（电气工程专业论文）基于can总线技术的水控系统.pdf

w a t e rc o n t r o ls y s t e mb a s e do i lc a nb u s t e c h n o l o g y a b s t r a c t c a nb u st e c h n o l o g yh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt oi n d u s t r i a lc o n t r o l ， a u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s ，m e d i c a le q u i p m e n t ，s e c u r i t y ，n a v i g a t i o ne q u i p m e n ta n do t h e r a r e a s c a nb e c a u s eo fi t se x c e l l e n tr e l i a b i l i t ya n dr e a l - t i m e ，m a k i n gi tt h em o s t p r o m i s i n go n eo ft h ei n d u s t r i a lf i e l db u s a n dh a v eb e e np r o v i d e df o rt h ei n t e r n a t i o n a l o r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o nf o rt h ei s o 1 18 9 8i n t e m a t i o n a ls t a n d a r d s t h i si s s u ef r o mad o m e s t i ce n t e r p r i s e ，w a t e rc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ec a n b u st e c h n o l o g y ”i s s u e st ob ea d d r e s s e d c a nb u st e c h n o l o g yd e s i g n e dt ob eu s e di n w a t e rc o n t r o ls y s t e mi no r d e rt oi m p r o v et h et r a d i t i o n a lr s 4 8 5c o m m u n i c a t i o n s n e t w o r kp e r f o r m a n c ed e f i c i e n c i e s i nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o rf i r s ta n a l y z e st h er s 4 8 5b u s s h o r t c o m i n g si nt h e l a r g e - s c a l en e t w o r ka p p l i c a t i o n s ，a n dt h ea d v a n t a g e so fc a nb u st e c h n o l o g y a n d t h e ng i v e no v e r a l ls y s t e ms o l u t i o no f ”w a t e rc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ec a nb u s t e c h n o l o g y ”i n c l u d i n gt h ef r a m e w o r ko ft h en e t w o r k , s o f t w a r ea n dt h ep r o g r a mo f c a nn o d ed e s i g n t h i sa r t i c l ef o c u s e so nt h ed e s i g no fc a nn e t w o r ka n dc a nn o d eh a r d w a r e s o f t w a r ed e s i g n ，a sw e l la sc a n a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o ld e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：c a nb u s , w a t e rc o n t r o ls y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，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，也不包含为获得 佥魍王些太堂 或其他教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对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：玟弓少 