（电力电子与电力传动专业论文）列车用can总线高层协议研究与实现.pdf

韭赢窑亟太堂塑燧望焦途塞 塑进 a b s t r a c r ：n 增t e c h n o l o g yo ff i e l d b u si so n eo ft h eh o t s p o ti nr e c e n ta u t o m a t i o n a p p l i c a t i o nf i e l d 1 1 砖t e c h n o l o g yo ff i d d b u si n t e g r a t e da d v a n c e dt e c h n o l o g yo f e m b e d d e ds y s t c a n ，m o d e r nc o m m u n i c a t i o n , t h et h e o r yo f a u t o c o n t r o la n dn e t w o r k si ni t s o w ns y s t e m i ti n c a r n a t e dt h ec o n v e n i e n c eb r i n g e dt op e o p l eb yt h ea d v a n c e m e n to f a d v a n c e dt e c h n o l o g y c a nw a st h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r di s 0 1 1 8 9 8o ff i e l d b u s w i t hi t sp r e d o m i n a n c e c a nw a sc e a s e l e s s l y 懿t e n d e da n da p p l i e d b u tc a nw a sn o tac o m p l e t ep r o t o c 0 1 r c o n f i n e dt w ol a y e r so fp h y s i c sa n dd a t al i n k o n l y t op l a yh i g he f f i c i e n c yi n c o m m u n i c a t i o n , t h ea p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lo fc a ns h o u l db ed e v e l o p e d i nr e c e n t y e a r s ，s e v e r a ll a r g e - s c a l eo r g a n i z a t i o n sg a v eo u tt h e i rc a na p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l s l l pt of o r t yk i n d s ，a so n eo fw h i c h , c a n o p e ni sn o wb e i n gl i s t e dt ot h es t a n d a r do f i e c 6 1 3 7 5 t h ef i e l d b u sa p p l i c a t i o ni nr a i l w a yh a si t so w ns p e c i a l t y t h e r eh a sb e e nb os p e c i a l c a nb u sa p p l i c a t i o nl a y e rs t a n d a r dp r o t o c o lf a c e dt or a i l w a ya p p l i c a t i o nu pt on o w i n t h i sp a p e r , t h ea u t h o rd e s i g n e dn e wc a nb u sa p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o ln a m e d t r a i n - c a nf a c e dt ot r a i na p p l i c a t i o nu s e dt c n ( i e c 6 1 3 7 5 一1 ) f o rr e f e r e n c ea n d c o m b i n e dt h es p e c i a l t yo fb o t t o ml a y e ri nc a nb u sm o d e l ，a n du s e do t h e rc a n a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l se x c e l l e n c ef o rr e f e r e n c e n 撼a u t h o rd e s c r i b e dt h ep r o t o c o l i nf o u rp a r t s ：t h ea s s i g n m e n to f m e s s