富信息，能够更好的满足工厂自动化的 信息集成需要。现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代4 - 2 0 m a 信号，还可 以实现设备状态、故障、参数信号传送。系统除完成远程控制，还可以完成远程 参数化工作。 ( 2 ) 开放式、互操作性、互换性、可继承性 不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备 具有很好的可集成性。系统为开放式。允许其他厂商将自己专长的控制技术集成 到通用系统中去，因此，市场上将有许多面向行业特点的监控系统。 r s 2 3 2 r s 4 8 5 总线与c a n 总线协议转换器的研究与设计 ( 3 ) 系统可靠性高、可维护性好 基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代一对一的i o 连线，对 于大规模i o 系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场 级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定。修 改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。 ( 4 ) 现场布线、安装、维护费用较低 对于大范围、大规模f o 的分布式系统来说，省去了大量的电缆、f o 模块及 电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。 ( 5 ) 较强的现场适应能力 工作在生产现场，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的， 可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等物理媒体，具有较强 的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信。 现场总线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。现场总线的研究和应用已成为工业数 据总线领域的热点。尽管目前对现场总线的研究尚未能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。 1 2 2 现场总线的现状 现场总线所涉及的应用领域十分广泛，几乎覆盖了所有连续和离散的工业领 域，如过程控制自动化、制造加工自动化、楼宇自动化、家庭自动化等等。由于 众多领域需求各异，加上商业利益的驱使，使得统一的现场总线标准至今仍未完 成。目前国际上存在着几十种现场总线标准，比较流行的有f f ( 基金会现场总线) 、 c a n ( 控制局域网) 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 等。每种总线都有自己的特点，已在不 同的领域形成了各自的优势。因此，在未来几年内将出现几大总线标准共存，甚 至在一个现场总线系统内，几种总线标准共存的局面。 第1 章绪论 由于现场总线通常安装在恶劣、危险的环境中，它必须满足工业应用的时限 要求以及安全性和可靠性要求，为了满足工业应用的实时性要求，有必要实现不 同总线之间集成。通过协议转换器实现现场总线的集成是应付多种总线并存带来 的系统集成问题的有效途径。 现场总线技术使单个分散的现场设备通过现场总线连接成可以相互沟通信 息、共同完成控制任务的网络系统和控制系统，形成控制功能彻底下方到现场的 分布网络集成式新型控制系统，实现了基于公开化、标转化、开放式的通信解决 方案。它使控制系统结构更趋于智能化、分布化，也使网络系统结构更为扁平化、 集成化，顺应了技术发展的主流方向。 1 3 协议转换技术研究的现状 1 3 1c a n 总线概述 控制器局域i 网( c a n - - - c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 属于现场总线的范畴，它是一种 有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。最早由德国b o s c h 公司提出， 被应用到汽车环境中的微控制器通信，在车载各电子控制装置之间交换信息，形 成汽车电子控制网络。1 9 9 3 年，c a n 成为现场总线中的第一个国际标准。 由于c a n 总线采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，具 有突出的可靠性、实时性和灵活性，其应用范围目前已不再局限于汽车行业。