签字日移助铲年，月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金起王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权尘 墨兰些盔堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 锄易 签字日期：毋踢年t f 月f 7 日 学位论文作者毕业后去向： 一位：扣芳均笏槲秀弘 通讯地址： 导师签名： 玉彳强 签字日期：嘲年l - 月7 日 电话： 邮编： 致谢 本文是在我的校内导师王华强教授和企业导师孟昭玉高级工程师的热情关 怀和悉心指导下完成的，两位导师高尚的人格，严谨的治学态度，渊博的学识， 令我受益匪浅。在论文进展过程中，时时得到他们无私的帮助。在此，谨向我的 两位导师表示最诚挚的谢意! 在论文撰写过程中，我还得到了课题组成员康金讲师、邓立新副教授和邹振 春教授的支持和指导，以及承德新龙电子有限公司管理人员和技术人员的大力协 助，为我完成本论文提供了相当有价值的参考资料，在此也向他们表示衷心的感 谢! 此外，我还要感谢数年来默默为我奉献并鼓励我克服困难完成学业的同事、 家人和朋友，我的论文凝聚着他们的大量心血! 甄玉杰 2 0 0 8 年l o 月 第一章绪论 1 1 引言 随着水资源的日益短缺，节水已成为各个用水单位乃至整个国家的重要课 题。我国一直以来在用水方面存在着巨大浪费。这既有政策方面的问题也有技术 层面的问题。随着计算机、微电子以及工业数据通信技术的发展，技术层面的问 题可依托这些现有的成熟技术得以较好的解决。 现在的很多学校、企业已逐步建立起一卡通平台，用各种i c 卡或磁卡完成 各种消费支付、身份认证等功能，实现整个平台数据的统一性和规范性，以提高 学校、企业的现代化管理水平，真正实现“一卡在手走遍全校”。 水控管理系统( 包括自来水、饮用开水、洗浴水的计费和支付以及数据核算) 是企业、学校一卡通系统的子系统。目前市场上的水控设备种类繁多，计费、支 付和消费数据回收方式也多种多样。网络形式多为r s 4 8 5 方式，由于r s 4 8 5 的 先天不足，导致整个系统的性能受到很大影响，有些较复杂的用户要求甚至无法 实现。 由于在可靠性、实时性和灵活性方面具有独特的技术优势，c a n 总线技术 已经成功地应用到很多领域，例如高速列车、汽车、航海、工业控制等。c a n 己成为国际标准( i s 0 1 1 8 9 8 标准) 。国内基于c a n 总线技术的应用也在日益普 及。将c a n 总线技术应用到水控系统是本课题的主要内容。 1 2c a n 总线技术国内外应用现状及发展趋势 1 2 1c a n 总线技术国内外应用现状 “今天，在欧洲几乎每一辆新客车中均装配有c a n 局域网。”从上面这句话 中我们可以窥见c a n 总线技术发展之一斑。2 0 0 0 年市场销售了超过1 亿个c a n 器件，可见c a n 总线应用之广泛。c a n 总线技术能够被全世界的汽车厂商接受， 几乎垄断性地占据了对可靠性要求极高的汽车电控系统市场，这本身就是对 c a n 总线技术最具说服力的肯定。 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 是控制器局域网的简称，是德国b o s c h 公司字 1 9 8 6 年为解决数据交换问题而开发的一种串行数据通信总线。已被列为i s o 国 际标准，称为i s 0 118 9 8 。c a n 的基本协议包括物理层协议和数据链路层协议。 由于在可靠性、实时性和灵活性方面具有独特的技术优势，目前已经被广泛用于 汽车、高速列车、航海设备、机器人、智能楼字、机械制造、液压传动、消防管 理、自动化仪表等各个领域，成为工业数据通信的主流技术之一。 由于c a n 总线被越来越多不同领域采用和推广，导致要求不同应用领域通 信报文的标准化。为此，1 9 9 1 年9 月p h l i p ss e m i c o n 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 n 2 o ) 。该技术规范包括a 和b 两部分。2 0 a 给出了曾在c a n 技术规范版本1 2 中定义的c a n 报文格式，2 0 b 给出了标准的和扩展的两种报 文格式。此后，1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运输工具一数字信息交换 一高速通信控制器局部网( c a n ) 国际标准( i s o l l 8 9 1 ) ，为控制器局部网标准 化，规范化推广铺平了道路。 c a n 总线开发系统廉价，许多国际上大的半导体厂商也积极开发出支持 c a n 总线的专用芯片，其中有智能c a n 芯片，也有非智能c a n 控制器、收发 器。m o t o r o l a 公司生产了m c 6 8 h c 0 5 x 4 是在6 8 h c 0 5 微控制器上加入了c a n 模块，也称为m c a n 。