（电力电子与电力传动专业论文）can总线技术在智能小区底层网络中的研究与实践.pdf

a b s t r a c t i no r d e rt oc o n s t r u c tl o w - p r i c e d ，r e l i a b l ej n t e l l i g e n tn e t w o r ki nt h eu p t o w n ， t om e e tt h ed e m a n d so fs a f e t ya n di n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ti nt h ei n t e l l i g e n t u p t o w n ，is t u d i e dt h ef i e l d b u st e c h n o l o g ya n do n eo f i t ss o l u t i o n s 一一c a n t e c h n o l o g y b a s eo no u rc o u n t r yc o n d i t i o no fi n t e l l i g e n tb u i l d i n gs y s t e ma n d d e v e l o p m e n tt e n d e n c yi nt h ef u t u r e ，im a d e a s u g g e s t i o no nt e c h n i c a lp r e c e p t o fc a n + r s 4 8 5d o u b l ed e c kb o t t o mn e t w o r k t od e s i g nai n t e l l i g e n tn e t w o r k m o d e lo fu p t o w ns a f e t y , f i e l dm e a s u r e m e n ta n d s i g n a lt r a n s m i s s i o n t h i sm o d e li sb a s eo nc a nt e c h n o l o g yt h eu p t o w nc a nn e t w o r ki s c o m p o s e do fm a i nc o n t r o l l e r ( i th a sc a nb u si n t e r f a c e s ) a n dc e l lc o n t r o l l e r t h el o w e rl a y e ro fr s 4 8 5n e t w o r ki s c o m p o s e do fm a n yt e n e m e n ts i g n a l c o l l e c t o r s t h eu p p e rl a y e rm a d eu s eo fp ct oc o n n e c tc a nn e t w o r ka s m a n a g e m e n t c e n t e ri n i n t e l l i g e n tu p t o w n ，t o r e a l i z et h ef u n c t i o n so f m a n a g e m e n t ，c o n t r o l ，a l a r m ，s i g n a lc o l l e c t i o na n ds e l f - e x a m i n a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ns e r v e sa sa n i n t r o d u c t i o nt o a n a l y s i s ，d e s i g n ， i m p l e m e n t a t i o na n d t r o u b l e s h o o t i n g o f i n t e l l i g e n t n e t w o r km o d e l t h i s d i s s e r t a t i o ni sc o m p o s e do fi n t e l l i g e n tu p t o w nt e c h n o l o g y , f e i l d b u s t e c h n o l o g m c a n t e c h n o l o g y , h a r d w a r ea n d s o f t w a r e k e y w o r d s ： i n t e l l i g e n tu p t o w n ，f i e l d b u s ，c a nt e c h n o l o g y ，r s 4 8 5 ，s e l f b u sc o n t r o l l e r m a i nc o n t r o l l e r , c e l lc o n t r o l l e r , t e n e m e n tc o l l e c t o r 浙江大学硕士学位论文 第一章课题背景和研究目标 第一节课题来源 随着人类社会的进步和科学技术的迅猛发展，人类开始迈入以数 字化和网络化为平台的智能化社会，开始出现了诸如智能化仪表、智 能化机器人、智能化汽车、智能化飞机、智能化高速公路、智能化工 厂、智能化家庭、智能化小区、智能化大厦、智能化城市乃至智能化 国家等等具有不同程度智能的各种产品、设备、工具，乃至工作环境 和生活环境，并且仍在高速发展。