（交通信息工程及控制专业论文）CAN总线与以太网连接技术研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘要 can总线在工业控制领域中占有重要的地位。作为一种现场总线，以它作为工业控制 底层网络是比较可靠的。而作为当今局域网主流技术之一的以太网，应用十分广泛。以它 作企业的为上层管理网络能够很好的满足信息交换及共享的需求。 工业控制领域内这两种网络之间的可靠、高效的连接是十分必要的。为了在过程控制 领域的监控层和设备层之间建立更加简洁和稳固的联系，本文介绍了一种can总线与以太 网互连方案。课题首先对osi和tcp模型进行了分析，并对can2.0协议和以太网协议数据帧 进行了研究， 之后根据协议特点建立了网络模型， 然后选择合适的专用芯片组成硬件平台， 对硬件平台接口芯片功能以及相关引脚进行了分析，学习并掌握了使用硬件开发平台tini 开发评估板的流程，使用tini以及单片机开发工具keilc对芯片进行了一些实验，最后通 过软件编程完成了网关的建立，实现了协议转换和双向信息传输的功能，can总线与以太 网连接得以建立。 网关的建立巩固了下层现场设备同上层监控网络的联系，同时也为工业控制网络的数 据管理和远程控制奠定了基础。事实证明，这种方法性价比高，实用性强，具有广阔的应 用前景。 关键词 关键词：现场总线，以太网，嵌入式网关，can 总线，tcp/ip 协议 can 总线与以太网连接技术研究 ii abstract can-bus has a important consequence in the industry control area.as one of the field-bus standards, it is dependable to use it as the substrate-layer network of the industry control area.as a widely used technology in the local area network, it could satisfy the needs of information exchange and communion if take it as the up-layer control network.so a credible and high efficient connection between these two net in the industry control area is necessary. in order to establish a sententious and steady connection between monitor-layer and equipment-level in the process control area, this thesis introduces an implementation of a gateway，which creates the connection of can and ethernet.first it analysis the osi and tcp/ip models,and gives some research on can2.0 protocol and tcp/ip protocol data frames,then builds the net model,and build the hard platform by choose the expert chip,analysis the function of handware interface chip and relative pins,masters the flow of how to develop the evaluating board,and carries out some experiment by using tini and keilc,finishes the gateway by software programming at last and realize the functions of protocol conversion and both direction communication.the connection between can-bus and ethernet is bulit. it confirms the relation between down-layer local equipment and up-layer supervisory net. facts have proved that it is high quality with low price and practical strong，its applicative prospect is very widely. key words： key words： field