a g e , t h et r a n s m i s s i o nr u l e so f m e s s a g e ，t h en e t w o r k m a n a g e m e n ta n dt h ed e s c r i p t i o no f s t a n d a r dc q u i p m c n la n d t h e nt h ea u t h o ri n t r o d u c e d at y p i c a la p p l i c a t i o no ft h ed e t e c t i n ga n dr e c o r d i n gs y s t e mo fl o c o m o t i v ei n s t a n t f a u l t i nt h i ss e c t i o n , t h ed a t at r a n s a n i s s i o no fs y s t e mw a sc l a s s i f i e d ，t h en e t w o r k a m c t i o no f e a c hn o d ew a sd e s c r i b e d t h ed i s t d b u t a r yo f d a t as t r e a mw a sa 衄l y z e da n d f i n a l l yt h ep r o t o c o lw a sr e a l i z e di nt h i ss y s t e m j u s tb e c a u s eo ft h ed e t e c t i n ga n d r e c o r d i n gs y s t e mo fl o c o m o t i v ei n s t a n tf a u l t , t h et r a i n - c a nw a sp r o v i d e dp r i m a r y d e s i g ni d e a , w a st e s t e da n di m p r o v e d , a n df i n a l l yw a sf o r m e d a ss p e c i a lu s e r - d e e m e d c a nb u sa p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lf a c e dt ot r a i na p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：c a nb u s ；a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l ；t r a i nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ； f a u l td e t e c t e 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 学位论文作者签名：；煮：氖j 知 导师签名： 立滁 0 签字同期：如) 年- 2 月刁只签字日期：，7 年2 月2 硐 独创性声明 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通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了谢意。 学位论文作者签名： 象j 螽q 窖 签字日期： h 年侈月2 ，日 致谢 在论文完成之际，我要衷心的感谢我的导师王立德教授。本论文是在王老师 的悉心指导下完成的。王立德教授渊博的学问、活跃的思想、严谨的态度以及宽 厚的为人令学生获益匪浅，他严谨求实的治学态度对我目前的研究工作以及今后 的工作和学习影响深远。另外，王老师在科研及生活上给予我的关怀令我深受感 动、难以忘怀。他为我创造了一个良好的科研条件以及许多难得的锻炼机会，他 不断的鼓励增添了我的信心，使我敢于直面困难，在科研的道路上逐步成熟起来。 硕士学业即将完成之际，在此衷心感谢三年来王立德老师对我的关心和指导 同时还要感谢项目组里的王永翔、刘彪、杨宁、彭少武和周东同学，在他们 的共同努力下，项目进展顺利，项目组里充满了浓厚的学术氛围。同时也感谢王 保华老师，在出差昆明的生活中，他给了我细致的关心，在现场的实验中，他和 我一起分析问题，解决问题，并给了我更加广阔的设计思路，也使得本课题不断 取得突破和进展。 在学习和科研期间，还有幸结识了吕武、李永平、罗妮娜、刘文清，刘建成、 盂盟、王磊、姜娜、王曦以及肖强等师兄师弟师妹。在与他们相处的同子晕，不 仅通过学术交流与积极有益的探讨令本人获益良多，而且他们的关心和帮助让我 感到了友谊的珍贵和集体的温暖。 另外也感谢我的父亲母亲，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学业。 最后，承蒙各位专家、教授的评阅和评议，你们提出的宝贵意见将使作者受 益匪浅。谢谢! 第一章绪论 1 1c a n 总线应用层协议的特点和发展现状 c a n 总线已经成为全球范围内最重要的现场总线之一，甚至领导着串行总线 的发展。