（控制科学与工程专业论文）can总线星型网络拓扑结构研究与设计.pdf

摘要 c a n 总线星型网络拓扑结构研究与设计 摘要 c a n 总线属于现场总线范畴，已经在很多行业得到了广泛的应用。 c a n 总线采用总线型网络拓扑结构受到了很多人的认可，但是，随着c a n 总线进入到某些特殊行业，总线型网络拓扑结构的弊端变得越来越突出， 限制了c a n 总线在这些领域的应用本研究是为解决总线型网络拓扑结 构的弊端而设计的，其目的在于提高c a n 总线网络系统的可靠性，拓宽 c a n 总线的应用领域。 论文首先介绍了c a n 总线的网络构成及其工作原理，对c a n 总线的 总线型拓扑结构的优缺点进行了叙述及分析，在此基础上提出了实现 c a n 总线星型网络拓扑结构的原理及实现方法。 接着，论文详细论述了两种实现星型网络拓扑结构的设计方案，即 基于补偿机制方案及基于f p g a 方案。基于补偿机制的方案部分主要介绍 了传输线的特性、反射的形成机理及三种常见的突变反射，并着重介绍 了补偿原理及补偿实现方法。基于f p g a 的方案部分则详细介绍了c a n 总 线的访问机制及仲裁方法，分析了采用f p g a 作为中央节点之后的星型网 络的访问机制和仲裁实现方法，并阐述了f p g a 实现多端e i c a n 数据的逻 辑仲裁算法。 北京化工大学硕士学位论文 最后，按照应用要求，使用不同的测试条件对设计的c a n 总线星型 网络连接器进行了测试测试结果表明：本集线器性能稳定，工作可靠， 系统通信速率和负载率均满足设计要求，达到了预期的指标，能满足很 多领域的应用要求。 该星型网络集线器目前已开发完成并在实际系统中得到了应用 关键词：c a n 总线；f p g a ；星型拓扑结构；c a n 集线器 h a b s t r a c t r e s e a r c ha n dd e s i g no fas t a rt o p o l o g yf o r c a n b u s a b s t r a c t c a n b u s ，w h i c hi sb e l o n g i n gt ot h es c o p eo ft h ef i e l d b u s ，h a dw i d e l y b e e nu s e di nm a n yf i e l d s c a nb u s sb u s t y p en e t w o r kt o p o l o g yh a da l s o b e e nr e c o g n i z e db yal o to f p e o p l e ，b u tw i t ht h ec a n - b u s a c c e s s e di n t os o m e s p e c i a lf i e l d s ，t h ed e f e c t so f t h eb u s - t y p en e t w o r kt o p o l o g yh a db e c o m em o r e a n dm o r ep r o m i n e n t ，a n dl i m i t e dt h ec a nb u s sa p p l i c a t i o n si nt h e s ea r e a sa s w e l l t h i ss t u d yw a sd e s i g n e dt os o l v et h ea b o v ed r a w b a c k s ，a n di t sp u r p o s e i st oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo fc a n - b u sn e t w o r ks y s t e ma n db r o a d e nt h e c a nb u s sa p p l i c a t i o n sa sw e l l f i r s t ，t h ep a p e rd e s c r i b e dt h ec a nn e t w o r k sc o m p o s i t i o na n di t s w o r k i n gp r i n c i p l e ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o ft h ec a nb u s s b u s - t y p et o p o l o g yh a db e e nn a r r a t i v e da n da n a l y s e da l s o o nt h i sb a s i s ，t h e h a db e e np r o p o s e d a c h i e v et h ec a nb u s ss t a rn e t w o r kt o p o l o g y t h e n ，t h ep a p e rd i s c u s s e dt w od e s i g np r o p o s a l sn a m e l yc o m p e n s a t i o n m e c h a n i s mb a s e da n df p