bus, ethernet , embedded gateway ，can bus，tcp/ip protocol 南京航空航天大学硕士学位论文 v 图表清单 图1.1 嵌入式网关硬件框图3 图2.1 osi参考模型 5 图2.2 tcp/ip分层模型6 图2.3 tcp/ip数据封装分层6 图2.4 局域网体系结构与osi的相应层 7 图2.5 can总线的拓扑结构11 图2.6 can协议分层模型11 图 2.7 can 标准帧格式 12 图 2.8 can2.0b 协议标准数据帧（上）和扩展型数据帧（下） 13 图2.9 以太网物理结构 17 图2.10 以太网帧和ip分组17 图3.1 fcs与以太网组成系统模型19 图3.2 can总线与以太网连接的网络模型20 图3.3 协议转换模型 21 图4.1 ds80c400硬件连接框图 22 图4.2 以太网控制器与以太网收发器硬件连接图 24 图 4.3 以太网控制器与收发器之间数据收发时序图24 图 4.4 can 控制器与 can 收发器硬件连接图 25 图 4.5 片外存储器芯片27 图5.1 系统调试正确的窗口图 31 图5.2 内存分配示意图 32 图5.3 项目设置窗口图 33 图5.4 can总线定时寄存器0 34 图5.5 can0控制器总线定时寄存器 34 图5.6 can总线位时间结构图35 图5.7 数据流与功能模块示意图 36 图5.8 can到以太网(左)以及以太网到can（右）数据通信流程图 37 图5.9 客户-服务器模型39 图5.10 面向连接的客户-服务器模型和面向无连接的客户-服务器模型40 图5.11 以太网主机ping命令截图44 图 5.12 can-ethernet 上位机截图45 图 5.13 以太网-can 上位机截图(左)和以太网-can 通讯 dsp 内存截图(右) 46 can 总线与以太网连接技术研究 vi 表2.1 ieee802系列标准 7 表2.2 现场总线分类及特点 10 表2.3 以太网技术分类 15 表5.1 改变寄存器设置所得的6种内存分配方式32 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论 文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工 作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅,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、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 现场总线是应用在生产现场与微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点通信的 系统，也称为开放式、全数字化、多点通信的底层控制网络 12。can 总线是一种现场总线， 它在工业控制领域中占有重要的地位，并已经广泛应用于汽车制造、自动化监控、三表系 统及楼宇自控系统等领域。而以太网具有结构简单，工作可靠，传输速率高等特点，目前 以它作企业的为上层管理网络能够很好的发挥信息交换及共享的需求。这样就形成了以 can 为低层控制网络，由以太网组成上层 34管理网络的局面。然而企业生产需要下层与上 层的信息交换，而异构网络是不能直接进行信息交换的，如何有效的实现这种信息交换， 成为目前的一个热点问题。 1.1 研究背景及意义 1.1.1 现场总线控制系统 现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统 之间的一种串行、数字式、多点和双向通信的数据总线。现场总线技术将专用微处理器置 入传统的测量控制仪表，使它们各自具有了数字计算和数字通讯能力，采用可进行简单连 接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协 议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间及现场仪表与远程监控计算机之间，实现 数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。现场总线的出现正符合了 现代工业生产领域中的测控系统的需求，即通过测控仪器或系统从生产现场获得各种参 数，通过自控手段，使生产各环节得到优化。 随着计算机技术的迅速发展，使得传统的测控系统发生了根本性变革，即采用微型计 算机作为测控系统的主体和核心， 代替传统系统的常规电子线路。 纵观控制系统的发展史， 不难发现，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。工业控制系统经 历了4个阶段: 1.模拟仪表控制系统；2.集中式数字控制系统；3.集散控制系统（dcs） ； 4. 现场总线控制系统（fcs） 。 