（计算机系统结构专业论文）现场总线技术研究及其应用.pdf

摘要 工业控制系统中，每一代新系统的推出都是针对老一代系统存在的缺陷而给 出的解决方案，现场总线和现场总线控制系统的产生也不例外。目前对现场总线 技术进行研究的国内外机构很多，在这样的大环境下，现场总线技术发展迅速， 并已被实际应用在楼宇自动化、现场测控系统等领域中。当今现场总线的种类繁 多，本文仅选用了控制器局部网( c a n ) 总线和单总线作为研究对象，这是由于 它们规模适中，价格低廉，适合于用在现场测控系统中。 本文主要叙述了对这两种现场总线技术的研究，以及它们在热网首站监控系 统中的实际应用。本文对c a n 协议及其原理进行了比较深入的研究，在此基础上 描述了基于c a n 总线的前端控制器的设计实现，以及系统通信中应用层协议的具 体制定。本文对单总线主机端接口器件进行了可行性方案研究，并对单总线软硬 件设计及其在设计中遇到的问题做了详细的描述。 关键字：现场总线现场总线控制系统控制器局部网单总线 a b s t r a c t i nt h ei n d u s t r yc o n t r o ls y s t e m s ，t h ea p p e a r a n c eo fe a c hn e wg e n e r a t i o ni st h e s c h e m ea c c o u n t i n gf o rt h es h o r t c o m i n g so ft h eo l dg e n e r a t i o n s s of i e l db u sa n df i e l d b u sc o n t r o ls y s t e ma r en o tt h ee x c e p t i o n a tt h ep r e s e n tt i m ed o m e s t i ca n do v e r s e a s m a n u f a c t u r e r si n v e s tm u c ht i m ea n de n e r g yi nt h er e s e a r c ho ff i e l db u s ，a n da p p l yf i e l d b u st e c h n o l o g yt ot h es c o p e so f h e a t i n ga n dw a t e r s u p p l y n o w a d a y st h ec a t e g o r i e so ff i e l db u sa l ev a r i o u s ，b u tt h i sp a p e ro n l yd i s c u s s e s c a nb u sa n d1 - w i r eb u s ，w h i c hi sb e c a u s eo fi t sa p p r o p r i a t es c a l ea n dl o wc o s t s o b o t ho ft h eb u s e sa r ef i tf o rf i e l db u sm e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e m t h ep a p e rm a i n l y d i s c u s s e st h er e s e a r c ho ft h et w of i e l db u st e c h n o l o g i e s ，a n dt h ea p p l i c a t i o ni nt h e c e n t r a ls t a t i o n sm o n i t o r i n gc o n t r o ls y s t e mo f t h eh e a t i n gs y s t e m i nt h ec o n c r e t ed e s i g n a n dr e a l i z a t i o n ，t h ec o r eo ft h e a p p l i c a t i o no fc a nn e t w o r ki s h o wt oc h o o s eo r c o n s t i t u t eap r o t o c o lt ot h ea p p l i c a t i o nl a y e ro fc a n o nt h eo t h e rh a n d ，t h ed e s i g no f t h es o f t w a r ei sc o m p l e x ，a n di tn e e d ss t r i c t l yc o r r e c tt i m i n gd i a g r a m ，w h i c hi sb e c a u s e o f t h eb r i e f a p p l i c a t i o no f t h eh a r d w a r e o f1 一w i r eb u sn e t w o r k k e y w o r d s ：f i e l db u s f i e l db u sc o n t r o ls y s t e mc o n t r o l l e ra r e an e t w o r k 1 - w i r e 创新性声明 y 5 8 3 3 6 1 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电 