（检测技术与自动化装置专业论文）基于can总线的智能传感器在fcs船舶监控系统中的应用.pdf

论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人 或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的 启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签字：；酗牡日期：二竺丛单 论文使用授权性声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定。即： 学校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅或借阅；学校上 网公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其他复 制手段保留论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签字：卑柑导师签字 越日期：立笾出 上海海事大学硕士学位毕业论文 y 1 0 0 8 0 1 5 摘要 现场总线控制系统( f c s ) 是当今自动化技术领域发展的热点之一，它可以 实现真正的分散控制，具有开放性和互操作性等优点。从技术发展的角度来讲现 场总线控制系统必将会取代上一代集散式控制系统( d c s ) ，成为船舶机舱自动监 控系统的主流产品。 伴随现场总线技术而来的总线式智能传感器，它具有智能传感器的一切性 能，并相当于现场总线上的一个检测节点，十分方便与现场总线设备组成f c s 测控系统。网络化总线式智能传感器广泛应用于现场工业控制、远程监测和智能 建筑等领域，受到了全球各大厂商的广泛关注并开发了各自的现场总线技术，拥 有自己的市场份额。 针对f c s 船舶机舱监控的实际应用，本文主要研究设计了基于c a n 总线技 术的网络化智能传感器。以具有代表性的温度智能传感器为例，本文着重从硬件 和软件两部分来论述智能传感器开发平台的设计和实现。在硬件方面，论文对 a r m 核芯片l p c 2 1 1 9 的特性和管脚功能进行了分析说明，以模块化的设计方法将 硬件按功能分为几大模块分别设计，并且着重论述了c a n 总线接口的设计思想以 及l p c 2 1 1 9 开发过程中的注意事项；在软件方面，主要以l p c 2 1 1 9 的c a n 通信和 数据采集作为软件开发与调试的重点，以模块化的编程方法，完成数据采集、数 据处理、人机交换、总线通讯等功能。测试结果验证本温度智能传感器的性能良 好，达到了智能传感器模块的要求。 关键字：智能传感器、f c s 、c a n 总线、a r m 、l p c 2 1 1 9 第1 页 上海海事大学硕士学位毕业论文 a b s t r a c t ： n o w a d a y st h er e s e a r c ha b o u tf i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ( f c s ) h a sb e c o m eah o t p o i n ti nt h ef i e l do fa u t o m a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c hc a nr e a l i z et r e ed i s t r i b u t i o nc o n t r o l a n dh a st h eo p e n i n gm a n i p u l a t ea d v a n t a g e g e n e r a l l yaf c sc o n s i s t so fas e r i e so f i n t e l l i g e n tn o d ss u c ha ss e n s o r so ra c t u a t o r s t h ei n t e l l i g e n tf i e l d - b u ss e n s o r s ，k n o w na st h ei n t e l l i g e n tn e t w o r k i n gs e n s o r s ， c o u l db es i m p l ya n de a s i l yc o n n e c t e dw i t ho t h e rn o d st ob u i l du paf c s - t y p eo f m o n i t o r i n gs y s t e mf o rt h em a r i n ee n g i n er o o m t h en e t w o r k e di n t e l l i g e n tf i e l d b u s s e n s o r si se x t e n s i v e l ya p p l i e dt os u c hf i e l d sa st h ei n d u s t r i a lc o n t r 0 1 1 0 n g - d i s t a n c e m o n i t o r i n ga n di n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，h