伴随着数字化和网络化的进程，智 能化的浪潮席卷了世界的每一个角落，成为一种势不可挡的历史大趋 势。其中正在兴起的智能小区建设热潮，反映和适应了国际社会信息 化和智能化的发展要求，是2 l 世纪的新概念住宅。 智能小区是近年来产生并迅速崛起的一种新型住宅，它是建筑艺 术、生活情趣、生活理念与信息技术、电子技术等现代高科技的完美 结合；智能小区为住户提供了一种更加安全、更加舒适、更加方便、 更加快捷和更加开放的智能化、信息化生活空间；同时，智能小区依 靠高科技，实现了回归自然的环境氛围，促进了优秀的人文环境发展， 并依托先进的科学技术，实现小区物业运行的高效化、节能化和环保 化。它不仅已经成为一个国家经济实力和科学技术水平的综合标志之 ，而且也是人类社会住宅发展的必然趋势。 基于这一需要，杭州鸿雁电器公司建立了“智能小区产品研究中 心”，设立了“智能小区底层网络系统”的专项课题。我作为研究中心 主任和项目主管，承担了该专项课题的研制任务，并在考察国内外住 宅小区智能化网络现状和发展趋势的基础上，我们完成了基于c a n 技 术的小区智能化网络系统，设计实现小区安全报警和多表的现场计量 与远程传输的智能化网络模型。解决了目前在智能小区建设中急需的 一种性能可靠、价格适中的小区底层网络系统，并有望在国内大面积 推广应用。 塑望查兰堕主兰堡笙塞 一+ 第二节课题要求 从操作对象的角度来看，小区智能化控制系统包括三部分：住宅 安仓与多表计量子系统；公共设施监控子系统；公共信息子系统。而 就住宅小区而言，住宅报警和多表( 包括水表、电表、煤气表等等) 计量与远传是其中两项重要的功能，也是系统中最基本的模块。公共 设施的监控司以采用住宅报警和计量系统的扩展而成，而电话| 羽路电 视与高速数据网等组成的公共信息子系统一般均需分别独立布线建 设。由此可见，实现住户报警与计量系统是构建小区智能化网络系统 的基础，也是关键的一项。本智能网络模型即要求针对实现小区安全 报警和多表的现场计量与远程传输而设计，并力求将报警和计量两个 模块合二为一，建立综合报警与计量系统，从而在降低成本的同时， 简化整个系统结构，提高系统的可靠性。 根据上述系统功能和要求，我们在智能小区底层网络系统的设计 中力求遵循以下原则： 1 先进性。无论是软件操作系统平台、开发系统环境，还是硬 件设计等，都将考虑适当的先进性； 2 可靠性。在采用成熟技术的同时，充分考虑各种意外的情况 发生，保证系统运行的稳定性和安全性； 3实时性。对于报警系统，我们要求充分考虑报警速度及多处 同时报警等特殊情况； 4实用性。系统设备立足于用户对整个系统的具体需求，最大 限度地发挥投资的效益，故要求充分考虑软、硬件技术的性 能价格比； 5标准化。无论系统软件开发还是硬件设计，均要求标准化和 模块化，使系统易于升级和扩展。 2 塑婆奎兰翌主兰篁堡塞 一一 第三节 技术难点和系统特点 研究c a n 技术在智能小区底层网络中的应用，其难点主要体现在 以下几个方面： 1 c a n 技术的网络既不同于传统的控制网络，也不同于计算机网 络，其设计思想和网络运行与调试均有独特之处，需进行认 真研究； 2 多表计量的准确性和住户报警的实时性要求系统具有高可靠 性，而系统的t - 作现场往往存在大量的干扰源，如空间干扰、 过程通道干扰和供电系统干扰等，故抗干扰设计是本课题的 重点和难点； 3 软件嵌入在每一个现场的智能模块，编程要求完全采用事件 驱动的方式。上位机则利用m sw i n d o w s 平台的技术，须保证 与底层设备的无关性； 4 硬件设计包括数据转换、l e d 显示、开关量输入输出，并大 量采用串行接口技术，给设计和调试带来一定困难。 本人在同事们的配合下，经过较长时间的努力研究和实践，完成 了系统硬件的设计，网络通讯模块的编制和调试，以及在长线模拟运 行状态下，实现了智能小区底层网络的安全报警和多表的现场计量与 远程传输的功能。该智能网络模型具有以下特点： 1 采用双底层网络结构，在满足高可靠性的基础上简化了每层网 络的功能要求，降低整个网络组建成本。 2 每个单元控制器是一个智能网络信号转换设备，通过它实现了 c a n 总线和r s 4 8 5 之间的透明转换，从而在双底层网络中的两 种总线之间得以有机结合。 3 智能网络系统的报警和计量两个模块合二为一，从而在降低成 本的同时，简化整个系统结构，提高了系统的可靠性和稳定性。 4 c a n 网络的物理结构和逻辑结构相互独立，因此网络维护方便。 用户可以随时更换已坏的单元模块而不影响其它接点。各单元 控制器之间的逻辑关系可以很方便地用软件修改。 3 浙江大学硕士学位论文 5 上位机可以监控整个网络，包括每个报警节点和计量点。另外， 通过获得各个节点的自诊断信息，可以了解到整个网络是否正 常工作。 