现场总线是对dcs的拓展，突破了dcs相对封闭的限制 5，它将测控任务分散到现场设 备中，上位计算机只负责监控以及一些复杂的优化和先进的控制的功能。现场总线是控制 网络底层信息及数据传输的主体，在整个控制网络中，现场总线处于重要的地位。它为控 can 总线与以太网连接技术研究 2 制网络的实施和应用提供了强大的技术支持，扩展了控制网络的应用空间。在现场总线技 术革命的推动下，不仅仅用于工业控制领域的控制网络，也涉足于许多新兴领域，如智能 大厦、环境监测、污水处理、能源控制和家庭网络自动化等。 1.1.2 以太网技术 近年来，以太网在工业控制领域的应用逐渐的广泛起来 6，它具有通信速率高、软硬 件产品丰富和应用支持技术成熟等优点，目前它已经在工业企业综合自动化系统中的资源 管理层、执行制造层得到了一定程度的应用，并呈现向下延伸直接应用于工业控制现场的 趋势。但是由于普通以太网所用的接插件、集线器、交换机和电缆等均是为商用领域设计 的， 而未针对较恶劣的工业现场环境来设计 （如冗余直流电源输入、 高温、 低温和防尘等） ， 故商用网络产品不能应用在有较高可靠性要求的恶劣工业现场环境中。这就要求厂家生产 出能在极端环境下能够保证稳定工作的以太网络，一方面改进需要提高成本，另一方面新 技术的不成熟性与现场总线技术日益成熟的对比，所以在很长的一段时间内，现场总线仍 然会是下层设备和控制的主流。 1.2 研究现状 控制网络的设备与上层监控计算机的互连可以通过一些计算机端口来实现，如rs232 接口、并口、usb接口等。然而，计算机端口的资源非常有限，在控制复杂设备时，只利 用计算机固有端口是远远不够的，另外这种做法不能进行控制扩展，当有多台设备与上位 机交互信息时，上位机的数量需求也会因此增加而造成成本的提高。而采用pc机+can卡+ 以太网接口的方法又相对复杂，同时需要接口卡驱动程序，也不利于系统的更新和扩展， 并且成本较高。为此，本课题采用网络微控制器做为核心芯片，设计嵌入式网关解决工业 控制领域的上层管理监控层同下层现场控制层的连接问题。使用这种设计可以简化电路， 增加和增强功能，提高测控精度和可靠性，显著增强测控系统的自动化，智能化程度，而 且可以缩短系统研究周期，降低成本，易于升级换代等。 1.3 研究内容 本文的研究内容主要包括以下几个方面： 1.对osi和tcp/ip网络模型的分析；osi和tcp/ip网络模型是网络协议的基础，对osi和 tcp/ip模型的分析，有助于理解和分析各种协议和数据封装的过程，从而为建立网关模型 奠定基础。 2.对can2.0总线协议的和太网协议的研究；本文研究对象是can总线与以太网的连接， 南京航空航天大学硕士学位论文 3 因此必须了解这两种协议，通过分析得知can总线与以太网具体的数据封装的不同，为本 网络通信中的数据封装-拆封-再封装提供理论依据。 3.对ds80c400芯片、tinim400验证模块及tinis400插座板的学习和实验以及对tini开 发平台学习和使用；本文采用美信公司生产的ds80c400芯片为主控芯片，配合相关的验证 模块和插座板，为嵌入式网关的开发提供了硬件条件，而tini开发平台，则为硬件开发提 供了软件开发环境，使开发过程得以优化。 4.网络socket套接字的学习和应用；通过使用网络的socket套接字实现以太网与网关 之间的数据通信。 5.对上述理论、芯片与软件技术的综合应用，建立嵌入式网关，实现can总线与以太网 的连接。 以计算机网络为基础的并采用tcp/ip协议的信息网络现已成为社会重要的基础信息 设施之一, 是信息流通的重要渠道，如果嵌入式系统能够直接连接到标准的tcp/ip网络上 面，则可以方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方。研究嵌入式系统与微 型因特网互连技术相结合解决方案，就是直接在mcu上实现tcp/ip协议，实现嵌入式设备 的计算机网络化。 嵌入式网关 78就是嵌入到应用系统中，实现在应用系统中以tcp/ip协议进行数据传 输的网络通讯模块，它以应用为中心，以计算机技术为基础，适用于应用系统（或产品） 对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式网关结构框图 见图1.1。 tcp/ip 运算控制器 以太网控制器 10baset 以太网接口 图 1.1 嵌入式网关结构框图 can 总线与以太网连接技术研究 4 第二章 can 总线与以太网 本课题主要研究can总线与以太网这两种异构网络的连接方法，所以首先要建立网络 连接的概念，然后从异种网络连接技术入手，对这两种网络进行分析，了解问题的关键所 在，才能选择解决问题的正确途径。 2.1 网间网技术 作为计算机通信基础的低层网络技术种类很多，彼此大相径庭。将不同种类的网络技 术融为一体，正是网间网的目标。异种网络互联是解决异种网通信的第一步，也是处理异 质性的关键。网络的互联是tcp/ip技术的核心。它是解决异质性（通信子网异质性）的技 术。 