a sr e c e i v e dt h ee x t e n s i v ec o n c e mo fe v e r yl a r g e m a n u f a c t u r e r si nt h ew o r l da n dd e v e l o p e do n e so w nf i e l db u st e c h n o l o g y , h a v eo n e s o w nm a r k e ts h a r e i nt h i st h e s i s ，t h ed e s i g no fak i n do fi n t e l l i g e n tn e t w o r k i n gm e a s u r i n ga n d c o n t r o ls y s t e mi sp r e s e n t e df o rt h ea p p l i c a t i o n s , o ft h em a r i n ee n 【舀n er o o m s t h i s t h e s i si n t r o d u c e st h eo v e r a l ld e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tf i e l d b u ss e n s o r s ，e m p h a s i z e s o nt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fi tf r o mh a r d w a r ea n ds o f t w a r et w op a r t s i nh a r d w a r e ， a r mc o r el p c 2 1 1 9 sc h a r a c t e r i s t i c sa n df o o tf u n c t i o n sa r ed e t a i l e d t h eh a r d w a r ei s d i v i d e di n t os e v e r a lb i gm o d u l ef u n c t i o n a l l yt od e s i g ns e p a r a t e l yb yt h em o d u l a r i z e d d e s i g nm e t h o d a n dt h ed e s i g ni d e a so fi n t e l l i g e n tc a nf i e l d b u ss e n s o r sa n d 血e n o t e si nt h ec o a r s eo fd e v e l o p i n gl p c 2 1 1 9a r ed i s c u s s e d i ns o f t w a r e ，t h et h e s i st a k e s s o f t w a r ed e v e l o p m e n ta n dd e b u g g i n go fl p c 2 1 1 9a st h ek e yp o i n tm a i n l y , a c c o r d i n g t ot h ef u n c t i o nf i n i s h e db yi n t e l l i g e n tc a nf i e l d b u ss e n s o r sa n dt h er e a l i z a t i o no f h a r d w a r ec i r c u i t ，w i t hm o d u l a r i z e dp r o g r a m m i n gm e t h o d ，f i n i s h e ss u c hf u n c t i o n sa s d a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g ，m a n - m a c h i n ee x c h a n g i n g ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，e t c t e s tr e s u l t sp r o v et h ec a nf i e l d - b u ss e n s o r s ss o u n dd a t aa c q u i s i t i o np e r f o r m a n c e a n dj tm e e tt h er e q u i r e m e n to fs m a r ts e n s o rm o d u l e k e y w o r d ：i n t e l l i g e n tf i e l d - b u ss e n s o r s ，f c s ，c a nf i e l d - b u s ，a r m l p c 2 1 1 9 第2 页 上海海事大学硕士学位毕业论文 第一章绪论 1 1 应用于船舶监控的现场总线控制系统( f c s ) 1 1 1 现场总线控制系统( f c s ) 概述 现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向多节点数 字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。 