（机械制造及其自动化专业论文）基于can总线汽车组合仪表的设计与研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着汽车电子技术的飞速发展，先进的通信网络技术c a n 总线被引入到汽车 组合仪表设计中，并替代原有的机械式、电气式传统的仪表设计。汽车总线仪表 用两根数据通信线进行c a n 节点通信，实现了汽车各电控单元之间的资源共享， 其已经成为当今和未来一段时间内的主导技术。 本文主要分为硬件设计和软件设计两部分内容。组合仪表在动力传动节点上 通过c a n 总线实现信息的传输与共享，在车身上信息传输上仍然采用传统的开关 电路实现信号的控制。研究内容首先进行了功能需求分析，并构造出了整个系统 功能结构图。 整个系统采用了f r e e s c a l e 公司高速、高性能的m c uh 1 2 8 作为电路的微处理 器。内部集成的功能模块m s c a n 实现c a n 总线信号的接收与发送、a d 转换模 块实现模拟数字信号的转换、定时计数器实现脉冲信号的采集与计数、串口通信 电路实现与外部电器元件的数据交换等。通过开关电源稳压转换器l m 2 5 7 4 完成 电源电压的调节工作、同时，采用发光二极管替代原来的灯泡显示，用步进电机 能更准确的显示仪表的数据，用l c d 作为信息显示的多功能窗口，通过换页、分 屏以及修改程序的方法能更直观的显示大量的信息 在软件程序设计上着重分析了c a n 总线的通信原理以及流程，同时完成了脉 冲信号的采集算法设计、a d 转换任务工作流程、步进电机的驱动的软件流程的 设计工作。本文最后对系统在抗干扰措施上采取的方法和步骤进行了分析与设计 本课题与其他开发方案相比，集成度高，性能更稳定，系统整体价格更便宜。 【关键词】m c 9 s 1 2 h 1 2 8c a n 总线m s c a n 汽车仪表液晶显示屏 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td w e l o p i n ga b o u ta u t o m o b i l ee l e c t r i ct e c h n o l o g y , t h ea d v a n c e d c o m m u n i c a t i o n - n e t w o r kt e c h n o l o g yc a n - b u si su s e di nt h ed e s i g n i n go fa u t o m o b i l e i n s t r u m e n tp a n e l ( u ) ，a n dt a k e sp l a c eo ft h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a ld e s i g n t h ea u t o m o b i l eb u s - mu t w ow i r e st oc o m m u n i c a t ew i t ht h eo t h e rc a nn o d e ， r e a l i z et h er e s o u r c eu s i n gi nc o m m o na m o n gt h ee c u i th a sb e c o m et h ed o m i n a n t t e c h n o l o g yi nt h ef u t u r et i m e t h ec o n t e n to ft h e s i sd i v i d e si n t oh a r d w a r ea n ds o f t w a r e u s ec a ns i g n a lt o c o m m u n i c a t eb e t w e e nt h ep o w e ra n dd r i v i n gs y s t e m ，u s eo n - o f fc i r c u i tt oc o n t r o lt h e a u t o m o b i l eb o d yi n f o r m a t i o n a tf i r s t t h ea r t i c l ea n a l y z e st h ed e m a n da b o u tt h ea u f u n c t i o n ，a n dc o n s t r u c t st h ef u n c t i o ns t r u c t u r ec h a r t t h ew h o l es y s t e mt a k e sm c 9 s 1 2 h 1 2 8a sc o r em c u ，w h i c hi saq u i c k h i g h - c a p a b i l i t y1 6 一b i tm c up r o d u c e db yf r e e s c a l ec o m p a n y e m b e d d e df u n c t i o n m o d e lm s c a nr e c e i v ea n dt r a n s m i tt h ec a ns i g n a l ，a n dt h ea dm o d e lr e a l i z ea n a l o g t od i g i t a lc o n v e r t e r , 1 1 mm o d e lg a t h e ra n dt a k ec o u n to ft h ep u l s en u m b e r , s p ic i r c u i t e x c h a n g et h ed a t aw i t ht h ee x t e r i o rc i r c u i t , a n ds oo n a tt h es a m et i m e ，t h es y s t e m a d o p tl e d t a k ep l a c eo ft h el a m p , u s es t e p m o t o rd i s p l a yt h em e t e rd a t am o r ee x a c t l y , t a k el c d d i s p l a ya sam u l t i f u n c t i o nw i n d o w , t h r o u g hc h a n g i n gp a g e , d i v i d i n gs c r e e n a n dm o d i f yt h ep r o g r a mc a n d i s p l a ym o r ei n f o r m a t i o nd i r e c t l y o nt h es o f t w a r ed e s i g n i n g , a n a l y z et h es e h e m ea n dp r o g r a mf l o wa b o u tc a n c o m m u n i c a t i o ni nd e t a i l s a n dt h es a m et i m e ，c o m p l e t et h ep r o g r a mf l o wa b o u ti m p u l s e s i g n a lg a t h e r i n g , t h ep r o c e s sf l o wa b o u tt h ea dt a s ka n dt h es t e p - m o t o rd r i v i n gc i r c u i t t h el a s t ，a n a l y z ea n dd e s i g nt h ew a ya n dt h em e a s u r et or e s i s tt h ed i s t u r br e s o u r c e c o m p a r ew i t ho t h e rp r o j e c t s ，t h es y s t e mh a st h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ：h i 【g h e m b e d d e dd e g r e e , s t a b l ep e r f o r m a c ec a p b a l i t ya n dt h ec h e a pp r i c ef o rt h ew h o l es y s t e m k e yw o r d s ：m c 9 s 1 2 h 1 2 8c a nb u sm s c a nm o d e la u t o m o b i l ei n s t r u m e n tl e d 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 汽车电子技术的发展 近年来，汽车电子技术的迅猛发展极大地改善了汽车的各项性能。纯电动汽 车技术、混合动力技术、智能交通系统( i t s ) 和以3 g ( g p s 、g i s 和g s m ) 为 代表的新型电子通讯产品，随着新能源技术、高性能传感技术、现代微电子技术、 自动控制技术、无线通讯技术的发展越来越广泛的为汽车所应用，以前相对独立 的机械系统逐渐被基于微处理器和传感器的机电一体化系统所替代1 1 1 。 汽车总成的各大系统之间如今越来越互相交融、互相影响，电子信息系统与 机械制造有机地结合在一起，使汽车的动力性、燃油经济性、安全性、可靠性、 舒适性、排气净化性都得到了显著的改善和提高从发动机控制到传动系统控制， 从行驶、制动、转向系统控制到安全保障系统及仪表报警系统，从电源管理到提 高汽车舒适性的电子设备装置，汽车电气形成一个复杂而庞大的网络系统，并集 中在驾驶室控制1 2 】。汽车上的电控单元不再是仅仅与负载设备简单地连接，更多 的是与外围设备及其他电控单元进行信息交流，经过复杂的控制决策运算，发 出控制指令。采用传统的点对点的电气连接方式，导致车内导线长度不确定地增 加、电器节点数剧增、电器原理图繁琐复杂，这样必然造成庞大的布线系统。据 统计，一辆采用传统布线方法的高档汽车中，其导线长度可达2 0 0 0 米，电气节 点达1 5 0 0 个，导线的重量已经达到汽车重量的4 以上，成为制约整车性能提高 的一个重要瓶颈。无论从材料成本、安装工序，还是从工作性能、传输效率看， 传统布线方法已经不适应汽车发展的要求 这些汽车设计制造中的实际问题直接推动了汽车电子网络技术的快速发展， 并成为解决这一问题有效而合理的方法。在汽车内部采用基于总线的网络结构， 可以达到信息共享、减少布线、降低成本以及提高总体可靠性的目的。网络的 概念是在协议管理下，由若干终端、传输设备和通信控制处理器等组成的系统 集合。汽车电子控制网络则指按照特定的车用网络协议，以共享资源为主要目 的，将所有位置上分散且独立工作的车载控制模块相互连接在一起的集合，它 体现在车内各控制模块间的自由通信与相互协调。 从上个世纪8 0 年代开始汽车电子和网络的开发及其应用在欧美迸入了一个 高速发展的时期，各大汽车厂商无一例外地在汽车网络化的研究上投入大量的 资源。