p h i l i p s 公司生产了p s x c 5 9 2 微控制器上集成了c a n 控 制器取代了原来的1 2 c 串行口。p h i l i p s 还生产8 2 c 2 0 0 独立c a n 控制器、8 2 c 1 5 0 即c a n 串行链接y o 器件、8 2 c 2 5 0 c a n 收发器、p s x c e 5 9 8 带有集成c a n 接 口的电磁兼容微控制器。i n t e l 公司生产了8 2 5 2 7 独立c a n 控制器，它可通过并 行总线与各种微控制器连结，也可通过串口( s p i ) 与无并行总线控制器如 m 6 8 h c 0 5 连接。 c a n 只定义了o s i 参考模型的物理层和链路层，并未定义应用层协议。c a n 的应用层协议目前尚无统一的标准，d e v i c en e t 和c a n o p c n 是目前流行欧美的 两种最有影响力的c a n 高层协议。 1 2 1 1c a n o p e n 19 9 3 年由b o s c h 领导的欧洲c a n b u s 协会开始研究基于c a n b u s 通讯系 统管理方面的原型，由此发展成为c a n o p e n 协议。这是一个基于c a l ( c a n a p p l i c a t i o nl a y e r ) 的子协议。其后c a n o p e n 协议被移交给c i a ( c a n i n a u t o m a t i o n ) 协会，由c i a 协会管理维护与发展。至2 0 0 0 年，c a n o p e n 协议已 成为全欧洲最重要的嵌入式网络标准。在c i a 的努力推广下，c a n 技术在汽车 电子控制系统、电梯控制系统、安全监控系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输 等方面均得到了广泛的应用。 c a n o p e n 不仅定义了应用层和通讯子协议，也为可编程系统、不同器件、 接口应用、子协议定义了页帧状态，这也就是工业领域比如打印机、海事应用、 医疗系统使用c a n o p e n 的一个重要原因。c a n o p e n 协议中设备建模是借助于 对象字典，而基于设备功能性的描述。这种方法广泛地符合于其他现场总线 i n t e r b u s s 、p r o f i b u s 等使用的设备描述形式。标准设备以设备子协议d e v i c e p r o f i l e 的形式规定。 】2 1 2d e v i c e n e t 是由a l l e n - b r a d l e y 公司开发的非常成熟的开放式网络。基于c a n 技术的 d e v i c e n e t 是一种低成本的通讯总线。它将工业设备，如限位开关、光电传感器、 阀组、马达启动器、过程传感器、变频驱动器、面板显示器和操作员接口等连接 到网络，从而消除了昂贵的硬接线成本。直接互连性改善了设备间的通讯，并同 时提供了相当重要的设备级诊断功能。这是通过硬接线i o 接口很难实现的。同 2 时d e v i c e n e t 是一种简单的网络解决方案，它在提供多供货商同类部件间的可互 换性的同时，减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。 d e v i c e n e t 不仅仅使设备之间以一根电缆互相连接和通讯，更重要的是它给 系统所带来的设备级的诊断功能，该功能在传统的i o 上是很难实现的。 d e v i c e n e t 是一个开放的网络标准，规范和协议都是开放的。供货商将设备连接 到系统时无需为硬件软件或授权付费。任何对d e v i c e n e t 技术感兴趣的组织或个 人都可以从o d v a 协会获得d e v i c e n e t 规范，并可以加入o d v a ，参加对 d e v i c e n e t 规范进行增补的技术工作组。开发基于d e v i c e n e t 的产品必须遵循 d e v i c e n e t 规范，d e v i c e n e t 规范分p a r t i 、p a r t i i 两部分。用户可以从o d v a 协会寻找关于d e v i c e n e t 开发源代码的信息，基于c a n - b u s 的硬件则可以从 p h i l p s ，i n t e l 等半导体供货商那里获得。 到1 9 9 7 年底，d e v i c e n e t 已有1 6 万个以上经过验证的节点。2 0 0 0 年d e v i c e n e t 节点已有超过3 0 0 万。o d v a ( o p e nd e v i e e n e tv e n d o ra s s o c i a t i o n ) 协会的会员 数目已经达到2 1 8 个。在工业市场中已有1 4 9 8 个注册的符合d e v i c e n e t 协议标 准的产品。目前d e v i c e n e t 的应用包括汽车电子、半导体芯片制造、电子产品制 造、食品和饮料批量生产、化学处理生产、装配包装和物料转移等。 d e v i c e n e t 在我国的发展速度也是非常块的。至2 0 0 3 年7 月o d v a 协会在 中国的会员已经达到4 1 个。