（电力电子与电力传动专业论文）基于can总线的电子多臂监控网络系统的研究.pdf

基于c a n 总线的电子多臂倚挖刚络系统的研究 网络的设计进行了相关探讨。结合该系统的实际应用，重点讨论了底层c a n 层的 通信原理、应用层协议制定、系统控制流程及系统可靠性设计。 在此基础上，针对电子多臂控制系统，介绍了基于通用组态软件二次开发的上 位机监控软件的设计，并在现有试验条件下所搭建的测试平台上对整个系统部分 功能进行了测试，重点针对电子多臂系统c a n 层数据通信进行了设计。系统测试 表明，所设计的各部分工作正常，能实现部分预定功能。 最后对本文的工作进行了总结，对系统的完善与相关理论和技术的发展进行了 展望。 关键词：现场总线，c a n 技术，智能节点，组态软件，监控系统 基于c a n 总线的电子多臂监控网络系统的研究 t h er e s e a r c ho fc a n b a s e d m o n i t o r i n g a n dc o n t r o l n e t w o r k s y s t e m o ft h ee l e c t r o n i c d o b b y a b s t r a c t f i e l d b u si sas o r to fn e t w o r kf o ri n t e l l i g e n td e v i c eo fw o r kf i e l d d e v e l o p e di n 1 9 8 0 s - 1 9 9 0 s i th a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so fp r o c e s sa u t o m a t i o n ，m a n u f a c t u r e a u t o m a t i o na sw e l la s b u i l d i n g a u t o m a t i o n i ti st h e p r o d u c t i o n o f s y n t h e s i s a n d i n t e g r a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o n t r o lt e c h n o l o g y i ti sa no p e na n dd i s t r i b u t e dn e w p a t t e r na n d af o c u so fa u t o m a t i z a t i o n c a nb u si sak i n do ff i e l d b u sa n das e r i a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw h i c hs _ l | f _ p p o r t s d i s t r i b u t e da n dr e a l t i m ec o n t r o le f f e c t i v e l y w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h ee l e c t r o m e c h a n i c 。| o ft h e f a b r i c sm a c h i n eh a si n t e g r a t e da n de n t e r e db r a n d - n e ws t a g et o o f o rm e e t i n gt h c _ j a e e d s o fh i g b e ra n dh i g h e rw e a v i n 。g ，d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fe l e c t r o n i cd o b b yh a v e a l r e a d y b e c o m et h ei m p o r t a n tr e s p e c to ft e c h n i c a ld e v e l o p m e n tt ow e a v e b a s e do nt h ec a n b u s ，t h i sp a p e rm a k er e l e v a n tr e s e a r c ha b o u tt h er e a l i z a t i o no f m o n i t o r i n g a n dc o n t r o ln e t w o r ks y s t e mo ft h ee l e c t r o n i cd o b b y m a n yr e l a t i v e l y a d v a n c e d t e c h n i q u e s ，w h i c h a r ei n v o l v e dt oc o m p u t e r , c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o n ，n e t w o r k ， a n dc i r c u i td e s i g nt e c h n i q u e sa r eu s e di n t h i s s y