由于网间网要解决的是异种网的通信问题 9，所以要解决can总线与以太网的连接，首 先要对网间网技术进行研究，包括其协议分层和体系结构的特点。 2.1.1 协议分层 协议是通信双方的约定。有些协议直接描述物理网络上的通信，有些协议描述较复杂 抽象的功能。在复杂的通信系统中，使用网络级互联，应用软件与通信软件是分开的：通 信软件处理网络细节，提供通信服务，应用软件建立在通信软件所提供的界面之上，处理 用户需求，提供应用服务。由此可见，网络级互联自然地要求实行协议分层。此外，分而 治之的思想可以使网络通信中可能出现的问题的解决极大的简化，是处理复杂对象的一种 有效方法，这是协议分层的主要原因之一。 理论上，一台计算机上的某个应用程序向另一台计算机上的某应用程序发送报文，意 味着首先在发送端逐层将报文下传，然后报文经网络传到信宿机，最后接收端再逐层将报 文上传。协议的分层方式很多，典型的有iso/osi和tcp/ip模型。无论怎么样的分层模型， 分层协议的操作都基于一个基本思想：信宿机第n层收到的对象应该与信源机第n层发出的 对象完全一致。 osi参考模型是基于国际标准化组织（iso）的建议 10，作为各种层上使用的协议国际 标准化的第一步而发展起来的。如图2.1这一模型被称作iso/osi开放系统互联参考模型， 因为它是关于如何把开放系统连接起来的。osi模型有7层，其分层原则如下： 1.根据不同层次的抽象分层； 2.每层应当实现一个明确的功能； 3.每层功能的选择应该有助于制定网络协议的国际标准； 南京航空航天大学硕士学位论文 5 4.各层边界的选择应尽量减少跨过接口的通信量； 5.层数足够多，以避免不同的功能混杂在同一层中，但也不能太多，否则体系结构会 过于庞大。 2.1.2 tcp/ip体系结构 tcp/ip 参考模型 111213和 osi 参考模型有很多相似之处。 它们都是基于独立的协议栈 的概念。而且层的功能也大体相似。两个模型也有很多差别。osi 使服务、接口、协议的 概念之间的区别明确化，具有很好的隐藏性，而 tcp/ip 参考模型最初没有明确区分服务、 接口、协议。但是由于 osi 建立不符合要求的服务规范，使协议组网发生困难，而 tcp/ip 则先出现的是协议，模型实际上是对已知协议的描述，因此配合的很好。具体差别表现在 两个模型间层的数量不同：osi 模型有 7 层，而 tcp/ip 只有 4 层。它们都具有（互联）网 络层、传输层和应用层，但其他层并不相同。另一个差别是面向连接的和无连接的通信。 osi 模型在网络层支持无连接和面对连接的通信，但在传输层仅有面向连接的通信。而 tcp/ip 模型在网络层仅有一种通信模式（无连接） ，但在传输层支持两种模式，给了用户 图 2.1 osi 参考模型 会话协议 表示协议 应用协议 主机a主机 b 传输协议 应 用 表 示 会 话 传 输 网 络 数据链路 物 理 应 用 表 示 会 话 传 输 网 络 数据链路 物 理 层 7 6 5 4 3 2 1 通信子网边界 网络网络 数据链路数据链路 物理物理 路由器 主机 a 主机 b can 总线与以太网连接技术研究 6 选择的机会。 这种选择对简单的请求-应答协议是十分重 要的。 tcp/ip 模型是基于 tcp/ip 协议族建立起来的网络 模型，为简明起见，tcp/ip 协议体系 14可以归纳为如图 2.2 所示的分层结构。 其中传输层包括 tcp 和 udp， 分别 对应面向连接的服务和面向无连接的服务。面向连接的 服务指tcp在不可靠ip分组传输子网上提供可靠的进程 间通信机制。为取得可靠传送，tcp 必须能够检测分组丢失的情况，收不到确认时执行自 动重传，以及实施诸如对延时的重复数据报的处理等许多操作。而无连接的服务指 udp 提 供一个非可靠的、尽最大努力去完成的分组投递系统，其中的投递不能保证成功，分组可 能丢失，投递无序或重复投递，而并不检测这些情况。一个 tcp/ip 主机的 udp 模块必须 具备产生和验证 udp 检验和的功能。一个应用程序可以通过设置检验和来判断数据是否正 确。但 udp 不具备诸如接收保证和避免重复等有序投递功能。internet 层包括 ip 和 icmp 等。它们是 tcp/ip 最基本的组成部件。 tcp/ip体系结构是基于在主计算机上跟一个应用程序交互的进程。这个主计算机再将 数据通过网络投递到远方主机上的一个类似进程。图2.3示出了tcp/ip软件的数据封装过 程。协议结构中的每一层都做为一个独立的协议机器在运行着，建立由关键的寻址和控制 信息组成的数据包的头部，这些头部信息对目的地址计算机上的或路过的中间节点上的同 一层协议软件起作用。并且在目的地址计算机上被同层软件剥离。 在源发方主机上，从较高层接收到的信息被较低层当作纯粹的数据处理，对其内容不 做任何解释。这些信息只是被当前层简单地加上寻址和控制信息后继续传递给下一层。当 前层对数据包施加由下一层所要求的大小条件。数据可能被分割成较小的单元，以便在加 上当前层的头之后能够交给下一层发送。