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can 总线远距离通讯的研究及总线远距离通讯的研究及 ttcan 的分析的分析 摘摘 要要 can 现场总线是支持分布式控制及实时控制的串行通信网络， 具有可靠性 高、实时性好、价格低、容易实现的优点，在工业控制方面有着广泛的应用。 其通信的波特率可高达 1mbps、最远传输距离可达 10km 以上，但在实际系统 中，can 总线的传输距离往往达不到理论值。 本文对 can 总线网络的构成和协议进行了分析。讨论了影响 can 总线网 络传输距离的因素。结合 can 总线煤矿控制系统具体项目，通过构建实验系 统对 can 总线远距离传输进行研究。完成的主要工作如下： 第一，对常见的几种现场总线进行比较，分析 can 总线作为工业自动化 控制领域现场总线首选的原因。 第二，对 can 总线的特点及其技术规范、帧结构，数据交换原理进行了 分析。讨论影响 can 总线网络传输距离的因素。 第三，使用国家煤矿安全标准 120特性阻抗仿真导线，使用广州致远公 司的 usbcan-i 和吉阳光电公司的 usb-can adapter 作为通讯实验的两个节 点，在不同的传输距离和多种终端电阻条件下进行实验，对实验结果进行了细 致的分析，总结出 can 总线网络远距离通讯的规律。 第四，通过基于 can 总线煤矿控制一体化系统的井下组网，阐述了未来 组建 can 网络过程中应注意的事项。 最后，对具有较好的实时性的基于时间触发的 ttcan 协议进行了分析， 对其时钟系统进行了剖析。 文中的 can 总线远距离传输及 ttcan 协议的分析和实验的结果， 对构建 实际的 can 总线网络系统有一定的借鉴意义。 关键词：关键词：现场总线；can 总线；位定时参数；传输延时；传输距离；ttcan research on long-distance communication of can bus and analysis of ttcan abstract can bus is one of the serial communication networks, which supports distributed control and real-time control. can bus network has the advantages of higher reliability, better real-time, low price, and easy to implement. its widely used in industry control field. its communications baud rate can reach 1mbps and the longest transmission distance could be more than 10km, however, the transmission distance of can bus usually can not reach the theoretical value. in this thesis, i analyze the composition network and protocol of the can bus, testify the factors that impacts on can bus network transmission distance. basing on can bus control system for coal mine specific projects, i research on long-distance communication of can bus by constructing the experiment system. the major tasks are listed as follows: first, through comparison of several common field bus technologies. i analyze the reasons that can bus has the priority to be choosed for industry automation control field; second, i analyze the characters, specification, frame structure and data exchange principle of can bus. the factors that impacts on