d e v i c e n e t 也在中国建立了许多各行业的应用。众 多大型企业均开始将d e v i c e n e t 应用到自己的主流产品或生产过程中。例如上海 通用汽车就将d e v i c e t n e t 引进到自己地汽车生产线，相信随着c a n b u s 技术的 进一步完善和推广，d e v i c e n e t 有相当可观的应用前景。 1 2 1 3s a e j l 9 3 9 j 1 9 3 9 协议是目前在大型汽车中应用最广泛的应用层协议，可达到2 5 0 k b p s 的通讯速率。j 1 9 3 9 协议由美国s a e ( s o c i e t yo f a u t o m o t i v ee n g i n e e r ) 组织维护和 推广。j 1 9 3 9 协议具有如下特点：( 1 ) 以c a n 2 0 b 协议为基础，物理层标准与 i s 0 11 8 9 8 规范兼容并采用符合该规范的c a n 控制器及收发器。通讯速率最高可 达到2 5 0 k b p s 。( 2 ) 采用p d u ( p r o t o c o ld a t a u n i t 协议数据单元) 传送信息，每个p d u 相当于c a n 协议中的一帧。由于每个c a n 帧最多可传输8 个字节数据，因此 p d u 的传输具有很高的实时性。( 3 ) 利用c a n 2 0 b 扩展帧格式的2 9 位标志符定 义每一个p d u 的含义以及该p d u 的优先级。( 4 ) j 1 9 3 9 协议主要作为汽车中应 用的通讯协议，对汽车中应用到的各类参数都进行了规定。参数的规定符合 i s o l1 9 9 2 标准。 1 2 2c a n 总线技术发展动态 c a n 的本质是一种事件驱动的协议，信息传输时间的不确定性和优先级反 转是它固有的缺陷。当总线上传输消息密度较小时，这些缺陷对系统的实时性影 响较小；但随着在总线上传输消息密度的增加，系统实时性能会急剧下降。在高 安全性的系统中，c a n 缺乏必要的决定性、同步性和容错性。 因此人们开始为线控汽车设计满足安全性要求的新一代汽车主干通信网络。 t t c a n 、f l e x r a y 和t t p 就是其中的主要代表，它们无例外地都采用了时间 驱动的机制。在时间驱动的系统里，信息的发送由预先设立好的时间表确定，所 有的节点都知道什么时间该发送，什么时间该收取；信息收发的不确定性仅仅是 时间同步的误差，而这个误差通常可以控制在非常小的范围内。这一特点使时间 驱动的通信网络成为线控汽车通信网络的必然选择。 t t c a n 由c a n 发展而来，数据格式和c a n 兼容。它定义了一个时间周期， 在此周期内又有多个时间间隔，有些时间间隔专用于特定的网络节点( 无需仲 裁) ，其余间隔类似普通的c a n 协议。其特点是保留了和传统c a n 网络的兼容， 同时又具有时间驱动的优点。然而，t t c a n 不能提供比c a n 更高的传输速率， 在容错性方面也没有明确的设计说明。 f l e x r a y 协议将其时间周期分为静态段和动态段两个部分。静态段采用 t d m a 方式传输时间驱动类型的数据，动态段采用m i n i s l o t 方式传输事件驱动 类型的数据。在安全性方面，f l e x r a y 采用冗余通道的方式确保数据正确传输， 而其它的容错机制并没有直接在协议中明确说明，而交由应用提供者自己设计。 这种方法有很大的设计灵活性，然而会由此产生安全隐患以及兼容性问题。 1 _ 阻协议对所有的节点采用t d m a 的网络通道分配方式，即所有节点在一 个周期内都会传输数据至少一次。整个系统采用统一的时间标准，所有的节点都 存有预先定义的时间表，一旦传输数据和时间表发生冲突则认为节点错误。只要 一个节点有一次错误，那末该节点将退出通信网络，确保网络不受错误节点的干 扰。t t p 将网络成员检查服务也定义在协议中，确保网络中没有可疑的节点。这 些虽然限制了该协议的灵活性，但确保了它的高安全性。 m 蛆 n e 曲 1 1 1 俦瓣( 脚s ) 15 惴擗平均每包数据( 8 b y t e s )平 1 8 每包数据( 2 5 4 b y t e s )平均每包数据( 2 4 0 b y t e s ) 有 有5 b 外e s 冗余数据 有8 b y t e s 冗余数据4 b y t e s 冗余黼 1 5 b i t sc 磁+ 皿2 4 b i t s ，僦；七1 6 b i t s可删6 92 4 b i t zc r c + i ! c k n a c k h e a c l e tc r c 其他协议瞻务主机时阔步 分布时间同步；慧线监视分布时间步；节点总线监视器； 器；双线磁；网络成员检查；双i 礞； 典蝴小于1 0 个e c u 的删概念上支持线控系统( 尚未高安全线控系统，已绷于汽车和 陷见瓤用】艘溅 图卜1t t c a n 、f l e x r a y 和1 v r p 三种协议的比较 4 可以看到t t c a n 由于受到带宽等的限制，将不会在下一代线控汽车主干网 中占有主导地位。f l e x r a y 和t t p 都可以使用虚拟c a n 通道技术来兼容现有的 c a n 网络和器件，而两者在安全性和灵活性方面各有优缺点。