这些数据单元在目的地主机上由当前层的对应层 重新组合好之后再递交给其相邻上层。 应用层 传输层 internet 层 网络接口层 报文/流 报文段 分组 用户数据 数据链路头 ip 头 tcp 头 应用头 数据链路尾 帧 对象 图 2.3 tcp/ip 数据封装分层 应用层 传输层 i n t e r n e t 层 网 络 接 口 层 （物理网络） 图 2.2 tcp/ip 分层模型 南京航空航天大学硕士学位论文 7 2.1.3 局域网技术 提到 osi 模型就不得不提到局域网技术。局域网技术由于其短小灵活和结构规整的特 点，极容易形成标准。事实上，局域网技术是计算机网络技术中最为标准化的一部分。国 际电子电气工程师协会 ieee 早在 70 年代就制定了三个局域网标准： ieee802.3 （csma/cd） 、 ieee802.4(令牌总线) 、ieee802.5(令牌环)。著名的以太网就是 ieee802.3 的一个典型 产品。 值得注意的是这三个标准只描述 了分层结构中下面一层半 （即物理层和 介质访问子层）的内容，数据链路层的 上半层逻辑链路控制子层由 802 系列 的 ieee802.2 描述。ieee802 系列标准 目前已被 iso 采纳为国际标准。 ieee802 系列标准如表 2.1 所示。 局域网 （包括 csma/cd、 令牌总线、 令牌环）一般都是广播型网络，网上站 点共享信道，一站点发出数据，其他站 点均能收到。 广播型网络要解决的一个 重要技术问题是信道竞争： 谁都可以使 用信道，但信道同时只能由一个站点使用，ieee802 系列的三个局域网标准的主要任务就 是解决信道竞争问题，也正是在这个问题上真正体现出各自的特色。 由于局域网分布范围极小，一方面容易管理与配置，另一方面容易构成简洁规整的拓 扑结构，加上速度快、延迟小，因 此网络站点往往对等地参与对整 个网络的使用和监控。在局域网 中，各计算机内含网络接口单元， 站点通过它连接物理介质，并参与 与网上的管理工作（如介质访问控 制等） ，而物理网络很简单，几乎 就是一条被动的传输介质。由于局 域网往往采用广播传输方式，不存 在寻径的问题，所以其通信子网不 包括网络层。局域物理网通常只包含物理层和数据链路层。如图 2.4 所示。 逻辑链路控制子层（llc）的功能是提供一个或多个服务访问点（sap） ，sap 是两个相 邻层之间的逻辑接口。 介质访问控制子层（mac）主要功能有三个:1.发送时，将数据组装成带有地址和差错 表 2.1 ieee802 系列标准 802 系列介绍和接口原语定义 llc 协议 csma/cd 令牌总线 令牌环 都市网 fddi 时间槽 8021 标准内容 8022 8023 8024 8025 8026 8027 8028 标准号 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 逻辑链路子层 介质访问控制层 物理层 服务访问点 图 2.4 局域网体系结构与 osi 的相应层 can 总线与以太网连接技术研究 8 检测段的帧；2.接收时拆卸帧，执行地址识别和差错检测；3.管理链路上的通信。 物理层功能比较明确，包括：1.信号的编码/译码；2.前导码（前缀）的生成/除去（用 于同步）；3.比特的发送/接收。 2.1.4 网间网体系结构的特点 网间网中，网络连接包括两层内容：硬件、低层的物理连接和软件、高层的逻辑连接。 下面从两个方面讨论网间网的特点。 1.网间网用户视窗 网间网将不同的低层网络细节 （包括低层网络技术、 拓扑结构等） 隐藏起来， 向上 （包 括用户和应用程序）提供通用的、一致性的网络服务。因此，在用户看来，整个网间网是 一个统一的网络。在某种意义上，可以把这个单一网络看作一个虚拟网：在逻辑上它是独 立、统一的，在物理上则由不同的网络连接而成。将网间网看作单一网络的观点，极大地 简化了细节，使用户极容易建立网间网通信的概念。 2.网络对等性 网间网有一个基本思想：任何一个能传输分组的通信系统，均可看作网络（不管该通 信系统特性如何） ，这些网络均受到网间网协议的平等对待。大到 wan，小到 lan，甚至两 台机器间的点到点连接都被当作网络。这就是网间网的网络对等性。网络对等性为协议设 计者提供了极大的方便，简化了对异种网的处理。 计算机网络是计算机与通信技术相结合的产物，它的最主要的目的在于提供不同计算 机和用户之间的资源共享。换言之，在计算机网络中通信只是一种手段。在这个意义上， 可以把计算机网络划分为通信服务提供者和通信服务使用者两部分。对应于网络协议层 次，通信服务提供者包括网络层及以下各层（通信子网） ，通信服务使用者包括传输层及 以上各层（资源子网） 。 而无论哪一对异种网，其差异性无非体现在协议上：协议层次结构不同、协议功能不 同、协议细节不同等等，因此，异种网互联是实现不同协议的转换。然而，并非所有的异 种网都可以进行互联，只有在异种网中具有相同协议的应对层之间进行协议转换才能实现 异种网的互联。当然，这里有个限制，假如相同协议对应层之上的各对应层协议不相同， 则在该相同协议层的协议转换也是没有意义的。 