在1 9 9 9 年，就有近6 0 0 0 万个c a n 控制器投入应用，据统计，到2 0 0 0 年，c a n 器件的市场销售量已经超过l 亿个。目前基于c a n 控制器标准的软核 也已经广泛应用在各种工业控制领域和交通领域【l 。尤其是近5 年里，国内c a n 总线的应用逐渐形成规模化趋势，其应用的涉及领域非常广泛，产品型号众多， 但大多数企业对c a n 总线的应用还仅仅发展到基础层次阶段，没有能够真正发挥 c a n 总线实时、可靠的优势，这一点主要体现在应用层协议的选择上。 虽然c a n 具有诸多优点，但c a n 本身并非一个完整的协议，只包括物理层 和数据链路层两个底层协议，要进行高效率的通讯还需要进一步开发高层协议， p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 制定的c a n 技术规范( v e r s i o n 2 o ) 和i s o 颁布的国际标准 i s o1 1 8 9 8 推动了c a n 的规范化、标准化和应用系统设计，各种基于c a n 协议的 高层协议的开发使得c a n 总线的功能更强，应用范围更广。目前，针对不同的应 用领域，众多国际组织在c a n 总线的基础上已经推出了近4 0 余种应用层协议。 代表性的有d e v i c e n e t 应用层协议、c a nk i n g d o m 、s d s ( s m a r td i s t r i b u t e ds y s t e m ) 以及c a n o p e n 等。另外，国内部分公司也推出了面向工业应用的c a n 总线应用 层协议。 由于c a n o p e n 已经列为正在制定的标准( i e c 6 1 3 7 5 - 3 - 3 ) 行歹j j ，我劈 对其发 展情况做一下介绍。 c a n o p e n 协议最初由b o s c h 公司倡导，后来交给c i a ( c a ni na u t o m a t i o n ) 组织进行维护和发展。c a n o p e n 是基于c a l ( c a na p p l i c a t i o nl a y e r ) 协议演 变发展而成，采用面向对象的思想设计，具有很好的模块化特性和很高的适应性， 通过扩展可以适用于大量的应用领域。c a n o p e n 不仅定义了应用层和通信子协 议，而且为可编程系统以及不同器件、接口、应用子协议定义了大量的行规，遵 循这些行规开发的c a n o p e n 设备能够实现不同公司产品阅的互操作1 1 习。 由于上述两种协议是基于通用性目的而开发的，其结构复杂，并非完全适合 于铁路机车车辆这种要求高可靠性的场合，而且该两种协议软件的价格也是一个 不能忽视的因素另外，c a n o p c a 、d 嘶o e n c t 等协议因其在前期开发阶段投入较 大资金、人力以及协议复杂程度、产品开发难度和技术支持等因素的影响，在国 韭塞奎通太堂硒堂位i 盒塞差= 重 缮j 幺 内一时也不能够形成成熟的应用氛围。因此大多数面向行业应用的现场总线用户 热切期待能够获得一个简单、可靠的c a n 总线应用层协议。 铁路行业作为一个现场总线应用的重要领域，有其自身的特点，目前没有面 向列车总线应用的c n 应用层协议，笔者在设计专用的列车c a n 总线应用层协 议的同时，参考了其他协议的特点，尤其是c a n o p e n 的设计思路，设计出简单 实用的列车c a n 总线应用层协议，经过实际应用验证，该协议能够满足列车总 线的通讯要求。下文称该协议为t r a i n c a n ( t r a i nc o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 。 图1 1 描述了t r a i n - c a n 与c a n 标准协议之间的关系。 爹? 蒸蕊蕊翮g 。i 。 隧 纂麓霸巢慧纂縻辫一z “翟妒鳓瓣嫩h 飞燃秽褥长扣罂鬻 二k “妒* 馨l 。重群鼍，重if r 莨* 溺 - f0 s i ：1c a n c o n t r o l l e r 呻 隆a y e r2 1 。 l 眺i l # 汪舻，翰 图卜1t r a i n - c a n 和c a n 标准在0 s i 模型中的位置 f i g u r e l 一1t h ep o s i t i o no f t r a i n - c a na n dc a n s t a n d a r di no s im o d e l 从o s i 网络模型的角度来看，基于t r a i n - c a n 的现场总线网络只实现了第一 层( 物理层) 、第二层( 数据链路层) 、第七层( 应用层) 。因为现场总线通常只包 含一个网段，因此不需要第三层( 传输层) 和第四层( 网络层) ，也不需要第五层 ( 会话层) 和第六层( 描述层) 的作用。在上述模型中。物理层和数据链路层完 全由硬件实现，本课题将设计列车用c a n 总线的第七层( 应用层) 协议。 