c a n 总线具有如下主要特性1 6 7 l ： ( 1 ) c a n 以多主机方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上 其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。利 用这一特点可方便地构成多级备份系统。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级 较低的节点会主动地退出发送，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 的直接通信距离最远可达l o k m ，通信速度最高可达1 m b p s 。 r s 2 3 2 r s 4 8 5 总线与c a n 总线协议转换器的研究与设计 ( 5 ) 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低；每帧信息都有c r c 校验及 其他检错措施，数据出错率极低。 ( 6 ) 通信的硬件接1 3 简单，通信线少，通信介质可为双绞线、同轴电缆或光线， 也可以通过滑环进行信息传输。 ( 7 ) 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能，以使总线上其他节点 的操作不受影响。 c a n 总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算 机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提 供了强有力的技术支持。与其他现场总线比较而言，c a n 总线是具有通信速率高、 容易实现且性价比高等诸多特点的已经形成国际标准的现场总线。这也是目前 c a n 总线应用于众多领域，具有强劲市场竞争力的重要原因。 1 3 2r s 4 8 5 概述 r s 2 3 2 和r s 4 8 5 最初都是由电子工业协会( e n ) 制定并发布的。r s 4 8 5 是为 弥补r s 2 3 2 通信距离短、速率低的不足而产生的。 r s 4 8 5 总线网络技术成熟，结构简单，可靠性高，抗干扰能力强，其主要功 能包括： ( 1 ) 实现了由多至3 2 个驱动器和3 2 个接收器构成的真正多点总线； ( 2 ) 扩展处于三态驱动器和接收器的共模范围，并可关掉； ( 3 ) 驱动器可经受总线争用和总线故障。 但是r s 4 8 5 总线毕竟是只存在一个简单的没有硬件通信协议的物理层，其通 信协议完全依赖软件的支持，这就增加了系统通信软件的负担。但由于其在长线 传输的抗干扰能力及传输速率的优势，r s 4 8 5 总线在小系统网络中还是有着广泛 的成熟应用。 1 3 3 研究现状的分析 目前，c a n 总线已经成为学者们研究的热门技术，而对于c a n 总线与其他 总线之问协议转换相关技术的研究也成为热点。r s 4 8 5 总线基于其技术上的优势， 第1 章绪论 现在仍然有许多设备继续沿用这种通信协议，因此对r s 4 8 5 总线与c a n 总线协议 相互转换的研究也是必不可少的。 要实现两种不同总线之间的连接，协议转换器必须完成如下功能： ( 1 ) 按照一定的寻址策略完成不同总线信息包的路由选择； ( 2 ) 实现不同总线协议间的数据包转换； ( 3 ) 对挂起请求及响应服务的调度。 虽然目前对r s 4 8 5 总线与c a n 总线的协议转换的研究不少，但也仍存在一些 不足之处： ( 1 ) 对于r s 4 8 5 网络节点的参数和c a n 总线通信的数据格式的动态管理是现 在协议转换器设计中存在的问题，具有组态功能的动态配置软件功能不完善。 ( 2 ) c a n 总线应用工业生产现场，对于实时性的要求很高，但在c a n 总线方 面的协议转换器的研究中，对这方面没有进行深入研究。 1 4 本文所做工作 本论文研究的目的是通过对r s 4 8 5 总线和c a n 总线应用现状的对比，并针对 目前现有的协议转换器中存在的一些问题，设计出一种能使两种总线通信并加以 改进的协议转换器，使广泛应用在工业现场的r s 4 8 5 总线和c a n 总线之间能够实 时、有效地进行数据转换。在本课题的研究过程中，主要研究内容包括以下几个 方面： ( 1 ) 深入分析c a n 总线协议的报文发送及其帧结构，对c a n 总线的基本内容 和通信原理进行了详细的阐述，并根据目前c a n 总线实时性问题的局限性，总结 提出了c a n 总线协议在实时性方面的改进方法。 ( 2 ) 以a t 8 9 s 5 1 为主控制器，s j a l 0 0 0 为c a n 总线控制器，设计出协议转换 器的硬件电路，详细的阐述了各个接口模块的设计方案和功能。 ( 3 ) 阐述了协议转换器软件系统的设计思想，实现了r s 4 8 5 与c a n 两种总线 之间的数据通信，并通过r s 2 3 2 接口与上位机相连，利用人机交互软件实现对c a n 总线验收滤波器及r s 4 8 5 网络参数的动态配置。 