s t e m t h es y s t e mp o s s e s s e sg o o d c a p a b i l i t i e so f c o n t r o la n dm o n i t o r i n g t h em a i nw o r k so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： t h i sp a p e ri n t r o d u c e sr e l e v a n tc o n c e p t s ，t h es t a t eo fd e v e l o p m e n ta n dd e v e l o p m e n t t r e n do ff i e l d b u sa tf i r s t b a s e do ni n v e s t i g a t i n ga n da n a l y z i n gi nq u e s t i o na p p e a r i n g w h i l et ot h a tt h ep r e s e n te l e c t r o n i cd o b b yd e v i c eo ft e x t i l ei n d u s t r yn s e s ，；h a v ep u t f o r w a r da n ds e t u p t h e i m a g i n a t i o no fm o n i t o r i n ga n d c o n t r o ln e t w o r ks y s t e mo f e l e c t r o n i cd o b b yb a s e do nc a n b u s 基于c a n 总线的电子多臂监控网络系统的研究 o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gi n d e p t h t oc a nb u sp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c ， t e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o na n da p p l i c a t i o ns i t u a t i o n ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h ew h o l e s y s t e ma n d t h es y s t e m a t i cf u n c t i o nh a v eb e e nd e s i g n e do v e r a l l w h i l e i n t r o d u c i n g t h e d e s i g n m e t h o do fc a nc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e ，t h e i n d e p e n d e n tc a n c o n t r o l l e rs j a l 0 0 0w a ss e l e c t e dt or e a l i z ec a nc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ，a n d r e a l i z et h e p h y s i c s i n t e r f a c eo fc a nb u sw i t hp c a 9 2 c 2 5 0c a n t r a n s c e i v e r t h e nc o m b i n i n gt h e a p p l i c a t i o no ft h e e l e c t r o n i cd o b b yi n r e a l i t y , t h i s p a p e rc a r r i e so nt h ed e s i g no fe l e c t r o n i cd o b b yd e v i c eb a s e do nc a n c o m n m n i c a t i o n i n t e r f a c e ，c o m p l e t e st h ed e s i g no fh a r d w a r e c i r c u i ta n d 【t h em a n u f a c t u r e o fp c bb o a r d a c c o r d i n g t ot h ed e s i g np h i l o s o p h yo f e n t e r p r i s e sm a n a g e m e n t c o n t r o lc o m b i n i n g ， t h i sp a p e rc a r r i e so nr e l e v a n td i s c u s s i o n st om o n i t o r i n ga n dc o n t r o ln e t w o r ks y s t e mo f t h ee l e c t r o n i cd o b b yo nt h eb a s i so fb & r