子科技大学或其它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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：篁尘日期加j j 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人 保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子 科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可 以公布沦文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存论文。 本人签名 导师签名 日期坦2 ：丝：! ! 日期 一解 第一章绪论 第一章绪论 1 1 控制系统的发展过程 纵观控制系统的发展史，不难发现，每一代新的控制系统的推出都是针对老 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 因的推动下占据市场的主导地位。 一、模拟仪表控制系统 模拟仪表控制系统于六七十年代占主导地位。其显著缺点是：模拟信号精度 低，易受干扰。 二、集中式数字控制系统 集中式数字控制系统于七八十年代占主导地位。采用单片机、p l c 或微机作 为控制器，控制器内部传输的是数字信号，因此克服了模拟仪表控制系统中模拟 信号精度低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力。集中式数字控制系统的优点是易 于根据全局情况进行控制计算和判断，在控制方式、控制时机的选择上可以统一 调度和安排；不足的是，对控制器本身要求很高，必须具有强大的处理能力和良 好的可靠性。由于其控制功能集中，如果控制器本身出现故障，系统就会瘫痪， 体系结构上可靠性差。另方面，为保证系统不间断运行，必须要对主控设备备 份，而具有高可靠性、高性能、功能强大的控制器价格不菲，因此大大增加了备 份成本。 三、集散控制系统( d c s ) 集散控制系统( d c s ) 于八、九十年代占主导地位。其核心思想是集中管理、 分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监控管理功能，若干台下位机 下放分散到现场，实现分布式控制，各上、下位机之间用通信网络互连，以实现 相互之间的信息传递。因此集散控制系统的风险分散化。 在集散控制系统中，分布式控制思想的实现正是得益于网络技术的发展和应 用。然而，遗憾的是，不同的d c s 厂家为达到垄断经营的目的，对其控制通讯网 络采用各自专用的封闭形式，不同厂家的d c s 系统之间难以实现网络互连和信息 共享。因此，集散控制系统实质是封闭专用的、不具有可互操作性的。并且，d c s 造价昂贵。在这种情况下，用户对网络控制系统提出了开放化和降低成本的迫切 要求。 现场总线技术研究及其应用 四、现场总线控制系统( f c s ) f c s 正是顺应以上潮流而诞生，它用现场总线这一开放的、具有可互操作的 踊络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能下 放到现场，降低了安装成本和维护费用。因此，f c s 实质是一种开放的、具有可 互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，有望成为2 l 世纪控制系统的主流产品。 1 2 现场总线的发展 1 2 1 现场总线在国内的应用 1 9 9 8 年4 月在北京举行的多国仪器仪表展览会上，名目繁多的现场总线产品， 给人一种现场总线已是大势所趋的感觉。1 9 9 8 年的中国控制会议上，专门安排了 现场总线控制系统的大会专题报告，表明现场总线技术不仅是工业控制系统的必 然趋势，同时也成为控制理论研究的新方向。 1 9 9 8 年8 月，中国第一套现场总线系统由国家电力公司热工研究院从美国 f i s h e r - r o s e m o u n t 公司引进，该系统采用p l a n tw e b1 m 基于现场总线结构的最新技 术，同时也是在中国第一次运用f f 技术。它将智能化现场设备、规模可变的平台 和模块化软件结合在一起，实现过程控制。这套系统将用于国内大中型火力发电 厂汽轮机性能考核测试，它包括一套d e l t a v 规模可变的过程控制系统、a m s 设备 管理系统以及1 0 0 余套基于f f 技术的压力温度变送器。该项目的引进也标志着我 国电力自动化技术进入了一个新时代。 从“九五”起，我国政府开始投资支持现场总线的开发。这期间国家机械工 业局、教育部和中科院组织力量对f f 、p r o f i b u s 等现场总线展开研究和开发，到 现在已经取得了阶段性成果。 1 2 2 课题的提出 控制系统采用现场总线和智能仪表后，可以从现场得到更多的诊断、维护和 管理信息。由于系统的总信息量并没有减少，大量信息在现场就地完成处理，因 此减少了现场与控制机房之间的信息往返。另一方面，现场总线的拓扑结构决定 了传输信息的线路大幅度减少。这种技术比d c s 更适用于现场测控系统等领域。 目前，国内外对现场总线的研究很热门，发展迅速，出于工程需要的目的， 作者所在的多媒体所在供热、供水应用中引入了现场总线技术。 