（通信与信息系统专业论文）can总线技术的研究和应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 、c a n 总线技术是现场总线技术中的一种，而现场总线技术是当今网络集成自动化技 术发展的热点。c a n 总线最初是应用在汽车制造中的。但随着其技术的不断成熟，c a n 总线被越来越多的应用在工业控制和网络系统中。c a n 总线适用于多子网的控制器和设 备之间的通信，它提供多主和实时的功能，具有出错检测和错误界定的特点，这些使c a n 总线能够满足医学设备、工业控制、楼宇自动化等应用的可靠性需求。 针对目前c a n 总线在各领域中组网所遇到的问题，我们对c a n 总线技术的原理进行 了研究，并在此基础上设计实现了基于c a n 总线的火灾探测系统。在本课题中作者承担 了理论研究和系统总体结构设计部分，并完成了基于u s b 设备的网络适配卡的开发和调 、斗、1 1 我o 、 本文首先介绍了c a n 总线系统在多个领域中的发展动态，其次介绍了c a n 总线技术 的基本原理，并对其物理层和链路层协议进行了详细的分析，同时结合作者的实践经验， 在网络拓扑、数据定义选择、错误预防和实现形式等方面提出了c a n 总线组网的理论依 据。然后我们阐明了c a n 总线系统高层协议的制定要点，给出了一个最小配置系统的应 用层协议，提出了一种模型，并在此基础上对高层协议进行了仿真分析，制定了应用在 火灾探测系统中的c a n 总线通信协议。最后我们描述了应用在火灾探测系统中的c a n 总 线系统的具体实现，重点介绍了基于u s b 设备的网络适配卡的软件、硬件的设计和开发， 和网络高层协议在网络中各个部分的实现，以及对系统性能进行的测试和分析。 关键词：c a n 总线；网络分析；高层协议；火灾探测系统；u s b 。 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t c a n b u s l s a k i n d o f f i e l d b u s t h a t i s t h e h o t s p o t o f a u t o m a t i z a t i o n i n n e t w o r k i n t e g r a t i o n n o w a d a y s c a n b u ss y s t e mw a s o r i g i n a l l yd e v e l o p e d f o ri n - c a ru s e b u tw i t ht h em a t u r a t i o no f c a nb u st e c h n o l o g y , c a nn e t w o r k sa r ei n s t a l l e db ys e v e r a lo t h e ri n d u s t r i e s t h em a i n a p p l i c a t i o nf i e l d s a r ei n d u s t r i a lc o n t r o l s y s t e m sa n dn e t w o r ks y s t e m s i ng e n e r a l ，c a ni s s u i t a b l ef o ra l la p p l i c a t i o n s ，w h e r es e v e r a lm i c r o c o n t r o l l e r - b a s e ds u b s y s t e m so rd e v i c e sh a v e t oc o m m u n i c a t e c a np r o v i d e sm u l t i - m a s t e rt u n c t i o n a l i t ya n dr e a l - t i m ec a p a b i l i t y u n i q u e f e a t u r e sa r e t h ei m p l e m e n t e de r r o rd e t e c t i o nm e t h o d sa n dt h ef a u l tc o n f i n e m e n t , w h i c hm e e tt h e r e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t s o fm e d i c a l e q u i p m e n t , i n d u s t r yc o n t r o l ，b u i l d i n g a u t o m a t i o n a p p l i c a t i o n s ，a n d s oo n c o n s i d e r i n gt h ep r o b l e m st h a tc a n m e e t si ns o m ca p p l i c a t i o n s 讹r e s e a r c h e do nt h e p r i n c i p l eo f c a n a n d i m p l e m e n t e d t h