p r o g r a m m a b l ec o m p u t e rc o n t r o l l e r1 ( p c c ) a n dn e t w o r ko fc o n t r o l l i n g t ot h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o no f t h i ss y s t e m ，t h i sp a p e r d i s c u s s e st h ec a nc o m m u n i c a t i o n p r i n c i p l e , a p p l i c a t i o np r o t o c o l ，c o n t r o l l i n g p r o c e d u r ea n ds y s t e md e p e n d a b i l i t yd e s i g ne s p e c i a l l y o ni t h i sb a s i s ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no fm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls o f t w a r e b a s e do ns o f t w a r es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，a n dt e s t e ss o m e f u n c t i o n so nt i l et e s tp l a t f o r m sp u tu pu n d e re x i s t i n ge x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ，e s p e c i a l l y d e s i g n st h ec a n b u sl a y e r sd a t ac o m m u n i c a t i o no f e l e c t r o n i cd o b b ys y s t e m s y s t e m t e s t i n gi n d i c a t e st h a te v e r yp a r t sd e s i g n e do p e r a t en o r m a l l y a n dc a nr e a l i z et h a tf u n c t i o n b o o k e dp a r t l y f i n a l l y , t h es u m m a r yo ft h ew o r ki n t h i s p a p e ra n dt h ep r o s p e c to fc o r r e l a t i v e t h e o r ya n dt e c h n i q u e sa r eg i v e n z h a n gz h i f e n g ( p o w e r e l e c t r o n i c s & p o w e rt r a n s m i s s i o n ) s u p e r v i s e db y a s s o c i a t ep r o f e s s o rw a n gj i a n k e y w o r d s ：f i e l d b u s ，c a nt e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n tn o d e ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ， m o n i t o r i n ga n d c o n t r o l s y s t e m 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用 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作品及成果的 内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意i , o , 至r j 本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：结轰讳 1 3 期：瓣? 月歹日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留荠 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本 人授权东华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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本版权书。 不保密口。 学位论文作者签名：张轰西 i 1 9 期：埒7 月歹日 指导教师签名：壬、埋 e l 期：朋r 年弓月r 日 基于c a n 总线的电子多臂监控网络系统的研究 第一章绪论 1 1 引言 随着计算机技术、通信技术、集成电路技术及智能传感技术的发展，在工业控 制领域出现了一种新兴的控制技术，即现场总线。