1 2本课题的项目背景及硬件平台 列车用c a n 总线应用层协议面向车载总线应用而设计，在本设计中，笔者 分析了一般列车网络系统的应用需求，比较了t c n ( t r a i nc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ) 中m v b ( m u l u f u n c t i o nv e h i c l eb u s ) 总线的数据传输特点，而制订了 2 新的c a n 总线应用层协议，并在分布式车载故障检测记录系统中加以应用，可 以说没有这个硬件平台，本协议得不到基本的构思和验证环境，同时。1 伯i n c a n 协议也正是在这个系统的应用中不断修改和完善的。 分布式车载故障检测记录系统已经成功运行于s s 4 g ( 韶山4 改进) 型电力 机车和s s 3 b4 0 0 0 系电力机车，在项且应用中，笔者参与了整个系统设计过程 和部分节点的开发工作，并在现场进行了多次网络调试。该系统共7 个c a n 总 线节点，包括a ：瞬间故障检测记录仪，b c ：司机室液晶显示屏，d e 逻辑控 制模块，f g ：数字量采集模块。该系统能够高速采集机车电子柜、低压柜、端 子柜的相关模拟量和数字量信号，并进行分散的故障判断以及集中的故障存储和 集中显示，并通过司机室显示屏进行人机交互操作，部分节点还完成了机车辅助 控制电路的控制功能。整个系统的应用极大的削减了铁路机车的检修难度，以科 学的方法指导操作和维修，受到铁路系统的欢迎。可以说整个系统的运行是以 c a n 网络为基础的，所以设计高效，可靠、适应性强的标准应用层控制协议，对 系统起着至关重要的作用。分布式车载故障检测记录系统结构如图1 2 所示。 图i 2 系统结构框图 f i g u r e1 - 2s t r u c t m eo f s y s t e m 机车故障检测系统对c a n 总线应用层协议有以下要求： ( 1 ) ，实时响应能力，是此系统中故障镇存实时性的一个重要的技术指标，要 求系统能够支持紧急数据传送。 ( 2 ) 、可靠性，本系统除了要求通信总线底层具有较强的抗干扰能力以外，还 要求其网络控制协议能够对整个网络进行维护，故障时能够采取一定的对策对通 信进行恢复。 ( 3 ) 、通信效率，本系统中各种数据的实时性要求完全不同，数据的传送频率 也完全不同，这就要求通信控制协议能够较好的适应需求，能够对不同的数据采 用不同的优先等级处理，以保证重要数据的响应时间，同时又需要提供时间触发 3 机制，能够连续传送高频触发传送数据。另外，一些只关心其状态变化的数据， 还要求应用层协议能够提供状态改变触发传送机制，以更好的利用带宽。 ( 4 ) 、数据共享性，本系统的不同数据在传送时是面向部分节点的，所以要求 应用层协议能够支持数据的点对点传送、组播和广播方式。 ( 5 ) 、设备标准化，本系统要求应用层协议能够较好的对接入设备进行标准化 定义，以保证节点的兼容性。 ( 6 ) 、较强的系统开放性，因为每个系统都有其自身的特点，所以列车c a n 总 线应用层协议应具备一定的灵活性和开放性，允许用户根据实际需要进行自定义。 1 3论文的主要内容 本课题针对列车专用c a n 总线应用层协议而开展，参考了t c n ( i e c 6 1 3 7 5 1 ) 标准和c a n o p e n ( j 下在制订的i e c 6 1 3 7 5 3 3 ) 标准进行理论上 的协议设计，并结合典型的车载网络控制系统分布式车载故障检测记录系 统，对整个协议进行应用、修缮和整理，并提供了实际项目应用实验的结果。 论文主要进行了以下工作： 阐述了c a n 总线的应用层协议的概念、发展现状和意义，对一些典型 的c a n 总线应用层协议做了简单介绍，同时按照一般网络控制协议的 设计思路进行分析，整理出c a n 总线应用层协议制定的方法： 对协议应用对象分布式车载故障检测记录系统进行了介绍，并详 细分析了系统中的网络数据及各节点网络传输功能要求，之后对网络 数据的分布情况进行了总结，并对总线的负荷进行了分析； 对自定制c a n 总线应用层协议碱似n 进行了详细的介绍，从 报文标识符和数据部分定义，到报文传输协议的阐述，再到标准 t r a i n - c a n 设备的定义，最后对t r a i n - c a n 的网络管理部分进行了阐 述，整个协议的设计遵循了c a n 总线应用层协议的标准制定方法，并 尽可能结合列车网络应用的特点执行； 对t r a i n c a n 的网络测试环境和过程进行了介绍，并将协议和分布式 车载故障检测记录系统进行了结合，整理出了实际应用的节点m a c 定义和依据、系统的数据传播特点和控制思路、系统中数据的传播流 和设备资源定义、数据帧的分类和填充、标准设备的软件设计以及实 际应用的瞬络管理实现方法，最后给出了协议的实际项目应用结果。 论文的最后部分对工作进行了总结和展望。 