4 浙江大学硕士学位论文 第二章智能化住宅小区的基本概念 第一节智能小区概述 所谓智能小区，就是在良好的建筑设计与施工基础上，配有住宅 小区智能化系统，提供良好物业管理服务的居民住宅小区。其最主要 的特征在于“智能化”，在于它所采用的诸如多元信息处理、传输、监 控、管理以及系统集成等系列高新技术，实现服务、信息和系统资 源的高度共享，实现以人为本的建设思想和可持续发展的最终经济目 标。小区智能化系统充分利用了计算机技术( c o m p u t e rt e c h n 0 1 0 9 y ) 、 通讯技术( c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ) 、控制技术( c o n f r o l t e c h n o l o g y ) 、多媒体技术( m u l t i m e d i at e c h n o i o g y ) ，同时利用这些 技术突出实现住宅信息渠道的开放性和小区生态环境的可持续发展性 以及居民生活质量的重要性。随着国际上产业结构向高增值型和知识 集约型转变以及人们对住宅要求层次的提高，作为高增值型、高利润、 高享受的智能小区，已成为2 1 世纪房地产开发商投资的主导方向，也 将成为人们购房的主要热点。智能小区的发展，必然和智能大厦一起， 促进相关的设计、安装、维修、管理的高技术公司迅速发展，也必将 形成一个全新的建筑电子领域。 第二节智能小区的发展概况和现状 在西方发达国家，由于其住宅产业的特点，智能住宅与智能住宅 网络为其主要研究方向。8 0 年代初，随着大量采用电子技术的家用电 器面市，开始出现称之为住宅电子化( h e ，h o m ee l e c t r o n i c s ) 的概 念；8 0 年代中期，将家用电器、通讯设备与安保防灾设备各自独立的 功能综合沩一体后，形成了住宅自动化( h a ，h o m ea u t o m a t i o n ) 的概念。8 0 年代末，由于通讯与信息技术的发展，出现了对住宅中各 种通讯、家电、安保设备通过总线技术进行监视、控制与管理的商用 系统，产生了住宅网络化( h n ，h o m en e t w o r k ) 概念。这在美国称 之为智慧屋( w h ，w is eh o u s e ) ，在欧洲称为时髦屋( s h ，s m a r t h o m e ) 。在此同时，美国电子工业协会于1 9 8 8 年编制了第一个适用于 家庭住宅的电气设计标准，即家庭自动化系统与通讯标准，也有人 称之为家庭总线系统标准( 耶，h o m eb u ss y s t e r n ) 。而日本建设省 在推进智能建筑概念时，以住宅的总线技术为契机，提出了家庭总线 浙江大学硕士学位论文 _ ， 一一 系统概念。邮政省与通产省也于1 9 8 6 年组织日本电子机械工业协会与 电子技术协会共同组建h b s 标准委员会，并在1 9 8 8 年9 且制定了h b s 标准。1 9 8 9 年初又在通产省、邮政省和建设省三个部的支持下，成立 了日本住宅信息化推进协会，并提出对所有住宅的信息管理采用超级 家庭总线技术( s h b s ，s u p e r h o m e b u ss y s t e m ) 。 在我国，智能住宅与智能住宅小区虽然起步比较晚，但发展速度 却很快。同时将智能小区和小区智能化网络作为主要的研究方向。8 0 年代以前，我国基本居住条件非常困难，电力极为紧张，住宅根本谈 不上智能化的问题。8 0 年代初所建成的住宅，其电气设计内容仅局限 在普通楼房的户内外照明，高层住宅增加高层供水的生活水泵控制系 统及消防泵控制系统。对于各用户电量的计量和收费，则采用由房管 部门或住户轮流抄表收费的方式；生活用水的计量则主要是按户或按 人口数收费。对于弱电系统，也是从8 0 年代开始才陆续设置电话配线 和公用电视天线系统。随着时间的推移，到了8 0 年代末和9 0 年代初， 我国家庭基本实现了电气化，住宅内的弱电系统也有所增加，如对讲 系统等等。9 0 年代末，电脑、有线电视、机顶盒、移动通讯等数字化 通讯产品开始走入我国的许多家庭，人们对住宅的功能、安全、舒适、 方便等性能提出了新的要求。为适应新的住宅需求，国家在2 0 0 0 年 小康型城乡住宅科技产业工程项目实施方案中，将建设智能化小康 示范小区列入国家重点发展方向，并于1 9 9 7 年初开始制定小康住宅 电气设计( 标准) 导则( 讨论稿) 。该导则规定了小康住宅电气设计 总体的五方面要求，即高度的安全性，舒适的生活环境，便利的通讯 方式，综合的信息服务和家庭智能化系统。l9 9 9 年年底开始，国家建 设部开始组织专家研讨我国智能住宅小区发展问题，并着手起草我国 第一部关于智能小区建设的具体技术和标准一全国住宅小区智能化 系统示范工程建设要点与技术导则( 试行稿) ，经过多次专家商榷， 于2 0 0 0 - 年7 月底正式出台，并于2 0 0 1 年4 月更名为国家康居示 范工程智能化系统示范小区建设要点与技术导则( 以下简称技术导 则) ，以便与国家相关康居工程其它相关文件和标准协调一致。