现场总线技术是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与 计算机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发 展，而处于生产过程底层的测控自动化系统，采用一对一接线，用电压、电流的 模拟信号进行测量控制或采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统 ： 与外界之间的信息交换，使自动化系统成为信息“孤岛”。要实现整个企业的信 息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能 可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备间的多点 数据通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就 是在这种实际需要的驱动下应运而生的。 新型的现场总线控制系统突破了d c s 系统中通信由专用网络的封闭系统来 实现所造成的缺陷。把基于封闭、专用的解决方案变成基于公开化、标准化的解 决方案，即可以把来自不同厂商而遵循同一协议规范的自动化设备，通过现场总 线网络连接成系统，实现综合自动化的各种功能；同时把d c s 集中与分散相结合 的集散系统结构变成新型的全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依据现 场设备本身实现基本控制功能。 。 1 1 2 现场总线控制系统f c s 技术特点 开放性：现场总线控制系统( f c s ) 采用公开化的通信协议，遵守同一通信标 准的不同厂商的设备之间可以互连及实现信息交换。 互操作性：互操作性是指不同厂商的控制设备不仅可以互相通信，而且可以 统一组态，实现同一的控制策略和“即插即用”，不同厂商的性能相同的设备 可以互换。 灵活的网络拓扑结构：现场总线控制系统可以根据复杂的现场情况组成不同 的网络拓扑结构，如树型、星型、总线型和层次化网络结构等。 第5 页 上海海事大学硕士学位毕业论文 系统结构的高度分散型：现场设备本身属于智能化仪器，具有独立自动控制 的基本功能，从根本上改变了d c s 的集中与分散相结合的体系结构，形成了 一种全新的分布式控制系统，实现了控制功能的彻底分散，提高了控制系统 的可靠性，简化了控制系统的结构。 现场设备的高度智能化：传统的d c s 使用相对集中的控制站，其控制站由c p u 单元和输入输出单元等组成。现场总线控制系统则将d c s 的控制站功能彻 底分散到现场控制设备，仅靠现场总线设备就可以实现自动控制的基本功能， 如数据采集与补偿、p i d 运算和控制、设备自校验和自诊断等功能。系统的 操作员可以在控制室实现远程监控，设定或调整现场设备的运行参数，还能 借助现场设备的自诊断功能对故障进行定位和诊断。 对环境的高度适应性：现场总线是专为工业现场设计的，它可以使用双绞线、 同轴电缆、光缆、电力线和无线的方式来传送数据，具有很强的抗干扰能力。 常用的数据传输线是廉价的双绞线，并允许现场设备利用数据线进行供电， 还能满足本质安全防爆要求。 1 _ 1 3 一些有影响力的现场总线技术 8 0 年代末以来，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 用领域显示了自己的优势，它们包括：基金会现场总线( f f ) 、l o n w o r k s 、 p r o f i b u s 、c a n 和h a r t 等。 现场总线是当今自动化技术领域发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算 机局域网。它的出现工业控制技术领域又一个新时代的开始，并将对该领域的发 展产生重要影响。 1 1 4f c s 在船舶监控中的应用 目前，船舶上的机舱自动监控系统所采用的多为d c s 多微机分层监控系统， 这种系统存在着诸多弊端：1 、组网手段及网络结构不灵活，技术复杂，开发费 用高。2 、系统现场连线多，从传感器到检测分站线路上传输的是4 2 0 m a 的模 拟信号，在船舶机舱恶劣的现场环境下，很难克服环境对系统的影响。3 、组成 网络的设备互操作性差。由于不同厂家的产品，遵循的不是统一的标准，不能集 成在同一个系统中，使系统的维护和扩展难度较大。4 、作为数据通信转发站的 中间层，是整个系统信息通信的枢纽，容易成为系统信息流通的瓶颈，一旦发生 第6 页 上海海事大学硕士学位毕业论文 故障，将会造成系统的瘫痪。 因为f c s 系统前述的诸多优秀特点，使得它非常适合在船舶等对安全性要 求较高的系统中应用，可以用来解决目前船舶机舱多微机分层监控系统存在的问 题。 1 2 网络化传感器技术 1 2 1 传感器技术的发展历史 作为现代信息技术三大核心技术之一的传感器技术，从诞生到现在，已经经 历了“聋哑传感器”( d u m ps e n s o r ) ，“智能传感器”( s m a r ts e n s o r ) ，“网络化传感 器”m e t w o r k e ds e n s o r ) 的发展历程。 