对于高层协议 （网络层以上） 转换的互联， 难度是相当大的， 实现起来很不容易。 tcp/ip 不解决这类问题。tcp/ip 要解决的是不同物理网络（即异种通信子网）的互联问题。 2.1.5 异种网络的连接 差异在通信子网上的两种网络， 可以利用网络互联的思想， 通过网络级互联进行连接。 网络级互联的特点在于使用分组交换机制将低层硬件细节隐藏起来，使应用程序不直接处 南京航空航天大学硕士学位论文 9 理硬件连接。这样硬件特性及其变化不会反映到应用程序中，并且不同应用程序还可以共 享网络互联机制所提供的分组交换服务，而不再产生重复代码。 而分组交换就是将进入网络的全部数据分成一个个小传输单元进行传输。分组交换具 有以下优点：1.分组可直接映射物理网络帧，可充分利用硬件资源，传输效率极高；2.分 组交换将数据通信活动与应用程序分开，通信子网只管处理网络通信，应用程序只管处理 用户事物，二者的联系通过网络界面实现：通信子网提供网络服务，应用程序调用网络服 务；3.提供系统灵活性，使制定通用网络协议成为可能：在分组交换系统中，制定网络协 议仅需考虑网络通信问题，而不必关心特定应用需求，既简化了协议设计，又使协议具有 通用性；4.增加新的网络硬件时，只需修改或增加相应的网络级软件，在保持网络界面不 变的前提下，不必修改应用程序。 网间网中，网络连接包括两层内容：硬件、低层的物理连接和软件、高层的逻辑连接， 网间网需要借助中间计算机（网关）以实现连接。 2.2 can总线 2.2.1 现场总线的特点及 can总线的产生 现场总线的特点： 1.全数字化的现场通信网络 15 现场总线是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数字通信网络。利用数字信号代替模拟信号，其传输抗干扰性 强、测量精度高，大大提高了系统性能； 2.开放性 现场总线是开放式的互连网络，用户可自由集成不同制造商的通信网络， 通过网络对现场设备和功能块统一组态，把不同厂商的网络及设备有机地融为一体，构成 统一的现场控制系统(fcs)； 3.双向通信 现场设备通过一对传输线互连多台仪器，双向传输多个信号，可大大减 少连线数量，使系统的安装成本降低，易于推广维护，提高了系统的可靠性； 4.操作系统的自治性 智能化的现场设备通过控制网络，将简单的控制任务迁移到现 场设备中，使现场设备既有检测、变换等操作性功能，又有运算和控制功能，保证控制系 统安全可靠； 5.可互操作性与互用性 可互操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通， 可实行点对点、一点对多点的数字通信；互用性意味着不同生产厂家的性能类似的设备， 可进行互换而实现互用； 6.对现场环境的适应性工作在生产现场前端、作为工厂网络底层的现场总线，是专为 现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、红外线和电力线等，具有较强的抗 can 总线与以太网连接技术研究 10 干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足安全防爆要求等； 7.增加了非控制信息，如自诊断、组态及补偿信息等，实现了现场管理与控制的统一。 现场总线发展迅速，现处于群雄并起、百家争鸣的阶段。目前已开发出有 40 多种现 场总线，如 interbus、bitbus、devicenet、modbus、arcnet、p-net、fip、isp 等，其 中最具影响力的有 5 种，分别是 ff、profitbus、hart、can 和 lonworks 。现场总线分类 如表 2.2 所示。 can 总线（controller area network） 161718即控制器局域网，是国际上应用最广泛 的现场总线之一。起先，can-bus 被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子 控制装置 ecu 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控 制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入 can 控制装置。 can 总线是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电 磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到 10km 时，can-bus 仍 可提供高达 5kbps 的数据传输速率。由于 can 串行通讯总线具有这些特性，它很自然地 在汽车、制造业以及航空工业中受到广泛应用。 作为一种技术先进、 可靠性高、 功能完善、 成本合理的远程网络通讯控制方式， can-bus 已被广泛应用到各个自动化控制系统中。