g ab a s e dw h i c hu s e dt or e a l i z et h ec a n ss t a r n e t w o r kt o p o l o g yi nd e t a i l t h ec o m p e n s a t i o nm e c h a n i s mb a s e dp a r t 北京化工大学硕士学位论文 i n t r o d u c e dt h em a j o rc h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a n s m i s s i o nl i n e , t h ef o r m a t i o n m e c h a n i s mo ft h er e f l e c t i n ga n da sw e l la st h et h r e ec o m m o nm u t a t i o n si n r e f l e c t i o n w i t ha ne m p h a s i s ，t h ec o m p e n s a t i o nm e c h a n i s ma n dt h er e a l i z a t i o n m e t h o do fe o m p e n s a t i o ah a db e t ai a t r o d u e t d f p g a - b 鹪一f o 园删匝p 叠 d e s c r i b e dt h ea c c e s sm e c h a n i s ma n dt h ea r b i t r a t i o nm e t h o do ft h ec a nb u s s b u s - t y p en e t w o r ki nd e t a i l a n da n a l y z e dt h es t a r - s h a p e dn e t w o r k sa c c e s s m e c h a n i s ma n dt h ea r b i t r a t i o nr e a l i z a t i o nm e t h o db yu s i n gt h ef p g aa st h e c 哦n o d eo ft h es t a rn e t w o r k f p g a sm u l t i - p o r tc a nd a t al o g i ca r b i t r a t i o n a l g o r i t h mh a db e e ne x p o u n d e d l a t e ro n f i n a l l y , a c c o r d i n g t o a p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s ，t h e c a nb u s s s t a r - s h a p e dn e t w o r kh u bh a db e e n t e s t e db yu s i n go fd i f f e r e n tt e s t i n g c o n d i t i o n s t h et e s tr e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h eh u b sp e r f o r m a n c ew a ss t a b l e , r e l i a b l ea n dt h es y s t e m sc o m m u n i c a t i o ns p e e da n dl o a dr a t ea r ea l lm e e tt h e d e s i g nr e q u i r e m e n t s ，s ot h ed e s i g na c h i e v e dt h ed e s i r e dt a r g e t sa n dt h eh u b c a nm e e tt h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t si nm a n ya r e a s t h es t a rt o p o l o g yn e t w o r kh u bh a dc o m p l e t e db e e nd e v e l o p e da n dh a s b e e na p p l i e di na c t u a ls y s t e m sn o w k e y w o r d s ：c a nb u s ，f p g a ，s t a rt o p o l o g y , c a n h u b l v 北京化工大学硕士学位论文 c c s d c s f c s p l c d c s c a n c a nh c a nl e c u s o f d r t r i d e d l c a c k e o f i t m s r r d l c t e c r e c s 州y t s e g 符号说明 c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m