附录：c a n 历史事件一览表【1 2 1 ： 1 9 8 3 年：b o s c h 公司开始研发车内网络系统 1 9 8 6 年：c a n 协议正式公布 1 9 8 7 年：i n t e l 和p h i l i p s 半导体公司生产出第一片c a n 控制器 1 9 9 1 年：b o s c hc a n 规范2 0 标准发布 1 9 9 1 年：k v a s e r 提出基于c a n 的高层协议c a nk i n g d o m 1 9 9 2 年：c i a 国际用户和生产商组织建立 1 9 9 2 年：c i a 发布c a l 协议 1 9 9 2 年：m e r c e d e s - b e n z 出产第一辆配备c a n 的汽车 1 9 9 3 年：i s 0 1 1 8 9 8 标准发布 1 9 9 4 年：c i a 举办了第一次国际c a n 研讨会 1 9 9 4 年：a l l e n b r a d l e y 发布d e v i c e n e t 协议 1 9 9 5 年：i s o l l 8 9 8 标准扩充方案( 扩展帧格式) 发布 1 9 9 5 年：c i a 发布了c a n o p e n 协议 2 0 0 0 年：时间触发c a n 报文传输的协议问世 第二章c a n 总线及其应用层协议 2 1 c a n 现场总线规范 1 9 9 1 年9 月b o s c h 公司指定并颁布了c a n 技术规范( v e r s i o n2 o ) ，该技术规 范包括a 和b 两部分。c a n 2 0 a 协议规范定义了标准帧格式，c a n 2 0 b 协议规 范定义了扩展帧格式。此后1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运载功能一数 字交换一高速通信控制器局域网国际标准i s o l l 8 9 8 ，为c a n 协议规范的标准化、 规范化的推广铺平了道路。 c a n 总线为串行通信协议，能有效地支持具有很高安全等级的分布式实时控 制。c a n 的应用范围广泛，从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用c a n 。 在汽车电子行业里，使用c a n 连接发动机控制单元、传感器、刹车系统等，其传 输速率可达i m b p s 。 2 2 c a n 总线应用层协议 2 2 1应用层协议的概念 在i s o o s i 参考模型中，网络结构被分为7 层。i s o o s i 的7 层模型结构是一 个完整的网络系统模型，已经考虑到很多网络通信中可能会遇到的问题。i s o o s i 的结构主要针对计算机网络结构，计算机网络一般结构复杂，地域广，数据流量 相当大。而现场总线具有以下特点： 网络功能并不复杂： 网络节点多为传感器、控制器、执行器等； 网络的数据量并不大； 要求较高的实时性和可靠性。 根据现场总线的特点把现场总线通信模型作了简化，通常只包括物理层、数 据链路层以及应用层。c a n 总线的o s i 结构如图2 - l 所示，在c a n 总线的协议规 范中仅定义了物理层和数据链路层。 6 数据链路层 逻辑链路控制子层( i l c ) 验收滤波 超载通知 恢复管理 介质访问控制子层 数据封装，拆装 帧编码( 填充辅除填充 介质访问管理 错误检测 错误标定 应答 串行化，懈串行化 物理层 物理信令( p i 嚣) 位编码孵码 位定时 同步 图2 - 1i s 0 0 s i 结构模型与c a n - b u s 分层结构 f i g u r e2 一lm o d e lo f i s o o s la n ds t r u c t u r eo f c a n - b u sl a y e r 应用层为0 s i 结构中最高功能层，应用层与用户的需要密切相关，该层直接 定义了所需要传递的信息。应用层协议就是定义了如何实现应用层功能，满足信 息传递要求的具体规范。c a n 总线的应用层协议是在现有c a n 的底层协议( 物理层、 数据链路层) 之上形成的协议。 2 2 2 构建应用层协议的意义 c a n 总线的协议规范：c a n 2 0 a c a n 2 0 b 协议规范中定义了数据链路层和 部分物理层，并不完整。用户可以直接建立基于c a n 2 0 规范的数据通信，不过， 这种数据通信的传输内容一般不能灵活修改，适合于固定通信方式。此外在c a n 总线的应用中，一些附加功能需要通过应用层协议实现： 网络控制与管理： 确认数据的发送： 发送大于8 个字节的数据块； 为不同的物理节点分配不同的报文标识符； 定义帧报文的内容以及含义； 网格节点的监控，节点故障的诊断和标识。 7 j k 塞窑退鑫堂亟堂位i 金奎蓥三童m 簋线区甚廛厦层垃邃 因此，为保证c a n 总线网络可靠地运行，必须制定严谨的c a n 总线应用层 协议。 2 3几种c a n 总线应用层协议 高层协议是在c a n 规范的基础上发展起来的应用层协议。许多系统( 如汽车 工业) 中，可以特制一个合适的应用层，但对于许多行业来说，这种方法是不经 济的。一些组织已经研究并开放了应用标准，以使系统的综合应用变得十分容易。 以下是一些常用的c a n 总线高层协议： d e “o c n c t 协议制定组织：o d v a c a l 协议制定组织：c i a c a n o p e n 协议制定组织：c a c a n k i n g d o m 协议 制定组织：k v a s o r j 1 9 3 9 协议 制定组织：s a e s d s 协议 制定组织：h o n e y w e l l d e v i c e n e t 协议和c a n o p e n 协议是真正占领市场的高层协议。