第一章绪论 1 3 作者的工作安排及论文章节安排 一、作者的工作安排 本文研究的藿点有两个： 1 c a n 现场总线研究及基于c a n 控制器的调试及定型 2 单总线研究及基于1 w i r e 的测控器设计 作者所做的工作主要有： 1 作者对目前比较有影响的几种现场总线技术进行了研究，在分析对比的基础 上，由于规模适中，价格低廉，适合于用在现场测控系统中，选择了c a n 总 线和单总线作为研究对象。 2 。c a n 现场总线在国内的应用尚不成熟，作者对c a n 协议及其原理进行了比较 深入的研究，在此基础上完成了基于c a n 总线的前端控制器的调试与定型， 并且完成了其与上位机之间的通信，将c a n 现场总线应用到热网首站监控系 统中。而且，由于监控系统中设置参数及显示状态的需要，作者还完成了手持 器部分的调试与定型。目前该系统已经在实验室测试成功。运行结果表明，该 系统达到了预期的设计目标。采用c a n 现场总线技术之后，热网首站监控系 统结构简单明了，接线明显减少，旌工方便，系统的可靠性得以提高。 3 作者对单总线主机端接口器件进行了可行性方案研究和具体设计实现。基于单 总线的测控器已经设计完成，已处于最后调试阶段。为了实现单总线严格正确 的时序关系，作者编程完成了相应的软件模块。运行结果表明，该设计达到了 预期的设计目标。 二、论文章节安排 第一章绪论 本章简要介绍了控制系统的发展史，分析了现场总线的发展状况，提 出了研究课题，介绍了作者的工作及论文章节安排。 第二章现场总线技术 本章简要介绍了现场总线的基本概念，论述了现场总线技术产生的必 然性和现场总线产生的意义，通过图例说明了现场总线的特点，介绍了几 种国际上较为流行的现场总线，说明了选择c a n 总线和单总线作为研究课 题的理由。 第三章控制器局部网( c a n ) 总线技术研究 本章概述了c a n 总线的相关概念，以及c a n 网络的性能特点，分别 介绍了c a n 的物理层和数据链路层中的重要问题，制定了用户层协议，研 4 现场总线技术研究及其应用 究了c a n 通信中几个关键问题。 第四章单总线技术研究 本章介绍了1 - w i r e 网络的工作机理，给出了单总线的网络拓扑图，提 出了1 - w i r e 网络的特性分析以及优化方法，研究了单总线的几个关键问题。 第五章热网首站监控系统设计与实现 本章进行了热网首站功能分析，提出了基于c a n 总线的系统总体结构 以及各部分组成与功能描述，重点介绍了前端控制器软件设计部分，给出 了基于单总线的可选设计方案及分析，对比了c a n 总线和单总线这两种具 体实现方案。 第六章结束语 本章总结了作者所做的研究工作和实验连调工作，以及在系统软硬件设 计中得出的经验，说明了本文的创新点，提出了改进方案。 致谢 参考文献 第二章现场总线技术 第二章现场总线技术 2 1 现场总线基本概念 现场总线是9 0 年代兴起的种新事物，它将当今网络通讯与管理的观念带入 控制领域，目前还没有统一的国际标准，但一般认为现场总线就是集控制、计算 机、通信技术为一体的互连通网络，可用于各种生产自动化现场智能仪表仪器、 控制器、执行机构间数字化、串行、双向、多点的相互连接，被看作是一个由数 字通讯设备和监控设备组成的用于现场仪表与控制室主机系统之间的一种开放 的、全数字化、双向、多站的通信系统。 现场总线技术是在市场对现场仪表智能化以及全数字控制系统的需求驱动下 产生的。广义上说，“现场总线”一词是与现场检测仪表、执行装置进行双向数 字通信的串行总线系统。也可以说现场总线的本质是信息处理现场化。现场是指 其工作环境处于生产设备一侧，丽总线则是指传送信息的公共路径。指的是遵循 同一技术规范的连接与互操作方式。这些遵循同一技术规范与操作方式的设备可 通过总线互联为系统，并实现相互操作。 2 2 现场总线技术产生的必然性 现场总线的产生是多方面因素共同作用的结果。现场总线的产生首先反映了 仪器仪表本身发展的需要。仪器仪表的发展经历了全模拟式仪表、智能仪表、具 有通信功能的智能仪表、现场总线仪表等几个阶段。其中，全模拟式仪表是将传 感器信号进行调理放大后，经过v ，i 电路转换，输出4 2 0 m a 或1 5 v 的模拟信 号。其后随着计算机技术的发展，微处理器在仪器仪表中得到了广泛应用，过程 变量经调理放大、a d 采样，转换为数字信号，并经过微处理器的运算、补偿等 处理后，再通过d a 、v i 等电路，仍然以4 2 0 m a 或1 5 v 的模拟信号输出。 这种智能仪表相对于全模拟仪表来讲，测量精度得到大大提高，但信号传输过程 仍然容易受到外界电磁干扰，传输精度和可靠性都不高。于是，人们在仪器仪表 中增加了通信接口( 如r s 2 3 2 4 8 5 等) ，以数字通信的方式代替模拟信号传输。但 由于这些通信标准只规定了物理层上的电气特性。而对于数据链路层及其以上各 高层协议规范，则没有统一定义，致使不同生产厂家生产的仪器仪表由于通信协 议的专有与不兼容而无法实现相互之问的信息互访。为解决这个问题，必须使这 些网络的通信标准进行统一，组成开放互连系统，于是就产生了现场总线。其次， 现场总线技术研究及其应用 现场总线的产生也反映了企业管控一体化信息集成的要求。 2 3 现场总线产生的意义 现场总线技术是本世纪术工业自动化控制发展的最新阶段。它的诞生，将对 传统的工业自动化仪表与控制系统带来革命，开创过程控制新纪元，给自动化仪 表产业带来一次重大的质变。尽管4 2 0 m a 的模拟式仪表还将继续存在相当长的 一段时间，但现场仪表的主流将是符合现场总线标准的全数字智能仪表。这场自 动化技术的革命，就其深度和广度来说，将超过以往的任何一次革命。