d i s m l m 埘c 伪血试s y s t e m f i e l d b u sc o n 臼o ls y s t e m p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k c a n h i g h c a nl o w e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t s t a r to ff r a m e i d e n t i f i e r r e m o t et r a n s m i s s i o nr e q u e s t m e n f i f i e fe x t e n s i o n d a t al e n g t hc o d e a c k n o w l e d g e m e n t e n do f f r a m e i n t e r m i s s i o n s u b s t i t u t er e m o t er e q u e s t d e l i m e t e r t r a n s m i te r r o rc o u n t e r r e c e i v ee r r o rc o u n t e r s y n c h r o n i z a t i o nj u m pw i d t h t i m es e g m e n t x 计算机控制系统 集敖控制系统 现场总线控制系统 可编程控制器 集散控制系统 控制器局域网络 c a n 总线高信号线 c a n 总线低信号线 电子控制单元 帧起始 标识符 远程发送请求 标识符扩展 数据长度码 应答 帧结束 间歇场 代替远程请求 界定符 发送错误计数器 接收错误计数器 位时间的同步跳转宽度 位时间的时间段 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：二攀日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工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北京化工大 学。学校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 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论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、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 导师签名： 日期：丝啤：! ! ：兰筮 日期：立卜 五 一 ，一，心广 篮型， 4 4 1 止 兰 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文选题的背景、目的和意义 现场总线的开发及应用起源于欧洲，后来发展到美国、日本等地区，目前殴美及 日本地区的现场总线技术一直处于领导地位。据不完全统计，到现在，世界上已出现 过的形形色色的总线种类近2 0 0 种【现场总线竞争激烈，各家公司都希望自己的总 线能成为行业标准，一统天下，但是工业行业的复杂与多变使得这场战争从未中断过， 自2 0 世纪8 0 年代末以来，有几种现场总线凭借其突出的优点，已在某些行业形成了 影响，并显示出了较强的生命力，如美国e c h e l o n 公司的l o n w o r k s 、德国b o s c h 公 司的控制器局域网总线c a n 、西门子公司的p r o f i b u s 、r o s e m o u n r 公司的h a r t 、基 金会现场总线f f ( f i e l db u sf o u n d a t i o n ) 、美国的d e v i c c n e t 等等。 c a n 总线( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 是2 0 世纪8 0 年代初德国b o s c h 公司为解决现 代汽车中众多控制单元、测试仪器之间的实时数据交换而开发的一种串行通信协议， 属于现场总线范畴，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，应用范 围遍及从高速网络到低速容错网络。 c a n 总线最初主要用来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通 信，其废除了站地址信息，且提供一套复杂的错误检测与错误处理机制，具有很高的 可靠性、实时性、数据一致性，同时，实现成本很低并且能在不同的环境要求下工作， 这些优点使得c a n 总线能很好地应用于现代复杂先进的智能化系统。因此，c a n 总 线的应用范围目前已不再局限于汽车行业，而向过程控制、机械工业、纺织机械、农 用机械、数控机床、医疗器械及智能传感器等领域发展。c a n 总线于1 9 9 3 年被国际 标准组织i s o 标准化，并已被公认为几种最有前途的现场总线之一【2 】。 