因为汽车工业的 规模化和线控器件的兼容性，双标准并存的状况一定会影响下一代线控汽车的发 展。虽然有研究表明t t p 节点会具有更低的制造和实现成本，而且t t p 也已经 在汽车和航空业中得到应用，但是推广f l e x r a y 的企业巨头的影响力决不容忽 视。 1 3 论文的主要工作 ( 1 ) 水控系统的功能需求分析。 ( 2 ) 水控系统的技术方案设计。 ( 3 ) 根据水控系统的功能要求设计硬件系统，主要包括： c a n 节点的通讯接口电路设计、c a n 中继器的电路设计。 ( 4 ) 根据水控系统的功能要求设计软件系统，主要包括： c a n 节点的通信子程序设计、c a n 中继器软件设计、网络节点管理 和数据采集上位机软件设计。 ( 5 ) 设计基于c a n o p e n 标准的水控系统应用层协议。 第二章水控系统功能描述 2 1 水控系统的基本功能 水控系统的根本目的就是构建一个根据用户的不同身份实行用水计量和收 费结算的自动化管理系统。 以下是某医院“一卡通节水系统”的用户需求： 2 1 1 计量方式 ( 1 ) 单管洗浴水计量：对于单管恒温供水的洗浴终端要实现单管计量。单 管恒温供水的区域主要指职工公共浴室。每个终端包括读卡器、电磁阀( 或者电 动阀) 、流量计、手动阀门、喷头各一个。 ( 2 ) 双管计量：对于冷热水双管供水自行调温的洗浴终端，要实现冷水和 热水分别计量流量，流量数据传送存储功能。双管供水的区域主要是在各个科室 部门的分散浴室，同时也包括医院的一些双管供水的办公用水终端。所有双管供 水的浴室，需要持卡使用冷热水终端。每个终端包括读卡器一个、电磁阀( 或者 电动阀) 两个、流量计两个、手动阀门两个、喷头一个。 ( 3 ) 单管自来水计量：保洁员专用水龙头、部门用水计量 ( 4 ) 单管开水计量：均为刷卡终端。 ( 5 ) 计量精度：系统要求同时对冷水管、热水管和开水都能进行计量和控 制，计算机存储的各种用水数据的计量精度要达到o 1 升。 2 1 2 用户分类： 用户分类是为了实现不同身份的人和部门的用水按照相应的标准进行管理。 ( 1 ) 病人标准：住院病人，每天提供免费洗浴用水5 0 公斤( 自来水2 0 公 斤，生活热水3 0 公斤) ，提供饮用开水2 公斤，按日提供，不能提前预支，前一 日的余额不能依然作为免费指标累计到次日，但是可以折算成成本价格有偿使 用。 ( 2 ) 职工标准：在岗职工，每天提供免费洗浴用水5 0 公斤( 自来水2 0 公 斤，生活热水3 0 公斤) ，提供饮用开水2 公斤，按月提供，可以提前预支，但是 每月总用水量不超过1 5 6 吨，自己灵活安排。前一个月的余额不能依然作为免 费指标累计到下一个月，但是可以折算成成本价格有偿使用。 ( 3 ) 其他人员标准：院内其他工作人员，在公共浴室洗浴每天提供收费洗 浴用水5 0 公斤( 自来水2 0 公斤、生活热水3 0 公斤) ，提供收费饮用开水2 公斤。 自来水收费标准为每吨6 元：生活热水收费标准为每吨1 2 元：开水收费标准为 每吨6 0 元。前一日的余额不能按照相同的计费标准累计到次日，但是可以折算 成成本价格有偿使用。 6 2 1 3 水费核算 ( 1 ) 超标计价标准：自来水、生活热水和饮用开水的使用量超过前面的设 定指标后的部分，采取阶梯计价的方法进行收费控制，超出指标1 0 的部分按照 两倍价格收费，超出指标1 0 2 0 的部分按照三倍价格收费，超过指标2 0 以上 的部分都按照四倍价格收费。针对病人的用水收费标准在物价报批之前，可以先 计量不收费。 ( 2 ) 标准功能设置：各种用水指标和阶梯计价收费标准可以按照国家或者 医院的政策调整。 ( 3 ) 办公用水计量计价：对于保洁、绿化、临床科室、医技科室、实验室 及其他部门等的办公业务用水，按照终端计量统计结果和各种水价进行成本核 算。 2 1 4 通信网络功能 水控系统中所有水控终端节点和计算机必须联网管理，水控终端节点数量 约3 0 0 0 个左右，通信距离最长为3 k m 左右。 2 2 系统解决方案 2 1 1 原则： 水控终端只负责计量用水量( 除身份识别外) 、记录消费时间、用户账号、 水类型、账户类型、控制器号等信息，将上述数据形成消费流水数据经c a n 网 络上传至中心数据库，由终端软件负责进行数据统计及水费核算。 2 1 2 系统网络结构 系统网络结构分为两级：底层水控终端的互连采用c a n 网络，作为水控终 端节点与各二级服务器( 数据采集计算机) 之间实现节点管理、参数配置、消费 流水数据等信息的传送通道。通信电缆采用1 i i l i i l 2 的屏蔽双绞线，通信距离最长 3 k m ；上层数据网络为千兆以太网，用于连接各二级服务器和主数据库服务器， 以实现数据统计结算、用户卡片管理等、用户消费查询等功能。 各二级服务器( 下图门诊、住院处、后勤等处的) 实际上起到网关的作用， 一方面通过c a n 网络与水控终端通信，实现底层网络的数据传送，另一方面各 二级服务器通过以太网与主服务器相连，实现配置参数的下载、消费流水数据的 上传和各种查询。 7 幽2 1 系统网络结构 2 1 3 系统软件框架 i j j 十这个水摔系统功能较为复杂，网络规模较大，所以整个系统的软件设 来_ l l j 模块化结构，整个软件系统由以下几部分组成，水控终端软件，数据采集及 终端管理软件，用户管理软件乍h 初始化软件，卜数据库取机热备软件等。 