从现在起， 传统的d c s 系统的输入输出结构将被现场总线取代，新的现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m 简称f c s ) 将逐步取代已处于顶峰的d c s 。传统意义上的d c s 现在仅仅指生产过程控制这部分的自动化，而现场总线技术出现以后，d c s 也将 向更加分散的方向发展，向下深入到现场的每台测量设备、执行机构，向上发展 到生产管理、企业经营的方方面面，为企业提供全面解决方案。 2 4 现场总线的特点 在传统的d c s 中，体现的是集中管理与分散控制的思想。其结构体系可描 述为三层结构，即现场设备层、i o 控制层和操作管理层，如图2 1 所示。 图2 i d c s 系统结构图 其中，工程师站负责系统管理、控制组态、系统生成与下装；操作员站实 现控制系统的控制操作、过程状态显示、历史数据的收集、报警状态显示以及趋 第二章现场总线技术 势显示和报表生成打印等：现场i o 站实现各种信号的采集和处理、回路的运算和 控制结果输出等；通信网络负责提供各种功能站之间的数据通信和联络。 现场总线的突出特点在于它克服了d c s 系统中通信由封闭的专用网络系统实 现中所产生的缺陷，把基于封闭专用的解决方案变成基于公开标准化的解决方案， 如图1 2 所示；同时把集中与分散相结合的d c s 集散控制结构，交成新型的全分 布式结构，把控制功能下放到现场，依靠现场智能设备本身实现基本控制功能。 圉2 2 现场总线系统结构图 现场总线的特点主要表现在以下几个方面： 1 以数字信号完全取代传统d c s 的4 2 0 m a 模拟信号，且双向传输信号。对 双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用 量大为减少，连线设计与接头校对工作量也大为减少。同时，通信总线延伸到 现场传感器、变送器、控制器和伺服机构，操作人员在控制室就能实现主控系 统对现场设备的在线监视、诊断、校验和参数整定，从而提高了系统的精度、 可监视性和抗干扰能力，节省了硬件数量与投资。 2 相对于传统的d c s 三层结构而言，现场总线在结构上只有现场设备和操作管 理站两个层次，将传统d c s 的f o 控制站并入现场智能设备，取消了f o 模块， 现场仪表都是内装微处理器的，它们各自进行采样、a d 转换、线性化或校正 运算处理、报警判断以及控制算法功能等，输出的结果直接送到邻近的调节阀 上，完全不需要经过控制室主控系统，从根本上改变了传统d c s 集中与分散 相结合的结构体系，实现了结构上的彻底分散。 3 总线网络系统是开放的。将系统集成的权力交给用户，用户可以按自己的需要 和考虑，把来自不同供应商的产品组成规模各异的系统。因而现场总线称为自 动化领域的开放互连系统，其开放性和互操作性体现在可以用不同厂家的现场 仪表去替换出现故障的另一厂家的现场仪表，更换后通信能够恢复正常，同时 又可以查询新的现场仪表的自身信息。 现场总线技术研究及其应用 2 5 典型现场总线简介 近十几年由于没有统一现场总线的国际标准，现场总线发展的种类较多，约 有4 0 余种：如德国s i e m e n s 公司的p r o f i b u s ，法国的f i p ，英国的e r a ，挪威的 f i n t ，e c h e l o n 公司的l o n w o r k s ，p h e n i x c o n t a c t 公司的i n t e r b u s ，r o b e r b o s c h 公 司的c a n ，r o s e m o u n t 公司的h a r t ，c a r l o g a r a z z i 公司的d u p l i n e ，丹麦p r o c e s s d a t a 公司的p - n e t ，p e t e r h a n s 公司的f - m u x ，以及a s i ( a e t r a t u rs e n s o ri n t e r f a c e ) ， m o d b u s ，s d s ，a r c n e t ，f f ，w o r l d f i p ，b i t b u s ，美国的d e v i c e n e t 与c o n t r 0 1 n e t 等等。目前国际上较为流行的现场总线的种类主要有口】：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 、h a r t 、1 - w i r eb u s 等。 一、基金会现场总线 基金会现场总线。即f o u d a t i o nf i e l db u s ，简称f f ，这是在过程自动化领域得 到广泛支持和具有良好发展前景的技术1 6 1 。其前身是以美国f i s h e r - r o s e m o u n t 公司 为首，联合f o x b o r o 、横河、a b b 、西门子等8 0 家公司制订的i s p 协议和以h o n e y w e l l 公司为首，联合欧洲等地的1 5 0 家公司制订的w o r d f i p 协议。它以i s o o s i 开放 系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为f f 通信模型的相应层 次，并在应用层上增加了用户层。 基金会现场总线分低速h 1 和高速h 2 两种通信速率。