c a n 总线技术在国内外应用范围不断扩大，基于c a n 总线的工程应用也越来越 多，c a n 总线甚至已经在国内的工农业监控、电厂测控、火灾报警、航空航天、兵 器等关键领域得到了广泛的应用【3 】。不同的应用根据自己的应用特点对控制系统的集 成度、系统结构的复杂度以及系统的可靠性、安全性等有不同的要求，仍然采用传统 的c a n 总线网络在这些特殊领域已经逐渐凸显了其本身的不足，甚至发现，如果不 做改进，c a n 总线在这些领域将无法再满足应用要求了。因此，依据具体工程项目 实际情况采用合适的c a n 总线网络，一方面可以减少由于复杂系统带来的布线困难 问题，另一方面也可以提高系统的安全性、可靠性，同时新的网络拓扑结构如星型网 络拓扑，还可以在星型网络的中央节点处利用剩余资源集成其它自行设计的数字电 路，如对网络进行智能化管理等，这样使得网络通信实现了简单化、可管理化并提高 了其工作的可靠性，具有重要的现实意义。 北京化工大学硕士学位论文 1 2c 州总线与现场总线技术 1 2 1 现场总线特点及应用现状分析删 ( 1 ) 现场总线概述 控制系统的发展经历了c c s ( c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ) 、d c s ( d i s t r i b u t e dg d n t r o l s y s t e m ) ，而发展成今天的f c s ( f i e l d - b u sc o n t r o ls y s t e m ) ，f c s 技术是2 0 世纪8 0 年 代中期在国际上发展起来的一种崭新的工业控制技术，f c s 的出现得益于现场总线技 术的发展，目前，现场总线技术已成为工业控制领域中的一个热点。 现场总线是一种适用于工业环境实现传感器、控制器以及现场电器、现场仪表之 间的一种开放的、多站的网络结构和网络协议不同厂家生产的控制设备只要符合同 一种网络协议，便可以方便地集成进网络并进行互操作。 跟人类需要交流一样，同一个网络的各个控制器之间也同样需要交流。人类的交 流手段从书信、电话发展到当前的网络化，而控制系统的交流手段则经历了线束到总 线的发展。传统控制系统的接线方式是一种离散的点对点的接线方式，以汽车为例， 汽车上有很多电子控制单元( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t s ，简称e c u ) ，对应每一个e c u 有不同的i 0 口，一个信号的传输需要消耗一根线束及一个i 0 口当系统越来越复 杂之后，需要传输的信号量就越来越多，导致整个通信系统的接线也变得庞大且错综 复杂，同时也导致了物料成本的增加，生产时间的延长，给布线施工和后期的系统维 护都带了很大的困难，并且还降低了系统可靠性，因为每一个连接口就可能成为将来 的一个故障点。为此，人们考虑怎样把那么多的导线合并到一起，用一根导线来连接 所有设备，所有的数据和信号都在这根线上流通，同时设备之间的控制和通信可任意 设置。因而这根线自然而然地被称为了总线，就如计算机内部的总线概念一样。由于 控制对象都在工矿现场，不同于计算机通常用于室内，所以这种总线被称为现场的总 线，简称现场总线，如图1 1 所示。 ( 1 ) 传统的接线方式 2 第一章绪论 ( 2 ) 现场总线的接线方式 图1 - 1 传统控制系统接线方式和现场总线系统接线方式的比较 f i g1 - 1t r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e m sa n df i e l db u ss y s t e mw i r i n gc o m p a r i s o n ( 2 ) 现场总线特点分析 现场总线自1 9 8 4 年正式提出以来，经历了2 0 多年的应用及发展，其优点已经被 不同行业不同机构的人广为传诵，一般地，现场总线的特点可以归结为以下几个方面： 全数字化通信，这种特性减少了系统的布线方式，现场总线之所以代替d c s ，是因 为i ) c s 采用的是点对点的通信方式，其所采用的模拟信号不仅精度低而且还容易受 干扰，通常在操作室监控到的信号往往是受干扰后的信号，根据这样的监测结果而发 出的操作命令往往使设备看起来像是失控；现场总线一般采用广播的通信方式，且采 用数字信号，精度高、可靠性强，设备也始终处于被监控和可控状态；开放性互联， 现场总线将通信协议标准化、公开化，这样，不同的厂家就可以根据这个开放式的标 准协议生产自己的产品，最终用户根据系统的需求可以选择来不同国家不同厂家不同 型号的设备，连接成控制回路；控制和管理均分散，现场总线控制系统将d c s 系 统中的控制站功能下发给底层的各个控制站，各个控制站可以实现自我管理及控制， 根据技术的发展现在还可以实现自诊断，使现场设备越来越智能化，真正实现了分散 控制、智能控制；通信可靠性高，现场通信总线一般采用双绞线作为传输介质，双 绞线具有很强的抗干扰能力，同时，很多总线采用差分式编码并且采用短帧结构，这 些方式都降低了通信受外界干扰的几率，节点与节点之间的信息传输都采用严格的数 据校验，对于出错的数据，发送节点采取自动重发机制等，这样可以保证收发两端的 数据高度一致性。 ( 3 ) 现场总线应用分析 工业控制是个很分散的领域，国际上各个国家很多公司都制定有自己的总线协 议，但没有一家公司能完全垄断，这就导致这些公司制定的通信协议，其彼此的开放 性和互操作性难以统一，因此，目前的现场总线存在着以下几种应用现状：多种总 线并存，目前国际上存在着大约有4 0 多种现场总线【5 1 。这些总线来自不同的国家，不 同的组织，且各自都有自己的特点，这些总线中，大部分运用于过程控制、医疗、交 通、国防、航空航天、船舶及楼宇自动化等。不同总线有不同的应用领域，如基金 会现场总线( f f ) 适合于石油化工、冶金等行业的过程控制；l o n w o r k s 适合于楼宇自动 化等行业；c a n 适合于汽车、海事电子、工业自动化等；然而，这些划分也不是绝 3 北京化工大学硕士学位论文 对的每种总线都力图扩大其应用领域彼此渗透 多种总线成为国际或国家标准， 如b o i c h 公司的c a n 总线已经成为国际标准，s i 删公司的p r o f i b m 总线已成为德 国标准等成为国际或国家标准更能增加这些总线的综合竞争力没有一种总线能 一统天下，由于竞争激烈，并且工业自动化技术的千变万化，没有一家公司敢说用其 总线能满足所有行业的应用要求，这不仅是技术问题，而且涉及到企业与企业之间的 利益闯题现场总线的关键技术之一是彼此的互操作性。实现现场总线技术的统咱! 是所有用户的愿景。 4 ) 几种主流现场总线 自8 0 年代以来，几种现场总线技术，诸如：基金会现场总线f f 、局部操作网络 l o n w o r l m 、过程现场总线p r o f i b u s 、控制器局域网络c a n 和可寻址远程传感器数据 通路h a r t 已逐渐形成其影响力，并在一些特定的应用领域显示了自己的优势，依托 各自的特点也显示了较强的生命力这些总线对现场总线技术的发展已经发挥并将会 继续发挥较大作用 1 2 2c 朋总线技术的发展概况 c a n - c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k - - 控制器局域网络，是2 0 世纪8 0 年代初德国b o s c h 公司为解决现代汽车中众多控制单元、测试仪器之间的实时数据交换而开发的一种串 行通信协议【射。随着现代汽车工业的发展，越来越多的电子设备使用在汽车上。其中 主要包括发动机管理系统、主动悬架系统、防锁死制动系统、变速控制系统、车灯组 控制、空调、安全气囊与电动门锁等。所有的这一切主要是为了让驾驶者更安全、更 舒适，同时也为了节省燃料与控制尾气排放。 为了进一步提高汽车的性能，不同的控制系统( 及传感器) 之间进行信息交换是 必不可少的。起初，各个系统之间常常采用一种离散的连接形式( 诸如点对点的连接) 。 后来，信息交换的需求不断增长，信息交换的范围也越来越广，各电子设备之间的连 接可能需要数公里的网络线和相当多的连接器。由此引发了一系列的问题，比如物料 成本的增加、生产时间的延长，以及可靠性的降低等【9 l 。 对于这些问题的解决方案是通过一个串行总线系统来连接各个分布的控制系统。 因为该总线是用于汽车的，因此，必须满足一些特殊的要求。随着c a n 总线的应用， 控制系统间的连接由原先点对点的连线被一条串行总线所取代。只需要在原来的每个 控制单元上增加特定的硬件接口，并制定相应的信息发送与接收“规则 或协议，就 可以实现总线数据交换，这样就形成了c a n 总线的雏形。 c a n 总线协议是建立在国际标准组织( i s o ) 的开放系统互连( o s l ) 模型基础上的 现场总线协议，其模型结构只有三层，即取o s i 底层的物理层、数据链路层和顶层的 应用层。 4 第一章绪论 c a n 总线属于总线式串行通信网络，其传输介质采用普通的双绞线且采用差分 式非归零编码等技术，与一般的通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可 靠性、实时性和灵活性c a n 总线的技术特点可以简要概括为【1 0 1 1 l ： ( 1 ) c a n 采用双线差分信号，使得c a n 总线受外界干扰的可能性降低； ( 2 ) c a n 协议本身对节点的数量没有限制，并且总线上的节点数量可以动态改变； ( 3 ) c a n 采用广播式发送报文报文可以被所有节点同时接收。提高了c a n 的 实时性； ( 4 ) c a n 采用的是多主站结构，网络上各节点地位平等，不分主从，节点的优先 级通过发送的报文的标识符( d ) 确定； ( 5 ) c a n 报文的内容通过报文标识符识别，每个报文的标识符在网络中是唯一的。 在网络设计阶段定义好； ( 6 ) c a n 上的节点可以根据需要进行相关性报文过滤，将自己不关心的报文通过 硬件过滤，节省了节点由于处理不相关报文而付出的资源； ( 7 ) c a n 采用短帧结构，每条报文最多传送8 个字节数据，传输时间短，受干扰 概率低，且具有极好的检错效果； ( 8 ) c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低； ( 9 ) c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活； ( 1 0 ) c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点 的操作不受影响。 