作为以上几种技术的结合，现 场总线真正做到了“分散控制、集中监控”这一现代工业控制思想，是当前工业控制 领域的热点，代表了工业控制领域今后一段时间的发展趋势。 c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k 的简称) 总线作为现场总线中最具发展前途的总 线之一，有效支持分布式控制及实时网络控制，具有可靠性高、支持多主处理、 支持优先级仲裁、结构简单、配置灵活、芯片资源丰富及价格低廉等特点1 2 1 。 本文由总线技术引出c a n 总线技术，在详细介绍c a n 总线规范及其性能的 基础上，介绍了通用c a n 通信接口的设计方法。此基础上，结合奥地利贝加莱公 司的p c c 及其网络技术，对纺织工业中电子多臂控制装置分布式控制系统的设计 作了相关研究及相应的实验性测试。该控制系统通用性强，组成灵活，控制及监 测功能丰富，适用于大中型的企业生产系统。 1 2 现场总线技术概述 1 2 1 现场总线技术的定义及形成 根据国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 标准定义：现场总线是指安装在制造或过程区 域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。 现场总线的核心是它的通信协议。 工业控制系统的发展经历了组合式模拟控制系统、集中式数字控制系统、集 散式控制系统，发展到当前现场总线控制系统和开放嵌入式网络化控制系统阶段。 控制系统的发展呈现出向分散化、网络化、智能化发展的方向t 3 1 a 每一代新的控 制系统推出都是针对老一代控制系统存在的缺陷而给出的解决方案，最终在用户 需求和市场竞争两大外因的推动下占领市场的主导地位，现场总线和现场总线控 基于c a n 总线的电子多臂监控网络系统的研究 制系统的产生也不例外。针对不同厂家的d c s 系统所组成的集散控制系统封闭专 用、不具可互操作性这种情况，用户对网络控制系统提出了开放化和降低成本的 迫切要求。f c s 正是顺应以上潮流而诞生，把各个分散的测量控制设备转换为网 络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以互通信息、共同完成控制任务的 网络化控制系统，从而促使当前各种产品所面临的体系结构和功能结构发生重大 变革，导致了工业自动化产品的又一次更新换代。目前，现场总线已经成为世界 范围内研究的热点1 5 1 1 2 2 现场总线技术特点及优缺点 常见的现场控制网络拓扑形式有环形、总线、树型、令牌总线这几种，由此建 立起来的现场总线具有如下技术特点m 1 ； 1 ) 系统的开放性。通信协议公开，不同厂家设备间可进行互连并实现信息交换。 2 ) 互可操作性及互用性。互可操作是指实现互连设备间、系统间的数字通信：互 用性则意味着对不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。 3 ) 现场设备的智能化与功能自治性。现场设备就可完成自动控制的基本功能，并 可随时诊断设备的运行状态。 4 ) 系统结构的高度分散性。现场设备的智能化导致现场总线己构成一种新的全分 布式控制系统的体系结构，简化了系统结构，提高了可靠性。 5 1 对现场环境的适应性。专为现场环境工作设计，支持双绞线、同轴电缆、光缆、 射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电和 通讯，并可满足本质安全防爆要求等。 特点决定优点。以上特点，特别是系统结构的简化，使控制系统的设计、安装、 投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。优点主要包括以下方面： 节省硬件数量及投资；节省安装费用；节省维护开销：用户具有高度的系统集成 主动权；提高了系统的准确性及可靠性；设计简单，易于重构。 虽然具有以上优点，但由于f c s 仍是一种新技术，与成熟的d c s 相比，还存 在下列的一些欠缺，比如产品的开发和测试难度大、f c s 控制功能不完善、f c s 成功的应用实例不多，难以评估实际应用效果等。由于以上这些原因，f c s 取代 d c s 将是一个逐渐的过程，更有可能出现的是两者并存的局面。 基于c a n 总线的电予多臂监控网络系统的研究 1 2 3 现场总线现状及发展前景 1 ( 1 ) 发展现状 现场总线技术起源于欧洲，目前以欧美地区最为发达。据不完全统计，世界 上己出现过的总线种类约有4 0 种，经过十多年的竞争和完善，目前较有生命力、 广泛使用且最具影响力的有5 种，分别是f f 、p r o f i b u s 、h a r t 、c a n 和l o n w o r k s 馆1 ( 性能对照见参考文献9 1 ) 。 1 、f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s 现场基金会总线) 。由美国仪器协会( i s a ) 1 9 9 4 推 出，代表公司有h o n e y w e l l 和f i s h e r r o s e m o u n t ，主要应用于石油化工、连续 工业过程控制中的仪表。 2 ) p r o f i b u s ( p r o c e s ：sf i e l d b u s ) 。