r s 2 3 2 r s 4 8 5 总线与c a n 总线协议转换器的研究与设计 ( 4 ) 将协议转换器应用在电缆过热故障监测和预警系统中，方便地将系统中的 r s 4 8 5 与c a n 总线连接起来，实现由两种总线构成的监控网络的数据采集任务， 将整个监控网络采集到的电缆温度数据传送到监控机中进行显示和处理。 第2 章c a n 协议的原理及实时性改进 第2 章c a n 协议的原理及实时性改进 2 1c a n 的通信参考模型 参照l s o o s l 标准模型，c a n 分为数据链路层和物理层。 2 1 1 数据链路层 按照i e e e 8 0 2 2 和8 0 2 3 标准，数据链路层又划分为逻辑链路控制子层 l l c ( l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 和介质访问控制子层m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) ，在 c a n 技术规范中，l c c 子层和m a c 子层的服务和功能被描述为“目标层”和“传 送层 。 ( 1 ) l l c 逻辑链路控制子层l l c 子层的主要功能是g 为数据传送和远程数据请求提供 服务，确认由l l c 子层接收的报文中哪些报文实际上被验收，并为恢复管理和通 知超载提供信息。 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。 超载通告：如果接收器内部条件要求延迟下一个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，最多可产生两个超载帧，以延迟下一个数 据帧或远程帧。 恢复管理：发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的帧，l l c 子层具有自 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。 ( 2 ) m a c 媒体访问控制层m a c 是c a n 协议的核心。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 子层功能由i e e e 8 0 2 3 中规定的功能模型描述，在此模型中将 m a c 子层划分为完全独立工作的两个部分，即发送部分和接收部分【7 l 发送部分功能包括：发送数据封装、发送媒体访问管理。 r s 2 3 2 r s 4 8 5 总线与c a n 总线协议转换器的研究与设计 接收部分功能包括：接收媒体访问管理、接收数据卸装。 2 1 2 物理层 按照i e e e 8 0 2 3 l a n 标准规范，物理层又划分为： ( 1 ) 物理介质附件p m a ( p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t ) 实现总线发送接收的功能电路并可提供总线故障监测方法。 ( 2 ) 介质依靠接1 ：1m d i ( m e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 实现物理介质与介质访问单元之间机械和电气接口。 ( 3 ) 物理信令p l s ( p h y s i c a ls i g n a l i n g ) 实现与位表示、定时和同步相关的功能。 2 2c a n 的报文传送与帧结构 2 2 1 报文传送 在进行数据传送时，发送报文的单元称为该报文的发送器，节点在总线进入 空闲状态前或丢失仲裁前恒为发送器，如果一个节点不是报文发送器，并且总线 不处于空闲状态，则该节点为接收器i l o l 。 对于报文发送器和接收器，确定报文为有效的时刻是不同的。对于发送器而 言，如果直到帧结束末尾的最后一位一直未出错，则对于发送器报文有效。如果 报文受损，将允许按照优先权顺序自动重发。为了能同其他报文进行总线访问竞 争，总线一旦空闲，重发送立即开始。对于接收器而言，如果直到帧结束的倒数 第二位一直未出错，则对于接收器报文有效。 构成一帧的帧起始、仲裁场、控制场、数据场和c r c 序列均借助位填充规则 进行编码。当发送器在发送的位流中检测到5 位连续的相同数值时，将自动地在 实际发送的位流中插入一个补码位。数据帧和远程帧的其余位场采用固定格式， 不进行填充，出错帧和超载帧同样是固定格式，也不进行位填充。 报文中的位流按照非归零( n r z ) 码方法编码，这意味着一个完整位的位电平要 么是“显性”，要么是“隐性”。c a n 总线上用“显性”和“隐性”两个互补的逻 第2 章c a n 协议的原理及实时性改进 辑值表示“0 ”和“1 。当在总线上出现同时发送显性和隐性位时，其结果是总线 数值为显性。 