h 1 的传输速率为 3 1 2 5 k b p s ，通信距离可达t 9 0 0 m ( 可加中继器延长) ，可支持总线供电。h 2 的传输 速率为1 m b p s 和2 5 m b p s 两种，其通信距离为7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传输介质可 支持双绞线、光缆和无线发射 伸1 ，协议符合i e c l l 5 8 - 2 i ”1 标准。其物理媒介的传输 信号采用曼彻斯特编码。 为满足用户需要，h o n e y w e l l 、r o n a n 等公司己开发出可完成物理层和部分数 据链路层协议的专用芯片，许多仪表公司已开发出符合f f 协议的产品，h l 总线 已通过n 测试和1 3 测试。h 2 总线标准也已经形成。 二、l o n w o r k s l o n w o r k s 是由美国e c h e l o n 公司推出，并由它们与摩托罗拉、东芝公司共同 倡导，于1 9 9 0 年正式公布而形成的口引。它采用了i s o o s i 模型的全部七层通讯协 议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置， 其通讯速率从3 0 0 b p s 至15 m b p s 不等，直接通信距离可达到2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞 线) ，支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质。l o n w o r k s 技术所采用的l o n t a k 协议被封装在称之为n e u r o n 的芯片1 2 3 r ：p 并得以实现。- 目前，l o n w o r k s 已经建立了一套从协议开发、芯片设计、芯片制造、控制模 第二章现场总线技术 块开发制造、o e m 控制产品、最终控制产品、分销、系统集成等一系列完整的开 发、制造、推广、应用体系结构。 = 、p r o f i b u s p r o f i b u s 是作为德国国家标准d i n1 9 2 4 5 和欧洲标准p r e n5 0 1 7 0 的现场总线。 i s o o s i 模型也是它的参考模型。由p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s f m s 、p m f i b u s p a 组 成了p r o f i b u s 系列。d p 型用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的 应用。f m s 意为现场信息规范，适用于纺织、楼字自动化、可编程控制器、低压 开关等一般自动化，而p a 型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从i e c l l 5 8 2 标准，可实现总线供电。 p r o f i b u s 的传输速率为9 6 1 2 k b p s ， 传输介质可以是双绞线，也可以是光缆， 最大传输距离在1 2 k b p s 时为1 0 0 0 m 。其 最多可挂接1 2 7 个站点。 四、c a n c a n 是控制网络c o n t r o l a r e a n e t w o r k 的简称，最早由德国b o s c h 公司推出， 用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信，目前有两种版本的技术规范： c a n 2 o a 【2 i 与c a n 2 ；0 b 嘲。其总线规范现已被i s o 国际标准组织制订为国际标准， 得到了m o t o r o l a 、i n t e l 、p h i l i p s 、s i e m e n s 、n e c 等公司的支持。 c a n 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，不过，其 模型结构只有2 层，只取o s i 底层的物理层和数据链路层。其信号传输介质为双 绞线，通信速率最高可达i m b p s ，直接传输距离最远可达1 0 k m ，可挂接设备最 多可达1 1 0 个。 已有多家公司开发生产了符合c a n 协议的通信芯片，如i n t e t 公司的8 2 5 2 7 ， m o t o r o l a 公司的m c 6 8 h c 05 x 4 ，p h i l i p s 公司的8 2 c 2 5 0 等。还有插在p c 机上的 c a n 总线接口卡，具有接口简单、编程方便、开发系统价格便宜等优点。 五、h a r t h a r t 是h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r 的缩写。最早由r o s e m o t m t 公司开发，并得到8 0 多家著名仪表公司的支持，于1 9 9 3 年成立了h a r t 通信基 金会。这种被称为可寻址远程传感高速通道的开放通信协议，其特点是现有模拟 信号传输线上实现数字通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中工业过程控制 的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较好的 发展f 7 1 。 h a r t 通信模型由3 层组成：物理层、数据链路层和应用层。