在美国由通用、福特和戴姆莱一克莱斯勒三大公司主宰汽车工业，为了 研发汽车电子和网络化技术成立了v i s t e o n 和d e l p h i 公司。而在欧洲则有德国 著名的宝马、大众和奔驰公司，意大利的菲亚特，法国的标致、雪铁龙和雷诺 武汉理工大学硕士学位论文 等国际大公司，以及为这些大公司进行汽车电子配套生产的德国b o s c h 和 s i e m e n s 公司1 3 j 。这些大公司为了提高汽车市场的占有率，提高产品的竞争能力， 在汽车网络化的研究上投入大量的资源，并逐渐形成自己的企业和工业标准， 并试图形成以本企业标准作为行业标准。如b o s c h 的c a n ，s a e 的j 1 8 5 0 、 j 1 9 3 9 1 4 1 ，马自达的p a l m n e t ，德国大众的a b u s ，美国商用机器的a u t o l a n ， 法国汽车工业的v a n 等。目前，国外的汽车总线技术已经成熟，采用总线系统的 车辆有b e n z ，b m w ，r o r s c i t e ，r o u s r o y c e ，j a g u a r ，v o l v o 等。 电子控制技术与信息技术引入汽车设计，对汽车电子技术的发展起到里程碑 的作用，从最初的4 位微处理器、8 位微处理器到现在广泛应用的1 6 旬2 位微处 理器，微电脑在汽车上的应用日趋可靠和成熟，电子控制系统已经由局部控制发 展到了整车系统控制，以及信息化、智能化、交通控制网络化。 汽车工业的高速发展，使得汽车制造业开始了根本性的变革，汽车已经由单 纯的机械产品发展成为高级的机电一体化产品。在现代汽车工业中，电子技术是 关键技术，它的应用对汽车工业的快速增长起着举足轻重的作用，其水平的高低 是衡量汽车工业现代化程度的判别标准。因而电子技术已经成为当今汽车工业的 发展方向，汽车工业的竞争，其实质就是电子技术的竞争1 5 j 。 1 2 汽车仪表技术的发展 汽车仪表的电子化是随着半导体技术的不断进步而获得迅速发展。电子显示 式仪表的开发，始于2 0 世纪6 0 年代，但是电子元器件还达不到装车实用的水平。 7 0 年代后半期，随着半导体及显示器件技术的进步，出现了荧光显示管、发光二 极管，1 9 7 8 年电子显示仪表问世进入舳年代后，各种电子显示器在汽车上不断 得到应用，9 0 年代初期世晃上已有6 0 种以上的车型使用电子仪表。从内核上，单 片机的广泛应用使汽车仪表由模拟仪表向数字仪表发展；从外观上，逐渐形成了 数字显示为主流的显示方式，外形设计现代派的追求和内部结构、显示元器件的 电子化，大大推进了汽车仪表技术的重大变革。 比较典型的仪表结构如图1 - 1 所示，其主要组成元件有p c b 板、前框、l c d 、 步进电机、导光支架、调节杆、前面板、导电橡胶、金属支架、指针等。 2 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 1 根据仪表的工作原理、内部结构和显示方式，汽车仪表的发展过程可以分为 以下四个阶段【6 j ： 1 、传统仪表阶段。这一阶段是从2 0 世纪初到2 0 世纪3 0 年代，在此阶段中 汽车开始安装各种仪表，如车速里程表、水温表、燃油表、机油压力表、电流表( 电 压表) 和发动机转速表等，这些确定了现代汽车仪表板的基本结构。 这一阶段汽车上的传感器和仪表基本上都是机械式电磁机械式的，是基于机 械作用力而工作的机械式仪表，所以也称机械机芯表。这种汽车仪表功能单一， 仅仅显示传感器的信息以向驾驶员提供自身的状态参数，更多的是为安全性着想， 信息量少，整个仪表系统的精度低，可靠性较差，体积较大，视认性不好，容易 使驾驶员疲劳。 2 、电气式仪表阶段。这一阶段从4 0 年代到5 0 年代，仪表功能实现不再仅仅 依靠机械作用力，而是基于电测原理，即通过各类传感器将被测的非电量变换成 电信号加以测量，称之为电气式仪表。 电气式仪表中常用的是磁电式仪表，其作用原理是永久磁铁在气隙中产生的 磁场和可动线圈通入电流后，相互作用而产生的旋转力矩。磁电式仪表多用于测 量电流和电压，加上变换器可以进行多种非电量的测量，如温度、压力等。磁电 式仪表的性能稳定，读数精确，量限多，使用方便，适应于直流电路的精密测量 和实验室中的标准测量仪表。但是其存在的最大缺陷就是随着环境温度的改变， 3 武汉理工大学硕士学位论文 测量误差变大。 3 、现代电子仪表阶段，也称模拟电路电子式仪表。第3 代汽车用仪表工作原 理与电气式仪表基本相同，只不过是用电子器件取代原来的电气器件。其出现的时 间大致在2 0 世纪5 0 - 6 0 年代。 随着集成电路技术突飞猛进的发展，这种仪表现在均采用汽车仪表专用集成 电路，是国内汽车仪表目前主流产品，目前国内大多数汽车还是采用这种结构的 仪表。经过多年的发展，其结构形式经历了动圈式机心和动磁式机心阶段，围绕 着提高指示精度和指针平稳性，动磁式代替了动圈式。 4 、步进电机式全数字汽车仪表。全数字式汽车仪表在国外从8 0 年代末就己 经开始研究，在国内直到最近才开始对其重视。从其应用技术手段上看，还是电 子技术范畴，也属于电子式仪表，但是信号传输方式已经从模拟信号变成数字信 号，并朝着数字化、智能化、网络化、虚拟化方向发展。其应用特点是单片机与 微处理器的广泛应用，同时软件程序在系统设计方案中占的比重也越来越大，内 部程序的编写取代了外围电路的连接i t l 。与传统的模拟仪表相比较具有：使用寿命 长、精度高、可靠性好、抗干扰性强等特点。 1 3 课题研究的目的和意义 近年来，随着中国经济的飞速稳步发展，汽车工业进入了前所未有的高速发 展时期，汽车工业己经成为国家经济发展的支柱产业。