can bus network transmission distance are discussed. third, i produce a simulation of the characteristic impedance of 120 wires in accordance to national safety standards for coal mines, use zlg usbcan-i and jiyang photoelectric usb-can adapter as two nodes of the communication experiment. the experiments are done with different transmission distances and various terminal resistances. the experimental results are analyzed in details, i summarized the can bus network long-distance communication pattern. fourth, through constructing coal mine control system based on can bus,i described several issues which should be paid attention to during constructing the can network in the future. finally, i elaborate the time system considering that time-triggered real-time ttcan protocol has good performance in the last chapter. its meaningful to construct the practical can bus network system since the analysis and the experiments on can-bus transmission distance and ttcan protocol are based on practical environments. keywords: field bus; can bus; bit timing parameters; transmission delay; transmission distance; ttcan 插图清单插图清单 图 2.1 can2.0a 的分层结构. 10 图 2.2 can2.0b 的分层结构 . 10 图 2.3 总线报文优先级判别. 11 图 2.4 数据帧(data frame)格式. 12 图 2.5 远程帧(remote frame)格式 . 12 图 2.6 错误帧(error frame)格式. 12 图 2.7 过载帧(overload frame)格式. 13 图 2.8 位时间构成. 14 图 3.1 节点之间的传播延时. 16 图 3.2 网络分布等效电路图. 19 图 3.3 分离终端连接图 . 23 图 3.4 单导线的物理模型. 24 图 3.5 阻抗特性为 120的 1km 双绞线模型 . 24 图 3.6 usbcan-i . 25 图 3.7 usbcan gy8507. 25 图 3.8 标准仿真线板 . 26 图 3.9 zlgcantest . 26 图 3.10 吉阳光电 usb-can adapter. 27 图 3.11 通用 can 波特率计算工具. 27 图 3.12 终端电阻为 150发送节点的波形 . 31 图 3.13 终端电阻为 150接收节点的波形. 32 图 3.14 未加终端电阻发送点的波形. 32 图 3.15 未加终端电阻接收节点的波形 . 33 图 3.16 两节点通讯距离为 1m，距发送节点为 0.5m 通讯波形. 33 图 3.17 终端电阻 470 欧 . 34 图 3.18 终端电阻 120 欧 . 34 图 3.19 终端电阻 68 欧 . 34 图 3.20 终端电阻与通讯距离的关系. 36 图 3.21 正常的传输应答 . 37 图 3.22 传输延迟造成的无应答 . 37 图 3.23 5kbps 1km 的波形 . 37 图 3.24 5kbps 6km 的波形 . 37 图 3.25 结电容造成的波特率的变化. 38 图 3.26 can 通讯波特率与失败率的关系 . 38 图 4.1 系统简图. 41 图 4.2 英创 em9000 . 