自从b o s c h 推出c a n 协议后，c a n 总线就凭其突出的优点，在汽车、船舶、航 空航天、医疗、工业测控与工业自动化等领域得到广泛的应用，成为了应用最广泛的 现场总线之一。由于各种领域的推广应用对其通信格式的标准化提出了要求，为此， 1 9 9 1 年9 月形成c a n 技术规范2 0 版本，该技术规范包括a 和b 两部分，c a n 2 0 a 给出了c a n 报文标准格式，标准c a n 报文具有1 l 位标识符，共可以表示2 0 4 8 种报 文，c , u q 2 0 b 给出了报文的标准和扩展两种格式，扩展c a n 报文具有2 9 位标识符， 可表示的c a n 报文可达2 的2 9 次方个，几乎不受使用的限制。此后1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运输工具一数据信息交换一高速通信c a n 国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ， 作为c a n 总线的国际标准，此后c a n 总线在车辆上的应用也日趋成熟。从1 9 9 2 开 始，m e r c e d e s b e n z 已经开始在它的高级轿车中使用c a n 总线，接下来v o l v o 、s a a b 、 v o l k s w a g e n 和b m w 等也相继开始应用c a n 总线，现在，欧美各大汽车厂商已经在 它们的车辆上大规模使用c a n 总线【1 2 d 4 】。在汽车上使用c a n 总线已经不再是一种趋 势，而是一种现状，在汽车行业的成熟应用，使得c a n 总线慢慢被其它行业接受并 广泛应用，并且形成了适合于不同行业的应用层规范。如应用于商用车的s a e j l 9 3 9 、 工业行业的c a n o p e n 、航空航天的c a n a e r o s p a e e 、美国海事电子的n m e a 2 0 0 0 、低 压电气行业的d e v i c e n e t 等。 5 北京化工大学硕士学位论文 1 3c 从总线技术研究现状分析 目前国内外自动化控制系统所应用的现场总线主要有p r o f i b u s 、m o d b u s 、 l o n w o r k s 、f f 、h a r t 、c a n 等【l 6 1 在以上总线中c a n 是唯一被批准为国际标 准的现辱蘑缝。男外，国内外很多徽处理器生产商在徽处理嚣芯片中集成了c a n 芯 片，并且成为一种潮流而其它现场总线的协议芯片基本上是以专用的芯片来供应， 因此，c a n 在低成本方面优势明显，此外，由于c a n 总线物理层采用双绞线传输差 分信号、c a n 接口芯片采用严格的抗e m c 设计，使得c a n 在抗干扰方面也颇有特 色。因此，c a n 总线在不同的领域受到了很多人的青睐 1 9 9 3 年1 0 月，国际标准组织( i s o ) l e 式颁布了道路交通运载工具数字信息交换 高速通信控制器局域网( c 触d 国际标准( i s o1 1 8 9 8 ) 。其中i s o1 1 8 9 8 - 2 部分作为高速 c a n 物理层的规范，其强烈推荐c a n 网络采用总线型拓扑结构1 1 7 l ，如图1 2 所示。 总线型c a n 网络采用单一信道作为传输介质，所有的站点通过相应的硬件接口接到 这个公共的信道( 总线) 上，任何一个站点发送的信息，所有的其它站点都能接收。因 此总线为多点式或广播式。信息是按组发送，到达各个站点后，经过地址识别( 滤波) ， 符合预定要求的站点就将信息复制下来。 终端 电阻 t 一 终端 电阻 图1 - 2c a n 网络基本拓扑结构 f i g1 - 2b a s i cn e t w o r kt o p o l o g yo fc a n c a n 网络采用总线型拓扑结构有很多方面的优势，在很多领域得到了广泛的应 用，满足大多数领域的应用要求，但随着应用领域的扩展，在某些特定的应用领域逐 渐发现了总线型拓扑结构存在的一些缺陷，如： ( 1 ) 支线长度受限 总线型里的支线结构会影响总线通信，是因为支线会带来支线反射。信号沿传输 线传播时，其路径上的每一步都有相应的瞬态阻抗，分支结构将使分支处的瞬态阻抗 发生改变，部分信号都将沿着与原传播方向相反的方向反射，而另一部分将继续传播， 但幅度有所改变。反射的信号量由瞬态阻抗的变化量决定，如图1 3 所示。如果第一 个区域的瞬态阻抗是z i ，第二个区域的是z 2 ，如果z l 和z 2 相差越大，交界处的反射就 越严重 6 第一章绪论 -z i z 2 v x 射射- 图1 3 反射形成机理图 心i = 3f a - 锄峨睢m d h 出m l 嘲h 信号从发射节点发出以后，沿着总线传输，当传输到支线结构的分支点时，这时 信号遇到的是两端传输线的并联阻抗，这个阻抗比分支前的阻抗要低，分支处便产生 负相反射，引起信号电平下冲。这种下冲可能会超过噪声容限，造成误触发。为了避 免这种情况发生，希望反射波尽快回到源端，也就是支线要尽可能短。