特别是中国加入w t o 以后， 逐渐取消了对汽车的进口关税调节，汽车工业在国内更是突飞猛进。由于汽车零 部件国产化率与汽车产业的优惠政策相联系，使得越来越多的汽车零部件逐步在 国内设计、生产和销售。 国内关于汽车网络的研究起步很晚，9 0 年代初，才逐渐有关于汽车总线的 研究文章在杂志上发表。直到现在，关于汽车网络的研究还主要集中在高校和 科研院所，如清华、浙大、吉林大学等，研究的内容也仅限于局部的网络技术 面，基本没有涉及汽车电控系统的整体网络化结构以及应用层协议，真正网络 化的电子设备和整车产品基本还是依靠引进1 8 j 。 在国内，完全引进国外技术生产的奥迪a 6 车型已于2 0 0 0 年起采用总线替 代原有线束，帕萨特b 5 、b o r a 、p o l o 、f i a t 、p a l i o 和s i e n a 、凯旋等 车型也都不同程度地使用了总线技术，这些技术主要是以c a n 总线技术为主， 绝大部分应用在动力总线系统中，其核心技术仍掌握在国外的厂商手中。而在 绝大部分国产中低档汽车( 包括卡车和货车) 上，由于技术上的因素和成本上 的限制，仍采用传统的线束传输系统。 汽车仪表作为人车交互的界面，承担着及时向驾驶员反映汽车各系统当前工 4 武汉理工大学硕士学位论文 作状况的责任，使驾驶员能及时准确的了解汽车当前的信息，从而保证汽车可靠 安全的行驶的重任。当今发达国家普遍使用全数字式汽车仪表，且绝大部分是步 进电动机式汽车仪表，并准备向更高方向发展。为此国内汽车仪表界一致看好全 数字式汽车仪表。目前，国内部分中、高档轿车，如一汽红旗世纪星、a u d ia 6 、 a 8 、上汽帕萨特、赛欧、奇瑞、长安世纪星、标致3 0 7 等均配套使用步进电动机 式汽车仪表，其它型号的轿车也正在配套该类型的仪表。全数字式汽车仪表，特 别是步进电机式汽车仪表，是当今和未来一段时间汽车仪表的主导技术，有着十 分广阔的市场前景。 国内仪表厂在结构设计上面有一定的技术经验和优势，但在电子技术方面相 对比较落后。虽然总线技术都正在着手进行研究，但技术应用还不是很成熟，我 们在这方面缺乏技术知识产权。同时国外汽车设计机构对其汽车网络高层协议技 术的保密，使得国内的总线仪表大多依靠引进，实行量产的企业主要是合资厂 大力提倡自主创新设计能力，全面提升其自身竞争力被作为我国8 6 3 计划汽 车产业的一个重点资助项目。借鉴和吸收国外先进的汽车电子技术网络、总线， 通讯协议的技术标准，结合我国汽车产业当前的现状，以及加入世界贸易组织后， 汽车工业面临的问题，制定出有我们自主特色的汽车网络、总线、通讯协议等技 术。这些技术的突破为我国采用汽车网络技术提高整车技术水平，发展车载网络 平台，提出我们自主的知识产权和参与国际竞争具有重大现实意义。 汽车总线仪表的应用将是未来智能汽车的重要组成部分，也是i t s 智能车 辆的一个重要分支。该系统以高性能单片机和液晶显示屏取代原有的模拟仪表 板，以步进电机取代原有的动圈式机芯，能有效的避免信号物理传递过程中的 衰减，大大提高了显示终端的信息精度和可靠性通过总线进行信号传输，有 利于汽车的行驶过程中的优化驾驶，实现汽车信息的数字化，构成一个基于信 息技术的车辆运行管理系统。 同时总线仪表通过软件取代硬件的连接方式有利于节约资源和开发费用，缩 短开发周期，功能扩展比较容易实现，在以后的发展中可实现无线故障诊断与检 测，监控等功能。数字组合仪表将提供驾驶员和交通管理者更准确更详备的车辆 行驶信息，实现汽车运行状态黑匣子功能，保障车辆的安全行驶和维护交通秩序， 为社会带来经济效益。总之。数字仪表是未来一段时间汽车仪表发展的主导技术， 也是必然趋势l l a l 1 4 课题研究的主要内容 随着汽车总线技术的飞速发展以及国家对汽车排放要求的越来越严格，使得 汽车网络技术在汽车中的运用也越来越普遍，各大汽车厂在引入技术的同时也加 5 武汉理工大学硕士学位论文 大力度进行开发工作。 目前，将汽车电器间的通信方式全部采用总线传输还不现实，不仅价格昂贵、 技术不成熟，而且也不便于维护和修理。所以大多数汽车厂都采用了一种折中的 方案，即部分总线信号，部分传统模拟、开关信号来实现全车电路的连接。卡车 和货车由于其发动机功率大，实时性要求高，所以一般在动力传动系统上采用了 总线连接。而其车身电器相对轿车来说比较简单，信号传输方式比较简单，所以 采用传统的电路连接方式也满足要求。 本课根据汽车仪表的发展方向，针对目前卡车和重型货车上电器分配和线路 布置的情况，充分利用了现代计算机技术和单片机技术，将c a n 总线通讯技术嵌 入到汽车仪表控制单元内，实现了动力系统传动系统信号的总线传输；同时也利 用传统线路的连接方式，实现了车身部分状态功能指示灯的直接控制，有利于降 低汽车总体成本1 1 1 l 。 课题研究思路从实际应用出发，采用性价比合理的电子产品，软硬件开发时 结合驾驶员驾驶的实际情况，展开对汽车组合仪表的研制与开发。一个完整的总 线仪表开发方案应包括以下工作内容1 1 2 1 ： ( 1 ) 确定需求分析和产品定义，即需反映车辆运行状态的信息、车辆驾驶状态 的参数和信号输入形式以及信号反映的方式。 ( 2 ) 根据输入信号的数量和特性以及显示器的接口要求确定单片机系统速度、 功能模块，功能实现方式。 ( 3 ) 根据功能模块确定技术开发方案以及外围辅助电路元件。 ( 4 ) 根据需要显示的内容和精度要求，确定液晶显示器和步进电机的形式、性 能及相关技术特征。 ( 5 ) 根据各功能模块进行任务划分、对应流程图的编写和程序模块的编制，在 条件允许的情况下，可分别对编制好的子程序单独进行调试 ( 6 ) 总体程序调试。