ef i r ea l a r ms y s t e mu s i n gc a n b y t h er e s e a r c h i nt h i s p r o j e c t , t h ea u t h o rt o o ko nt h ew o r k so ft h e o r yr e s e a r c h i n ga n dt h es t r u c t u r eo fs y s t e m d e s i g n i n ga n ds u c c e s s f u l l yc o m p l e t e dt h ed e v e l o p m e n ta n dd e b u g g i n go f t h ep ct oc a n a d a p t e r c a r d u s i n gu s b a tt h eb e g m i n go f t h i st h e s i s ，t h ed e v e l o p i n gs t a t u so f c a n - b a s e d s y s t e m s i si n t r o d u c e d i ns e v e r a la p p l i c a t i o n s n e x ti ti n t r o d u c e st h eb a s i c p r i n c i p l eo f c a n ，a n a l y z e s t h ed e t a i l so f i t s p h y s i c a ll a y e r a n dd a t al i n k l a y e r a n d p u t sf o r w a r d t h et h e o r yg i s to nt h ea s p e c to f n e t w o r k t o p o l o g y ，c h o i c eo f d a t ad e f i n i n g ，e r r o rp r e v e n t i n g a n dn o d e r e a l i z i n g ，a n d s oo n , c o m b i n i n gt h e p r a c t i c ee x p e r i e n c e t h e n i tp r o v i d e sac a n - b a s e d h i g h e rl a y e rp r o t o c o li nm i n i l n u n ls y s t e m a f t e ri l l u m i n a t i n gt h ep o i n to ft h ep r o t o c o l s ，b r i n g sf o r w a r dak i n do fm o d e lt os i m u l a t et h e p r o t o c o la n d s e t sd o w nac a n - b a s e dt e l e c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lf o rf i r ea l a r ms y s t e m a t t h ee n do ft h i st h e s i s ，i tp r e s e n t sa ne x a m p l eo fc a n - b a s e df i r ea l a r ms y s t e mi nd e t a i l ， e s p e c i a l l yt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n t o nt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fu s b - b a s e da d a p t e r c a r d , t h ei m p l e m e n t i n go fh i g h e rl a y e rp r o t o c o li nn e t w o r ka n d t h et e s t i n ga n dt h ea r l a i y z i n g o f s y s t e mp e r f o r m a n c e s k e y w o r d s ：c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) ；n e t w o r k a n a l y s i s ；h l p ( h i g h l a y e r p r o t o c 0 1 ) ； f i r ea l a r ms y s t e m s ；u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) _ _ ，一r _ 一 i l 华中科技大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 引言 随着计算机技术、通讯技术、集成电路技术的匕速发帧，传统的现场控制技术及现 场监控设备讵在发生一场新的革命，这就是以全数字式现场总线( f i c l d b u s ) 为代表的现 场控制仪表、设备的互联规范，在全世界范围内兴起1 2 1 。