标准的应用层 协议具有以下的特点： 一个开放的、标准化的c a n 总线高层协议； 制定属于特定行业的c a n 总线应用方案； 支持不同厂商设备的互用性、可交换性； 完善地定义标准设备模型； 开放扩充自定义设备的接口； 对总线仲裁、数据交换、错误处理有明确的限定。 标准协议的优势如下： 为分布式自动化控制系统的设计实现，提供一个经过实际检验过的系统结 构； 可以缩短产品开发时问，降低产品的开工成本和开发风险； 能够支持不同生产厂家设备的互用性和可交换性； 目前市场上大量支持基于标准高层协议开发的工具。 2 3 。ld e 、r i c , e n e t 协议 1 9 9 0 年，美国a l l e n - b r a d k e y 公司邸开始从事基于c a n - b u a 的通信与控制方面 的研究，研究的成果之一就是应用层，即d e v i c e n e t 协议。1 9 9 4 年，a l l e n - b r a d k e y s 公司将d e v i c e n e t 协议移交给专职推广的独立供应者组织o p e nd e v i e e n e tv e n d o r a s s o c i a t i o n ( o d v a ) 协会，由o d v a 协会管理d e v i e 沱n e t 协议，并进行市场的推广。 d e v i c e n e t 协议为工厂自动控制而特别定制，从而使其成为类似p r o f i b u s - d p 和 i n t e r - b u s 协议的有力竞争者。目前，d e v i c e n e t 协议已经成为美国自动化领域中的 领导者，也正在其他相应的领域逐步得到推广、应用。 d e v i c e n e tt m 是一个非常成熟的开放式网络，经根据抽象对象模型来定义， 这个模型是指可用的通信服务和一个d e v i e e n e t 节点的外部可见行为。相应的设备 子协议( d e v i c ep r o f i l e ) 规定同类设备的行为。d e v i c e n e t 允许多个复杂设备互连 接，也允许简单设备的互换性。 基于c a n 技术的d e v i c c n 武是一种低成本的通信总线。它将工业设备( 如限 位开关、光电传感器、阀组、马达启动器、过程传感器、变频驱动器、面板显示 器和操作员接口等) 连接到网络，从而消除了昂贵的硬接线成本。直接互连性改 善了设备问的通信，并同时提供了相当重要的设备级诊断功能，这是通过硬接线 f o 接口很难实现的。同时，d e v i c e n e t 是一种简单的网络解决方案，它在提供多 供货商同类部件问的可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动化设备的成本 和时间。 d e v i c e n e t 不仅仅使设备之自j 以一根电缆互相连接和通讯，更重要的是它给系 统带来设备级的诊断功能。该功能在传统的i o 上是很难实现的。 d e v i c e n e t 是一个开放的网络标准，规范和协议都是开放的：供货商将设备连 接到系统时，无需为硬件，软件或授权付费。任何对d e v i c e n e t 技术感兴趣的组织 或个人都可以从o d - v a 协会获得d e v i e ：e n e t 规范，并可以加入o d v a ，参加对 d e v i o o n e t 规范进行增补的技术工作组。 开发基于d e v i c e n e t 的产品必须遵循d e v i c e n e t 规范。d e v i c e n e t 规范分p ：觚盯 i 、p 撇i i 两部分。用户可以从o d v a 协会寻找关于d e m c e n e t 开发源代码的信息； 基于c a n - b u s 的硬件可以从p h i l i p s 、i n t e l 等半导体供货商那里获得。 d e v i c e n e t 的主要技术特点如下所示： 网络大小：最多“年节点： 网络模型：生产者，消费者模型： 网络长度：可选的端对端网络距离随网络传输速度变化； 波特率：1 2 5 k b p s , 距离：5 0 0 m ； 波特率：2 5 0 k b p s , 距离：2 5 0 m ； 波特率：5 0 0 k b p s ，距离：1 0 0 m ； 数据包：0 8 字节； 总线拓扑结构：线性干线支线，电源和信号在同一网络电缆中； 9 总线寻址：带多点传送( 一对多) 的点对点；多主站和主从轮询或状态 改变( 基于事件) ： 系统特性：支持设备的热插拔，无需网络断电。 到1 9 9 7 年年底，d e v i c e n e t 已有1 6 万个以上经过验证的节点；到2 0 0 0 年， d e v i c e n e t 节点有可能超过3 0 0 万，o d v a 协议的会员数目已经达到2 1 8 个。在工 业市场中，已有1 4 9 8 个注册的符合d e v i c e n e t 协议标准的产品。目前，d e v i c e n e t 的应用包括：汽车电子、半导体芯片制造、电子产品制造、食品和饮料、批量生 产化学处理、生产装配、包装和物料转移等。 