传统的传感器是模拟仪器仪表或模拟计算机时代的产物。它的设计指导思想 是把外部信息变换成模拟电压或电流信号。它输出幅值小，灵敏度低，而且功能 单一，因而被人们称为“聋哑传感器”。 2 0 世纪7 0 年代以来，计算机技术、微电子技术、光电子技术获得迅猛发展， 加工工艺逐步成熟，新型的敏感材料不断被开发，在高新技术的渗透下，尤其是 计算机硬件和软件技术的渗入，人们把微处理器和传感器相结合，开发了具备一 定的数据处理能力，并能自检、自校、自补偿的新一代传感器智能传感器。 智能传感器的出现是传感技术的一次革命，对传感器的发展产生了深远的影响。 8 0 年代以来，网络通信技术逐步走向成熟并渗透到各行各业，各种高可靠、 低功耗、低成本、微体积的网络接口芯片被开发出来，微电子机械加工技术 ( m e m t l 的飞速发展给现代加工工艺注入了新的活力，人们把网络接口芯片与智 能传感器集成起来并把通信协议固化到智能传感器的r o m 中，导致了网络传感 器的产生。网络传感器继承了智能传感器的全部功能，并且能够和计算机网络进 行通信，因而在现场总线控制系统f c s 中得到了广泛的应用，成为f c s 中现场 级数字化传感器。 1 2 2 网络化智能传感器的发展现状 现代信息技术的三大基础是传感器技术、通信技术和计算机技术，它们 分别完成对信息的采集、传输和处理。随着这些技术的发展，传感器向着微 型化、智能化和网络化的方向发展。如图1 1 所示，计算机技术和通信技术 第7 舞 上海海事大学硕士学位毕业论文 结合构成网络技术；计算机技术和传感器技术结合构成智能传感器技术；网 络技术和智能传感器技术结合构成网络化智能传感器技术，为传感器技术的 发展开辟了一个全新方向。综上所述，网络化智能传感器是现代信息技术的 产物。 鬻懈旧 衡麓俄感器fi 刚绦| 熏术疆场想线) 嘲缌化铷能悔鹪器 图1 - 1 网络化智能传感器的发展 随着网络时代的到来和信息化要求的不断提高，特别是i n t e m e t 的不断普及 和i n t r a n e t 在企业中日益增多，将计算机网络技术和智能传感器技术相结合就有 必要和可能。智能传感器网络概念由此而产生。智能传感器网络化技术致力于研 究智能传感器的网络通信功能，将传感器技术，通信技术和计算机技术融合，从 而实现信息的采集、传输和处理真正统一和协同。 智能传感器网络是使智能传感器的处理单元实现网络通信协议，从而构成一 个分布式智能传感器网络系统。在该网络中，传感器成为一个可存取的节点，在 该网络上可以对智能传感器数据、信息远程访问和对传感器功能在线编程。可以 看出，智能传感器网络化的研究将对工业控制、智能建筑、远程医疗和教学等领 域带来重大的影响。它将改变传统的布线方式和信息处理技术，不仅可以节约大 量现场布线，而且实现现场信息共享。 智能传感器网络并非一个全新的概念，如果将网络的概念广义化，我们可以 将智能传感器网络的发展分为三个阶段。 ( 1 ) 第一代传感器网络 第b 页 上海海事大学硕士学位毕业论文 第一代传感器网络是由传统传感器组成的，点到点输出的监控系统，采用二 线制4 2 0 m a 电流、1 5 v 电压标准，这种方式在目前工业监控领域中广泛运 用。它的最大缺点上布线复杂，抗干扰性差，逐渐被淘汰。 ( 2 ) 第二代传感器网络 第二代传感器网络是基于智能传感器的监控网络，信号传输方式和第一代基 本相同，但随着现场采集信息量不断扩大，传感器智能化不断提高，人们逐渐认 识到通信技术是智能传感器网络发展的关键因素。其中数据通信标准r s 一2 3 2 、 r s 一4 2 2 、r s 一4 8 5 等通信标准的应用大大促进了智能传感器的应用。 ( 3 ) 第三代智能传感器网络 第三代智能传感器网络即基于现场总线和智能传感器网络。据现场总线基金 会的定义，现场总线是连接现场智能设备与控制室之间的全数字式、开放的、双 向的通信网络。现场总线的不断发展和基于现场总线的智能传感器的广泛使用， 使智能传感器网络进入局部监控网络阶段。这些局部监控网络通过网关和路由器 实现与i n t e m e t i n t r a n e t 网络相连。 1 2 3 智能传感器网络研究展望 传感器网络从最初的点到点模拟系统发展到现在已经过了漫长的历程，未来 的智能传感器网络不可能被某一种架构所统治，但会不断集成现有的各种网络技 术，尤其是要走出现有计算机技术的纯粹的网络领域，而向更贴近具体应用需求 的方向发展。目前，智能传感器网络研究的发展动向和热点领域有： ( 1 ) 基于i n t e r n e t e t h e m e t 的分布式传感器网络 分布式测控系统与传统的集中测控系统相比，能够更好地满足实时性要求， 并明显提升系统的灵活性。过去一直使用的专有软硬件平台大大增加了建立分布 式测控系统的难度与成本，现在开放系统与标准得到越来越多的关注与支持。除 了基于i e e e l 4 5 1 标准开发智能变送器网络接口外，工业以太网现在是测控领域 的新热点。e t h e r n e t 是一种经济的通信媒体，具有分布式i o 能力、广泛的开放 性、通用性与软硬件支持，现在已经迅速进入传感器网络应用领域。 ( 2 1 复杂恶劣环境下的多传感器信息融合算法 过去的十几年里，信息决策融合方法在许多领域得到了广泛应用，传感器 融合是目前最活跃的应用领域之一。