有人预言，二十一世纪是现场 总线的世纪，即大量的现场信号连接电缆，( 4 2 0 m a ，1 - 5 v ) 等规范即将被单一简洁的 现场总线网络所替代，从而大大减轻现场信号连接的繁琐与耗资，提高信号传输的精密 与灵活性，为工业现场用户带来巨大的好处。在世界工业界，现场总线上进行的步调是 不一致的，经过长时间的研究、发展、应用，基本上已经形成了几个主要的现场总线标 准，如：i s p 、h a r t 、l o n w o r k s 、c a n 等。在这些总线标准中，c a n 总线以其高 性能、高可靠性及其独特的设计越来越受到人们的重视，在国外已有很多大公司的产品 采用了这一技术。 c a n 是英文c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k 的缩写，翻译成中文即为控制器局域网络。顾 名思义，它是一种主要用于各种过程( 设备) 检测及控制的网络】。c a n 最初是由德国 的b o s c h 公司为汽车的检测、控制系统而设计的。众所周知，现代汽车越来越多的采用 电子控制装置来控制如发动机定时、注油以及复杂的加速刹车控制( a s c ) 、抗锁定刹车 系统( a b s ) 等。由于这些部件及参数的监控需要交换大量的数据，如果采用硬接信号 线的方法势! 必繁琐且昂贵；再者象a s c 在车轮打滑的时候需控制发动机定时及注油协调 动作等问题，用传统方法是很难解决的，采用c a n 之后则能很好的解决这些问题。c a n 目前已披用于“奔驰”等各种汽车上。由于c a n 有卓越的特性及极高的可靠性，特别 适合工业过程监控设备的互连，因此越来越受到工业界的重视，并已经被公认为几种最 有前途的现场总线之一，成为一种国际标准( i s o1 1 8 9 8 ) 。 _j二，i氍毋 华中科技大学硕士学位论文 从c a n 网络的物理结构上看，它属于总线式通讯网络。这一点与b i t b u s 、r s 4 8 5 棚似，但却与它们有着本质的区别。它与般的网络区别体现在： ( 1 )它是一种专门用于工业自动化领域的网络，不同于以太网等管理及信息处 理用的网络； ( 2 )其物理特性及网络协议特性更强调工业自动化的底层监测及控制； ( 3 )它采用了最新的技术及独特的设计，可靠性及性能远高于已经陈旧的现场 通讯技术，如r s 4 8 5 、b i t b u s 等。 c a n 总线有如下特性【2 2 i t ”1 ： 成为国际标准i s 0 1 1 8 9 8 规范，包括c a n 总线规范2 0 p a r t a ，p 棚b ； c a n 可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动的向网络 上的其它节点发送信息，而不分主从，所以通讯方式灵活，采用这一特点也可方 便的构成多机备份系统； o r c a n 网络上的节点( 信息) 可分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求； c a n 采用独特的非破坏性总线仲裁技术，当两个节点同时向网络传输信息时， 优先级低的节点停止发送信息，而优先级高的节点可不受影响继续传递信息，保 证了信息传递的实时性： c a n 可以点对点、一点对多点( 成组) 及全局广播几种方式传送接收数据： 传输介质为双绞线和光纤等，通信速率为l m b p s 4 0 m ，5 k b p s 1 0 k m ： 总线上可挂接的设备总数量最人为1 1 0 个： 用有效字节数为8 的短帧结构，传输时问短，具有较强的抗干扰能力： c a n 每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施。保证了数据的极低出错率； c a n 节点在错误，重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联 系，以使总线上的其它操作不受影响： n r z 编码，解码方式，并采用位填充( 插入) 技术。 2 _。隧氍飞潦，慷酸 r，；：；fi 卜ff l _ 华中科技大学硕士学位论文 1 2c a n 总线技术的发展 1 2 1 分布式系统的发展 分布式控制系统d c s ( d i s t r i b u t i o nc o n t r o l l i n gs y s t e m ) 将数字技术、微电子技术、 通信技术、屏幕显示技术与过程控制技术紧密的结合在一起，使过程控制由原来的第三 代过程控制体系集中式控制c c s ( c o n c e n t r i cc o n t r o ls y s t e m ) 跨越到第四代控制体 系的分布式控制，将流程工业自动化提商到一个新的水平。 集中式控制系统在硬件构成上，是将每个检测点发送来的信号通过输入接口与集中 控制系统相连，经过计算机分析、运算后，集中控制系统的输出信号又能通过输出接口 去执行机构控制工艺生产对象。在控制功能上，它把生产过程信息和生产管理信息汇集 起来，既完成生产控制功能，又完成一定的管理功能。