德国西门子公司1 9 8 7 年推出，主要应用于p l c 。 产品有三类：f m s 用于车间级监控网络；d p 用于设备级控制系统与分散i o 之间的通讯：p a 专为过程自动化设计。 3 ) h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n d u c e r 可寻址远程传感器数据通路) 。 美国r o s e m o t m t 公司1 9 8 9 年推出，主要应用于智能变送器。 4 ) c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k 控制局域网络) 。德国b o s c h 公司1 9 9 3 年雅出， 应用于汽车监控、开关量控制、制造业等。 5 ) l o n w o r k s ( l o nl o c a lo p e r a t i n gs y s t e m 局部操作系统) 。美国e c h e l o t 季公司 1 9 9 1 年推出，主要应用于楼字自动化、工业自动化和电力行业等。 ( 2 ) 发展趋势 现场总线的发展动向主要体现在以下四个方面 1 0 l 1 ) 现场总线的标准化工作。中国目前的现场总线技术及产品的开发工作已经起 步，我们应积极按照i e c 的标准开展工作。 2 、现场总线逐渐转向工业以太网。市场和技术发展需要统一标准的现场总线，整 合了e t h e m e t 和t c 踟p 技术的现场总线是今后发展的主流体系和应用热点。 3 ) 在今后一段时间内多种现场总线既相互竞争又相互共，同时多种现场总线也可 共存于同一个控制系统。 管控一体化。从现场控制层到管理层全面的无缝信息集成( 即管控一体化) 能 给企业带来整体效益。 基于c a n 总线的电子多臂监控网络系统的研究 1 3 控制器局域网( c a n ) 简介 控制器局部网( c a n c o n t r o l l e ra 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讯网络。最早是德国b o s c h 公司8 0 年 代初为解决现代汽车中众多的控制器与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串 行数据通讯协议i l l l 。目前己由i s 0 t c 2 2 技术委员会批准为i s 0 1 1 8 9 8 ( 传输速率 1 m b s ) 和i s 0 1 1 5 1 9 ( 传输速率 1 2 5 k b s 卜c a n 协议也按照i s o o s i 模型，采 用了其中的物理层、数据链路层与应用层。采用双绞线，传输速率最高可达1 m b s ( 4 0 m ) ，直接传输距离可达1 0 k m ( 5 k b s ) ，可挂设备最多可达1 1 0 个。通信方式可 为点对点，也可为广播方式，可为单主也可为多主方式。1 9 9 1 年9 月公布的c a n 技术规范包括a 和b 两部分，即c a n 2 0 a 与c a n 2 0 b 1 2 1 0 世界半导体知名企业纷纷推出了c a n 总线的系列产品，市场上比较常见的有 如i n t e l 公司的c c u 3 0 1 0 e ；m i s u b i s h i 的3 7 6 3 0 ；p h i u p s 的s j a l 0 0 0 、p 8 7 c 5 9 1 、x a c 3 ；n e c 的v 8 5 0 s f l ；m o t o r o l a 的m c 6 8 h c 0 5 x x m c 6 8 3 7 6 ；s - i m e n s 的c 5 0 5 c 、c 1 6 7 c r ；t e x a s 矾s t r u m e n t s 的t m s 3 7 0 e 0 8 d 5 5 等控制 器件及外围传感器及执行器件。针对不同的c a n 芯片，开发工具亦有所不同。本 文采用p h i l i p s 公司的c a n 芯片，使用周立功公司开发器件开发。 c a n 的发展已有多年，c a n 的应用领域遍及从高速网络到低成本的多线路网 络。由于c a n 本身的特点，其应用范围目前已不在局限于汽车行业，而向过程工 业、机械工业、纺织工业、农用机械、机器人、数控机床等领域发展，并已被公 认为几种最有前途的现场总线之一。 1 4 多臂机控制系统发展状况 多臂机又称为多臂提综装置，它是织机上使用比较普遍的一种开口装置。多 臂机的发展，经历了一个漫长的过程。第台多臂机是由h a t t e r s l y ( 哈特斯来1 在1 8 6 7 年研制成功并流行于世的，般称之为k e i g t t l e y ( 凯来) 多臂机。随着织机车 速的提高、对织造质量要求及机构振动要求的不断提高，多臂机从刚开始时的单 动式多臂机发展到复动式多臂机，再改进为旋转式多臂机。随着微电子技术的发 展，机电式多臂机和电子式多臂机相继出现，大大改进了老式多臂机存在的缺陷。 基于c a n 总线的电子多臂监控网络系统的研究 多臂机发展到现在，最多可控制4 4 页综框的升降，这对于中小花回织物的织造， 基本可以满足需要1 1 3 1 。 从近十多年来我国纺织机械行业盼整体来看，总体自动化水平有了明显的提 高，在新型纺织机械上普遍采用了自动化技术。