当传感器网络工作于强电磁干扰等复杂恶劣 第9 页 上海海事大学硕士学位毕业论文 环境下时，使用容错性良好的多传感器信息融合算法来处理不确定的、错误的传 感信息甚至节点失效等问题，能够有效保证其顺利完成检测任务。因此，针对这 方面的研究具有重要意义。 ( 3 ) 无线传感器网络 无线传感器通过射频取代电缆连线收发数据。对于许多任务，比如军事侦察， 气候监测等，如果用有线传感器网络将是十分昂贵、笨重甚至是不可能实现的， 而使用无线传感器网络将会使问题迎刃而解。 1 2 4 网络化传感器的接口标准 传感器总线是现场总线技术在传感器领域的一个分支，网络标准和应用接口 标准问题至关重要。i e e e 的仪表与测量技术委员会和n i s i 丫美国国家标准与技 术协会1 联合于1 9 9 5 年底，制订出了总线式智能传感器接口标准的框架，它把接 口标准定义为两个如下模件： ( 1 ) n 络应用处理器信息模件口1 4 5 1 1 ) ； ( 2 ) 传感器与微处理器通信协议和传感器电子数据( t e d s ) 格式( p 1 4 5 1 2 ) 。 p 1 4 5 1 1 提出一个与网络无关的软件接口，通过这个软件接口将网络应用处 理器( n c a p s ) 与控制网络关联。在p 1 4 5 1 1 模件中包括这几个模块：传感器模块、 物理模块、功能模块、网络模块和支撑这些模块的总体结构。这个通用信息模块 对具体器件的算法不加限制，对用此模块执行的内容的技术条件也不加限定。在 p 1 4 5 1 2 中提出传感器电子数据( t e d s ) ，规定其数据格式，并提供一个描述传感 器标准方式，定义一个数字接口的通信协议，而这个协议将被用来访问t e d s ， 读取敏感元件测量到的信息并将这些信息进行网络传送。数字接口对各种类型的 传感器和执行器都适用。 1 3 本课题任务和研究意义 下图1 2 所示的是典型的f c s 船舶监控系统结构图，本课题的主要研究内容 就是设计出符合现场级f c s 船舶监控系统要求的智能传感器节点：智能传感器节 点主要实现对工业现场级的各种参变量( 模拟、数字和开关信号) 全面而且精确 的测量，并通过c a n 总线在现场其他传感器节点和控制节点之间建立信息通路； 控制节点主要实现信息共享、数据存储、上位通信等一系列功能。 第1 0 页 上海海事大学硕士学位毕业论文 大容量数据储存打印输出 报警扬声器 瓦磊磊一。睡藤i 赢主赢 一j _ i 一 智氨器 c 聃总线 传感器 传屠器 图1 - 2f c s 船舶监控系统结构图 网络化的智能传感器是整个f c s 监控系统的基础，它是监控系统的信息来 源和主要的执行器，因此设计出结构精巧、安全稳定、性能强大、适用范围广泛、 低功耗、高性价比的智能传感器节点是整个f c s 监控系统中最重要的环节，也 是目前国内外研究的热点。 1 4 整篇论文结构 第一章讲述了f c s 船舶监控系统和智能传感器网络的概况、历程及发展前 景，提出了系统的总体设计方案。 第二章详细介绍c a n2 0 b 协议和c a n o p e n 应用层协议的特点。重点剖析 c a n o p e n 应用 昙( c i a d s - 3 0 1 ) ，为设计具有较强通用性的模块化c a n 总线节点 打下基础。 第三章讲述智能传感器节点的硬件设计。 第四章讲述了智能传感器节点的软件设计。 第五章讲述了系统测试，并对整篇进行总结。 第1 】页 上海海事大学硕士学位毕业论文 第二章c a n 总线原理和c a n 2 0 协议分析 2 1c a n 总线概述及其特点 2 1 1c a n 总线概述 c a n 总线是德国b o s c h 公司为解决现代汽车中电子监控设备之间的数据交 换问题于1 9 8 5 年推出的高级串行数据通信协议，是一种多主式总线。通信介质 可以是双绞线或光纤，通信速率可达1 m b p s 。通信接口由硬件实现，完成物理 层和数据链路层功能。其独特的设计和高度可靠性，非常适于分布式实时控制， 因此越来越受到工业界重视，广泛应用于各种工业自动化和监控领域，是最有前 途的现场总线之一。 自1 9 8 9 年i n t e l 最先推出c a n 控制器芯片8 2 ；5 2 6 以来，随着c a n 总线 技术的成熟和在各行业的广泛应用，各大芯片供应商纷纷支持c a n 协议。 2 1 2c a n 总线的技术特点 c a n 不同于信息管理、文件传输所用的以太网等，其物理特性和网络协议 更强调底层监测和控制，有更突出的可靠性、实时性和灵活性，其主要特点如下： 多主站根据i d 优先权进行总线访问 无破坏性的基于优先权的总线仲裁 借助接收滤波的多地址帧传送 全系统数据一致性 远程数据请求 配置灵活性 错误检测和出错标注 发送期间若失去仲裁或由于出错而遭破坏的帧在总线空闲时可自动重传 暂时错误和永久性故障节点的判别以及故障节点的自动脱离 c a n 总线上两个任意节点之间的最大传输距离与其位速率有关。两节点间 的最大距离见表2 - 1 ： 第1 2 页 上海海事大学硕士学位毕业论文 拇建串 龄走髂辅辨离+ i m b p s 4 0 m 5 0 0 k 却s 1 3 0 m 2 5 0k b p s2 7 0 m 1 0 0 k b o s 6 2 0 m 5 0 k b p s 1 3 b n 2 0k b p s33 h n 1 0k b p s67 1 “ 5 抽p # 1 0 k m 表2 1c a n 总线系统任意二个节点之间的最大传输距离 2 1 3c a n 总线的“显形”与“隐性” c a n 总线系统中的总线数值为两种互补的逻辑数值之一：“显性”或“隐 性”。