由于功能过于集中，一旦集中控 制系统出现故障，生产必须停止或切换至人工操作系统。因此，集中控制系统的最大缺 点就是：功能集中程度越商，危险越集中，危险性越大。 1 9 7 5 年，美国的h o n e y w e l l 公司推出了第一套d c s 分散控制系统。它的基本思想就 是控制分散! 功能分散、危险分散，而操作集中、管理集中。加强了使用者的安全感和 信任感。d c s 集计算机软、硬件技术、控制技术、通讯技术、冗余技术、故障诊断技术 和图形显示技术为一体，其特点是分级递阶的分布式结构，灵活、易变更、易扩展。尤 其是d c s 中的主机、电源、加模块等采用冗余配置后更提高了d c s 的可靠性。 d c s 经历了初创期( 1 9 7 5 - 1 9 8 0 ) 、成熟期( 1 9 8 0 1 9 9 5 ) 和扩展期( 1 9 8 5 以后) 。在 技术上也由单纯的分散型控制到实现全系统的管理，引入局部网络技术( 便于多机资源 共享) ，分散控制系统和信道复用等。目前，d c s 的发展将导致进一步的系统开放，如 使用统一的通信标准、中小及微型化操作站的功能强化以及d c s 与可编程序控制器 ( p l c ) 之间的相互渗透。同时，d c s 的控制软件等应用软件，也在不断丰富、提高。 华中科技大学硕士学位论文 d c s 的典型体系结构如图所示 主计算帆生声管理计舞帆萁它计掉帆 l i 主逼倍同( 厂组) i l 同关ii 工捏师站ii 嚣作站ii 质量r 控制l i。一1 - lli 现场矗制站li 现场催口站l i il i p l c ii 智能仪表i 生户过程l l 一 图1 1d c s 典型体系结构 工厂级( 上层、管理层) 包括工厂信息管理和生产管理，负责与工厂管理计算机的 连接，计算机间的管理数掘交换通过工厂主干网实现。主干网采用i s o o s im a p f t o p 或t c p i pe t h e m e t 网络协议标准。随着工厂自动化规模的不断扩大，这一级的功能也越 来越强。 车| 司级( 中层、监控层) 包括过程控制和过程管理，用于控制室、现场控制设备和 各现场控制装置问的连接。通信网采用中速、窄带工业过程数据公路的形式( p r o w a y c 或1 e e e 8 0 2 4 ) 。这科，d c s 的实时工业控制网络，具有高可靠性、高使用性、实时性强、 有自诊断功能、有自组态功能、容易接入新站等特点。 现场级( 低层) 用于连接过程控制中的传感器、执行器、智能仪表等现场以标准 的现场总线为发展目标，现场总线将改变传统的d c s i ，o 结构，是d c s 系统转变为开放 控制系统的一个重要方向口i 。 4 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 现场总线技术的发展 现场总线是9 0 年代初期兴起的- e l , 先进的工业控制技术，和d c s 相比有许多的优 点，它是一种全数字式、全分散式、全丌放、可互操作和丌放式互联网络的新一代控制 系统1 6 l ；是计算机技术、通信技术和控制技术的综合与集成；它将通信线一直延t * 至t j 生 产现场、生产设备，用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通 信网络【9 i i m i ，它将传统的d c s 三层网络结构变成两层网络结构“工作站、现场总线智能 现场仪表”( 如图所示) ，降低了成本，提高了可靠性，实现了控制管理一体化的结构体 系，所以自它诞生之日起，就对d c s 形成了强有力的挑战。 图1 2f c s 典型体系结构 早在1 9 8 4 年美国i n t e l 计算机公司就提出了一利- 计算机分确i 式控制系统b i t b u s ，当 时不i 叫现场总线。它将过程级i o 板拿到现场，计算机和过程级之间以双绞线r s 4 8 5 为物理传输媒体，在主体硬件部分，借助于i n t e l 公司生产的r u p i 4 4 系列单片机。 在8 0 年代初，德国b o s c h 公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据 交换而丌发了一种串行数据通信协议，即c a n 总线。 8 0 年代中期，d l 美国r e s e m o t m t 公司提出一种可寻址的远程传感器通信协议h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l e r e m o t e t r a n s d u c e r ) 。h a r t ( 可寻址远程传感器高速通道) 虽不 是现场总线，咀它是现场总线的一种雏型。它采用在4 2 0 m a d c 模拟信号上叠加一种频 率信号，用双绞线实现了数字信号传输。h a r t 协议遵循i s o 的o s i 模型的第l 、2 、7 层，即物理层、数据链路层和应用层，主要有如下特性： 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 物理层：在4 2 0 m a d c 模拟信号上叠加f s k 数字信号，用屏蔽双绞线，单台 设备距离3 0 0 m 而多台设备互连距离1 5 0 m ； ( 2 1 数据链路层：数据帧最长2 5 个。