从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用 can总线。 例如， 在汽车电子、 自动控制、 智能大厦、 电力系统、 安防监控等各领域， can-bus 都具有不可比拟的优越性。对于智能运输系统（its）的重要组成部分，先进的车辆控制 系统avcs(advanced vehicle control system)，can总线也占有十分重要的地位。 现 场 总 线 类 型 特性 ff profibushart can lonworks 主要应用范围 osi 网络层次 通讯介质 介质访问方式 纠错方式 通讯速率（mbps） 最大节点数 优先级 保密性 本安性 开发工具 1，2，3，8 1，2，7 1，2，7 1，2，7 1-7 双绞线、电缆、 光纤、无线等 是 令牌、主从 crc 2.5 32 有 双绞线、光纤电源信号线 双绞线、光纤 仪表 plc 智能变送气汽车 双绞线、电力 线、光纤等 楼宇自动化 令牌、主从 crc 1.2 128 有 是 有 有 令牌、查询位仲裁 p.p csma crc crc crc 1.2 1 15 有 是 110 有 是 有 1.25 248 有 身份认证 是 有 表 2.2 现场总线分类及特点 南京航空航天大学硕士学位论文 11 在实际的测量与控制 系统中，网络的拓朴结构采 用总线式。如图 2.5 所示。 由can构成的分布式监 测、控制网络能很好地解决 了测控系统中存在的通信 问题，例如它只有一个主节 点、通信方式为命令式等 等，而且，该网络的结构简 单、成本低、可靠性高，选 用 can 总线连接各个节点， 可形成多主控制器的局域 网。 2.2.2 can 2.0 规范 can 2.0 规范分为 can 2.0a 与 can 2.0b。can 2.0a 支持标准的 11 位标识符；can 2.0b 同时支持标准的 11 位标识符和扩展的 29 位标识符。 can 2.0 规范的目的是 为了在任何两个基于 can-bus 的仪器之间建立兼容性； 规范定义了传输层，并定义了 can 协议在周围各层当中 所发挥的作用。can 2.0 规范涉及兼容性的不同方面， 比如电气特性和数据转换的解释。为了达到设计透明度 以及实现柔韧性， can 被细分为 应用层 can 对象层 （llc 子层）、can 传输层（mac 子层）和物理层。can 协议分 层模型如图 2.6 所示。 对象层和传输层包括所有由 iso/osi 模型定义的数 据链路层的服务和功能。定义对象处理较为灵活。对象 层的作用范围包括： 1.查找被发送的报文；2.确定由实际要使用的传输层接收哪一个报 文；2.为应用层相关硬件提供接口。 传输层的作用主要是传送规则，也就是控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定、 故障界定。 总线上什么时候开始发送新报文及什么时候开始接收报文， 均在传输层里确定。 位定时的一些普通功能也可以看作是传输层的一部分。理所当然，传输层的修改是受到限 制的。 物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位信息的实际传输。当然， 主控设备 can 接口 125 125 can 接口 监控设备 1 can 接口 监控设备 2 图 2.5 can 总线的拓扑结构 can 接口 监控设备 n 应用层 对象层(llc） - 报文滤波 传输层(mac) - - 故障界定 - - 错误检测和标定 - - 报文校验 - - 应答 - - 仲裁 数 据 链 路 层 物理层 - 信号电平和位表示 图 2.6 can 协议分层模型 can 总线与以太网连接技术研究 12 同一网络内，物理层对于所有的节点必须是相同的。尽管如此，在选择物理层方面还是很 自由的。 2.2.2 can 2.0b协议帧格式 can 2.0b 标准帧 can 标准帧信息为 11 个字节， 包括两部分： 信息和数据部分。 前 3 个字节为信息部分。 can 标准帧格式如图 2.7 所示。 字节 1 为帧信息。第 7 位（ff）表示帧格式，在标准帧中，ff0；第 6 位（rtr）表 示帧的类型，rtr=0 表示为数据帧，rtr=1 表示为远程帧；dlc 表示在数据帧时实际的数据 长度。 字节 2、3 为报文识别码，11 位有效。 字节 411 为数据帧的实际数据，远程帧 时无效。 扩展帧与标准帧的不同在与扩展帧由 13 个字节组成；字节 25 为报文识别码，其高 29 位有效。字节 613 为数据帧的实际数据，远程帧时无效。can2.0b 标准兼容 can2.0a 标准，采用 can2.0b 扩展帧定义通讯协议，将获得更宽的目标地址范围，以及更多的服务 类型，操作也更具有灵活性。设计者可以将更多精力用于考虑良好的产品功能及设计。 报文传输由以下 4 个不同的帧类型所表示和控制：1.数据帧 数据帧将数据从发送器 传输到接收器；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；3. 