“显性”( d o m i n a n t ) 数值表示逻辑“0 ”；而“隐性”( r e c e s s i v e ) 表示逻辑 “1 ”。“显性”和“隐性”位同时发送时，最后总线数值将为“显性”。在“隐性” 状态下v c a n h 和v c a n l 被固定于平均电压电平，v d i f f 近似为0 。在总线 空闲或“隐性”位期间，发送“隐性”状态。“显性”状态以大于最小阈值的差 分电压表示。如图2 - 1 所示。在“显性”位期间，“显性”状态改写“隐性”状 态并发送。以v c a n h 和v c a n l 之间的差分电压来讲，“显性”位是高电压 差，表示逻辑“o ”；“隐性”位是低电压差，表示逻辑1 。高电平可以覆盖低 电平，所以在总线上逻辑“o ”可以覆盖逻辑“1 ”。 瞬2 - 1总线位的数值蓑示 2 2c a n 总线通信协议 2 2 1c a n 协议分层结构 为达到设计的透明和实现的灵活，遵循i s 0 0 s i 标准模型，c a n 协议采用分 第1 3 页 上海海事大学硕士学位毕业论文 层结构，结构划分及功能如图2 2 所示。 痰i 。； 杯燃 锇息过箍 i * 恩豢 状瘩处壤 传鞴理 醯筒鞭宓 m 铬轮涮鳓储令 淤息确汲 艇饕 补薮 消息蝣秧 扭逡州誓 】啊步 蜘麟鹾 亿? _ ；啦p l 能柱j ： 代输嫌抟 l l c 镳霞漉破 ，罐钱强勰l 慨夔黄理 、 l 熬 m a c k 嚣 辩 毂孵抟。姥，褥麓 琏 瓣躺鲥f j 允确￥豫摘_ f ；三3 j 。： 旗! 体游刚静群 口被阶髓 鳞竣辫删 烈。上粥 “鞲酥定 i i ：蒋 | ；悸 u 黼鼢f | j ? 化 ： p l s 艇犏i 码，耕州fl 总线f j j 【戳镑麟 托宓l - | h ( p l g - l m e ) 鞠| | ；j l 班 撵 p m a 膳 餐# m 嚣，接畦2 l 钳引 m d i 琏搽嚣 20p o f t a 20p o r t b 溺2 - 2c a n 协议分展结构 逻辑链路控制( l l c - - l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 媒体访问控制( m a c - - m c d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 物理信令( p l s - - p h y s i c a ls i g n a l i n g ) 物理媒体附属装置( p m a - - p h y s i c a lm e d i u m a t t a c h m e n t ) 媒体相关接口( m d i - - m e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 2 0 a 中将节点功能划分为物理层、传输层和目标层。c a n 协议并没有对物理层 定义，可以根据不同的应用灵活选择，i s o l l 8 9 8 对物理层做了详细说明。传输 层和目标层完成o s i 链路层的功能，其中传输层是c a n 协议的核心，接收来 自物理层的比特流并为目标层提供服务，完成位定时和同步、协议封装、仲裁、 应答、确认、出错检测和错误标注以及故障限定等功能。目标层主要完成消息过 滤、消息和状态处理。2 0 b 结构划分完全遵从o s i 参考模型，分为数据链路 第1 4 页 上海海事大学硕士学位毕业论文 层( 包括逻辑链路控制l l c 子层和媒体访问控制m a c 子层) 和物理层。l l c 子层功能包括为数据传输和远程数据请求提供服务、通过接收滤波决定接收哪些 消息、提供恢复管理和超载通知。m a c 子层的功能主要是传输规则，即帧控制、 仲裁、错误检测、出错标注和故障标定、判断总线是否空闲、是否开始接收以及 位定时等。m a c 子层是c a n 协议的核心，不存在修改的灵活性。物理层完成 不同节点间比特流的传输，在选择上有很大灵活性。c a n 协议具有很强的故障 检测和恢复手段，这是通过监控器对l l c 子层和m a c 子层的监控来完成的。 m a c 子层的监控是由“故障限定实体”来完成，物理层借助物理媒体故障实体 完成对总线短路、中断等故障的检测。 2 2 。2c a n 协议帧结构分析 c a n 协议中信息传输由四种类型的帧来表示和控制：数据帧、远程帧、 出错帧和超载帧。数据帧是数据的载体i 远程帧用来请求发送具有相同i d 没有 具体数据的数据帧；总线上任何检测到错误的节点都可以发送出错帧；超载帧用 于提供相邻数据帧或远程帧之间的附加延时。相邻数据帧或远程帧之间由帧间空 隙分隔，任何有效帧在发送时要满足位填充规则，即总线出现5 个连续极性相 同的位时自动发送1 个极性相反的位。 数据帧 数据帧分为标准数据帧( s t a n d a r dd a t af r a m e ) 和扩展数据帧( e x t e n d e dd a t a f r a m e ) ，二者的区别仅在于仲裁域的i d 位数不同。