可寻址范围为o 1 5 ，当地址为0 时。则处于 4 2 0 m a d c 与数字通信兼容状态：当地址为14 1 5 时，则处于全数字通信状态； ( 3 ) 应用层：规定了三类命令，即通用命令( 适用于i a r t 协议的所有产品) 、普通 命令( 适用：y - h a r t 协议的大部分产品) 、特殊命令( 适用于h a r t 协议的特殊 产品) 。 1 9 8 5 年由h o n e y w e l l 等公司发起，成立了w o r l d f i p ( f a c t o r y i n s t r u m e n t a t i o n p r o t o c 0 1 ) ； 德国的s i e m e u s 、a b b 等公司也推出了p r o f i b u s 标准。p m f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 过程 现场总线是一种_ 刀放的、不依赖厂家的1 6 位通信标准的现场总线。它提供一个从传感器 ，执行器直至管理层的透明网络，它采用的国际标准e n 5 0 1 7 0 ，是一种国际化的开放式现 场总线标准。p r o f i b u s 主要由三类相互兼容的模块组成，u l j ：p m f i b u s - p a ( p r o c e s s a u t o m a t i o n ) 用于过程自动化，p m f i b u s - f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 用于一般 自动化，p r o f i b u s d p 用于分散扩展设备和外围设备之问通信的加工自动化。p m f i b u s 主 要特性有： ( 1 ) 传输介质为双绞线、光纤等，传输速率为9 6 k b p s 1 2 m b p s ，最大传输距离在 1 2 m b p s 时为1 0 m ，1 5 m b p s 时为4 0 0 m ，可用巾继器延长至1 0 k m ； ( 2 ) 可挂接的设备总数最多达1 2 7 个； ( 3 ) 可实现步线供电与本质安全防爆。 1 9 9 0 年由美国e c h e l o n 公司推出并出它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，正式公布 而形成了l o n w o r k s 现场总线吼l o n w o r k s ( l o c a l o p e r a t i n gn e t w o r k ) 局部操 作网络由美国e c h e l o n 公司研制。它本身是一个局域操作网，又具有网络基本功能。 l o n w o r k s 具有很强的互连操作性，它能通过网点把不同现场总线、异型网连接起来。 它具有如下特性： ( 1 ) 传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤、电源线等，通信速率为7 8 k b p s 2 7 0 0 m ， 1 2 5 m b p s 1 3 0 r e ； ( 2 ) 节点数可达3 2 0 0 0 个； 6 华中科技大学硕士学位论文 f 3 1l o n w o r k s 采用l o n t a l k 通信协议，遵循1 s o 定义的o s i 全部7 层模型； ( 4 、l o n w o k k s 的核心是n e u r o n ( 神经元) j 薛片，内含3 个8 位的c p u ： ( 5 1l o n t a l k 协议提供了5 种基本类型的报文服务：确认、非确认、请求，响应、 重复、非确认重复； ( 具有全分散、连接简单、拓扑灵活等特点。 1 9 9 2 年，美国的f o x b o r o 、德国的s i e m e n s 、i - ! 本的n e c 等公司成立了i s p 集团， 以德国的p r o f i b u s 为基础推出了i s p ( i n t e r o p e r a b l es y s t e mp r o t o c 0 1 ) 协议。1 9 9 4 年，世 界两个最有影响的现场总线集团：互操作系统i s p 集团和w o d d f i p 集团合并，成立了非 盈利的现场总线基金会f f ( f i e l d b u sf o t m d a t i o n ) 。现场总线基金会f f 是国际公认的国 际标准化组织。参照i s o o s i 型的第l 、2 、7 层，另外增加了用户层。它支持s p 5 0 的 工作，其主要特性有： ( 1 ) 物理层：h l 为用于过程自动化的低速总线，波特率为3 1 2 5 b p s ，传输距离 1 9 0 m n 2 0 0 m ，每段节点数最多为3 2 个；1 4 2 为用于制造自动化的高速总线，波 特率为1 0 m b p s 7 5 0 m 或2 5 m b p s 5 0 0 m ，每段节点数最多为1 2 4 个，h 1 与h 2 之 唰通过网桥互连； ( 2 ) 数据链路层。低层功能：链路设备在得到令牌时可以发起一次通信；高层功能： 发行数据、请示棚自应数据采用定向连接传输； ( 3 ) 应用层。现场总线访问予层提供丁三类服务：发布索取、客户机月艮务器、报告 分布； ( 4 ) 用户层。