其中水控终端软件和数据采集及终端管理软件将涉及到c a n 通信技术，足 奉课题重点论述的内容。 水控终端软件主要实现用户身份识别，水量计费，信息显示等功能，终端是 基于s t c 8 9 c 5 8 r d + 的单片机系统，其软件系统采用了c5 1 编写，其中c a n 通 汛程序的设训以及对c a n 通信控制器s j a l 0 0 0 的操作，足本课题将要重点介绀 的内容。 数据采集及终端管理软什足在二级服务器上运行的上位机程序，它方面通 过c a n 嘲络与水摔终端相连，另一方面通过1 0 0 0 兆咀太网与卡数据库相连。实 现通讯管理，系统参数配置，消费数据采集等一系列功能，它起着上传r 返的作 用，是粘个系统的数据传送枢纽。这个软件将对p c i 9 8 1 0 c a n 接口卡操作，实 现c a n 通信，设程序采用d e l p h l 70 编写。 局域( 以太) 网络 教据转 储软件 骅剧黠单 c a n 网络 数据采集 及终端管 理软件 水控终端 模块软件 水控终端 模块软件 水控终端 模块软件 图2 - 2 系统软件框架 2 1 4 水控终端设计功能 终端类型被描述为以下三种类型： ( 1 ) 终端设备类型： 刷卡终端、远传计量终端、门禁终端 ( 2 ) 终端计量类型： 自来水、生活热水、开水、恒温洗浴水 ( 3 ) 终端账户类型： 公共账户终端、个人消费终端 所有水控终端设备均可用上述三种类型组合描述。例如分布在各科室的自 来水龙头，可定义为：公共账户的自来水刷卡终端；又如绿化处的绿化用水喷头 可定义为公共账户自来水远传计量终端；又如公共浴池的喷头可定义为个人消费 恒温洗浴水刷卡终端等。 2 1 5 水控终端主要技术指标 卡类型：m f i ； 供电：8 3 0 v d c ： 输入：两路韦根信号输入； 输出：d c 5 v 8 0 0 a ； 消费记录存储容量：2 0 0 0 条 黑( 白) 名单容量：2 5 6 0 0 0 个； 通信接口：c a n2 0 b ，速率2 0 k b p s ： 显示：6 位其段数码管；带实时钟( 配钮扣电池) ； 9 第三章c a n 总线技术概要 3 】c a n 通信模型 ( d a n 定义了 s o l o s 模型的培_ | f f j i 的两层，如f 图所示，叩数据物理压和刮 蹄联l 复堠义细分为i i 象联和传输崖) 。应用胺协议i ，t 山用户“己定义。传输层 是c a n 汕、议的核心，它把接收到的报文提供给对象层，以及拨收柬口对象层的 搬文，传输脏负责位定时及同步、搬文分帧、仲栽、应答、错误检测和杯定、战 障界定。 7l a 悖r o g a d p i c a u o n 嚣端嘲麟嘲疆豳弱鸶镕雾 j 图 、燃| 霾雾墼雾 d e f i n e db y 、n 黧 嘲 | 、j l 一 、 一 、 、 、 、 、 f l g u r e2 ：d l f f e r e n t l a lb u s 图3 - 2c a n 差分电平 差分的电压使得c a n 网络即使在一条信号线断开或者在嗓声极大的环境中 也能够工作。只需要一对双绞线，差分的c a n 输入就能够很有效地抵偿噪音。 c a n 总线收发器提供接口把t t l 逻辑电平转换成c a n 要求的电平。 c a nb u 8 图3 - 3c a n 物理层的电气连接 3 3c a n 数据链路层机制 在c a n 总线中有四种报文形式： 带有应用数据的数据帧；向网络请求数据的远程帧：能够报告每个节点错误 的出错帧；如果节点的接收器电路尚未准备好就会延迟传送的过载帧； ( 1 ) 数据帧：数据帧携带数据从发送节点至接收节点。 数据帧由7 个不同的位场组成： 帧起始、仲裁场、控制场、数据场、c r c 场、应答场、帧结尾。数据场的 长度可以为0 。 表3 1c a n 2 0 a 数据帧的标准格式 帧起始 11 位 4 位0 - - 8 字节 ( 1 隐性位) 标识符 d l c的数据场 c r c 序n + c r c 界定 a c k 间隙+ a c k 界 帧结尾 + f 盯r 符定符 仲裁场控制场数据场c r c 场应答场 值得注意的是：c a n 报文中是不含源地址和目标地址的，它靠仲裁场中的 标志符i d 指示报文帧的功能和优先级，网络中任何对该报文感兴趣的节点都可 接收报文。在c a n 2 0 a 版本中，标志符m 为1 1 位；c a n 2 0 b 版本中支持1 l 位标志符和2 9 位标志符，分别称为标准帧和扩展帧。c a n 2 0 b 标准帧和扩展帧 的结构如图6 1 5 。 