42 图 4.3 can 控制器在系统中的位置 . 42 图 4.4 can 节点硬件电路 . 43 图 4.5 can 节点 pcb 图. 43 图 4.6 can 节点实物图 . 44 图 4.7 主控制器破碎机的控制流程. 45 图 4.8 导线的选择. 46 图 5.1 ntu 产生的过程 . 49 图 5.2 周期时间的同步过程. 49 图 5.3 系统矩阵. 50 图 5.4 level 1 参照时间帧数据场部分格式 . 50 图 5.5 level 2 参照时间帧数据场部分格式 . 50 表格清单表格清单 表 2.1 rs-485 总线与 can 总线技术的应用比较. 8 表 2.2 几种常见现场总线的比较. 9 表 2.3 can 总线系统任意两点之间的最大距离 . 15 表 3.1 总线时序寄存器 0 各位的说明 . 21 表 3.2 总线时序寄存器 1 各位的说明 . 21 表 3.3 can 总线系统的要求条件. 28 表 3.4 nbt 和 brp 的组合值. 28 表 3.5 不同的总线时序寄存器值的结果 . 29 表 3.6 无应答情况下的验证结果. 30 表 3.7 终端电阻与通信距离的关系. 35 独独 创创 性性 声声 明明 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志和致谢的地方外，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 合肥工业大学 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。 学位论文作者签字： 李冬 签字日期：2010 年 4 月 27 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 合肥工业大学 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，允许论文被查阅或借阅。本人授权 合肥工业大 学 可以将学位论文的全部或部分论文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） 学位论文者签名：李冬 导师签名：胡庆新 签字日期：2010 年 4 月 27 日 签字日期： 2010 年 4 月 27 日 学位论文作者毕业后去向：待业 工作单位： 电话： 通讯地址： 邮编： 致致 谢谢 我的研究生生活即将接近尾声，这期间有过泪水，有过收获，有过挫折， 有过成功。这段短暂而美好的时光将会存留在我记忆深处，陪伴我走过以后的 漫漫人生。 本论文是在我的导师胡庆新老师的悉心指导下完成的。首先我要向我的导 师表示深深的敬意和衷心的感谢。在研究生期间，学习上和生活上一直受到胡 老师无微不至的关怀。使我拥有一个充实的研究生生涯，我非常感谢导师给予 的谆谆教导和悉心栽培。他渊博的学识、为人师表的风范为我树立了榜样，他 严谨务实，精益求精的治学态度使我受益匪浅。 感谢已经毕业的师兄方跃，师姐张淑凤给予我热情的帮助，感谢我的同门 程阵、吴林成、张伟伟，在与他们的讨论和交流中，开阔了我的研究思路，感 谢实验室的罗才彬、王伟、唐波、裴庆云师弟和师妹，感谢他们为我创造了良 好的学习和生活的氛围。在此我还要感谢我的家人，感谢他们的关心，没有他 们的辛苦就没有我的今天，是他们一直在关心和鼓励我，使我奋发向上。最后 感谢各位专家和教授在百忙之中抽出时间审阅我的论文以及所有的答辩老师。 由于我的理论水平有限，文中难免有不足之处，敬请各位老师严加批评指 正。 作者：李 冬 2010 年 4 月 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 引言引言 现场总线技术是在80年代末、90年代初发展形成的，它的兴起在工业领域 掀起了轩然大波，引起了国内外业界人士的广泛关注和高度重视，被称为“自 动化仪表与控制系统的一次变革” 。现场总线技术主要应用领域是过程自动化、 制造自动化、楼宇自动化等领域的智能设备互连等方面，现场总线的工业过程 智能自动化仪表和现代总线的开放自动化系统构成了新一代全开放自动化控制 系统的体系结构。目前国际上公认的现场总线有10多种，各有其特点，并在一 些领域得到广泛的应用1。 can 全称为 controller area network，是工业领域应用最广泛的现场总线 之一，又称控制器局域网，是 iso 国际标准化的串行通信协议。can 总线技术 最初是为汽车内的各个控制单元， 车内各电子控制装置 ecu 之间的信息交换而 设计。用来控制汽车电子控制网络。