规定了2 9 个标准的“功能模块”。功能模块参数分为3 个层次：第一 层由f f 定义，第二层由用户集团定义，第三层由制造厂定义。 1 2 3c a n 总线技术在多方面的应用 c a n 总线最初是应用在汽车工业中的，今天欧洲大多数的汽车制造者已经设计出基 于c a n 总线的引擎系统等的复杂系统1 2 。但c a n 总线系统也被广泛应用在其它的多个 华中科技大学硕士学位论文 领域中，这其中包括交通、移动设施、工业控制、楼宇自动化系统和一些特殊的应用领 域。 c a n 总线适用于多子网的控制器和设备之间的通信，它提供多主和实时的功能胆5 1 ， 具有出错检测和错误界定的特点，这些使c a n 总线能够满足医学设备、工业控制、楼 宇自动化等应用的可靠性需求。 c a n 总线应用介绍： 1 汽车 、 在引擎系统中应用c a n 总线连接多个电子控制单元( e c u ) 。奔驰汽车是第一个将 c a n 总线应用在汽车引擎管理中的，c a n 总线在系统中的位速率为5 0 0 k b i t s 。今天， 。 欧洲大多数的汽4 i 制造者也应用了c a n 总线，比如奥迪、宝马、雷诺、大众、沃尔沃。 2 交通 在某些火车和长途汽车中，应月】c a n 连接刹车控制单元，或者通过c a n 连接子系 统。在道路管理中，c a n 被用在负责交通安全和法规保障的测量设备中，现在已有的基 1 二c a n 的实现多种功能的智能节点，如红灯监视和速度测量。 3 移动设施 在一些移动设施中，c a n 除连接电子控制单元外还连接探测元和激励元。这包括 了诈：多的非公路上使用交通设备，如应用于农业和林业中的移动设施、轮椅、起重机等。 同时，c a n 也被应用在海匕交通设施的电子设备中，在1 9 9 4 年，安装了这样的设备的 船只超过了1 5 0 艘。 4 工业控制 。 c a n 网络也大量的应用在各种工业控制系统中，因为应用的普遍性，出现了各制造 者为自身定制的商层协议，如c a n o p e n 、d e v i c e n e t 、s d s p 4 1 1 2 州。c a n 在工业控制中的 典型应用有：纺织机、印刷机、打包机、压缩机、木材处理机、半导体加工设备、质量 检测叫1 心等。同酬，还存在一个重要的工业控制领域一机器人控制。 5 楼宇自动化系统 n ：楼宁n 动控制系统t 1 1 ，c a n 总线主要用于予网的组建巾，而不足主干网络。典型 的应用有：电梯控制系统、窗帘控制系统、空调控制系统、温度控制系统、房间中央控 华中科技大学硕士学位论文 制系统、舞台控制系统。 6 一些特殊的应用领域 c a n 总线还应用在一些特殊的领域”7 1 。儿年来，几个大的医疗设施制造者已开始 使用c a n ，s i e m e n s 已决定使用c a n o p e n 作为这些设施的高层协议。别的应用还有： 望远镜系统、迂回控制器、飞行模拟器、商能量物理实验、畜舍监视系统等。 1 3 本文研究的内容 本文第一章介绍了c a n 总线技术的发展概况，通过对早期计算机实时控制系统、现 场总线技术尤其是c a n 总线技术的分析，指出c a n 总线技术的先进性。第二章中介绍 了c a n 总线技术的基本原理，并对其物理层和链路层协议进行了详细的分析，同时结合 实践经验，在网络拓扑、数据定义选择、错误预防和实现形式等方面提出了c a n 总线组 网的理论依据。第三章中阐明了c a n 总线系统高层协议的制定要点，给出了一个最小配 冒系统的应用层协议，提出了一种模型，并在此基础上对高层协议进行了仿真分析，制 定了应用在火灾探测系统q ，的c a n 总线通信协议。第四章描述了应用在火灾探测系统中 的c a n 总线系统的具体实现，重点介绍了基于u s b 设备的网络适配卡的软件、硬件的设 计和丌发，和网络高层协议在网络巾各个部分的实现，以及对系统性能进行的测试和分 析。结束语中对基于c a n 总线技术的网络系统在未来的发展进行了展望。 9 华中科技大学硕士学位论文 第二章c a n 总线技术的研究 2 1c a n 的分层结构 为达到设计的透明和实现的灵活，c a n 协议采用分层结构，结构划分及功能如图所 示。2 0 a 中将节点功能划分为物理层、传输层和目标层。 应用层 目标层 消息过持 消息和状态处理 传输层 故障限定 出错检测和信令 消息确认 应答 仲裁 消息封装 位定时和同步 物理层 信号点平和位表示 传输媒体 2 0p a r t a 2 0p a r t b 图2 1c a n 的分层结构 c a n 协议并没有对物理层进行定义，可以根据不同的应用灵活选择，i s 0 1 1 8 9 8 对 0 ijii1 华中科技大学硕士学位论文 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 息滤波、消息和状态处理。2 o b 结构划分完全遵从o s i 参考模型，分为数据链路层( 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问比特流的传输。在选择上有很大 灵潘眭。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 予层的监控来完成的。