2 3 2c a l 协议 c a l 发布于1 9 9 3 年，是c i a 的首批的发布条款之一。c a l 为基于c a n 的分 布式系统的实现提供了一个不依赖于应用、面向对象的环境。它为通信、标识符 分布、网络和层管理提供了对象和服务。c a l 主要应用在基于c a n 的分布式系统， 这个系统不要求可配置性以及标准化的设备建模。c a l 中的一个子集是作为 c a n o p e n 的应用层。因此，c a n o p e n 的设备可以用在指定应用的c a l 系统。 在欧洲一些公司在尝试使用c a l ，尽管c a l 在理论上正确并在工业上可以投 入应用，但每个用户都必须设计一个新的子协议，因为c a l 是个真正的应用层。 c a l 可以被看作开发一个应用c a n 方案的必要理论步骤，但在这领域它不会被 推广。 2 3 3 c a n o p c n 协议 1 9 9 3 年，由b o s c h 领导的欧洲c a n - b u s 协会开始研究基于c a n b u s 通信、系 统、管理方面的原型，由此发展成为c a n o p e n 协议。这是一个基于c a l 的子协 议，用于产品部件的内部网络控制。其后。c a n o p e n 协议被移交给c i a 协会管理、 维护与发展。1 9 9 5 年，c i a 协会发布了完整的c a n o p e n 协议；至2 0 0 0 年，c a n o p e n 协议已成为全欧洲最重要的嵌入式网络标准。 c a n o p e n 协议是一个基于c a l 的子协议，用于产品部件的内部网络控制。 c a n o p e n 不仅定义了应用层和通信子协议，也可以编程系统、不同器件、接口、 应用子协议定义了页帧状态，这也就是工业领域( 如打印机、海事应用、医疗系 统) 决定使用c a n o p e n 的一个重要原因。 c a n o p e n 协议中，设备建模是借助于对象目录而基于设备功能性的描述。这 种方法广泛地符合于其他现场总线( i n t c 矗b u s - s 、p r o f i b u s ) 等使用的设备描述形式。 l o 标准设备以“设备子协议( d e v i c e p r o f i l e ) ”的形式规定。 c a ( c a ni na u t o m a t i o n ) 协议成立于1 9 9 2 年，是为促进c a n 以及c a n 协 议的发展而成立的一个非营利的商业协会，用于提供c a n 的技术、产品以及市场 信息。到2 0 0 2 年2 月对，共有约4 0 0 家公司加入了这个组织，协作开发和支持各 类c a n 高层协议。经过近i o 年的发展，该协会已经为全球应用c a n 技术的重要 权威。 在c a 的努力推广下，c a n 技术在汽车电控制系统、电梯控制系统、安全监 控系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输等方面均得到了广泛的应用。 2 4构建c a n 总线应用层协议的关键技术分析 构建一个现场总线网络，需要解决的关键技术问题有： 总线传输信息的速率、容量、优先等级、节点容量等技术问题； 高电磁干扰环境下的可靠数据传输； 确定最大传输时的延时大小； 网络的容错技术； 网络的监控和故障诊断功能。 以上技术问题的解决，需要充分考虑到现场总线网络所采用的总线数型，因 为上述的技术问题与现场总线的性能特点是密切相关的。 c a n 总线是市场点有率最高的现场总线之一，由于c a n 总线的良好可靠性 以及网络特性，从而在各个行业获得了广泛的应用。c a n 总线的主要特点如下： 低成本； 多主结构，极高的总线利用率； 很远的数据传输距离( 长达1 0 1 a n ) ，高速的数据传输速度( 高达1 m b p s ) ； 短小的报文长度：每个报文允许传输最高8 个字节的数据； 引入报文滤波，可根据报文的标识符决定接收或屏蔽该报文； 报文不包含源地址或目标地址，仅用标识符来指示功能信息、优先级信息； 可靠的错误处理和检测机制，发送的信息遭到破坏后，可自动重发； 节点在错误严重的情况下，具有自动退出总线的功能。 从这我们可以看出，在c a n 总线网络中，以上提到的技术问题可以得到良好 的解决，具体分析如下： 总线传输信息的速率、容量、优先等级、节点容量等技术问题 c a n 总线网络传输速度最高可到i m b p s ，并采用无损仲裁，通过报文标识 符指示报文优先级：采用p h i l i p s 的c a n 收发器，网络最大节点数可以为1 1 0 韭匿至盟厶茔亟堂焦i 幺塞 蒸三童邕簋缋厘甚廛囝屋竣这 个，通过中继器，网桥设备的应用，节点数可以不受限制。 高电磁干扰环境下的可靠数据传输 c a n 总线采用差分信号传输，并采用可靠的数据校验和错误检测机制，数 据出错的概率为4 7 1 0 - “。 确定最大传输时的延时大小 c a n 总线采用短帧传送，每个报文允许传输最高8 个字节的数据，帧结构有 严格规定，能够确定最大传输延时。 网络的容错技术 可靠的错误处理和检测机制，发送的信息遭到破坏后，可自动重发；节点在错 误严重的情况下，具有自动退出总线的功能。 