在仪表设备、变速箱控制器、电子主干系 统、发动机管理系统中均嵌入 can 控制装置。为满足“通过多个 lan，进行 大量数据的高速通信” 、 “减少线束的数量”的需要，1986 年德国电气商博世公 司开发出面向汽车的 can 通信协议 2。不久 can 协议通过 iso11898 及 iso11519 进行了标准化，在欧洲现在已是汽车网络的标准协议。 can 总线是一种特殊的串行通讯总线，具有多主方式的特点，can 设计 规范要求网络通信位速率高，抗电磁干扰性能力强，通讯过程中产生的错位要 能够检测出来。can 总线的一个优点就是具有较好的通讯性能，传输速度快， 传输距离远，当通讯传输距离是 10km 时，仍具有 5kbps 的数据传输速率。can 作为一种可靠性高、技术先进、成本合理、功能完善的工业控制网络，各个自 动化控制系统中都得到广泛的应用。从高速的网络到低价位的多路接线都可以 使用 can 总线。比如，在汽车制造业、航空制造工业、电力系统、安全防护 监控、自动化控制等各个领域，can 总线网络有不可比拟的优越性3。 本章从介绍现场总线技术的历史背景和发展开始，引出现场总线特别是 can 总线的国内外发展状况，进而提出本课题研究的内容、课题来源及意义， 最后对论文的章节进行了规划。 1.1.1 研究背景 随着经济的发展和工业规模的扩大，控制系统的信息化程度的要求也越来 越高，从工业革命开始，在不同发展阶段，信息化的要求差别也很大。(1)人工 控制阶段。在这个阶段还没有提出信息集成的概念；(2)模拟控制阶段。这个阶 段，信息的集成程度随着集中控制室的诞生有了一定的提高，但是控制系统信 息的集成在速度、精度和信息量方面仍然不能让人满意，这重要是由于模拟量 信号的自身缺点造成的。(3)集中式数字控制阶段。这个阶段信息化程度有了很 2 大的提高，可以实现多个仪表单元和某些小型化系统的信息的采集和集成，可 以很方便的实现了信息的综合，系统的方案的改变和控制系统的优化34。但 是，这时的信息的集成只是简单的测控信息，很少有与管理有关的信息；虽然 在第三阶段集中式控制系统阶段实现了信息的管理、一体化管理的测控，但这 个阶段一体化的程度依旧不高，很难实现全数字化的通信，相互之间的交换非 常少；直到基于网络的现场总线控制技术的出现，使得信息的进一步集成得到 了前所未有的发展。现场总线是一种多点通信、数字化、开放式的底层控制网 络。随后的工业控制系统以现场总线技术为核心，形成了现场总线控制系统 fcs(fieldbus control system)。在现场总线控制系统中，现场总线技术起到至关 重要的作用，它将网络节点节点单元连接成自动化系统。现场总线系统中各个 设备分别作为一个节点挂在总线网络上，通过现场总线技术实现节点与主控制 器之间，各个节点之间的信息交换，从而完成各种复杂的综合自动化功能4。 现场总线网络控制系统和传统的控制系统的连接方式也不相同。传统控制 系统中按控制回路分别进行连接，设备采用一对一的连线。而在 fcs 中，由于 它的通信能力有很大的提高，节点设备可以简单地串行连接在一起实现通信。 现场总线系统具有开放性、互可操作性与互用性、现场总线设备具有智能化和 功能自治性、系统结构的高度分散性、对现场环境很强的适应性等优点4。 已被 iso 国际标准组织定为国际标准的 can 总线，得到了 intel，nec， motorola，siemens， philip 等公司的支持，在离散控制系统领域应用广泛。双 绞线可以作为其信号传输介质。在 40m 内的通信速率最高可达 1mbps，直接传 输距离最远可达 10km(5kbps)。每条总线可挂接的节点数目最多为 110 个24。 can 协议中规定其信号传输是短帧结构，每位由多个位场组成，但是每帧 的数据位只有 8 个字节，这样可以使帧传输时间短，被干扰的概率低。具有优 良的仲裁和同步机制、报文自动过滤重发、总线错误检测机制，使得 can 总 线特别适用于稳定性、实时性要求高的控制网络4。 由于 can 总线具有报文短、通信速率高、纠错能力强、开放性好和扩展 能力强以及控制简单、应用成本低等优点，所以它的应用范围早已不再局限于 汽车工业，已经被广泛应用于机械工业、农用机械、纺织机械、机器人、医疗 机械、数控机床、过程控制和传感器等各个工业控制领域。在国内，主要应用 的三种现场总线所占市场份额分别为：基金会现场总线(ff)接近 10%，lon 总 线 30%， can 总线超过 60%，可见 can 总线是一种主流现场总线5。 1.1.2 现场总线 can 国内外的研究与应用现状 由于 can 总线具有许多优点，can 总线也一直是现场总线的重点，现场 总线 can 在汽车领域的应用较广泛，尤其是其应用层协议的应用，由美国汽 车工程协会（sae）制定的标准化串行协议在商用车辆方面一直用于单个传动 装置上元件和电子控制单元之间的通信。