该技术 导则明确规定了我国智能小区的分类方法和具体功能要求以及智能小 区建设的总体目标和实施原则，同时对小康住宅与小区建设在安全防 范、家庭设备自动化和通讯与网络配置等方面提出了三级设计标准， 即：第一级为“理想目标”，第二级为“普及目标”，第三级为“最低 目标”。 6 浙江大学硕士学位论文 近几年来，我国出现了不少与智能小区相关的系统和产品。例如， 1 9 9 8 年厦门市建坤实业公司开发了w d j 一6 住宅智能管理系统；】9 9 9 年深圳市住宅局对总建筑面积为8 0 万平方米的梅林一村，按照智能住 宅和智能住宅小区的概念进行规划建设；到了2 0 0 1 年，上海邮电二村、 上实花苑、创世纪花苑、万里小区等都初步建成了住宅小区智能化网 络。另外，哈尔滨盛世电子公司开发了多表抄录与家居报警系统，北 京保安电器厂也正式投产了c b b 三表户外计量保护箱，上海邮电智能 化系统集成公司开发了家用智能控制器，温州市江南电器有限公司推 出了耗能微机抄收系统，北京奇艺新技术公司推出电脑家庭自控系统， 上海惠源科技发展有限公司开发并大量投产家庭智能化系统等等。 从目前发展的现状看，这些系统和产品的技术应用可归纳为以下 三类。第一类，完全借鉴国外成熟的家庭总线技术，开发家庭住宅智 能化产品，如家庭智能控制器等。这类产品适合于单个住户使用，而 对于在住宅小区智能化网络中的应用不合适。第二类，利用r s 2 3 2 或 r s 4 8 5 的总线技术，构建单功能的安防或三表计量系统，如对讲防盗 系统，耗能微机抄收系统等等。这类产品初步满足了小区智能化要求， 但只符合前面提到的“技术导则”中的第三级“最低目标”的要求。 第三类，则利用智能建筑网络技术，将智能建筑中广泛应用的5 a 技 术搬到智能小区底层网络中。由于智能建筑网络的复杂性，造成构建 整个智能小区系统所需昂贵的建设成本，故不适合在国内大面积推广。 所以如何遵循“技术导则”的要求，构建第二级“普及目标”的小区 底层智能化网络系统，则为现阶段急需解决的问题，也就是本课题研 究的目标。 第三节，小区智能化系统的构成 从本质上说，小区智能化控制系统是在小区的机电设备控制系统、 现代管理系统和通讯系统的共同基础上，为适应自动化、信息化、智 能化的需求而发展起来的。建设智能小区的目的就在于实现小区物业 的高效管理，节约能源，保持和改善生态环境，满足人们现代生活需 要，为物业管理中心提供良好的管理与控制方式，为住户提供良好的 服务和交流手段。 7 浙江查兰塑主兰焦笙窒 一一一 小区智能化系统从操作对象的角度可分为三个子系统，即： ( 1 ) 住户安全与多表计量子系统 ( 2 ) 公共设旋监控子系统 ( 3 ) 公共信息子系统 住户安全与多表计量子系统通过物业管理中心、1 1 0 报警系统等 提供住宅小区内和家庭内的2 4 小时各种安全保障服务以及住户能耗自 动计量、传输和监控，一般包括以下几个分系统： ( 1 )住户报警呼救系统 ( 2 )对讲防盗门控制系统 ( 3 )多表的现场计量与远程传输系统 公共设施监控子系统通过物业管理中心和其它职能部门提供住宅 小区各种主要设备的运行状况监控，住宅小区日常事务管理。它一般 包括以下几个分系统： ( 1 )供电设备、公共照明、电梯、给排水设备的监控系统 ( 2 )出入口管理及周界防范报警系统 ( 3 )保安巡更管理系统 ( 4 )车辆出入与停车场管理系统 公共信息网络子系统主要用于构成系统网络通讯平台，提供信息 通道。它一般包括以下几个分系统： ( 1 ) 电话闭路电视网系统 ( 2 ) 高速宽带数据网系统 ( 3 ) 紧急广播与背景音乐系统 需要指出的是，这三个子系统可能同时存在，也可能不同时存在， 这视系统要求而定。就住宅小区而言，住宅报警与多表的现场计量和 远程传输是其两项重要功能，是系统中最为基础的模块。两项工作对 8 淅江大学硕士学位论文 象相同，较可能实现合为一，建立综合住户报警与计量系统。可视 对讲与防盗门控系统一般采用独立系统，成熟的产品很多。出入l j 周 界防范、巡更管理、停车场管理经常采用独立的子系统，而公共设备 ( 例如水泵、水箱、机房等等) 监控则可以采用住户报警与计量系统 的扩展而成。这样简化了公共设备监控方法和成本。电话闭路电视和 高速数据网子系统均需单独布线建设。紧急广播和背景音乐系统由物 业管理中心计算机直接控制。不难看出，实现住户报警与计量系统是 构建任宅小区智能化系统中的关键的项。 小区智能化系统组成结构如图2 一l 所示。 图2 l 住宅小区智能化系统功能结构 9 浙江大学硕士学位论文 第三章现场总线和c a n 网络技术 第一节现场总线技术概况 现场总线( f ie l d b u s ) 是应用在控制现场、在微机化测量控制设 备之间实现双向串行多节点数字通讯的系统，也被称为开放式、数字 化、多点通讯的底层控制网络。它在制造业、流程工业、交通、楼宇 等方面的自动化系统中具有广泛的应用范围。 现场总线的核心是它的协议，而其协议是根据国际标准化组织的 o s i 参考模型制定的。o s i 参考模型最早是为通讯技术而开发的，是一 种开放的七层网络协议标准。其具体参考模型如表一i 。 