c a n 2 0 b 标准帧 c a n 标准帧信息为1 1 个字节i 包丰再两部分：信息和数据部分前3 个字节为信息部分 、 7 l 6 i 5 i 4 3 i 2l o 字节1 f f l r t r l x i x d l c ( 数据长度) 字节2( 报文识别码) i d 1 0 i d 3 字节3i d 2 - i d 0 i xx i xxx 字节4数据1 字节5数据2 字节6数据3 字节7数据4 字节8数据5 字节9数据6 字节1 0数据7 字节1 1教据8 字节1 为帧信息第7 位( f f ) 表示帧格式在标准帧中，f e = 0 a 第6 位( r t r ) 表示帧的 类翌r t r = = 0 表示为数据帧- r t r , , 1 裘示为近程帧：d l c 表示在数据帧时宴际的虢据长度- 字节2 ，3 为报文讽别码，1 1 位有效 字节4 , , - , 1 1 为数据馈的实际数据远程帧时无效 图3 4c a n 2 0 1 3 标准帧 1 2 c a n 2 o b 扩展帧 c a n 扩展帧信息为1 3 个字节包括两都分信息和敦据部分前5 个字节为信息部分 7 l 6 5 4321 l 0 字节1 f f i r t exxd l c ( 数据长度) 字节2 ( 报文识别码) j d 2 8 i d 2 l 字节31 1 2 i 2 0 - i d 1 3 字节4 i d 1 2 - i d s 字节s i d 4 一i d 0 x l 字节6 t 数据1 字节7 数据2 字节8数据3 字节9数据4 字节1 0数裾5 字节1 1数据6 字节1 2致据7 字节1 3 数据8 。 字节1 为帧信息第7 位( f f ) 袅示帧格式在扩展帧中f f = l ；第6 位( 灯r ) 表示帧 的类型- r t r , , 0 袭示为数据帧- r t r - i 表示为远程帧：d l c 表示在数据帧时实际的数据长度- 字节2 5 为报文识别码其高2 9 位有效- 字节6 1 3 为数据赖的实际数据远程帧时无效 图3 - 5c a n 2 0 b 扩展帧 当节点接收到一个报文，将标识符与验收滤波器或者用户在c a n 控制器定 义的标识符列表相比较，如果标识符通过了验收过滤器或者与列表的标识符匹 配，它就会被节点接收，并产生c p u 中断。因而相同的报文能够被设计者要求 的所有节点接收。标识符的编号越低，报文的优先权就越高。标识符后面是控制 场，控制场的主要作用是指示数据场长度，其中的4 位d l c 规定了数据场中字 节的数量；r t r 位主要用以区别数据帧和远程帧。 数据帧的r t r 位必为显性位，远程帧的r t r 位必为隐性位。剩下的场是由 c a n 控制器产生，包含了1 5 位循环冗余检查c r c ( 对前面的场位进行计算得出) 和一个应答隙( a c k 场) 。 应答隙是报文包中的一个间隙，它允许一个已经正确接收报文的节点插入一 个应答( 发送器发送的数据帧报文的应答场是连续两个隐性位，某一个正确接收 到报文的接收器会将应答场的第一个隐性位改写成显性位，这个显性位处于第二 个隐性位和其前的c r c 界定符的包围中，形成一个应答间隙) ，这等于告诉了发 送器报文已经被正确接收。如果发送节点没有得到应答，它会继续重新发送报文 直到得到应答为止。 ( 2 ) 远程帧： 总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。通过发送远程帧， 作为某数据接收器的节点可通过向其需要的数据源节点发送一个远程帧来激活 该数据源。 远程帧由6 个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、c r c 场、应答 场、帧末尾。 与数据帧相反，远程帧的r t r 位是“隐性”的。它没有数据场，数据长度代 码的数值是不受制约的( 可以标注为容许范围里0 8 的任何数值) 。 c a n 节点可以发送一个数据请求到特定的地址，远程发送请求r t r 位定义 了报文的类型是请求发送数据还是发送实际数据，数据长度代码告诉接收器，报 文里面包含了多少个数据字节。如果是数据请求，则没有数据字节随传，那么数 据长度代码就不会与数据字节数有直接关系。 ( 3 ) 错误帧： 任何单元检测到一个总线错误就发出错误帧。错误帧由两个不同的场组成。 第一个场用作为不同站提供的错误标志( e m 的rf l a g ) 的叠加。第二个场是 错误界定符。为了能正确地终止错误帧，一“错误被动”的节点要求总线至少有长 度为3 个位时间的总线空闲( 如果“错误被动”的接收器有本地错误的话) 。因此， 总线的载荷不应为1 0 0 。 有两种形式的错误标志，主动错误标志( a c t i v ee r r o rf l a g ) 和被动错误标志 ( p a s s i v ee r r o rf l a g ) 。主动错误标志由6 个连续的“显性”位组成。被动错误标志 由6 个连续的“隐性”的位组成，除非被其他节点的“显性”位重写。 检测到错误条件的“错误主动”的站通过发送主动错误标志，以指示错误。错 误标志的形式破坏了从帧起始到c r c 界定符的位填充规则，或者破坏了应答场 或帧末尾场的固定形式。所有其他的站由此检测到错误条件并与此同时开始发送 错误标志。因此，“显性”位的序列导致一个结果，这个结果就是把各个单独站发 送的不同的错误标志叠加在一起。这个顺序的总长度最小为6 个位，最大为1 2 个位。 检测到错误条件的“错误被动”的站试图通过发送被动错误标志，以指示错 误。“错误被动”的站等待6 个相同极性的连续位( 这6 个位处于被动错误标志 的开始) 。当这6 个相同的位被检测到时，被动错误标志的发送就完成了。 错误界定符包括8 个“隐性”的位。错误标志传送了以后，每一站就发送“隐 性”的位并一直监视总线直到检测出一个“隐性”的位为止。