从单片机串行端获得的 j1708/j1587 3 协议可以被视作前驱。由汽车工程协会(sae)定义的 saej1939 协议，主要用于 商用车辆，在舰船、轨道机车、农业机械和大型发动机方面也有应用。该协议 使用 29 位 can 报文标识符（扩展格式） ，与 j1708/1587 协议兼容。所以通过 saej1939 能够传输测量值和控制数据并配置元件。另外，还能够读或删除单个 元件诊断数据，并对单个控制进行校准。为了使这些功能成为可能，对于商用 车方面的所有相关变量都要在 saej1939 中定义值域、分辨率、识别数等。因 此，在 j1939 协议中，不仅指定了流量检查、传输类型、报文结构及其分段等， 而且精确的定义了报文内容34。 有些企业也自己制定了自己的应用层协议，如大众、通用、戴姆勒-克莱斯 勒等国外大的汽车企业，已经分别制定了该协议的应用层标准，这些标准已经 成为企业的核心技术之一。应用层标准的一个重要作用就体现在：提供握手信 号。这是一些国外厂商建立技术壁垒的关键。限制了某些产品的二次开发，如 果国内的汽车电子供应商产品的 can 节点规范不符合其握手信号标准，那么 该产品将无法使用和推广，更不能替换原有的产品了。而要获得该握手信号， 又要花大价钱购买其专利，同时又会受到国外厂商设置的诸多门槛限制。最终 导致国内汽车电子产品供应商的产品无法使用在使用了国外 can 应用层协议 的车辆上，形成了短时间不可攻破的技术壁垒56。 目前，国内的 can 应用层协议也得到了迅猛的发展。国内周立功 can 开 发组织根据实际应用开发了一套简单的 can 应用层协议称为 i-can，并开发 了适合于 can 的简单应用场合的 i-can 协议的简化版本。它具有简单有效的 特点。用户能够很容易通过 i-can 协议构建一个基于 can 总线的工业应用网 络45。 在欧洲成立的 cia(can in automation)为促进 can 以及 can 协议的发 展做了巨大贡献。在 cia 的努力推广下，can 技术已在各个领域得到了广泛的 应用。cia 现已有 400 多家公司，cia 已成为全球应用 can 技术的权威。根据 相关统计显示，can 技术已应用于家用电器和智能楼宇以及小区建设中。如家 电控制、安防系统、抄表系统等。can 网络具有投资少，节点随机访问，通信 速度快等要求，且在这类应用中数据交换量都很少。在当前较热的远程控制技 术中就是使用适当的网关如 can 与 tcp/ip 协议的转换，把一个居室或一栋大 楼的现场 can 信息转变为 internet 的形式外传，或通过这类网关把外部网传来 的信息转换为 can 信息的形式。实践证明，can 总线必将最终成为市场占有 率很高的主要总线产品之一， 基于 can 总线的控制系统有广阔的应用前景78。 1.2 论文的研究内容、拟解决的关键问题及创新之处论文的研究内容、拟解决的关键问题及创新之处 1.2.1 研究内容 can是一种具有国际标准而且性价比又比较高的现场总线，其在组网和通 信功能上的优点，使它在许多领域都有广阔的应用前景和发展潜力。现场总线 的发展方向趋于智能化，网络化。而can总线作为最有前途的现场总线，为以 4 后能更好地将can现场总线应用到通信，电子工业等各个领域，让can总线发 挥其优越性，很有必要对其通讯协议，数据交换原理，报文帧类型，错误检测 机制等进行深入地分析研究。针对can总线远距离通讯时实际的传输距离远远 达不到理论值的问题。本文分析了影响传输性能的各种因素，并提出了几种提 高can实际通讯距离的方法。 本课题来源于我的导师项目：煤矿控制一体化系统，煤矿现代化程度的不 断提高，对煤矿井下设备控制的可靠性，实时性，安全性提出越来越高的要求。 井下两个 can 节点之间的距离可以达到 10km，甚至更远，对 can 的通信距 离要求很高。基于 can 总线煤矿控制一体化系统采用嵌入式技术，上位机采 用 wince 操作系统的人机友好界面，配有标准的串口，网口，双路 can。井 下设备破碎机，转载机，前后溜，皮带控制器等设备均作为 can 节点与上位 机进行通讯和数据交换。大大提高了井下作业的安全性和采矿效率。 本文的主要工作是在深入理解can协议特点，分层结构及工作原理的基础 上，对其应用的有关技术进行分析。