而支线短了， 在某些应用领域又增加了布线难度，甚至限制了c a n 总线在该领域的应用 ( 2 ) 干线断路将使整个网络通信受阻 c a n 的物理媒介是双绞线，受双绞线使用寿命及工作环境影响，在网络中有可 能会出现干线断路的情况，一旦出现断路，则短路两端网络就无法相互通信，影响系 统工作。 ( 3 ) 节点错误影响整个网络且无法及时排查 c a n 网络里的某个节点有可能会因为设计或操作的失误失去收发报文的能力， 并不断向网络广播错误帧，由于c a n 网络所有节点共用一个传输信道，当在总线上 发现类似故障之后其它节点的通信会因错误帧而受影响，严重时甚至使网络通信中 断，一个节点的故障影响整个网络，且无法及时查出故障来源，故障的检测需要在各 节点上进行，比较困难。 从现阶段的研究成果来看，在国内进行c a n 总线方面应用开发的较多，并且在 c a n 总线产品开发上缺乏标准化的指导，应用程度和高度与国外同行有很大的差距， 相比之下，依据c a n 总线协议进行新型网络拓扑结构设计的就要少一些，关于c a n 总线新型网络拓扑结构的研究也都停留在理论的分析阶段，而没有看到真正一款产品 面世或应用到具体的控制系统中。 比如，合肥工业大学的张维勇老师发表的学术论文“星型c a n 网络结构的设计 与研究【1 7 p ，分析了采用星型c a n 网络结构的优势及设计星型c a n 网络结构的架构 与错误处理原理，但是，没有给出实现方案及具体的实现成果。 1 4 课题研究的主要内容及创新 c a n 网络采用总线型拓扑结构会带来一系列弊端，正是由于这些弊端，限制了 c a n 总线在很多特殊领域的应用，如一些对安全性可靠性要求较高的场合，希望一 个节点的故障不要影响到整个网络，甚至网络里要求支线较长并且网络里某处或某几 7 北京化工大学硕士学位论文 处出现断线情况仍然不影响其余网络的通信。要满足这些应用要求，提高系统的安全 性、可靠性，就有必要引入一种新的网络拓扑结构来弥补总线型拓扑结构的不足这 就是此研究所要涉及的星型c a n 网络拓扑结构 为了实现星型c a n 网络拓扑结构，核心就是要设计一块c a n 总线星型网络集线 器( 简称c a nh u b ) 作为星型网络拓扑结构的核心点，该c a nh u b 工作在物理层， 有效地解决总线型网络拓扑结构韵不足，挺商c 蛾的可靠及安全性。同时扩充a 蛾 总线的应用领域 根据上述目标，本课题要研究并解决的问题如下： ( 1 ) 分析c a n 总线工作原理，及c a n 总线网络架构，并提出实现c a n 总线星 型网络拓扑结构的方案； ( 2 ) 设计的星型c a n 网络能够兼容当前产品化的c a n 节点并且可以在任何基于 c a n 协议的网络中使用； ( 3 ) 设计的星型c a n 网络至少能够满足通信波特率5 0 0 m p s 且支线长度1 5 m 的 网络应用要求，并且任意两端口之间数据转发延时不能大于l u s ) ( 4 ) 能够解决总线型网络的缺陷，也即具备物理层容错功能，任意端口出现c a n h 和c a n l 短路、c a n h 与电源或地短路、c a n l 与电源或地短路、c a n h 或c a n l 断路等故障后，不影响其它端口通信，故障排除后该端口恢复正常通信 8 第二章c a n 总线通信原理与网络构成分析 第二章e a r l 总线通信原理与网络构成分析 2 1c 州总线节点构成及参考模型 1 9 7 8 年国际标准化组织i s o 建立了一个。开放系统互连一分技术委员会。起草 了。开放系统互连基本参考模型一的建议草案。1 9 8 3 年正式成为国际标准( i s 0 7 4 9 8 ) 。 为实施开放系统互连所建立的分层模型，简称o s i ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e e t i o n ) 参考 模型，为异种计算机互连提供了一个共同的基层和标准框架，并为保持相关标准的一 致性和兼容性提供了共同的参考。i s o o s l 参考模型如图2 - 1 所示【l s l 。 应用实体。) r应用实体- r 系统a中继节点系统b 图2 - 1o s i 参考模型 f i 9 2 - 1o s ir e f e r e n c em o d u l e c a n 的通讯协议遵循i s o 的开放系统互联参考模型，规定了c a n 网络上一个节 点到另一个节点的数据传输方式，但是只采用了i s o o s i 全部七层中的两层：物理层 和数据链路层，如图2 2 t 1 9 1 。c a n 网络协议里的应用层用户可以自行开发，也可以遵 循现有的应用层协议，如j 1 9 3 9 、d e v i e e n e t 、c a n o p e n 等 2 0 1 。 9 北京化工大学硕士学位论文 图2 - 2c a n 的l s o o s l 参考模型的层结构 f i g2 - 2t h ei s o o s ir e f e r e n c em o d e ll a y e ro fc a n 在网络的层次结构中，数据链路层和物理层是保证通信质量至关重要、不可或缺 的部分，也是网络协议中最复杂的部分。在实际应用中，飞利浦、摩托罗拉等半导体 公司提供了c a n 控制器以实现数据链路层和物理层的功能。c a n 控制器是以一块可 编程芯片上的逻辑电路的组合来实现数据链路层、物理层以及监督器的功能。