然后就开始发送7 位 以上的“隐性”位。 远程请求帧是报文帧的简短形式。它用于向网络请求数据。传送数据请求的 标识符时，远程传输请求位r t r 要置位，与标识符相配的节点这时就会将请求 的数据用报文帧传送。有一点要注意的是d l c 在远程帧中并不是为零，而是被 设定成期望接收到的数据字节的数量。一股来说远程帧是用在低总线负荷的网络 中，这种情况下主机会向网络查询数据，这就简化了整个系统的设计，并避免了 1 4 总线冲突。以上的帧都服从位填充规则，这个规则中如果有超过五个连续的1 或 0 ，将插入一个极性相反位，以防止纯直流电平。 ( 4 ) 过载帧： 过载帧用以在先行的和后续的数据帧( 或远程帧) 之间提供一附加的延时。 过载帧包括两个位场：过载标志和过载界定符。有两种过载条件都会导致过载标 志的传送： 幸接收器的内部条件( 此接收器对于下一数据帧或远程帧要求一个延时) 。 间歇场期间检测到一“显性”位。 由过载条件l 而引发的过载帧只允许起始于所期望的间歇场的第一个位时 间开始。而由过载条件2 引发的过载帧应起始于所检测到“显性”位之后的位。通 常为了延时下一个数据帧或远程帧，两个过载帧都会产生。 过载标志：过载标志由6 个“显性”的位组成。过载标志的所有形式和主动 错误标志的一样。过载标志的形式破坏了间歇场的固定形式。因此，所有其他的 站都检测到一过载条件并与此同时发出过载标志。( 万一有的节点在间歇的第3 个位期间于本地检测到“显性”位，则其他的节点将不能正确地解释过载标志，而 是将这6 个“显性”位中的第一个位解释为帧的起始。这第6 个“显性”的位破坏 了产生错误条件的位填充的规则。) 过载界定符：过载界定符包括8 个“隐性”的位。过载界定符的形式和错误 界定符的形式一样。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”位的发送( 过渡形式) 。此时，总线上的每一个站完成了过载标志 的发送，并开始同时发送7 个以上的“隐性”位。 ( 5 ) c a n 的总线仲裁 c a n 总线物理层通常是双绞线。当逻辑1 被写进总线里，两条线的电平是 2 5 v ，并被定义为隐性位；当逻辑0 被写进总线里，一条线被上拉到为 5 v ( c a nh ) ，另一条线被下拉到地( c a nl ) ，这叫做显性位。但是如果显性位和 隐性位都被不同的节点同时写进总线里，总线显示显性位。所以显性位覆盖了隐 性位。这些都是c a n 网络冲突检测的基础。 当节点开始传送它们各自的报文时，标识符的每一个位都被写到总线里，而 且能够被每一个节点读回。如果一个节点写进了隐性位而读回显性位，它会知道 另一个较低标识符号码的( 高优先权) 节点正在访问总线，它会停止传送报文，并 继续接收更重要的报文。这种技术叫做”非破坏性逐位仲裁”。它保证了如果发送 一个高优先权报文，它将会赢得仲裁，并能够在一个保证的时间限度里到达它的 目的节点。这些都由系统设计者来控制。必须注意，如果两个节点用同样的标识 符发出数据，两个都会得到总线的仲裁并开始传输数据，在某一点数据会不同， 并产生错误，两个节点都会后退，并且重新开始整个传输过程。在最坏的情况下 它会锁死网络。 ( 6 ) c a n 的错误检测 c a n 协议有五种错误检测的方法，三个是报文级的，两个是位级的。如果 一个报文出错，那么错误检测的方法都能保证节点不接收这个报文，并产生一个 出错帧，使所有的帧都忽略它。并使发送节点重新发送这个报文。 报文级检查中包括c r c 检查和应答隙：1 5 位的c r c 给出了描述符场和数 据字节的c r c 。一旦这两部分的内容产生错误，通过比较c r c 就可发现。应 答场有两位，包括一个应答位和一个应答界定符。节点发送报文时，发送器将会 把一个隐性位放在应答场。任何一个正确接收报文的节点都会在应答场写一个显 性位，如果发送器在应答场没有读回一个显形位，它将产生一个出错帧，并重新 传送报文。 在报文级还有一个形式检查。它检查那些总是隐性位的报文场( 帧起始、帧 结束、应答界定符以及c r c 界定符位) 。如果检测到显性位就会产生错误。在 位级检查中，每一个位都由发送器监控。如果一个位被写进总线，但读到的是它 的反，错误就会产生。 最后的一种错误检测方法是通过位填充规则，当一个报文没有被填充，即如 果在逻辑电平相同的连续5 位后，下一位不是前面的反，则产生一个错误。活 动错误帧包括六个显性位，它们违背了位填充规则，所有的c a n 节点都认为它 是一个错误，并产生自己的错误帧。所以错误帧的长度可以在6 位和1 2 位之间。 错误帧后是8 位隐性位界定符场，而总线在重发被破坏的报文前是空闲的。报文 在被成功接收之前仍要争取仲裁。 ( 7 ) c a n 报文冲突的处理 c a n 的一个基本特征是越低的报文编号号码其优先权越高。一个标识符如 果全部是零的话，那么它具有最高优先权。因而如果两个节点同时开始传送报文， 第一个发送0 ，而另一个发送1 的话，那么第一个就能够先分配到c p u ，完成报 文发送。“非破坏性的逐位仲裁”和“每一个节点都具有监控自身发送行为的能 力”两种机制共同作用。所以如果一个发送器a 发送的报文被另一个发送器b 发 送的优先权更高的报文支配的话，发送器a 回读的报文和a 企