本课题的主要研究内容如下： (1) can总线技术规范的分析； (2) can总线通信机制的研究，包括can协议，帧结构，数据传输交换原理的 剖析； (3) 分析影响can总线传输距离的因素，并通过实验进行研究； (4) 研究can总线终端及网络拓扑结构； (5) can总线位定时参数的确定方法； (6) 结合具体的项目阐述can组网布线注意的事项； (7) ttcan协议的剖析； 1.2.2 论文拟解决的关键问题 (1) can总线协议的分析和can总线通信机制的研究。 (2) 影响can总线远距离通讯的因素：传输延时、位定时参数、晶振偏差、总线 终端和匹配电阻4个方面因素的分析与实验验证。 (3) 结合煤矿控制一体化项目，阐述组建can网络时要注意的事项。 (4) 时间触发ttcan协议时间系统的构建。 1.2.3 论文的创新之处 (1) 针对影响can总线远距离通讯的因素： 位定时参数， 结合实际系统对系统的位定 时参数进行了优化。 (2) 使用广州致远公司的usbcan-i和吉阳光电公司的usb-can adapter作为 仿真通讯实验的两个节点，在不同的传输距离和多种终端电阻条件下的仿真实 验，对实验结果进行细致的分析，总结了can总线网络远距离通讯的规律。 5 1.3 论文章节组织结构论文章节组织结构 论文的章节安排如下： 第一章， 绪论。主要介绍了课题研究的背景，现场总线can国内外应用的现状 及论文的课题来源，主要内容，章节安排。 第二章， can总线测控网络通信技术。 对can总线的特点及其技术规范进行了 分析，包括can协议，帧结构，数据交换原理等。 第三章， can总线网络远距离通讯的研究。 主要针对影响can总线网络通讯距 离的因素进行了分析，并针对提出的因素给出了优化方法，并通过实 验进行了验证。 第四章， 远距离通讯研究在煤矿控制一体化系统中的应用。介绍了系统的构成 和框架，以及系统的软件和硬件设计，并阐述了组建can网络时要注 意的事项。 第五章， ttcan的介绍及其优化。针对can协议实时性较差的缺点，提出了时 间触发的ttcan协议，并对其时钟系统进行了分析。 第六章， 总结和展望。介绍了本文的研究不足和可能深入研究的方面进行了简 要的说明。 6 第二章第二章 can总线测控网络通信技术总线测控网络通信技术 从世界范围内现场总线的应用情况来看，现场总线技术处在一个全面发展 的阶段，不论从现场总线的种类和应用范围都可以看得出来，当前工业控制领 域出现多种总线技术、多种控制网络的共存局面。can 已经发展了近 30 年， 技术日臻完善，它的应用也远远不局限于最初的汽车领域，这说明其潜力是非 常可观的。近几年 can 总线技术又得到长足的发展3 5。 2.1 can 总线与几种常见现场总线的比较总线与几种常见现场总线的比较 广泛应用的现场总线技术就有十多种，加之已经发展成熟、应用广泛的其 他工业总线如 rs-232，rs-485/422，ieee1394，spi，i2c 总线等，它们各具特 色，应用在各种不同的领域。因此在现场总线标准统一与完善之前，应对领域 内各种常用的控制总线进行分析与比较，从而合理的选择和综合应用。下面分 别介绍几种常见的工业总线和现场总线910。 (1) rs-485/422 总线 rs-232，rs-422，rs-485 三者都是串行数据接口标准，开始是由电子工业 协会(eia)制订并发布的，rs-232 于 1962 年发布，命名为 eia-232-e，为保证 不同厂家产品之间的兼容而制定。 rs-422 是在 rs-232 基础上发展而来， 它是为弥补 rs-232 之不足而提出的。 它改进了 rs-232 通信中存在的距离短、速率低的缺点，rs-422 定义一种平衡 通信接口，传输速率可达 10mb/s，传输距离为 4000 英尺(速率不高于 l00kb/s 时)， 在一条平衡总线上可连接最多 10 个接收器。 rs-422 是一种单主通信模式： 单机发送、多机接收的平衡、单向传输规范，被命名为 tia/eia-422 标准。 针对 rs422 的不足，eia 又于 1983 年制定了 rs-485 标准，该标准支持多 点、双向通信，即允许一条总线连接多个发送器，同时增加了发送器节点本身 的驱动能力和冲突保护特性，拓展了总线共模范围，又命名为 tia/eia-485 标 准10。 (2) lon 总线 由美国 echelon 公司研发，并由 echelon 与 motorola、东芝公司倡导的 lonworks 技术， 在 1990 年公布的。 它采取了面向对象的设计方法， 采用 iso/osi 模型的七层通讯协议，通过参数设置实现网络通信设计，其数据通信速率为 1.5mbps 至 300bps 不等，通讯速率为 78kbps，通讯介质为双绞线的通信距离最 大可达 2700m；可以用双绞线、射频、光缆、同轴电缆、红外线等多种通信介 质中传输，具有较好的适应性，被称为通信控制网络10。 