部分 c a n 控制器产品为独立的半导体芯片，如s j a l 0 0 0 ：部分c a n 控制器则嵌入微处理 器成为微处理器的功能模块。独立的c a n 控制器提供与微处理器的接口，内嵌的c a n 控制器映射为微处理器的内部控制单元。用户通过编程操作c a n 控制器来设置c a n 控制器的工作状态、进行数据发送和接收、管理总线错误。对于c a n 网络层次结构 中的应用层，用户必须基于c a n 控制器，通过软件对微处理器编程实现应用层【2 1 - 2 2 1 。 对于物理媒体，可以采用双绞线、同轴电缆、光纤等常用的传输介质。在实际应 用中，普遍采用双绞线或屏蔽双绞线作为c a n 网络的物理媒体，p h i l i p s 等半导体公 1 0 第二章c a n 总缱通信蜃理与曙结构成分折 碍提供了c a n 总线驱动嚣来实现c a n 控嚣到曩搜垃迷种均理基悼扮接口功能 在实际应用中，c a n 网络包括三个部分：用户编程实现的应用层、c a n 控制器 在微处理器控制下实现的数据链路层和物理层、物理撵体。十典型的两节点c a n 网络如图2 - 3 所示 蘸i 挝烛毫鼍皇程 = 】买理鲫i 晨 通过相址理嚣缉程撮 作c a n 控制置实现数 据链踞屡和话理层协 议 通过双锻缱、终靖电 阻和c a n 息域驱动量 实日啉理攥雉与接口 圈z d 典型的两节点c a n 网络 f k w t y p i c a i t w o - n o d e t 哪i k o f c a n 2 2c 州总线通信原理分析 c a n 总线通信系统协议中定义了许多通信传输的规范，这些规范保证着c a n 总 线系统的正常通信。c a n 总线通信的基本单位是报文也称为帧( f r a m e ) ，当总线空闲 时，任何连接的节点都可咀开始发送新报文，报文中采用的具体格式就是帧格式。在 c a n 总线通信系统中，报文有四种格式，以分别用于c a n 节点闻数据交换和数据控 制，这四种帧分别是口m ： ( 1 1 数据帧携带从发送节点至接收节点的数据： f 2 】远程帧向其他节点请求发送具有同一标识符的数据帧； f 3 1 错误帧节点检测到错误后发送错误帧； f 4 ) 超载帧在先行的和后续的数据帧( 或远程帧) 之间附加一段延时。 帧间空间：数据帧和远程帧同其前面的帧，不管它们是何种帧( 数据帧、远程帧、 错误帧或超载帧) 均以帧间空间的位场分隔开。帧间空间的作用是在连续两帧之间增加 时间延迟，但是错误帧或超载帧前面没有帧间空间州。 理解c a n 总线的通信原理之前，需要先了解每种帧格式的具体组成，及各报文 的发送原则。 一j a 莽释 北京化工大学硕士学位论文 2 2 1 数据帧 数据帧的作用是携带数据从发送节点发到接收节点，数据帧有标准帧和扩展帧两 种格式，它们之间的主要区别在于标识符的长度不同，标准帧是具有l l 位标识符的 帧丽扩展帧悬具有2 9 位标识符的帧 数据帧按照功能分为七个不同位场，如图2 4 所示，它们分别是，帧起始、仲裁 场、控制场、数据场、c r c 场、a c k 场和帧结束( e o f e n do f f r a m e ) 。 图“数据帧组成 f i 9 2 - 4t h ec o m p m i t i o no f t h eo f d a t af r a m e ( 1 ) 帧起始( s t a r to ff r a m e ) ：标志一帧数据帧的开始，它由固定一个“显性 ( 对 应t t l 里的逻辑 0 ) 位构成。帧起始的另外一个作用是用于同步，所有接收节点的时 钟必须在帧起始的时候同步于首先发送的帧起始引起的下降沿，这个过程俗称_ 硬同 步一，在后文详述。 ( 2 ) 仲裁场z 仲裁场的作用是比较报文的优先级，仲裁场由标识符i d 和远程请求 位r t r ( r e m o t et r a n s m i s s i o nr e q u e s t ) 构成如图2 5 所示 图2 - 5 仲裁场组成 f 1 9 2 - st h ec o m p o s i t i o no ft h ea r b i t r a t i o nf i e l d 标准帧在i d 场的长度为l l 位，扩展帧在i d 场的长度为2 9 位，这些位以从高位 到低位的顺序发送。r t r 位的作用是区别该帧是数据帧还是远程帧，如果r t r 位是 显性( 一0 ) 则该帧是数据帧，反之则为远程帧。同时，还可以区分数据帧和远程帧的优 先级，从这位可以区分出数据帧的优先级要高于远程帧，在后文详述。 ( 3 ) 控制场：控制场的作用是标志该帧的长度，由六个位构成，包括前两位的保 留位和四位的数据长度码d l c ，如图2 - 6 所示。 i仲裁场 控制场 数据场 保留位 d l c 图2 _ 6 控制场场组成 f i 9 2 - 6t h ec o m p o s i t i o no ft h ec o n t r o lf i e l d 两位保留位都被置成“显性0 一，数据长度码为4 位，用于指示数据场所包含的字 节数。因为c a n 报文最多能携带8 个字节的数据，因此，d l c 允许使用的数值为0 - 8 ， 若把它置成9 - 1 6 中的值，则它默认为8 。 1 2 第二章c a n 总线通信原理与网络