七应用层 六表示层 五会话层 四传输层 三网络层 二 数据链路层 物理层 表3 一l 现场总线的o s i 参考模型 o s i 的网络管理是0 s i 参考模型的扩展部分，贯穿该结构的全部 七层，其作用是监视和控制网络资源的使用。对于现场总线而言，最 重要的是网络配置，系统管理通过支持网络管理信息和资源管理的数 据库，对整个系统实施管理。 现场总线的互联结构的应用与o s i 参考模型的应用是一样的，它 1 0 塑兰奎堂翌圭兰堡笙壅 _ _ - _ _ - - _ _ - d _ _ - _ h _ - - _ - _ _ 们都可用面对对象设计的概念来建立系统模型。通过这些模型，系统 设计人员可以对系统的控制功能有更清晰、全面的理解。 通过现场总线，控制节点相互连接起来。即通过对每台设备的功 能建立模型，使之成为相互独立的功能模块。现场中的控制功能由这 些功能块完成，而控制节点间的参数传递由这些功能块的互联完成。 因此，现场总线控制系统即是个开放通讯网络，又是种全分布控 制系统。这是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通讯、网络为 主耍内容的综合技术。 现场总线是新型自动化系统，又是低带宽的底层控制网络。它可 与因特网( i n t e r n e t ) 、局域网( l a n ) 相连，且位于现场控制和网络结 构的最底层，因而有人称之为底层网络。它作为网络系统最显著的特 征是具有开放统一的通讯协议。 从现场总线的定义和基本要求可以看出，现场总线技术的基本特 点是： 系统的开放性 互可操作性和互用性 现场设备的智能化与功能自制性 系统结构的高度分散性 对现场环境的适应性 自9 0 年代初以来，有几种现场总线技术已逐渐形成其影响并在一 些特定的应用领域显示自己的优势。它们具有各自的特点，也显示了 较强的生命力。对现场总线的发展已经发挥并将继续发挥较大作用。 下面简单介绍几种较为典型的现场总线技术。 p r o f i b u s 是有s ie m e n s 公司开发的在欧洲广泛流行的一种高层次 的总线标准通讯协议。p r o f i b u s 主要用于制造业的分布式控制，其数 据传输率和网络规模应使用场合不同而变化。p r o f i b u s 最大的特点是 它的灵活性，用户可以在网络中添加或删除站点而不必中断系统的运 行。 浙江大学硕士学位论文 夺f o u n d a t o i nf i e l d b u s f f 基金会现场总线是由现场总线基金会提供的一种全新概念的通 讯标准，主要用于工业过程控制和制造业自动化环境。开发和使用基 金会现场总线的目的和意义在于实现工业设备的互操作性和互替换 性，其在标准制定过程中使用了大量的新技术和概念，如基于面向对 象设计技术的功能模块和动态调度器概念等 l o n w o r k s l o n w o r k s 是e c h e l o i l 公司开发的数字通讯协议。该协议支持多种 低成本的通讯媒体，如双绞线、电力线、红外线、无线电射频、光纤 和同轴电缆等。l o n w o r k s 主要用于工厂自动化、楼宇自动化等，由于 它是一种基于嵌入式神经元芯片的总线技术，因此可以很容易地组成 对等主从式、决策设备传感器总线以及高水准的现场总线系统。当 用l o n w o r k s 组成一个客户机n 务器网络管理体系结构时，有极大的 潜力。 夺c a n c a n 是控制局域网络( c o n f r o la 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讯。 其总线规范已被i s 0 国际标准化组织制订为国际标准。由于得到 m o t 0 1 o l a ，i n t e l ，p h i l i p ，s ie m e n s ，n e c 等公司的支持，它广泛应 用于离散控制领域。c a n 协议也是建立在i s o 的开放系统互联模型的 基础上，不过，其模型结构只有两层，即只取0 s i 底层的物理层和数 据链路层。故其网络构造简单，性能价格比优。 c a n 的信号传输采用短帧结构，每帧的有效数字节数为8 个， 因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关 闭的功能，以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点极其通 讯不受影响，具有较强的抗干扰能力。 第二节研究现场总线的意义 近几年来，致力于智能楼宇控制和智能小区研究的人们一直关注 1 2 浙江大学硕士学位论文 着现场总线的发展，许多标准化团体都参与了现场总线技术标准的制 定和评估，更有许多企业正在设计和生产现场总线的产品。现场总线 如此热门，是因为它将实现现场级设备控制的革命性突破，带来现代 控制技术的飞跃，具有划时代的意义。 到目前为止，控制技术经历了两次飞跃，一次是五、六十年代的 电气传动控制发展到以模拟信号为主的电子装置和仪器控制技术，第 二次飞跃则是七、八十年代d c s ( 集散控制系统) 的出现，把分散的、 单回路的测量和控制系统利用计算机进行统一管理。