其帧结构都是由7 个位域 组成：帧起始、仲裁域、控制域、数据域、c r c ( 循环冗余校验) 域、应答域、 帧结束，如图2 3 所示。数据域长度可为0 。帧起始( s t a r to ff r a m e ) 标志数据 帧和远程帧的开始，由一个显性位构成。只在总线空闲时才允许开始发送。所有 节点都必须同步于首先开始发送的那个节点的帧起始前沿。 囝2 3 数据颤结构 第1 5 页 上海海事大学硕士学位毕业论文 标准数据帧长度= 4 4 + 8 n ( n 为数据域字节数) 扩展数据帧长度= 6 4 + 8 n ( n 为数据域字节数) 仲裁域( a r b i t r a t i o nf i e l d ) 由标志符i d e n t i f i e r 和远程发送请求r t r 位组成。 标准数据帧为i d 长度1 1 位，这些位按i d 1 0 到i d 0 的顺序发送，最低位 为i d 0 。扩展数据帧在原有的1 1 位i d 仲裁域基础上，后面又多出8 个i d 。 其r t r 位也由原来的1 1 位i d 之后挪到1 8 位i d 之后。但无论r t r 位在 什么位置，其在数据帧中必须是显性，而在远程帧中为隐性，如图2 - 4 。 固2 - 4 坤裁壤结构 控制域( c o n t r o lf i e l d ) 由6 位组成，包括两个保留位和d l c ( 数据长度 码) 如图2 - 5 。d l c 标志数据域的字节个数，可以是 o 1 ，8 ，不能使用其它 数值。 图2 5 控嗣憾结掏 数据域由数据帧中被发送的数据组成，数据长度为o 到8 字节，每字节8 位，高位先发送。c r c 域包括c r c 序列和c r c 分隔符。采用c r c 校验形 式是因为c r c 码对1 2 7 位以内的帧校验结果最佳。c r c 分隔符由一个隐性位 构成。应答域包括应答间隙和应答分隔符两位。发送站发送两个隐性位，正确地 接收到有效消息的接收器在应答间隙期间通过发送一个显性位将此信息报告给 发送器。应答分隔符必须是隐性位，因此应答间隙被两个隐性位包围。每个数据 帧或远程帧均由7 个隐性位组成的标志序列分隔，做为帧结束。 第1 6 页 上海海事大学硕士学位毕业论文 远程帧 需要接收数据的节点可以发送远程帧来要求源节点发送数据。远程帧 ( r e m o t ed a t af r a m e ) 由起始域、仲裁域、控制域、c r c 域、应答域、帧结束 六部分组成，如图2 - 6 。与数据帧相反，其r t r 位为隐性，没有数掘域。d l c 为对应数据帧的数据长度。当然根据对应的数据帧的类型，远程帧也分为标准远 程帧和扩展远程帧。 凰2 - 6 远程赖结构 出错帧 出错帧( e r r o rf r a m e ) 由两个域组成，第一个域是来自各站的错误标记叠加， 随后一个域是错误分隔符，如图2 7 。 图2 7 出错帻结构 错误标志有两种：激活错误标志( a c t i v ee l r o rf l a g ) 和认可错误标志( p a s s i v ee r r o r f l a g ) 。激活错误标志由6 个连续的显性位组成；认可错误标志由6 个连续的隐 性位组成，可由其它节点的显性位改写。处于激活错误( e r r o ra c t i v e ) 状态的节点 检测到错误后将发出激活错误标志，该标志不满足位填充规则，或者破坏了应答 域或帧结束域的固定格式，因此所有节点都将检测到出错并各自发送错误标志。 这样总线上被监测到的显性位序列实际上由各节点发送的不同错误标志的叠合， 该序列的长度为6 到1 2 位。处于认可错误状态的节点监测到错误后发送认可 第1 7 页 上海海事大学硕士学位毕业论文 错误标志，并等待从认可错误标志开始的6 个相同极性的连续位。当检测到连续 6 个相同位后，认可错误标志结束。错误分隔符由8 个隐性位组成。每个节点在 错误标志发送后送出隐性位，同时监测总线状态，直到检测到一个隐性位，这表 明所有节点已经完成了错误标志的发送，然后开始发送剩余的7 个隐性位。 超载帧 由超载标志和超载分隔符组成超载帧( o v e r l o a df r a m e ) 如图2 8 。两种情 况导致超载帧的发送：1 ) 接收器内部情况要求延迟下个数据帧或远程帧的接收； 2 ) 在间歇域( i n t e rm i s s i o n ) 检测到显性位。第种情况引起的超载帧只允许在间 歇域的第一位周期开始发送；第二种情况引起的超载帧在检测到显性位一个位周 期后开始发送。为延迟下一数据帧或远程帧的发送最多可生成两个超载帧。 圈2 8 绱裁馘结掏 2 2 3 错误处理和故障限定 2 2 3 1 错误检测 包括位错误、填充错误、c r c 错误、格式错误和应答错误五种类型，它们 并不互相排斥。处于发送状态的节点同时对总线监测，如果检测到发送位和检 测结果不符，则报告位错误，但以下几种情况除外：1 ) 发送仲裁域填充位流为 隐性而检测到显性( 丢失仲裁) ；2 ) 发送应答间隙填充位流为隐性而检测到显性 ( 应答) ；3 ) 发送器发出“错误认可”标志( 6 个连续隐性位) 而检测到显性。 在应作为填充的位流中出现6 个连续相同极性电平时，检测到填充错误。c r c 序列由发送器计算得出，接收器用同样的方法做c r c 计算，若结果不符，则检 测到c r c 错误。若固定格式的位域中出现一个或更多非法位时，为格式错误。 