利用单片机开发工具( 仿真器、编程器、评估板) 对总体 程序进行调试。 忉程序测试：通过模拟相关信号输入( 总线信号、模拟信号、脉冲信号、开 关信号) 对整体硬件性能、程序软件流程进行测试。 ( 8 ) 性能测试：根据汽车电气设备基本技术条件( o c r r 4 1 3 _ - 2 0 0 2 ) 和汽车、 摩托车用仪表的技术条件( q c t 7 2 7 - 2 0 0 4 ) 的相关要求进行相关的性能检测试验。 ( 9 ) 系统在实验车上进行调试并进行软件程序与硬件电路的调整。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第二章控制器局域网c a n 2 1 现场总线控制系统 2 1 1 现场总线概述 现场总线( f i e l d b u s ) 是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、 全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的通信网络【1 3 1 。 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的。随着计算机与计算机 网络系统的迅速发展，处于生产过程低层的测控自动化系统，采用一对一连线， 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。要实现整个企业和系统的信息集成， 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之间的多点数字通信， 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 际要求的驱动下应运而生的，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制 管理层之间的联系，覆盖从工厂的现场设备层、控制、研发、管理的各个层次， 引起了自动化系统结构的变革，逐步形成了网络集成自动化系统为基础的企业信 息系统，现场总线就是顺应这一形式发展起来的新技术【1 4 ll ”l 。 随着微处理器在控制领域中广泛应用，并被嵌入到各种仪器仪表和控制设备 中，产生了以集成电路i c 代替常规线路的信号传递方式，实施信号的采集、处理、 传输、显示，形成了基于现场总线的分布式网络控制系统它作为智能设备的联 系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步 构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优 化及控管一体化的综合自动化功能。 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算 机局域网。它的出现，标志着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。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化 系统中具有广泛的应用前景【1 6 1 。 2 1 。2 现场总线的本质 现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它作 7 武汉理工大学硕士学位论文 为智能设备的联系纽带，把挂在总线上，作为网络节点的智能设备连接为网络系 统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显 示、监控、优化及控制管理一体化的综合自动化功能1 1 7 1 。这是一项以智能传感器、 控制计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术。现场总线的本质含义主要 表现在一下6 个方面： 1 ，用于过程及制造自动化的现场设备或现场仪表互联的通信网络； 2 、现场设备或现场仪表可通过双绞线或其他类型的传输介质进行互联； 3 、现场设备之间实现互操作性，即接即用： 4 、功能块分散的配给现场仪表与设备，从而构成虚拟控制站： 5 、通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上获取能量； 6 、放式的互联网络可与不同层网络互联，实现网络数据库的共享。 2 1 3 现场总线的优点 现场总线系统结构的简化使控制系统从设计、安装、投入试运行到正常生产 及检修维护等都体现出了独特的优越性，具体如下： 1 、由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感器信 号的调理、转换等技术，因而节省了硬件的数量与投资； 2 、现场总线系统连线简单、能节省安装费用； 3 、现场设备具有自诊断与简单故障的处理能力，并通过数字通信将相关诊断 信息传送到控制室，使控制人员及时了解故障原因，有利于节约维护开销； 4 、系统总线接口的兼容性，使得用户能根据需求灵活的选择不同的产品； 5 、与模拟信号相比，它从根本上提高了测控与控制系统的准确与精确度 2 1 4 现场总线的现状 自8 0 年代末以来，有几种类型的现场总线技术已经发展成熟并且广泛应用于 特定的领域。这些现场总线技术各具特点，并制定了对应的总线标准，有的已经 逐渐形成自己的产品系列，占有相当大的市场份额。这些总线标准和协议之间存 在很多差异，给实践带来了不便，影响开放性和互操作性。 