纺织机械应用了自动化技术后机 构简化，性能改善，质量提高，操作方便，提升了设备的档次和水平。然而在纺 织设备上应用现场总线技术刚开始起步， 机，浆纱机，分条整经机、双层起毛机、 仅少数设备应用这项技术，如数控细纱 直捻机。 在电子多臂机的使用中，绝大部分是单机版的，现场总线在这方面的应用还 未引起人们足够的应用。多臂机的电子化已经取得巨大进展并已成为近几年的热 点，下一个发展趋势必将是电子多臂机的网络化，从而从整体上提高整个系统的 自动化程度。 1 s 课题的提出及意义 电子多臂机的出现，不仅省去机械式多臂机繁琐的纹版制作、安装和礁管工 作，更可以通过计算机辅助设计系统使组织设计、试织和上机织造一气呵成大 大简化了花样准备工作，并可以得到传统方法几乎很难获得的织物，具有很强的 新产品开发能力。但目前电子多臂控制器几乎都是单机操作，每个电子多臂机在 现场都需要显示及输入装置，现场花型改变等工作还需要专门技术人员专门操作， 网络化层次不高。而且现场的信息很难为控制级或管理级掌握，不利于企业上层 决策及整个企业自动化程度的提高。通过对电子多臂装置的网络化改造，不仅可 以减少现场输入、显示等硬件设备，而且可以通过网络统一操作及监控，大大提 高对现场操作的傻瓜化程度及集中化程度，真正做到“分散控制、集中监控”。 c a n 协议作为国际上应用最广泛的现场总线协议之一，以其独有的技术优势 和特点，在现代分布式测量和控制技术领域已逐渐取代传统的是r s 2 3 2 或r s 4 8 5 数据传输。 由此我们把c a n 总线引入电子多臂控制系统，并且根据当今企业管理一控制 一体化的发展方向和组织模式，提出了企业电子多臂控制系统的三层网络架构。 尝试通过b & rp c c 搭建三层控制网络中的车间级与管理级( p r o f i b u s 、e t h 一 5 基于c a n 总线的电子多臂监控网络系统的研究 e r n e t ) ，带c a n 通信接口的电子多臂机构成现场c a n 层，从而解决现场设备 与上级系统问必要的数据交换问题。就企业整体网络的改造来说，本文提出的三 层体系结构无论是针对电子多臂控制系统还是其它的一般工业控制系统，都具有 一定参考价值和实际意义。 1 6 小结 这一章主要介绍了现场总线这一技术的定义、发展、技术特点、发展趋势及其 主要代表，并对由此引出的c a n 总线作了简单的介绍，在回顾多臂控制系统发展 历程及当前现状的基础上，提出了建立基于现场总线c a n 的电子多臂控制系统的 初步设想，引出了本文所要讨论的主要内容。 6 基于c a n 总线的电子多臂监控网络系统的研究 第二章总体设计 本章在对底层网络分析比较的基础上选用c a n 总线构建底层控制系统，并对 c a n 协议规范作了简要介绍，针对电子多臂控制系统软硬件构成及系统主要功能 作一总体上的阐述。 2 1 现场网络比较及选择 在建立该控制系统时，首先碰到的是底层网络的选择。在工业控制系统中，现 场i 0 设备之间的数据传输方式主要有基于r s 2 3 2 c 总线通讯、基于r s 4 4 2 a 总线 通讯、基于r s 4 8 5 总线通讯及基于现场总线通讯。本节在对r s 2 3 2 c 、r s 4 8 5 总线 简要介绍的基础上分析比较各自优缺点，从而引出现场总线c a n 总线。 2 1 1r s 2 3 2 总线 r s 2 3 2 c 接口标准是由电子工业协会( e i a ，e l e c t r o n i c i n d u s t r y a s s o c i a t i o n ) 和 远程通讯工业协会( t i a ，t e l e c o m m u n i c a t i o ni n d u s t r ya s s o c i a t i o n ) 制订，该标准 的用途是定义数据终端设备( d t e ) 与数据通信设备( d c e ) 接口的电气特性。 r s 2 3 2 c 标准接口如图2 - 1 。 ，、 n i m 虬1 驯 202 接收数据 。) 7 3 31 请求发送( r t s ) 一 44 允许发送( c t s ) 7 55 ：数据女播就绪( d s r j 8 2 2 61 信号地 7 接收信号检测( d c d ) 81 数据终端就绪( d t r ) 。 2 0 。 撮铃指示( 碰) 2 2 三线连接 图2 1r s 2 3 2 c 标准接口 r s 2 3 2 c 标准并未定义连接器的物理特性。因此出现了d b 一2 5 、d b 1 5 、d b 9 各种类型的连接器，其引脚定义也各不相同。由于r s 2 3 2 标准比较早，难免又不 7 基于c a n 总线的电子多臂监控网络系统的研究 足之处，主要有以下几点：接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片。与 1 t r l 电平不兼容；传输速率较低，在异步传输时，波特率为2 0 k b p s ；采用共地传 输，易产生共模干扰，抗噪声干扰性弱；传输距离有限，最大传输距离标准值为 5 0 英尺，实际上也只能用在5 0 米左右“”。 由于以上缺点，r s 2 3 2 标准在工业控制底层网络中应用趋于淘汰。 2 1 2r s 4 8 5 总线 r s 2 3 2 c 总线通讯由于速度、可靠性和传输距离等因素在实际应用中趋于淘 汰，转而代之的是r s 4 2 2 、：r s 4 8 5 总线，尤其是基于r s 4 8 5 的总线通讯。