错误帧 任何单元检测到总线错误就发出错误帧；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。 dlc（数据长度） 6 5 4 3 2 1 0 7 字节 4 字节 5 字节 7 字节 3 字节 1 字节 2 字节 6 字节 8 字节 10 字节 9 字节 11 ff rtr （报文识别码） id.10-id.3 id.2-id.0 数据 1 数据 2 数据 3 数据 4 数据 5 数据 6 数据 7 数据 8 图 2.7 can 标准帧格式 南京航空航天大学硕士学位论文 13 crc 场 数据 场 控制场 仲裁场 crc 场 数据场控制场 仲裁场 sof 11 位标识 rtr ide r0 dlc0-8 字节11 位crc 界定符 ack 帧结束 sof 11 位标识 srr ide18 位标识 rtrr1r0dlc0-8 字节 11 位crc 界定符 ack帧结束 图 2.8 can2.0b 协议标准数据帧（上）和扩展型数据帧（下） 数据帧和远程帧可以使用标准帧及扩展帧两种格式。进行通信和数据传输主要用到数 据帧和远程帧，简单的介绍如下： 数据帧 数据帧是 can 总线发送和接收数据时使用的数据流格式。 数据帧由 7 个不同的位场组 成：帧起始（stsrt of frame）、仲裁场（arbitration frame）、控制场（control frame）、 数据场 （dataframe） 、 crc 场 （crc frame） 、 应答场 （ack frame） 、 帧结尾 （end of frame） 。 数据场的长度可以为 0。can2.0b 协议标准数据帧和扩展数据帧格式如图 2.8 所示。 帧起始（标准格式和扩展格式）标志数据帧和远程帧的起始，仅由一个“显性”位组 成。只在总线空闲时才允许站开始发送。所有的站必须同步于首先开始发送报文的站的帧 起始前沿。/ 标准格式帧与扩展格式帧的仲裁场格式不同。标准格式里，仲裁场由 11 位识别符和 rtr 位组成。识别符位由 id-28id-18。扩展格式里，仲裁场包括 29 位识别符、srr 位、 ide 位、rtr 位。其识别符由 id-28. id-0。为了区别标准格式和扩展格式，前版本 can 规范 1.0-1.2 的保留位 r1 现表示为 ide bit。 识别符的长度为 11 位，相当于扩展格式的基本 id（base id）。这些位按 id-28 到 id-18 的顺序发送。 最低位是 id-18。 7 个最高位 （id-28 - id-22） 必须不能全是 “隐性” 。 和标准格式形成对比，扩展格式由 29 位组成。其格式包含两个部分：11 位基本 id、 18 位扩展 id。基本 id：基本 id 包括 11 位。它按 id-28 到 id-18 的顺序发送。它相当 于标准识别符的格式。基本 id 定义扩展帧的基本优先权。扩展 id：扩展 id 包括 18 位。 它按 id-17 到 id-0 顺序发送。 标准帧里，识别符其后是 rtr 位。rtr 位（标准格式以及扩展格式）的全称为“远程 发送请求位（remote transmission request bit）”。rtr 位在数据帧里必须为“显性”， 而在远程帧里必须为“隐性”。 扩展格式里， 基本 id 首先发送， 其次是 ide 位和 srr 位。 扩展 id 的发送位于 srr 位 之后。 srr 位 （扩展格式） 的全称是 “替代远程请求位 （substitute remote request bit） ” 。 can 总线与以太网连接技术研究 14 srr 是一隐性位。它在扩展格式的标准帧 rtr 位位置，因此代替标准帧的 rtr 位。因此， 标准帧与扩展帧的冲突是通过标准帧优先于扩展帧这一途径得以解决的， 扩展帧的基本 id 如同标准帧的识别符。 ide 的全称是“识别符扩展位（identifier extension bit）”ide 位属于：扩展格 式的仲裁场。标准格式的控制场标准格式里的 ide 位为“显性”，而扩展格式里的 ide 位 为“隐性”。 控制场由 6 个位组成。标准格式的控制场格式和扩展格式的不同。标准格式里的帧包 括数据长度代码、 ide 位、 及保留位 r0。 扩展格式里的帧包括数据长度代码和两个保留位： r1 和 r0。其保留位必须发送为显性，但是接收器认可“显性”和“隐性”位的组合。 数据长度代码（dlc）指示了数据场里的字节数量。数据长度代码为 4 个位，它在控 制场里发送。数据长度代码中数据字节数的编码缩写： d“显性” r“隐性”。数据 帧：允许的数据字节数：0,1,.,7,8。其他的数值不允许使用。数据场由数据帧里的 发送数据组成。它可以为 08 个字节，每字节包含了 8 个位，首先发送 msb。 crc 场包括 crc 序列（crc sequence），其后是 crc 界定符（crc delimiter）,crc 序列（标准格式以及扩展格式）由循环冗余码求得的帧