目前国际上有以下几种典型的现场总线1 1 6 】：f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 、 l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、h a r t 、d e v i c e n e t 、c a n 、l i n 等，现场总线的状态有以下 特点： 1 、多种总线标准共存，每种总线各有其应用的领域； 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 、每种总线各有其国际组织和其支持背景； 3 、设备制造商参与多个总线组织； 4 、多种总线作为国家和地区的标准，在竞争中协调发展； 5 、工业以太网正逐步引入工业应用领域。 现场总线系统既是一可全开放的通信网络，又是一个分布式控制系统。现场 总线技术已成为工业自动化领域广为关注的焦点，属于尚在发展的技术，我国在 这一领域还刚刚起步。由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智 能化发展的方向。出现了一批集检测、运算、控制功能于一体的变送控制器和可 集检测温度、压力、流量于一身的多变量交送器等集多种功能于一体的控制设备： 同时出现了智能化数字仪表，并具备数字通信，诊断、纠错功能。现场总线的出 现，导致目前生产的自动化仪表、分散控制系统( f c s ) ，可编程控制器( p i c 】在 产品的体系结构、功能结构方面的较大变革，出现了带控制模块和具有故障信息 诊断的执行器，并由此大大改变和提高了现有的设备维护管理方法f 。 现场总线控制系统采用双线制、多回路的全数字化信息传输，不仅提高了整 个系统的可靠性和抗干扰能力，同时也可以大大节省控制系统的投资、安装及后 期的维护费用。现场设备的智能化及可互连和互操作性，有助于现场总线控制系 统进一步向分散化、智能化、网络化方向发展。 简而言之，以现场总线为基础的全数字化网络控制系统是2 1 世纪控制系统的 主要形式，代表着控制技术和自动化技术未来的发展方向。 2 2 控制器局域网c a n 控制器局域网c a n ( c a n c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 为串行通讯协议，属于 现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，能 有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制。c h n 的应用范围很广，从高速的 网络到低价位的多路接线都可以使用c _ a n 。 控制器局域网采用双线串行通信方式工作。具有强有力的检错功能，可在高 噪声干扰环境中使用，具有优先权和仲裁功能、多个单片微机可通过c a n 的控制 器挂到c a n 总线上，形成多主机局部控制网。c a n 的晟初设计目标是取代汽车中过 多的硬件连接控制电路，但由于它的优良性能，现在除了汽车外，它已在工业自 动化、各种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等各领域得到了 广泛的应用”。 1 9 9 3 年月i s 0 正式颁布了道路交通运载工具一数字信息交换一高速通信控 制器局域网c a n 国际标准i s 0 11 8 9 8 ，为控制器局域网标准化、规范化的推广铺平 了道路1 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 1c a n 技术规范 c a n 是德国b o s c h 公司在2 0 世纪8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制模块 与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线，是一种多主站总线 通信系统。通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，其通信速率可达1 m b p s ， 最大通信距离可达5 0 0 0 m 。在c a n 总线通信控制器中集成了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，包括零位的插入删除、数据块编 码、循环冗余检验、优先级判别等项工作嘲。 在汽车电子行业里，使用c a n 连接发动机控制单元、自动变速箱控制单元、 a b s 系统等等，其传输速度可达1g b i t s 。同时，可以将c a n 安装在卡车本体的 电子控制系统里，诸如车灯组、电气车窗等等，用以代替接线配线装置。 制定技术规范的目的是为了在任何两个c a n 仪器之间建立兼容性。可是，兼 容性有不同的方面，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 实现灵活性，根据i s o 0 s i 参考模型，c a n 被细分为以下不同的层次“”； 1 、c a n 对象层( t h eo b j e c tl a y e r ) 2 、c a n 传输层( t h et r a n s f e rl a y e r ) 3 、物理层 对象层和传输层包括所有i s o o s i 模型定义的数据链路层的服务和功能，即 逻辑链路控制子层( l l c ) 和媒体访问控制子层( l a c ) ，对象层的作用包括； 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； 3 、为应用层相应的硬件提供接口。 