该总线 网络技术成熟，结构简单，可靠性教高，抗干扰能力强，传输速度也比r s 2 3 2 c 总线通讯快的多。其主要特点如下：接口信号电平比r s 。2 3 2 一c 低，不易损坏接口 电路的芯片，且该电平与订l 电平兼容；r s 一4 8 5 的数据最高传输速率为1 0 m b p s ； r s 一4 8 5 接口抗噪声干扰性好；r s 4 8 5 接口传输距离长；r s 一4 8 5 接口多站能力。 r s 一4 8 5 接口具有上述优点而使其成为首选的串行接口。但r s 4 8 5 总线毕竟只 存在一个简单的没有硬件通讯协议的物理层i 其通讯协议完全依赖软件的支持，+ 这就增加了系统通讯软件的负担；并且在没有可靠的总线竞争仲裁与帧重发机制 的情况下，数据的丢失率几乎正比壬总线数据的流通量1 1 5 l 。 2 1 3 控制器局域网c a n 总线 由于r s 2 3 2 与r s 4 8 5 总线技术存在上述缺陷，在工业企业底层网络中应用现 场总线来构建开放式、数字化的多点通讯已成为发展必然。 通过参阅相关技术资料及国内外现场总线的应用来看，在底层网络中应用的 比较多的是p r o f i b u s 、l o n w o r k s 、c a n 这几种现场总线1 1 6 1 0 在电子多臂控 制系统中，通过对上述几种总线的比较，我们决定采用c a n 总线技术来实现我们 的网络模型，主要基于以下几个方面考虑： 首先是由c a n 的技术特点决定的。c a n 采用短帧结构，数据传输的时间短， 受干扰概率低，并且c a n 有良好的检错措施，可靠性高。这就避免了花型数据传 输过程中出现位或多位数据错误，导致形成的花型产生偏差。c a n 协议对通讯 数据块进行编码的方式可使不同的节点同时收到相同的数据，可以实现广播及点 对点通讯，增加了系统纽网的灵活性。c a n 采用基于优先级的非破坏性位仲裁方 基于c a n 总线的电子多臂监控网络系统的研究 式保证了系统不会由于产生总线堵塞而崩溃，保证了网络的实时性和可靠性。另 外c a n 即可构成单主又可构成多主网络，任何节点都可主动向网上发送数据，通 讯方式十分灵活。 其次是从硬件及软件开销上考虑。l o n w o r k s 、p r o f i b u s 标准的通用性使 得在采用厂家现成的设备组网来得比较方便。但通用性好必然导致通信协议更加 复杂，系统软件设计的复杂性导致软件开销的增加。同时从硬件方面考虑，通讯 协议芯片价格高不易采购，开发装置昂贵。c a n 总线相对来说通信协议比较简单， 开发技术比较成熟，并且现在i n t e l 、p h i l i p s 、m o t o r o l a 等知名公司也推出 了成系列的c a n 产品，c a n 控制器完成了绝大部分与通讯有关的工作，软件工 作量小而容易实现，性能上也未必比其它几种现场总线差。 其三是从可靠性考虑，在整个系统的运行过程中，我们不希望由于某个节点 的故障而导致整个系统的瘫痪。c a n 的故障处理机制正好能解决这个问题。c a n 网络的节点在严重故障后可自动从网络上退出，避免对其他节点产生影响罐在节 点恢复后能自动连上，因此任何节点的损坏都不会导致整个系统的通讯崩灏 综合以上各种因素我们认为c a n 总线是最适台电子多臂控制系统的底壤数据 通讯方式。c a n 组成的总线系统一般模式如图2 - 2 1 7 1 。 晕刚总线 l 选匝i 匝i i ；控制现场 图2 - 2c a n 总线系统一般模式 2 2c a n 总线原理及应用 在决定选用c a n 总线作为该控制系统的底层网络后，本节主要简要介绍c a n 总线的工作原理并对c a n 总线在现代控制中的典型应用作大概了解。 2 2 1c a n 总线技术特点 9 基于c a n 总线的电子多臂监控网络系统的研究 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，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8 “1 9 “2 0 1 ： ( 1 ) 多主方式，并依据优先权进行总线访问。 ( 2 ) c a n 采用带有冲突检测的载波侦听多路访问及基于优先权的总线仲裁技 术( c s m a c d + a m p ) 。 ( 3 ) 借助接收滤波的多种帧传送方式。c a n 只需通过滤波可实现点对点、一点 对多点及全局广播等多种数据通信方式。 f 4 ) 远程数据请求。回复数据帧与对应的远程帧以相同的标识符i d 命名。 r 5 、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；理论上 c a n 2 0 a 可达2 0 3 2 种，c a n 2 0 b 可达2 2 9 种。 ( 6 1c a n 采用短帧结构，数据段最多为8 个字节，使得数据传输的时间短，受 干扰概率低，并且c a n 有可靠的错误处理和检错机制，可靠性高。 f 7 ) c a n 通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，差别主要在于接口电路的不 同，也可实现电力载波或无线通信方式，选择灵活。 侣1 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能，使得总线上的其它节 点不受影响。 ( 9 ) 采用双绞线，传输速率最高可达1 m b s ( 4 0m ) ，直接传输距离可达 1 0 k m ( 5 k b s ) ，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，在一个给定系统中，位速率是唯一的，并且是固定的。两节点间的 最大距离见表2 1 。 f 1 0 1c a n 总线具有较高的性能价格比。 2 2 2c a n 总线分层及各层功畿” c a n 遵从o s 模型，c a n 结构划分为两层：数据链路层和物理层。分层结构 如图2 3 示。 数据链路层又划分为：逻辑链路控制( l l c ) 和媒体访问控制( m a c ) 。 主要功能包括：帧接收滤波、超载通告、恢复处理、数据封装、发送媒体访 问管理、数据拆装、接收媒体访问管理等。 物理层定义c a n 接口单元连接至总线的电路实现部分，接口单元的总数受限 基于c a n 总线的电子多臀监控嗣绍系统的研究 于总线上的电气负载。物理层又划分为：物理信令( p l s ) ，负责位编码解码，位 图2 - 3c a n 分层结构 定时和位同步：物理媒体附属装置( p m a ) ，是总线发送和接收的功能电路，并提 供总线故障检测方法；媒体相关接口( m d i ) ，定义与物理媒体的机械和电气接口， 接口之间用两根并排双绞线相互连接。 表2 - 1 给定速率下两节点间最大距离 位速率( b p s ) 最大总线 位速率( b p s ) 最大总线 长度( m )长度( m ) 1 0 0 04 01 0 06 2 0 5 0 01 3 05 01 3 k 2 5 02 7 02 03 3 k 1 2 55 3 01 06 7 k 1 0 06 2 051 0 k 2 2 3c a n 帧分类及帧编码”2 1 c a n 中的总线数值为两种互补逻辑数值：“显性”和“隐性”，用差分电压表示。 “显性”表示逻辑“0 ”，显性状态用大于最小闽值的差分电压表示。“隐性”表示逻辑 1 ，这时输出的差分电压v d i f f 近似为0 ，v 。h ，v 。1 固定于平均电压电平。在总 线空闲或隐性位期间，发送“隐性”位。总线位的数值表示如图2 - 4 。 f 1 1 帧类型 c a n 定义了四种类型的协议帧：数据帧、远程帧、出错帧、超载帧。 基于c a n 总线的电子多臂监控锕络系统的研究 总线电平 平均电平 时间7 图2 - 4 总线位的数值表示 f 2 ) 帧编码 c a n 采用非归零码( n r z ：n o nr e t u r nt oz e r o ) 对发送帧进行编码，这就意 味着在整个位时间内所产生的位电平只能为“显性”或“隐性”。与n r z 相对的编码 方法例如曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 编码则需要将每一个码元分成一个高电平和一个 低电平的相等间隔。两者比较如图2 _ 5 所示： n r 7 _ c o d i n g m a n c h e s t e r c o d i n g 图2 - 5 编码电平比较 应用n r z 编码虽在电磁兼容性( e m c ) 方面比m a n c h e s t e r 编码有优势，但 也带来了一个问题，即当传送多个相同极性的连续位时，无法借助码元的上升沿 或下降沿来进行重同步。为了克服这个问题，c a n 采用了位填充( b i t s t u f f i n g ) 的方法来确保所有总线节点的同步。即在c a n 数据帧从帧开始到c r c 场这一帧 段采用位填充方式进行编码( 数据帧的其余位场及出错帧、超载帧为固定形式， 不进行位填充) ，当发送器在发送位流中检测到5 个数值相同趵连续位( 包括填充 位) 时，它在实际发送位流中，自动插入一个与前面相反的位。 2 2 4 多主通讯及总线仲裁 c a n 采用的是一种基于位状态的非破坏性总线访问仲裁方法，称为带有冲突 检测的载波侦听多路访问及基于优先权的仲裁( c s m c d + a m p ：c a r r i e rs e n s e m u l t i p l ea c c e s s w i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n a r b i t r a t i o no nm e s s a g ep r i o r i t y ) 。这种仲 裁方法利用总线上信息比特具有主导一被动的作用属性，使优先权高的消息直接 1 2 基于c a n 总线的电子多臂监控网络系统的研究 压倒优先权低的消息，从而确保相应的节点首先发出优先权高的消息。这种仲裁 方式与e t h e r n e t 的c s m a c d 相比避免了随机时间的等待，更有效的利用了带 宽。 c a n 的总线值为两种互补逻辑数值之一：“显性”或“隐性”，“显性”和“隐性” 同时发送时“显性”覆盖“隐性”最后总线数值为“显性”。仲裁过程如图2 - 6 所示，这 种仲裁方式使得标识符二进制值低的报文具有更高的优先级。 c a n 总线上的每个节点都可主动的向总线发送数据，每个欲发送数据的节点 在检测到总线空闲状态后，就会由帧起始开始按位场顺序逐个发送，在一个位场 内先发送最高位( m s b 在前，l s b 在后) 。若有两个或多个节点n 日c