h a r t 总线上 可挂设备数多达1 5 个，每个现场设备可有2 5 6 个变量，每个信息最大可包含4 1 0 现场总线技术研究及其应用 个变量。h a r t 数据传输速率为1 2 0 0 b p s ，最大传输距离3 0 0 0 m 。h a r t 能利用总 线供电。 六、单总线 单总线( 1 w i r e ) 是m a x i m 全资子公司d a l l a s 的一项专有技术i 。它采用单根信 号线传输数据，而且数据传输是双向的，具有节省i o 口线资源、结构简单、成本 低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。单总线适用于单个主机系统，能够控制 一个或多个从机设备。当只有一个从机位于总线上时，系统可按照单节点系统操 作；而当多个从机位于总线上时，则系统按照多节点系统操作。 顾名思义，单总线只有一根数据线。设备( 主机或从机) 通过一个漏极开路 或三态端口，连接至该数据线，这样允许设备在不发送数据时释放数据总线，以 便总线被其它设备所使用。 由于单总线每个器件具有唯一的6 4 位r o m 识别码，因此1 w i r e 网络中可以 接入的器件数目几乎没有限制。 2 6 现场总线技术展望与发展趋势 现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成，涉及的内容十分广 泛，现在网络技术日新月异，发展十分迅猛，一些具有重大影响的网络新技术必 将进一步融合到现场总线技术之中，这些具有发展前景的现场总线技术有：智能 仪表与网络设备开发的软硬件技术；组态技术，包括网络拓扑结构、网络设备、 网段互连等；网络管理技术，包括网络管理软件、网络数据操作与传输；人机接 口、软件技术；现场总线系统集成技术。总体说来，自动化系统与设备将朝着现 场总线体系结构的方向前进，这一发展趋势是肯定的。 总线应该向着趋于开放统一的方向发展，成为大家都遵守的标准规范，但由 于这一技术所涉及的应用领域十分广泛，而上述几种现场总线均具有自己的特点， 已在不同应用领域形成了自己的优势。加上商业利益的驱使，它们都各自正在十 分激烈的市场竞争中求得发展。有理由认为：在从现在起的未来1 0 年内，可能出 现几大总线标准共存，甚至在个现场总线系统内，几种总线标准的设备通过路 由网关互连实现信息共享的局面。 现场总线技术的兴起，开辟了工厂底层网络的新天地。它将促进企业网络的 快速发展，为企业带来新的效益，因而会得到广泛的应用，并推动自动化相关行 业的发展。 第二章现场总线技术 2 7 小结 由上述介绍可以得知，p r o f i b u s 是西门子公司专用的现场总线，l o n w o r k s 所 采用的神经元成本较高，f f 总线的普及性不够，h a r t 没有开发出一种能满足各 公司要求的通信接口芯片，这些现场总线在现场测控系统的具体实现和推广应用 中均存在一定的问题。而c a n 总线和单总线网络由于其规模适中，结构简单，校 验和纠错能力较高，成本低廉，在现有的实验条件下可以实现，并且两者的发展 方向不同，c a n 总线把控制器放在前端，单总线把传感器放在前端，因此本人选 择了这两种总线作为研究对象，并在分析研究的基础上，完成了基于这两种现场 总线的测控器的具体设计实现。 现场总线技术及其应用 第三章控制器局部网( c a n ) 总线技术研究 3 。1c a n 总线概念 c a n 总线是德国b o s c h 公司从8 0 年代初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开发的一种串行数据通信协议。它是一种多主总线，通信 介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。c a n 通信速率可达1 m b p s 。c a n 总线 通信接口集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧 处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等多项工作。 c a n 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，取而代之以对通信数 据块进行编码。采取这种方法的优点是可使网络内的节点个数在理论上不受限制， 数据块的标识码可由1 1 位或2 9 位二进制数组成，因此可以定义2 1 1 或22 9 个不同 的数据块。这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据， 这一点在分布式控制系统中非常有用。 c a n 通信数据段长度最多为8 个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工 作状态及测试数据的一般要求。同时，8 个字节不会占用总线时间过长，从而保证 了通信的实时性。c a n 协议采用c r c 检验并可提供相应的错误处理功能，保证了 数据通信的可靠性。c a n 卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，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，并已被公认为最有前 途的现场总线之一。 3 2c a n 网络性能特点 c a n 网络属于现场总线的范畴，是总线式串行通信网络。