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的节点之间根据所有电气属性进行位信息的实际传 输。在同一网络内，物理层对于所有的节点必须是相同的。 2 2 2c a n 的基本概念 下面对c a n 协议的媒体访问控制子层( 传输层) 的一些专业术语和特征作 说明1 1 9 1 ； 1 、报文( m e s s a g e ) ：总线上的报文以不同报文格式发送，但长度受到限制。 武汉理工大学硕士学位论文 当总线空闲时，任何一个网络上的节点都可以发送报文。 2 、信息路由( i n f o r m a t i o nr o u t i n g ) ：在c a n 网络中，节点不使用任何关于 系统配置的报文比如站地址，由接收节点根据报文本身特征判断是否接受这帧信 息。因此系统扩展时，不用对应用层以及任何节点软件和硬件作任何改变，可以 直接在c a n 网络中增加节点。 3 、标识符( i d e n t i f i e r ) ：要传送的报文有特征标识符( 是数据帧和远程帧的一 个域) ，它给出的不是目标节点地址，而是这个报文本身的特征。信息以广播方式 在网络上发送，所有节点都可以接收到。节点通过标识符判定是否接受接收到的 这帧信息。 4 、数据一致性：应确保报文在c a n 网络里同时被所有节点接收或同时不接 收。这是配合错误处理和再同步功能实现的。 5 、位速率：不同的c a n 系统速度不同，但在一个给定的系统里，位速率是 唯一的，并且固定的。 6 、优先权：由发送数据的报文中的标识符决定报文占用总线的优先权。标识 符越小，优先权越高。 7 、远程数据请求( r e m o t cd a t ar e q u e s t ) ：通过发送远程帧，需要数据的节点 请求另一节点发送相应的数据。回应节点传送的数据帧与请求数据的远程帧由相 同的标识符命名。 8 、仲裁( a r b i t r a t i o n ) ：只要总线空闲，任何节点都可以向总线发送报文。如 果有两个或两个以上的节点同时发送报文，就会引起总线访问冲突。通过使用标 识符的逐位仲裁一一载波侦听多路访问冲突检测( c s m a c d ， c a r r i e r s e n s e m u l t i p l e a c c e s s w i t h c o l l i s i o n d e t e c t ) 的无损仲裁方式就可以解决这个问题 9 、错误检测与可靠性：为了保证发送的报文正确可靠，c a n 采用发送，监 听的位错误检测、帧数据的循环冗余码c r c 校验、位填充技术、帧格式校验和 应答检测等五种错误检测方法。这些措施使c a n 具有识别全部的全局错误、发 送端的局部错误、一帧信息中的5 个以上随机错误、报文中长度小于1 5 的突发 性错误和报文中任一奇数个错误，使报文错误漏报率小于4 7 1 0 1 1 。 l o 、故障界定( c o n f i n e m e n t ) ：c a n 节点能区分瞬时扰动引起的故障和永久 性故障。故障节点会被关闭。 1 1 、同步：c a n 节点之间采用串行线连接，数据和同步信号都由这个通道承 担。信息发送有起始同步信号，传送过程中接收节点进行再同步。 1 2 、总线状态：c a n 总线上用“显性( d o m i n a n t ) ”和“隐性( r e c e s s i v e ) ”两 个互补的逻辑值表示“0 ”和“1 ”，“显性”对应逻辑。0 ”，“隐性”对应逻辑“1 ”， “显性”状态和“隐性”状态线与为“显性”状态，所以当在总线上出现两个节 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 点同时分别发送“o ”和“1 ”时，其结果是总线数值为显性“0 ”。c a n 总线采 用二进制不归零( n r z ) 编码方式，所以总线上不是“0 ”，就是“1 ”。其具体代表值 与电压的关系如图2 - 1 所示： 日寸l 瓦k 图2 1 总线位的数值表示 1 3 、应答：接收节点对正确接收的报文给出应答，对不一致报文进行标记。 1 4 、位流编码：一帧报文中，起始域、仲裁域、控制域、数据域和c r c 域 的二进制位流通过位填充方式编码。当连续出现5 个相同极性位时，自动插入一 个补码；报文中其他域不使用位流编码，错误帧和过载帧也不使用。 2 2 3c 州总线的技术特点 随着通信技术的发展，c a n 总线己广泛应用于各行各业的工业现场，根据不同 的需要或以主从方式，或多主方式工作，鉴于其极高的可靠性和独特的设计以及 高速率，传输距离较长的特点，特别适合工业现场监控设备的互联。 c a n 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对数据块进行 编码。采用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l l 位( c a n 技术规范2 o a ) 或2 9 位( c a n 技术规范2 o b ) 二进制数 组成，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。概括起来，它具有如下特点“州： 1 、c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 2 、c a n 的直接通信距离最远可达l o k m ( 速率5 k b p 、以下) ，通信速率最高可达 i m b p s( 此时通信距离最长为4 0 r e ) 。 