d e s 系统用各种 输入输出功能卡代替了控制室仪表，利用计算机高速运算的强大功能 实现调节、运算、连锁、报警等功能，对控制技术的起到了极大的推 动作用。而现场总线技术的发展和成熟将带来第三次革命，将是二十 一世纪控制领域的主流技术。如图3 一l 所示： 。 1 9 4 01 9 6 01 0 8 02 0 0 0时间 图3 l 控制技术的发展 下面是现场总线的一些优点 节省硬件数量与投资 一节省安装费用 一节省维护开销 _ 用户具有高度的系统集成主动权 浙江大学硕士学位论文 _，q_一一 一提高了系统的准确性和可靠性 此外，由于它的设各标准化，功能模块化，因而还具有设计简单 易于重构等优点。 与传统分布式控制系统相比，现场总线更有优势如下( 见表3 2 ) 交互操作性可靠性经济性易于维护数字性 不同的信号数字总线使布线成容易判断信号处理 和仪表可以传输信本个维护故障所过程全部 交互操作。号，避免成本有所在，并具数字化， 现场总 用户可以自了大量电减少。备智能化可以实现 线控制 由选择不同缆的使的设备管高精度的 系统 厂家的硬件用，减少理功能。信号处 自由组合系了连线带理。 统。来的故 障。 点对点式的大量电缆布线成本故障原因半数字化 连接，不同连接i o和维护成较难判的信号处 传统分 的仪表间数接口，容本较高。断，设备理。可以 布式控 据无法进行易导致连分布较处理的信 制系统 沟通。不能接故障。广，无法号精度有 交互操作。实现系统限。 的智能管 理。 i i 表3 2 现场总线和传统分布式控制系统比较 1 4 浙江大学硕士学位论文 第三节c n 网络技术概述 、基本概念 c a n ( c 。n t r o l le ra r e an e t w o r k s ) 即控制器局域网络。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讯。 由于其高性能、高可靠性与独特的设计，c a n 越来越受到业界的重视， 其在国内外的应用范围也在不断的扩展。目前己不再局限于汽车行业， 而向过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、 医疗器械及楼字控制、智能住宅等领域发展。c a n 已经形成国际标准， 并被公认为几种最有前途的现场总线之一。 二、c a n 技术的特点 c a n 属于总线式串行通讯网络，由于采用了许多新技术和独特的 设计，与一般的通讯系统相比，c a n 总线的数据通讯具有突出的可靠 性、实时性和灵活性。其特点可概括如下： c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动的 向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通讯方式灵活，且 无需地址等节点信息。利用这一特点可方便的构成多机备份系 统。 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 需要，高优先级的数据最多可在l3 4us 内得到传输。 c a n 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的退出发送，而最高优先级 的节点可不受影响的继续传输数据，从而大大节省了总线冲突 仲裁时间。尤其在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪 的情况。 c a n 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广 播等几种方式传输数据，无需专门的“调度”。 c a n 的直接通讯距离最远可达l o k m ( 传输速率5 k b p s 以下) 通讯速率最高可达l m b p s ( 此时通讯距离最长为4 0 0 m ) 。 浙江大学硕士学位论文 c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达l l0 个； 报文标识符可达2 0 3 2 种( c a n 2 o a ) ，而扩展标准( c a n 2 ，o b ) 的报文标识符几乎不受限制。 采用短帧结构，传输时间短，受干扰率低，具有极好的检错效 果。 c a n 的每i 帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，保证了极低的 数据出错率。节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功 能，以使总线上其它节点的操作不受影响。 c a n 的通讯介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 第四节c n 网络协议 随着c a n 在各种领域的应用和推广，对其通讯格式的标准化提出 了要求。为此，l9 9 4 年9 月p h i l i p ss e m ic o t d u c t o r s 制定并发布了 c a n 技术规范( v e r s i o n2 0 ) 。该技术规范包括a 和b 两部分。