m a c 子层的监控足由“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。c a n 总线的这种自检机制使对暂 时性故障和永久性故障的判别成为可能。 2 2c a n 链路层的研究 c a n 链路层包括了逻辑链路控制( l l c ) 子层和媒体访问控制( m a c ) 子层： 1 l l c 予层提供的功能包括：帧接收滤波、超载通告和恢复管理。 帧接收滤波：在l l c 子层上丌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 符命名。标t 5 符并不能指明帧的目的地，但可以描述数据 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。 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 予层丌始发送超载帧。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，帧发送服务爿；被用户认可。 华中科技大学硕士学位论文 2 m a c 子层功能由i e e e s 0 2 3 中规定的功能模型描述，如图所示，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。 i 眦子屡 i 对u c 子廖访河t l 发送数据捌装li 接收数据封装i l 、m a c 子j 晕t 发堪攥体访问管理接收攥体访f 芎管理 t 对物埋接口访阎 ij r i 发送数据锎玛物理屡信令接收数据码 图2 2 媒体访问控制功能 2 2 1 数据帧类型和格式 c a n 的数据传输由四种类型的帧表示和控制：数据帧是数据的载体i 远程帧用来请 求发送具有相同j d 的数据帧；出错帧由总线上任何检测到错误的节点发送；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。 2 2 i i 数据帧 数据l | ! ! i 由7 个位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、c r c 场、应答场、帧 结束。数据域长度可为0 。 几藤丽t 雨翮丌1 丽蔚1 _ 甄丽- t 百砑门1 恿万t 礤鄹、 i i i 一l o 图2 3 数据格式、 - i | ! ；i 起始标志数据帧和远程帧的丌始，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。 仲裁场由标志符i d ( i d e n t i f i e r ) 和r 1 r 位( 远程发送请求) 组成。i d 长度为1 1 位， 华中科技大学硕士学位论文 这些位按i d 一1 0 到i d 0 的顺序发送，最低位为i d 0 。商7 位( i d 一1 0 i d - 4 ) 不能全为 隐性。r t r 位在数据帧中必须是显性，而芷远程帧中为隐性。 控制场由6 位组成，包括d l c ( 数据长度码) 和两个保留位。d l c 标志数据场的 字节数，可以是 0 ，l ，8 ，不能使用其它数值。 数据场由数据帧中被发送的数据组成，数据长度为0 到8 字节，每字节8 位，高位 先发送。 c r c 场包括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- 1 l ! i 校验结果最佳。为实现c r c 计算，被除的多项式系数由包括帧起始、仲裁 场、控制场、数据场( 假如存在的话) 在内的无填充比特流给出，其1 5 个最低位的系数 为0 。此多项式被x 1 5 + x 4 + x 1 0 + x 8 + x 7 + ) ( 4 + x 3 + 1 除( 系数为模2 运算) ，多项式除法的 余数即为发送到总线的c r c 序列。c r c 分隔符由一个隐性位构成。 应答场包括应答间隙和应答分隔符两位。发送站发送两个隐性位，正确的接收到有 效消息的接收器在应答间隙期问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。 帧结束：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。 2 2 1 2 远程帧 接收数据的节点可以发送远程帧来要求源节点发送数据。远程帧山起始场、仲裁场、 控制场、c r c 场、应答场、帧结束六部分组成。与数据帧不同，其r t r 位为隐性，没 有数据场。d l c 为剥应数据帧的数据跃度。 图2 4 远程帧格式 2 2 1 3 出错帧 “i 两个域组成，第一个域是来自备站的错误标记叠：l j i l ，随后一个城是错误分隔符 错误标志有两种：激活错误标志( a c t i v ee r r o rf l a g ) 和认可错误标志( p a s s i v ee r r o rf l a g ) 。 激活错误标志由6 个连续的显性位组成：认可错误标志山6 个连续的隐性位组成，可由 其它常点的显性位改写。处于激活错误( e r r o r a c t i v e ) 状态的节点检测到错误后将发出激 华中科技大学硕士学位论文 活错误标志，该标志不满足位填充规则，或者破坏了应答场或帧结束的固定格式，因此 所有节点都将检测到出错并各自发送错误标志。