3 、c a n 为多主从工作方式，网络上任意一节点均可在任意时刻主动地向网络 上其他接点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息， 利用这一特性可方便地构成多机备份系统。 4 、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，高优 先级的数据最多可在1 3 4 ”s 内得到传输。 5 、c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优 先级较低的节点会主动退出发送，而高优先级的节点可以不受影响地继续传送数 武汉理工大学硕士学位论文 据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是在网络负载很重的情况下也不会 出现网络瘫痪情况( 而以太网则可能) 。 6 、c a n 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方 式传播接收数据，无需专门的“调度”。 7 、c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个，报文标识符 可达2 0 3 0 种( c a n 2 ，0 a ) ，而扩展标准( c a n 2 0 b ) 的报文标识符几乎不受限制。 8 、c a n 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。 9 、c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他校验措施，保证了数据出错率极低。 1 0 、c a n 总线上的节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，退出 网络通讯，保证总线上其它节点的操作不受影响。 1 1 、c a n 还具有借助接收滤波的多地址帧传送、远程数据请求、配置灵活性、 全系统数据相容性、错误检测和出错信令的功能 1 2 、c a n 在发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重发送，而且 可以进行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 的信号传输采用短帧结构，数据段长度最多为8 个字节，每帧的有效字 节数为8 个，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及禊4 试数据的一般要求。 同时，8 个字节不会占用总线时间过长，传输的时间短，从而保证了通信的实时性。 受干扰的概率低，每帧信息均有c r c 校验和其他检错措施，通信误码率极低。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 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，这时故障节点与总线脱离， 使其他节点的通信不受影响。c a n 的这些卓越特性以及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联，并己被公认为最有前途的现场总线之一 2 2 40 a n 的分层结构 c a n 遵从o s l 模型，按照o s l 基准模型，c a n 结构划分为两层：数据链路层 和物理层，其中数据链路层包括逻辑链路层l l c 和媒体访问控制层m a c 。如图 2 2 所裂2 3 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 i s o o s ! 模型 数据链路层 逻辑链路控制子层z l c 接收滤波 弋 超藏通知 监控器 叠故障界定 尹 恢复管理 ：j 一 1 总线故雌臂理 娣体访问控制子层m a c 数据蜘墟，拆装 帧编码( 填克，嘏除填充) 媒体访问管理 错误检测 应用层 ： 出错标定 衰示层 会话层 传输层 网络层 应答 数据链路_ 屠 睾行化，解除睾行化 物理层 物理层 位缠码，解码 位定_ 十 r l 同，s 图2 2c a n 的i s o o s l 参考模型的层结构 l l c 子层的主要功能是：为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由l i c 子层接收的报文已被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。m a c 子层的功能 主要是传送规则，亦即控制帧的结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界 定。物理层的功能是有关全部电气特性在不同节点问的实际传送。c a n 技术规范 2 0 b 定义了数据链路中的m a c 子层和l i e 子层的一部分，并描述与c a n 有关 的外层。物理层定义了信号怎样进行发送，因而，涉及位定时、位编码元和同步 的描述。在这部分技术规范中，未定义物理层中的驱动器接收器特性，以便允许 根据具体应用，对发送媒体和信号电平进行优化 m a c 子层是c a n 协议的核心，它描述由l l c 子层接收到的报文和对l l c 子 层发送的认可报文。m a c 子层可响应报文帧、仲裁、应答、错误检测标定m a c 子层由称为故障界定的一个管理实时监控，它具有识别永久故障或短暂扰动的自 检机制。u c 子层的主要功能是报文滤波、超载通知和恢复管理、 图2 - 3c a n 节点构成结构图 1 4 武