网络的监控和故障诊断功能 可能通过制定严谨的c a n 总线应用层协议实现。 c a n 总线在实际应用中，其总线协议主要考虑以下要素： c a n 报文的分配； 数据通信的实现； 网络管理： 设备建模。 2 4 1c a n 报文的分配 对报文分配规则的定义，使网络中c a n 报文的每个组成元素均有其特定的功能 和意义。c a n 报文的分配也是t r a i n - c a n 协议中最基本的组成部分，c a n 报文的分 配包括两个方面：报文标识符和报文数据部分的分配 1 、报文i d 的分配 c a n 报文标识符决定了报文相关的优先权和报文的等待时问，报文标识符分配 的方法被认为是基于c a n 总线系统的主要结构元素。它同时也影响了报文滤波适 用性、合理的通信结构适用性、报文相关的优先权、报文的等待时间和标识符使 用的效率。 c a n 总线中具有两种类型的c a n 报文：标准帧，具有“位标识符；扩展帧， 具有2 9 位标识符。在一个网络中，通常只选取一种报文类型。一般情况下，扩展 帧i d 可以容纳较多的数据和信息。 2 、c a n 报文数据的分配 c a n 报文为短帧报文，最多可以传送8 个数据字节。在协议中报文的数据部分 主要用于传送与功能码相关的参数，以及特定的功能数据。 1 2 对于报文数据部分的分配相对比较简单。在实际应用中传送大于8 个字节的数 据。因此对于报文数据部分的分配需要考虑对于分段传送的需要。同时在报文数 据部分的定义时，充分利用报文数据区的8 字节长度，合理分配特殊的功能码和 有效数据，尽量在每帧报文中携带尽可能多的有效数据。 3 、报文格式的定义 报文格式的定义，实质是将c a n 报文分配规则进行详细地描述： 报文i o 的定义 c a n 2 0 a 帧：1 1 位i d ； c a n 2 o b 帧：2 9 位i d 。 报文数据的定义 每帧报文最多8 字节数据。 2 a 2c a n 网络数据通信的实现 在c a n 网络中，通过报文的标识符进行信息的区分，因此通过报文的各种标识 符分配( 定位) 来达到建立信息的连接日的。 协议中数据通信实现包括两部分： 数据通信模型决定了数据交换的规则； 协议的类型为数据交换的基础，规定了报文识别、报文接收的规则。 l 、数据通信模型 对于一个通常意义上的网络，数据通信的方式规定了网络中各设备之日j 数据交 换的规则。在一般的通信过程中常采用命令响应的方式( 如图2 - 2 所示) ： r e q u e s t冈h i c l i c a t i c o n f i m t i o n r z s p o r 口e 划 图2 - 2 命令，响应式通信 f i g u r e2 - 2c o m m u n i c a t i o nm o d e lo f c o m m a n d r e s p o m e 在基于命令响应模式的通信网络中，由主控设备发送命令帧，受控设备接收 到命令帧以后，向主控设备发送响应帧，从而实现数据交换。这种模式属于一种 对服务进行确认的数据传输方式，可靠性好，缺点是：通信只能由主控设备发起， 对于总线的利用率较低。 c a n 报文的传输采用所谓的“生产者一消费者”模型。设备在没有被请求或定 制的情况下，将数据( 例如以多点传送或广播报文的形式) 提供给其他设备，这 样一种通信服务就是所谓的“生产者一消费者”模型。生产者通过服务指示向其 他设备提供服务，而这些设备可以接受( 消费) 或忽略服务。通常生产者并不认 识消费者，所以不适合使用服务的确认( 如图2 3 所示) 。 图2 - 3c a n 的通信模式 f i g u r e2 - 3c o m m u n i c a t i o nm o d e lo f c a n c a n 总线的特性如下： 多主结构，根据优先权对总线进行访问； 无破坏性的基于优先权的逐位仲裁。 c a n 总线应用协议中数据通信的模式可以考虑在“生产者一消费者”模型基础 上实现。网络中除了采用“命令响应”模式外，网络中任何设备也可以采用事件 触发的方式传送报文。 2 4 3数据通信协议 数据通信协议可以划分为“面向节点的协议”和“面向报文的协议”两种类型， 如图2 - 4 所示。 圃圆固 磊砑隋i 萄丽广 b圆圈圈 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + 抿文功为1 4 5 图2 4 面向节点和面向报文的数据通信 f i g m 2 - ld a t ac o m m u n i c a t i o no f f a o vt on o d cm o d da n df a c et om e s s a g em o d e l 1 4 l 、在这种协议中，两个或更多节点之间的数据交换是基于对节点寻址实现的。 通常。在传输介质上传输的数据帧包含了目的地，有时是节点的源地址，因此， 每个帧都是发往一个指定的节点或一组节点，还保留了特定的地址对一组节点( 广 播) 进行寻址并进行帧传输。面向节点的帧传输不仅需要接收节点的规格，而且 还需要传输帧的内容的规格。面向节点的通信是通过连接定位和确认的数据通信 的基础，几乎所有传统的数据通信系统都是基