2 2 2c a n 帧结构 报文传输有以下四种不同类型的帧：( 1 ) 数据帧( d a t af r a m e ) ：数据帧将携带 数据由发送器至接收器；( 2 ) 远程帧( r e m o t ef r a m e ) ：用以请求发送具有相同标识 符的数据帧；( 3 ) 错误帧( e r r o rf r a m e ) ：由检测出总线错误的任何单元发送；( 4 ) 过载帧( o v e r l o a df r a m e ) ：用于提供当前和后续数据帧之间的附加延迟。数据帧和 远程帧借助帧空间与当前帧分开。 数据帧和远程帧可以使用标准帧和扩展帧2 种格式。它们用一个帧间间隔与 前面的帧分开降1 3 1 。 ( 1 ) 数据帧 数据帧由7 个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、c r c 场、应答场和帧结束。数据场长度可为o 。报文的数据帧结构如图2 1 所示 帧间空间 1 m 月。 7 帧间空间 或 t仲裁场 控制场 数据场c r c 场 t 帧结尾 过载帧 i l - 七土 以 图2 1 数据帧结构 f i g 2 1s t r u c t u r eo fd a t af r a m e 在c a n 2 0 b 中存在两种不同的帧格式，其主要区别在于标识符的长度，具有 1 1 位标识符的帧称为标准帧，而包括2 9 位帧标识符的帧称为扩展帧。标准帧格式 和扩展帧格式的数据帧结构如图2 2 和2 3 所示。 帧起始( s o f ) r s 2 3 2 r s 4 8 5 总线0c a n 总线协议转换器的研究与设计 标志数据帧和远程帧的开始，它仅由一个显性位构成。只有在总线处于空闲 状态时，才允许站开始发送。所有站都必须同步于首先开始发送的那个站的帧起 始前沿。 仲裁场 标准格式帧与扩展格式帧的仲裁场格式不同。 在标准格式里，仲裁场由1 1 位标识符和r t r 位组成。标识符位由 i d 2 8 - - 一i d 1 8 组成。数据帧标准格式中的仲裁位，如图2 2 所示： 卜塑一i j 塑一p 叫 i 蚤 1 ，位标识符 i 量 l 保 i d留 d l ci e位l 图2 2 标准格式的数据帧结构 f i g 2 2s t a n d a r df o r m a t o fd a t af r a m e 在扩展帧格式里，仲裁位包括2 9 位标识符、s r r 位、i d e 位、r t r 位。其标 识符由i d 2 8 - i d 0 组成。 卜兰一p 半l ss 纠8 位标识符 r保 保 o1 1 位标识符r t留 留d l c fr r位位 图2 3 扩展格式的数据帧结构 f i g 2 3e x t e n d e df o r m a to fd a t af r a m e ( a ) 标识符( i d e n t i f i e r ) 标准格式中的标识符：标识符的长度为1 1 位，相当于扩展格式的基本i d 。这 些位按i d 2 8 - - i d 1 8 的顺序发送。最低位是i d 1 8 。7 个最高位( i d - 2 8 i d - 2 2 ) 必 须不能全是隐性。在标准帧罩，标识符后是r t r 位。 第2 章c a n 协议的原理及实时性改进 扩展格式中的标识符：和标准格式对比，扩展格式的标识符由2 9 位组成。其 中包括两个部分：1 1 位基本i d 和1 8 位扩展i d 。 基本i d 按照i d 2 8 i d 1 8 的顺序发送。它相当于标准标识符的格式。基本i d 定义了扩展帧的基本优先权；扩展i d 包括1 8 位，按i d 1 7 i d 0 顺序发送。 ( b ) r t r 位( 在标准格式和扩展格式中) r t r 位为“远程发送请求位，在数据帧里必须为显性，在远程帧里必须为隐 性。在扩展帧里，基本i d 首先发送，随后是i d e 位和s r r 位，扩展i d 的发送位 于s r r 位之后。 ( c ) s r r 位( 属扩展格式) s r r 位是“替代远程请求位“，是一位隐性位。它是在扩展帧中标准格式的 r t r 的位置被发送，因而替代标准帧的r t r 位。当标准帧与扩展帧发生冲突，而 扩展帧的基本i d 同标准帧标识符一样时，标准帧优先于扩展帧。 ( d ) i d e 位( 属扩展帧) i d e 位是“标识符扩展位 ，属于扩展格式的仲裁位和标准格式的控制位。标 准格式里的i d e 为显性，而扩展格式里的i d e 为隐性。 控制场 控制场由6 个位组成，其结构如图2 4 所示。标准格式的控制场结构和扩展格 式的不同。在标准格式中控制场包括经数据长度代码、i d e 位及保留位内。扩展 格式中的控制场包括数据长度代码和两个保留位：r 1 和m 。其保留位必须发送为 显性，但接收器可接收显性和隐性位的组合。 