2 o a 给出了c a n 报文标准格式，而2 o b 给出了标准和扩展两种格式。此后， 1 9 9 6 年1 1 月is o 正式颁布了道路交通运输工具数据信息交换一高 速通讯控制器局域网( c a n ) 国际标准i s o1 1 8 9 8 ，为控制器局域网的 标准化和规范化铺平了道路。 一、c a n 协议的分层结构 c a n 遵循l s o o s i 标准模型， 路层( 包括逻辑链路控制子层l l c 采用了全部七层中的两层：数据链 和媒体访问控制子层m a c ) 和物理 层，而在c a n 技术规范2 o a 中，l l c 和m a c 的服务和功能被描述为“目 标层”和“传送层”。c a n 的分层结构与功能如图3 - 2 所示： 1 6 塑婆奎兰塑主兰焦笙塞 一。 数据链路层 l l c 接受滤波 超载通知 恢复管理 m a c 数据封装拆装 帧编码( 填充解除填充) 媒体访问管理 错误检测 出错标定 应答 串行化解除串行化 物理层 p l s 位编码解码 位定时 同步 p m a 驱动器接收器特性 m d i 连接器 图3 - 2c a n 的分层结构 l l c 子层提供的功能包括：帧接收滤波、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，每个接收器通过帧接收滤波确定此 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f 帧，以延迟一个数据帧或远程帧。 1 7 浙江大学硕士学位论文 3 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 子层具有自动重发的功能。在发送完成前，帧发送服务不被用户认可。 m a c 予层是c a n 协议的核心，它描述由l l c 子层接收到的报文 和对l l c 子层发送的认可报文。m a c 子层由一被称为故障界定的管 理实体监控，它具有识别永久故障或短暂扰动的自检机制。在实际应 用中m a c 子层被划分为完全独立工作的两个部分，即发送部分和接 收部分，此二部分的功能如图3 3 ： l l c 子层 对l l c 子n - 的访问 。l 1r 发送数据封装接收数据封装 上t 发送媒体访问管理接收媒体访问管理 jl 对物理接口访问 发送数据解码接收数据解码 物理层信令 图3 - 3 媒体访问控制( m a c ) 功能 1 发送部分功能包括 ( 1 ) 发送数据封装： 口接收l l c 帧并接e l 控制信息： r n c r c 循环计算： e l 通过向l l c 帧附加s o f 、r t r 、保留位、a c k 、c r c 和e o f 构造m a c 帧。 ( 2 ) 发送媒体访问管理： 口确定总线空闲后，开始发送过程( 通过帧问空闲应答) 1 8 浙江大学硕士学位论文 m a c 帧串行化 插入填充位( 位填充) 在丢失仲裁的情况下，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 输出串行位流至物理层准备发送 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 构造出错帧并开始发送 确认超载条件 重激活超载帧结构并开始发送 ( 2 ) 接收数据卸装 口 由接收帧中去除m a c 特点信息 口输出l l c 帧和接口控制信息至l l c 子层 二、c a n 网络通讯协议 1 帧类型 c a n 总线控制器支持四种不同的c a n 协议帧类型： 数据帧：用于传输数据； 远地帧：用于请求数据； 错误指示帧：用于指示检测到的错误状态； 过载帧：用于后续帧的延时。 1 9 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 口 、 浙婆奎兰堡主兰堡笙塞 一一 2位表达 c a n 协议中，使用两种逻辑位表达方式： 当总线上的c a n 控制器发送的都是隐性位时，此时总线状态 是“隐性”( 逻辑1 ) ； 如果总线上有显性位出现，隐性位总是让位于显性位，即总 线上是“显性”状态( 逻辑0 ) 。 3数据帧 数据帧自一个发送节点携带数据至一个或多个接收节点。其由七 种不同的位域组成： 帧的起始域； 仲裁域； 控制域； 数据域( 长度可为0 ) ； c r c 域； 应答域； 帧的结束域。 4远地帧 c a n 网络上的个接收节点可以启动数据传输，方法是向网络发 一个远地帧，用标示符寻址数据发送源节点，且置相应帧的r t r 位为 高。 5 错误指示帧 错误指示帧由两个不同的域组成，第一个域反映来自控制器的错 误标志，第二个域为错误分界符。 6超载帧 超载帧由两个区域组成，超载标志及超载分界符，下述两种状态 将导致超载帧的发送： 接收方在接收一帧之前需要过多的时间处理当前的数据； 在帧问空隙域检测到显性位信号。 2 0 浙江大学硕士学位论文 7帧间空隙 数据帧及远地帧与其前面一帧信息包之间是帧间隙，它由帧间空 隙和总线空闲状态组成。 8错误检查 c a n 总线控制器错误检查分为：错误位，位填充错误，c r c 错误， 格式错误，应答错误。 