c a n 总线由于采用 了许多新技术与独特设计，与一般的通信总线相比，c a n 总线数据通信具有突出 的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概况如下： c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他 节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。利用 这一特点可方便地构成多机备份系统。 c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，传输时 延得到保证。 c a n 采用非破坏性的基于优先级的总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发 送信息时，优先级低的节点会主动退出发送，而优先级高的节点可不受影响地 第三章控制器局部网( c a n ) 总线技术研究 、 旦 继续传送数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其在网络负载很重的情 况下也不会出现网络瘫痪情况。 c a n 只需通过报文过滤即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式 传送接收数据，无需专门的调度。 c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k m ，速率最高可达1 m b p s 。 c a n 的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个；标准格式 ( c a n 2 0 a ) 的报文标识符可达2 0 3 2 种，而扩展标准( c a n 2 0 b ) 的报文标 识符几乎不受限制。 采用短帧结构。传输时间短，受干扰概率低，具有良好的检错效果。 c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施，保证了数据的正确性。 c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其它节点 的操作不受影响。 3 3c a n 网络协议介绍 c a n 遵从i s o o s i 模型，c a n 通信协议模型与o s i 协议模型的对照如图3 1 所示。 应用屡 表示层 会话层应用层 7 i 传输层 i 网络层 i ： 数据链路层 - 数据链路层 物理层l物理层 0 s i 参考模型c a n 协议参考模型 图3 1c a n 网络协议模型与o s l 协议模型对照图 c a n 结构分为两层；物理层和数据链路层，因此，c a n 协议模型包括两层： 物理层协议和数据链路层协议。在这- - 4 , 节中将简要介绍c a n 网络的标准物理层 和数据链路层协议。 c a n 的分层结构如图3 2 1 1 1 所示。按照i e e e 8 0 2 2 和8 0 2 3 标准，数据链路层 可以划分为逻辑链路控制予层( l l c ) 和媒体访问子层( m a c ) 。c a n 2 0 a 中， 将l l c 子层与m a c 子层分别称作目标层( o b j e c t l a y e r ) 与传输层( t r a n s f e r l a y e r ) 。 为了与i s o o s i 模型的术语保持一致，将统一用l l c 子层和m a c 子层来描述。 1 4 现场总线技术研究及其应用 图3 2c a n 分层结构和功能 3 3 。1c a n 物理层概述 物理层定义了传输线和接口硬件的机械、电气和电信号特征及功能。机械特 征包括连接器尺寸、类型等：电气特性包括最大传输速率、最大传输距离、信号 电平状态代表意义等；电信号特征包括对应电平信号的逻辑信号、信号的传输时 序、数据采样方式等。 c a n 物理层功能模型参见前面一节的图3 2 ，下面重点介绍c a n 物理层的一 些关键问题。 一、c a n 总线上的电平形式 为避免噪声和容错，c a n 网络采用双绞线作为传输介质，并在双绞线上传输 差分信号。这两条信号线被称为“c a nh ”和“c a nl ”，用c a nh 比c a nl 高表示的逻辑0 被称为“显性位”，而用c a nl 比c a nh 高表示的逻辑l 叫 做“隐性位”。“显性”和“隐性”位同时发送时，最后总线数值将为“显性”。 在总线空闲或“隐性”位期间。发送“隐性”状态。总线位的数值表示如图3 3 所 示。在作者使用的c a n 微控制器p 8 0 c 5 9 2 中【“，在“隐性”状态下，v c a nh 和 v c , e 口l 被固定于平均电压电平，v d i f r 近似为0 ；“显性”状态以大于最小阂值的差 分电压表示。 第三章控制器局部网( c a n ) 总线技术研究坚 平均电压电平u 图3 , 3 总线位的数值表示 二、c a n 网络传输速率和距离 c a n 网络的速度取决于总线长度。控制器最快能达到1 m b p s ，但对总线长度 有限制。对于5 0 米长的总线，最大波特率为1 m b p s ；而1 5 0 0 米的总线，波特率 约为o 0 5 m b p s 。