控制场 p 裁物 7 1 双琚场 标准格式和扩展格式 i d e r 1 t o i i 姒1l 一 或 c r c 场 保留位数据k 度代码 图2 4 控制场结构图 f i g 2 4s t r u c t u r eo fc o n t r o lf i e l d r s 2 3 狐s 钙5 总线与c a n 总线协议转换器的研究与设计 数据长度代码指示了数据场罩的字节数目。数据长度代码为4 个位，它在控 制场罩发送。数据长度代码中数据字节数的编码如图所示，其中：d 表示显性，t 表示隐性，数据字节允许使用的数值为0 - 8 ，不能使用其他数值。 数据场 数据场由数据帧里的发送数据组成。它可以为0 - - - 8 个字节，每个字节包含8 个位，首先发送最高位。 循环冗余码( c r c ) 场 c r c 场包括c r c 序列，其后是c r c 界定符，如图2 5 所示 c r c 场 【倨物 71 r 应答场 或 l 控制场 c r c 序列 c r c 界定符 图2 5c r c 场 f i g 2 5c r c f i e l d ( a ) c r c 序列 由循环冗余码求得的帧检查序列组成，最适用于位数低于1 2 7 位的帧。为进 行c r c 计算，被除的多项式系数由无填充位流给定。组成这些位流的成分是：帧 起始、仲裁场、控制场、数据场，其1 5 个最低位的系数是o 。将这个多项式除以 下面的多项式发生器： x 1 5 + x 1 4 + x 1 0 + x 8 + x 7 + x 4 + x 3 + 1 这个多项式除法的余数就是发送到总线上的c r c 序列。为了实现这个功能， 可以使用1 5 位的移位寄存器c r c _ r g 。 ( b ) c r c 界定符 c r c 序列之后是c r c 界定符，它包含一个单独的隐性位。 应答场( a c k ) 第2 章c a n 协议的原理及实时性改进 应答场长度为2 位，包含厦答例隙和厦各界定符，如图2 6 所不。在应各场里， 发送站发送两个隐性位。当接收器正确地接收到有效的报文时，接收器就会在应 答问隙器件向发送器发送一显性位以示应答。 眦k 斗型l j 卜帧结束 二丌厂一 i 应答间隙 i 应答界定符l 图2 6 应答场 f i g 2 6a c k f i e l d 帧结束 每个数据帧和远程帧均由一标志序列界定，这个标志序列由7 个隐性位组成。 ( 2 ) 远程帧 作为某数据接收器的站，通过发送远程帧可以启动其资源节点传送它们各自 的数据。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、仲裁场、控制场、c r c 场、应答场、帧结束。 与数据帧相反，远程帧的r t r 位是隐性的。它没有数据场，所以数据长度代 码的数值没有意义( 可以标注0 8 范围罩的任何数值) 。远程帧结构如图2 7 所示。 帧间空间 远程帧 -儆间空间 或 过载帧 t 仲裁域控制域c r c 域 应答蚓帧结鹿 帧起始 ( 3 ) 错误帧 图2 7 远程帧结构 f i g 2 7s t r u c t u r eo fr e m o t ef r a m e r s 2 3 2 r s 4 8 5 总线与c a n 总线协议转换器的研究与设计 错误帧由两个不同的场组成，如图2 8 所示。 图2 8 错误帧结构 f i g 2 8s t r u c t u r eo fe r r o rf r a m e 间或 第一个场是不同站提供的错误标志的叠加；第二个场是错误界定符。 为了能正确终止错误帧，一“错误认可 的节点总线至少有长度为3 个位时 间的总线空闲( 当“错误认可”的接收器有局部错误时) 。因此，总线的负荷不应为 1 0 0 。 ( 4 ) 过载帧 过载帧包括两个场：过载标志和过载界定符，其结构如图2 9 所示 过载标志 图2 9 过载帧结构 f i g 2 9s t r u c t u r eo fo v e r l o a d f r a m e 间或 第2 章c a n 协议的原理及实时性改进 过载标志由6 个显性位组成。由于过载标志的格式破坏了间歇场的固定格式。 因此，所有其他的站都检测到过载条件，并与此同时发出过载标志。如果在间歇 的第3 个位期间检测到显性位，则这个位将被解释为帧的起始。 过载界定符 过载界定符包括8 个隐性位。过载标志被传送后，站就一直监视总线，直到 检测到一个从显性位到隐性位的跳变为止。在这一时刻，总线上的每一个站完成 了各自过载标志的发送，并开始同时发送其余7 个隐性位。 ( 5 ) 帧间空间 数据帧( 或远程帧) 与它前面帧的分隔是通过帧间空间来实现的，无论前面 的帧是何种类型。而过载帧与错误帧之前没有帧间空间，过载帧之间也不是由帧 间空间隔离的。 帧间空间包括“间歇 、“总线空闲 的位域。帧间空间如图所示 f i 出。 