应答间隙期间发送器没有检测到显性位，为应答错误。 2 2 3 2 出错标定 检测到位错误、填充错误、格式错误和应答错误的节点各自在下一位开始发 第1 8 面 上海海事大学硕士学位毕业论文 送错误标志。检测到c r c 错误时，在应答分隔符后一位开始发送错误标志，除 非其它类型错误已经引起出错标志发送。 2 2 3 3 故障界定 c a n 节点故障状态分为“激活错误”、“认可错误”和“总线关闭”。“激 活错误”节点可以正常参与总线通信，当检测到错误时发送“激活错误标志”。“认 可错误”节点可以正常参与总线通信，但不允许发送“激活错误标志”，当检测 到错误时发送“认可错误标志”，完成一次消息发送后要等待一段时间才能进行 下一次发送。“总线关闭”节点不允许对总线有任何影响( 例如关闭输出驱动器) 。 为进行故障限定，每个节点都有一个发送错误计数器和接收错误计数器，用以记 录相应的错误次数。错误计数器根据一定规则增减相应数值，当一帧消息正常发 送或接收时，计数器减，出错时则增。计数值反映了干扰的频繁程度，其增减的 比例取决于( 无效信息：有效信息) 的比例。若计数器计数超过9 6 ，则表明总 线受严重干扰；若超过1 2 7 则由“激活错误状态”转入“认可错误状态”；超过 2 5 5 则进入“总线关闭”状态。 若系统启动期间只有一个节点在线，该节点发送消息后将得不到应答，检测 到错误并重复发送该消息。它会进入“错误认可”状态，但不会“总线关闭”。 所以任何c a n 系统总线上至少要有2 个节点存在才能保证物理的通讯正常。 2 3c a n 协议分析 2 3 1 基本性能 对于标准帧，有2 0 3 2 个l d 可用；对于扩展帧，有5 亿多个i d 可用。传 输率为1 m b i t s 时，标准帧最大总线访问时间为1 0 8 1 3 0us ；扩展帧则为 1 2 8 1 5 4 “s ( 无填充位，有填充位) 。c a n 总线最大数据率为1 m b i t s ，在无位填 充的情况下一个标准帧最大持续时问为1 0 8ps ，对应扩展帧为1 2 8us 。若这些 消息被循环传送，由公式2 - 3 计算出：标准帧最大有效数据传输率为5 9 3 k b i t s ， 扩展帧为5 0 0 k b i t s 。之所以引入扩展帧结构是因为扩展帧可以提供更多的i d ， 在实际应用也可以在标准帧中划分一部分数据作为i d 使用。分析表明，在标准 帧中划分- - n 两字节数据作l d ，在传输相同字节数据情况下其吞吐量仍高于扩 展帧结构。 第1 9 页 上海海事大学硕士学位毕业论文 有效数据传输率= b i t 率8 n 数据长度 ( 2 3 ) 2 3 2 信息路由 c a n 系统中节点不使用有关系统结构的任何信息( 如站地址) ，由此c a n 总线具有不同于其它总线的独有特性： 系统灵活性：新节点加入网络不需要对节点的软硬件和应用层做修改。 消息路由：消息的内容由其标志符i d e n t i f i e r 命名。i d 并不标志消息的目 的地址，而是描述消息的含义，这样网络中所有节点都可以通过消息滤波决定 是否接收该消息。 多点发送：通过消息滤波，网络上任意节点可以同时接收并响应同一消息。 2 3 3 总线仲裁 ： 由2 1 3 节所述，c a n 总线值为两种互补逻辑值之一：显性、隐性。若显 性和隐性位同时发送，总线值呈显性。当总线空闲时，任何节点都可以开始发送 消息。若同时有2 个或更多的节点开始发送，总线访问冲突由i d 逐位仲裁解 决。发送器对发送位电平与总线电平进行比较，如果相同，则该节点可以继续发 送。当发送一个隐性电平( r e c e s s i v el e v e l ) 1 百检测到总线为显性电平( d o m i n a n tl e v e l l 时，该节点丢失仲裁，停止发送数据。这种仲裁机制使信息和时间均不会损失。 若具有相同i d 的数据帧和远程帧同时发送，由r t r 位仲裁可知数据帧赢得仲 裁。 2 3 4 安全性 如2 2 3 节所述，为使数据最大限度安全传输，c a n 节点实现了错误检测， 出错标注和自检功能等强有力措施。错误检测措施包括：总线监控( 发送器对发 送位电平与总线电平进行比较) 、c r c 校验、位填充和消息帧校验。错误检测性 能：所有全局性错误均可被检测；发送器局部错误均可被检测；消息中的多至5 个的随机分布错误可被检测：消息中奇数目位错误可被检测。未检测出消息出错 概率小于( 消息出错率4 7 1 0 一1 1 ) 。 出错的消息由检出到错误的任何节点进行标定。该消息被丢弃并自动进行重 新发送。从检测到错误到下一个消息开始发送的恢复时间，若不存在新的错误， 最多为2 9 个位时。c a n 节点可以区分永久性故障和短暂扰动，并关闭故障节 点。 第2 0 页 上海海事大学硕士学位毕业论文 2 3 5c p u 负担 c a n 网络节点通常由微控制器驱动。由于物理层和链路层功能几乎全由硬 件实现，因此微控制器只负责提供发送的消息、处理接收消息以及部分网络管理 功能( 如：初始化) 。如果系统内i d 得到优化分布并且接收滤波器得到很好运 用，那么i d 长度增加对c p u 负担的增加会很小。此外增加内存缓冲可以减缓 突发数据对c p u 的冲击。 2 4 c a n o p e n 应用层协议 2 4 1c a n o p e n 应用层概述 c a n o p e n 是建