总之，c a n 网络上的任意两个节点之间的最大传输距离与其位速 率有关，其对应关系如表3 1 所示( 假定选择p h i l i p s p 8 0 c 5 9 2c a n 控制器，且其 晶振频率为1 1 0 5 9 2 m h z ) ： 表3 1c a n 总线系统任意两个节点之间的最大距离 总线定时 位速率最大总线长度 b t r 0b t r l 5 k b p s 1 0 k m6 f h6 e h 1 0 k b p s 6 7 k m6 0 h4 a h 2 0 k b p s 3 3 k m5 6 h3 6 h 5 0 k b p s 1 3 k m5 5 h1 1 h 1 0 0 k b p s 6 2 0 m4 3 h1 a h 1 2 5 k b p s 5 3 0 m4 l h4 f h 2 5 0 k b p s 2 7 0 m4 1 h2 6 h 5 0 0 k b p s 1 3 0 m4 0 h4 4 h 1 m b p s 4 0 m4 0 h1 1 h 三、c a n 的位时间 位时间t b 被定义为一个比特位在总线上的持续时间。在理想状态下( 即波形 理想，没有前后沿) ，位时间为总线波特率的倒数。即：t b _ 1 b a u d r a t e 。而在总 线存在延时的情况下，需要补偿延迟，以完成位定时与同步。位时问可以分为下 列时间段：同步时间段、传播时间段、相位时间段l 和相位时间段2 ，如图3 4 所 示。 现场总线技术研究及其应用 采样点 图3 4 位时间分配 同步段( t s y r i c _ s e g ) 用来同步网络上的各个节点，如果总线上有位跳变，期 望落在该段时间内。传播段( t p r o g _ s e g ) 用于补偿网络内的物理延迟。相位段1 ( t p h a s e _ s e 9 1 ) 和相位段2 ( t p h a s e _ s e 9 2 ) ，用于进行边沿补偿，即如果位跳变 未出现在同步段内，可以通过延长或缩短这两个段，尽量使下一个位跳变落在同 步段内。需要注意的是，相位缓冲段只是暂时的被加长或者缩短，在下一个位时 间，缓冲段又会恢复预设值。在采样点上，c a n 控制器将获得总线电平，并被理 解为相应的位数值。信息处理在采样点后才会开始。 划分位时间的单位是“时间份额”。时间份额是由振荡器周期得出的固定时 间单位，可以调整位时间中的时间份额个数，以便提供系统需要的时间份额。若 设t s c l 为“时间份额”，则组成位时间的各个时间段长度规定符合下列规则： t s y n c _ s e 9 2 t s c l ( 公式3 - 1 ) t p r o g _ s e g = i + t s c l ( 净l 、2 、3 、8 )( 公式3 2 ) t p h a s es e g l ；j + t s c l ( 户l 、2 、3 、8 )( 公式3 3 ) t p h a s e _ s e 9 2 ；m a x ( t p h a s e s e 9 1 ) + 七+ t s c l ( 居1 、2 )( 公式3 4 ) 四、c a n 的同步方式 一般的同步方式分为外同步和内同步两种。外同步方式使用单独的同步信号 来同步接收方的时钟：内同步通过提取数据码元序列中的同步信息来同步接收方 时钟。c a n 网络采用的是后种方式。 c a n 网络物理层使用n r z 编码( 即负电平表示“0 ”，正电平表示“1 ”) 。当 接收方检测到总线上的上升或下降边沿，可以通过延长或缩短位时间中的相位段 来调整同步接收时钟。 这种同步方式的缺点是当数据中出现连续的0 或1 时，会因为一直没有边沿 跳变而导致失步。c a n 协议采用位填充的方式来避免这个问题，关于位填充将在 数据链路层介绍。 3 3 2c a n 数据链路层概述 一、逻辑链路( l l c ) 子层 l l c 帧是等同l l c 实体( l p d u ) 之间进行交换的数据单元，有数据帧和远 第三章控制器局部网( c a n ) 总线技术研究 程帧两种。 1 l l c 数据帧 l l c 数据帧由标识符、数据长度码( d l c - - d a ml e n g t hc o d e ) 、数据段三部 分组成，格式如图3 5 所示。 1标识符场jd l c 场 l l c 数据场l 图3 5l l c 数据帧 l l c 数据帧用来从发送节点向接收节点传输数据。根据c a n 2 0 a 协议，标识 符段长度为1 1 位；在c a n 2 0 b 协议中。标识符段长度为2 9 位。由于协议规定最 高7 位不允许出现全“l ”，因此c a n 2 0 a 协议最多出现2 0 3 2 ( = 2 - - 2 “7 ) 种 报文标识符。对应于c a n 2 0 b 协议，可能出现的最大标识符数目是5 3 2 6 7 6 6 0 8 ( = 2 2 9 2 2 9 4 ) ，标识符数目的增多是以带宽的浪费( 即有效数据信息的减少) 作为代 价的，其帧长比c a n 2 0 a 增加2 0 位。在热网首站监控系统中，2 0 3 2 种标识符可 以满足使用，因此选择c a n 2 0 a 协议。 d l c ( 数据长度码) 表示数据段的字节数，取值范围是0 8 ，数据段是待发 送的数据，长度为o 8 个字节。 2 l l c 远程帧 。 当一个节点发送远程帧a 时，用来请求某个数据帧b ，b 与a 有相同的标识 符。在远程帧中不存在数据段，其d l c 是要请求的数据帧的长度。l l c 远程帧格 式如图3 6 所示。 标识符场 f d l c 场 图3 6 l l c 远程帧 l l c 帧的标识符描述数据的含义，但不指明帧的目的地址，网络中每个节点 的接收器通过帧接收滤波来确定是