lonworks 技术使用 lontalk 协议，lontalk 协议封装在具有 3 个 8 位 cpu 的 neuron 的神经元芯片中。这 3 个 cpu 各有其功能，其中一个为媒体访问控 制处理器，用于完成 osi 模型中的第 1，2 层即物理层、数据链路层功能，实 7 现通信介质访问的控制与处理；第二个 cpu 称作网络处理器，完成 osi 模型中 第 3、4 层功能，负责收发数据包、网络通信控制等任务，同时进行网络变量的 寻址、处理、背景诊断、软件计时、路径选择、网络管理等；第三个 cpu 称为 应用处理器，主要作用是执行操作系统服务和用户代码。此外，芯片中还有用 以实现各 cpu 之间的信息传递的存储信息缓冲区， 作为应用缓冲区和网络缓冲 区12。 (3) 基金会现场总线 基金会现场总线(ff.foundation fieldbus)也是实际应用比较广泛的一种现 场总线技术。具有良好的发展前景。ff 总线通信模型各层次与 iso/osi 开放系 统互连模型中物理层、数据链路层、应用层相对应。并在应用层的上增加用户 层。其主要作用是针对自动化测控领域。定义信息存取的规则，使用设备描述 语言规定了通用的功能块集。 ff 总线具有低速 h1， 高速 h2 两种数据通信速率。 h1 的传输速率可达 31.25kbps，可达 1900m 的通信距离。具有总线供电，支持 本质安全防爆环境的特点。h2 的传输速率分为 2.5mbps 和 1mbps，对应的通信 距离为 500m 和 750m，支持光缆、双绞线和无线发射三种方式物理传输介质， 传输信号采用曼彻斯特编码，符合 iec1158 标准的协议。 基金会现场总线的主要技术内容包括：(1)通信协议；(2)ddl 设备描述语 言，用于描述设备特征参数属性以及操作接口及完成开放互连模型中第 2-7 层 通信协议的通信栈(communication stack)；(3)设备描述字典； (4)应用功能的 功能块，用于实现控制、测量、工程量转换等；(4)系统集成技术，用于实现系 统调度、组态、管理等功能的系统软件技术，以及构筑集成自动化系统、网络 系统。 (4) profibus现场总线 profibus 是德国国家标准和欧洲国家标准的现场总线标准。这项技术是由 西门子公司等德国的公司和研究所制定的。它引用 osi 模型的第 1，2 层：物 理层、数据链路层。分散化的外围设备(dp)型隐去了第 3 层到第 7 层，而增加 了直接数据连接拟合作为用户接口；现场总线信息规范(fms)型隐去了 osi 的 第三至六层，使用其应用层。过程自动化(pa)的标准目前还处于发展过程之中。 它的最大数据传输速率为 12mbps，可以是双绞线，光缆等传输介质，可挂接最 多 127 个节点。 (5) hart现场总线 hart现场总线是rosemount公司子1996年推出的一种通信协议。它的特点 是在不改变现有模拟信号的传输线直接实现数字信号通信，实现模拟系统向数 字系统转变。它采用命令方式工作，其三类命令实现三个不同层次的功能。在 当前的过渡时期，hart具有较强的市场竞争能力。 8 2.1.1 rs-485 与 can 总线通信方式的比较 经过前面几种常见现场总线技术的介绍，许多总线都有其应用范围，但是 can 和 rs-485 作为两种主流总线协议有什么异同呢，下面就几个常见应用方 面进行比较如下表 2.110所示： 表 2.1 rs-485 总线与 can 总线技术的应用比较 rs-485 can-bus 节点成本 较低 较高 网路系统成本 高 较低 总线网络的利用率 低 高 总线网络特性 单主网络 多主网络 数据传输率 低 高 网路容错机制 无 可靠的错误处理和检测机制 通讯失败率 高 很低 自愈性 无 很好 通讯距离 1.5km 可达 10km（5kbps） 网络调试 困难 非常容易 开发难度 标准 modbus 协议 标准 canbus 协议，软件包支持 后期维护成本 高 低 从表中比较结果可以看出相比较 rs-485 通信方式，can 在总线利用率、 数据传输率、容错机制和通讯距离方面有很多优势。 2.1.2 几种常见的现场总线的比较 由于现场总线的种类很多，为了满足工业控制中的实时要求进行总线的选 择。这就首先要了解各种现场总线的特点，特别是数据链路层的通信介质访问 控制方式。以对时间确定性的支持为分类标准，现场总线通信介质访问控制方 式主要分为两大类10：一是采用事件触发方式，这种方式不直接支持时间确定 性，采用随机载波监听方式(csma)，常见的有 can 总线和 lon 总线等；另 一种是采用时间触发方式，这种方式直接支持时间确定性，常采用令牌方式， 所以它又可以进一步分为：(1)集中式令牌；(2)分布式令牌；(