9错误标志 检测到错误后，可发送错误标志，个主动错误标志可引起所有 其他节点发生填充错误，位错误或格式错误。 1 0 错误处理 长干扰与短干扰 当c a n 控制器接收到持续干扰时，必须通知外部m c u ，正常后， 又要通知m c u 返回正常操作。在长干扰期间，c a n 控制器进入总线 关闭状态，短干扰不会影响c a n 控制器的工作。 错误的本地处理 c a n 协议中定义了错误处理的原则，即最大限度的接近错误源， 最大限度的反应，最大限度的快速响应。因此错误大部分被本地处理， 而对整体的总线操作影响很小。 错误限制 c a n 控制器超过1 2 7 个错误点后进入被动错误状态，而之前为主 动错误状态：当发送错误超过2 5 5 个后，c a n 控制器进入总线关闭状 态。 - 第五节g a n 总线中位定时的设定方法 在c a n 总线技术应用中，我们发现位定时有一点小错误就会导致 总线性能严重下降。虽然在许多情况下，位同步会修补由于位定时设 置不当而产生的错误，但不能完全避免出错情况，并且在遇到两个或 浙江大学硕士学位论文 多个c a n 节点同时发送的情况时，错误的采样点会使节点启动错误认 可标志，使节点不能赢得总线上的任何活动。针对c a n 总线在课题研 制中遇到的问题，我们对c a n 总线中位定时的设定方法进行了研究。 为此，本节在对c a n 总线位定时中的位同步的运行规则以及如何对位 定时的参数设定加以分析讨论。 一、概述 c a n 总线的数据传输速率最高可达1 m b i t s ，通常用石英晶振作为 时钟发生器，可以独立进行位定时的参数设置，这样即使网络中节点 之间的时钟周期不一样仍可获得相同的位速率。但网络中晶振的频率 不是绝对稳定的，温度、电压以及器件的异常都会导致微小的差别， 但只要将其稳定在振荡器容差范围之内，总线上的节点会通过重同步 进行弥补。 c a n 总线的一个位时间可以分成四个部分：同步段，传播段，相位 段1 和相位段2 ，每段的时间份额的数目都是可以编程控制的，而时 间份额的大小t q 由系统时钟t s y s 和波特率预分频值b r p 决定： t q = b r p t s y s 。如图3 4 所示。 l 同步摩 侣时向短用位董冲蛊1用金董冲摩2 图3 - 4 位时间各组成部分 位时间各部分的参数参见表3 - 3 。 浙江大学硕士学位论文 参数范围说明 分频值 13 2 规定时间份额的长度 同步段l t q固定长度，同步总线节点 传播时间段 18 t q补偿总线物理延迟时间 相位缓冲段1 18 t q重同步时可以暂时延长 相位缓冲段2 1 8 t q重同步时可以暂时缩短 同步跳转宽度 14 t q长度小于相位缓冲段 二、同步段 表3 - 3 位时间的参数 ( 1 ) 同步段用于同步总线上的各个节点，在此段内期望有一个跳 变沿出现。如果跳变沿出现在同步段之外，那么沿与同步段之间的长 度叫做沿相位误差。采样点位于相位缓冲段l 的末尾和相位缓冲段2 开始处。 ( 2 ) 传播时间段用于补偿总线上信号传播时间和电子控制设备内 部的延迟时间。因此，要实现与位流发送节点的同步，接收节点必须 移相。c a n 总线非破坏性仲裁规定，发送位流的总线节点必须能够收 到同步于位流的c a n 总线节点发送的显性位。图3 - 5 显示了两个总线 节点的相移和传播段时间。 畸点b 曹点 因同步段口侄鹿 圆相位董冲废l 口角宦鬟砷废2 。 ： 。 苗点列t 的楚丑荨于昔点的曲曲延蟹尊线上的传麓时同昔点口的蕾八楚噩鲢量 传时向蛮 楚蛊j 拈+ l 最b 羁- 俺时问段一2 【昔点的麓出楚盈 兽建上的储时问酋点b 的铀人廷丑】 图3 5 两个总线节点的相移和传播段时间 2 3 浙江大学硕士学位论文 在这个例子里，节点a 和节点b 都是发送节点，因此总线要对两 个节点进行仲裁。节点a 比节点b 提前发送不到1 个位时间，当节点 b 收到延迟后的跳变沿时，b 节点要同步于a 节点，对位时间进行移相。 移相后节点b 发送的标识号有较高优先级，因此节点b 赢得总线的使 用权，如图节点b 发送的显性位经过延迟后到达节点a 。 因为存在振荡器容差，节点a 的采样点在相位缓冲段的位置是不 能确定的，所以节点b 发送的位流必须在a 节点的相位缓冲段1 开始 之前到达，因此传播时间段的长度将受到这个条件的限制。如果节点 b 发送一个隐性到显性的跳变沿，节点a 在相位缓冲段1 开始之后收 到，那么节点a 就有可能采样到一个隐性位，导致产生一个位错误。 这样的错误只要当两个节点都参与总线仲裁，且总线比较长，节点的 振荡器频率相差较大时就会出现。另外，我们在本课题实际应用中采 用了采样3 次的采样方式，即在相位缓冲段首尾以及相位缓冲段l 、2 的交界处各采样一次，并通过位定时逻辑确定位的正确值，这样就要 求额外的一个时间份额的延迟，因而需要更长的传播时问段。 三、相位缓冲段和同步 同步跳转宽度规定了重同步发生时采样点在相位缓冲段内移动的 距离。相位缓冲段和同步跳转宽度用来补偿振荡器容差，发生重同步 时相位缓冲段会被加长或缩短。当总线发生从隐性到显性跳变时，会 产生同步，其作用是控制沿与采样点之间的距离。总线节点在每个时 问份额