这样总线上被检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 的节点检测到错误后发送认可错误标志，并等待从认可错误标志丌始的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l 瞩符山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 丌始发送剩余的7 个隐性位。 2 2 1 4 超载帧 由超载标志和超载分隔符组成。有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一数据帧或远程帧的接收； 2 ) 在间歇场( i n f e r m i s s l o n ) 检测到显性位。 第一种情况引起的超载帧只允许在间歇场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丌始发送。为延迟下一数据 帧或远程- i 蜊竹发送最多可生成两个超载帧。 超载标志山6 个隐性位组成，格式与激活错误标志相同。超载标志的格式破坏了间 歇场的固定格式，因此所有其它霄点也将检测到超载条件并各自发送超载标志( 若在间 歇场第三位期问检测到显性位，节点将不能正确解释超载标志，而将6 个显性位的第一 位理解为帧起始，山此第6 个显性位不符合帧填充规则而引起出错条件) 。超载分隔符由 8 个隐性位组成，格式与错误分隔符相同。超载标志发送后，节点监测总线状态，直到 检测到睁肚位到显脚：位的跳变。这表明所有节点均完成超载标志的发送，然后所有节点 同时发送剩余7 个显性位。 2 2 1 5 帧间空隙 数据帧和远程帧与任何类型的前一帧( 数据帧、远程帧、出错帧、超载帧) 的分隔 山i 【岐削空隙来完成：而超载帧和出错帧前面以及多个超载帧之间则不需帧间空隙分隔。 帧问空隙由间歇域和总线空闲状态组成，对于发送日口一消息的“错误认可”节点，还包 括暂停发送场。对予非“错误认可”或接收前一消息的节点其帧间空隙如图( a ) ，对于 4 华中科技大学硕士学位论文 发送6 口一消息的“错误认可”节点其帧 i j 空隙如图( b ) 。 ( a ) 非“错误认可”或已收到先前帧节点的帧间空间 ( b ) 先前帧已发送“错误认可”节点的帧间空间 图2 5 帧间空间 2 2 2 编码和发送，接收 l i i 贞起始、仲裁场、控制场、数据场、c r c 序列采用位填充方式进行编码。发送器在 发送位流中检测到5 位连续的相同电平时，在实际发送位流巾，将自动插入一个相同电 平的补码位，如图所示。 图2 6 位填充 数据帧和远程帧的其它位场( c r c 分隔符、应答场、帧结束) 为固定格式，不做位 填充。出错帧和超载帧也是固定格式，不做位填充。消息中位流按非归零 ( n o n r e t u m - z e r o ) 方法编码。这意味着在一个位周期内，电平只可能是隐性或显性。 华中科技大学硕士学位论文 通常的认为，未填充的数据长度比上位填充后填充位的数据长度为5 ：l ，不过，最 坏情况下的位填充的数目计算公式如下： s m a x 一3 4 + 8 d l c - 1 8 + 2 讲c 一4 由于数据帧中控制场的两位显性的保留位和数据长度场的不同，实际的最大位填充 数目小于理论计算值。 表2 1最大填充位的测试结果 估计最大 数掘跃度在指定填充位下，c a n 总线数据帧的数目 填充位 d l csm a y sm a xsm a x 1sm a x 2sm a x - 3 080ol1 3 11 0o0o3 0 21 20003 2 31 40054 4 4 41 6o02 1 7 l 51 800o 8 2 62 000l 1 7 5 72 2ol1 2 4 1 5 2 0 5 82 4002 1 2 6 6 0 上表中显示了对所有标准帧的仿真结果，不存在具有最大位填充数目的数据帧。因 为数据场长度为7 的数据帧的d l c 为0 1l l ( o = 显性，l = 隐性) ，所以它包含了有较多填 充位数目的帧。 2 2 3 媒体访问和仲裁 c a n 采j 1 j j “播式的传输方式，当检测到间歇场未被“最性”位中断后，认为总线被 所有节点释放。总线一旦释放，“错误活动”节点可以访问总线。总线一旦释放，接收 当前或先d 口帧的“错误一认可”节点可以访问总线。一旦完成暂停的发送，并且期间没有 其它节点丌始发送，发送当前l i ! ! j i 或已发送完先前帧的“错误一认可”节点可以访问总线。 当允诈：节点访问总线时，数据帧和远程l 陵可以起始。发送期间，发送数据帧或远程帧的 6 华中科技大学硕士学位论文 每个1 7 点均为总线1 二站。 j _ 许多1 ，点一起j i ：始发送时，必须有种仲裁力式划i 剐发送的帧进行识别，使得 发送 有最高优先权帧的节点变为总线二 斟i 。c a n 解决总线访问冲突的机理是基于竞争 的仲裁，采j 1 m 0 是种称为。：进制倒讣数法的无冲突的协议p j 。 进制倒计数法：每个想要使用信道的站点，莳先将j f 地址以二进制位串的形式，按 照ihi 罱到底的顺序进行j “播，并且假定所柯地址的氏度j = f 1 同