帧间空间 r ， 7 血矗 间歇场总线空闲 图2 1 0 帧间空间结构 f i g 2 1 0s t r u c t u r eo fi n t e f f r a m es p a c e 2 3 错误类型和故障界定 2 3 1 错误类型 c a n 总线有以下五种不同的错误类型 ( 1 ) 位错误 单元在发送位的同时也对总线进行监视。如果所发送的位值与所监视的位值 不相符合，则在此位时间旱检测到一个位错误。但是在仲裁场的填充位流期间或 应答i 日j 隙发生一隐性位的情况是例外的。此时，当监视到一显性位是，不会发出 r s 2 3 2 瓜s 4 8 5 总线! jc a n 总线协议转换器的研究与设计 位出错。当发送器发送一个“认可错误”标志但检测到显性位时，也不视为位错 误。 ( 2 ) 填充错误 在应当使用位填充法进行编码的报文域中，出现了第6 个连续相同的位电平 时，将检测到一个填充错误。 ( 3 ) c r c 错误 c r c 序列包括了发送器计算的c r c 结果。接收器计算c r c 的方法与发送器 相同。如果计算结果与接收到c r c 序列的结果不相符，则检测到一个c r c 错误。 ( 4 ) 格式错误 如果一个固定格式的位域含有1 个或多个非法位，则检测到一个格式错误。 ( 5 ) 应答错误 只要在应答间隙期间所监视的位不为显性，发送器就会检测到一个应答错误。 2 3 2 故障界定 对于故障界定，节点的状态可分为下面三种情况： ( 1 ) 错误激活 ( 2 ) 错误认可 ( 3 ) 总线关闭 “错误激活”的单元可以正常地参与总线通信，并在检测到错误时发出“激 活错误”标志。 “错误认可 的单元不允许发送“激活错误标志。“错误认可的单元参与 总线通信，在检测到错误时，只发出“认可错误 标志。而且，发送以后，“错误 认可”单元将在启动下一个发送之前处于等待状态。 “总线关闭 的单元不允许在总线上有任何影响。 2 4c a n 总线的通信原理的分析 通过对c a n 总线协议的研究，可以对c a n 总线通信原理做下面总结分析： ( 1 ) 发送 第2 章c a n 协议的原理及实时性改进 c a n 控制器只能在总线空闲状态期间启动发送过程，总线上的所有的控制器 同步于帧起始的前沿，这个过程由硬同步来完成。 ( 2 ) 仲裁 如果有两个或更多的c a n 控制器同时开始发送，总线访问冲突通过位仲裁处 理方法予以解决。仲裁期间，每个进行发送的c a n 控制器都将发送的位电平与监 控总线电平进行比较，任何发送一个隐性位而监视到一个显性位电平的c a n 控制 器就失去了仲裁，必须退出发送状态。每段报文包括一个唯一的标识符和报文中 含描述数据类型的r t r 位。标识符和r t r 位最先发送。标识符和r t r 位对应二 进制数值最低的报文具有最高的优先权。由于数据帧的r t r 位为显性电平，因此 数据帧比远程帧具有更高的优先权。 ( 3 ) 编码 帧起始、仲裁场、控制场、数据场和c r c 场使用位填充技术进行编码。当正 在发送的c a n 控制器检测到5 个连续的相同极性的位被发送，个补充位被插入 到该发送位流中。当一个正在接收的c a n 控制器检测到接收的上述五种位场的位 流中，具有5 个相同极性的连续位，它将自动地删除下一个接收( 填充) 位。删除的 填充位电平必须与先前位相反，否则一个填充错误被检测到并被标注。其余的位 场和帧具有固定的形式，因而不使用位填充方法进行编码、解码。 ( 4 ) 错误处理 当发生位错误、填充错误、格式错误或应答错误时，检测到出错条件的c a n 控制器将发送一个出错标志。出错标志在下一位开始发生。当检测到c r c 错误时， 出错标志在紧跟应答界定符后的一位开始发送，除非其他一些出错条件的错误标 志已经开始发送。出错标志将破坏位填充或损坏固定格式的位场。位填充法则的 破坏将影响检测出错条件的任何c a n 控制器。一个检测出错条件的认可型c a n 控制器将发送一个认可出错标志。认可出错标志不会中断在不同c a n 控制器上的 当前报文，但这类出错标志可能被其他控制器忽略。检测到出错条件后，认可型 出错c a n 控制器将等待有相同极性的6 个连续位，并在检测到它们时，将它们理 解为出错标志。发送出错标志后，每个c a n 控制器都在监视总线直至检测到一个 r s 2 3 2 r s 4 8 5 总线与c a n 总线协议转换器的研究与设计 显性电平到隐性电平的跳变。此时，每个c a n 控制器完成了其出错标志发送，并 且所有c a n 控制器开始发送7 个附加的隐性位。 虽然超载帧和出错帧格式相同，但对他们的处理不同。如果发送超载帧的c a n 控制器监测到其固定格式的任何偏离，它将发送一个出错帧。 2 5c a n 总线实时性的改进 在c a n 总线应用于实际系统的过程中，实时性是一个非常关键的问题。实时 是指信号的输入、运算和输出都要在极短的时间内完成，并根据生产过程工况的 变化及时地进行处理。而实时系统指在事件或数据产生同时，能够在规定的时间 内给予响应，以足够快的速度处理，及时地将处理