（电力系统及其自动化专业论文）can总线在机车故障检测系统中应用的研究.pdf

! ! 塞窒望查兰堡主笙兰 一立塑三一 出现的问题及相应的解决方法。最后，本文以机车故障检测项 目中的通信系统为基础，对c a n 总线进行进一步应用研究， 在此基础上结合最新的通信技术、电子技术的发展，提出了两 点改进方案：其一是对c a n 节点硬件的改进，建议将c a n 控制器固化在大规模逻辑阵列中，更新现有d s p 节点的 c p l d ，并用f p g a 芯片全面代替单片机节点的5 1 单片机和 独立c a n 控制器。为此，本文在c a n 控制器的硬件描述上 作了大量工作，并成功地实现了c a n 控制器部分功能的软件 仿真。其二，本文在追踪c a n 总线技术发展的最新方向的基 础上，根据机车故障检测系统的实际情况，介绍了c a n o p e n 和t t c a n 两个具有很好前景并在本系统中较适用的c a n 总 线扩展协议，分析了这两种新协议在系统中应用能够带来的优 势。 ， 本文以机车故障检测系统为基础，重点研究了c a n 总线 核心技术，实现了基于c a n 2 0 b 总线协议的c a n 控制器的 软件仿真，提出了c a n 协议扩展的技术改进方案。 关键词：c a n 总线， 故障检测， c a n o p e n ，t t c a n 硬件描述 c a n 总线在机车故障检测系统中应用的研究 北京交通大学硕士论文摘要 r e s e a r c ho ft h ec a nb u s a p p l i c a t i o n o nf a u l t m o n i t o r i n gs y s t e m f o rl o c o m o t i v e a b s t r a c t w i t ht h ef a s t d e v e l o p m e n t o fe l e c t r i cl o c o m o t i v ei no u r c o u n t r y , t h es t r u c t u r eo f l o c o m o t i v ei s g e t t i n gm o r ec o m p l i c a t e d a n di t sc o m m u n i c a t i o nc o n t r o ls y s t e mi s b i g g e rt h a nb e f o r e t h e r s - 4 8 5b u sh a sas os i m p l ep r o t o c o lt h a ti tc a n n o td e a ls o m e i r i t r i c a t ec o m m u n i c a t i o ne v e n ti nm o d e ml o c o m o t i v et h e n s e v e r a lt y p e so ff i e l db u s b e g i nt ob eu s e di nl o c o m o t i v ea m o n g 硪e m t h ec a nb u sp l a y sa ni m p o r t a n tr o l eb a s e do ni t sm a t u r e a n de x c e l l e n tt e c h n o l o g y t h i sa r t i c l em a k e sad e t a i lr e s e a r c ho ft h ec a n b u s ，w h i c hi s b a s e d0 nt h ec a nb u s a p p l i c a t i o n o nt h ef a u l t m o n i t o r i n g s y s t e m f o rl o c o m o t i v e t h e r ea r et h r e em a i n p a r t s a tb e g i n n i n g ， t h ea r t i c l ei l l u m i n a t e st h eb a s i cc a nb u s p r o t o c o l a n dt h e e l e m e n t so fc a nb u sa p p l i c a t i o n t h e ns o m ed e t a i lp a r t so f t h e f a u l tm o n i t o r i n gs y s t e mf o rl o c o m o t i v eh a v eb e e ni n t r o d u c e di n a s p e c t o ft h ec o m l m m i c a t i o n t e c h n o l o g y f i n a l l y , t h ea r t i c l e c a n 总线在机车故障检涣系统中应用的研究 北京交通大学硕士论文 摘要 b r i n g sf o r w a r di m p r o v e d s c h e m ei nt w ow a y s t h ef i r s to n ea r m s a tt h ea b s o l u t ec a nc o n t r o l l e r i tw a n t st ou s eo n e 壬p g 鲥c p 乙d t o r e p l a c et h ec a nc o n t r o l l e r a n dt h e51m c ui nt h e s i m p l e c a nn o d e s t h e nc o m p l i c a t e dw o r kh a sb e e nd o n et om a k ea h a r d w a r e d e s c r i p t i o n t ot h es j a l 0 0 0c a nc o n t r o l l e r u s i n g v e r i l o gh d l a n dap a r to fs o f t w a r es i m u l a t i o nf o rt h i sh a sa l s o b e e nm a d eo n q u a r t u s i i t h es e c o n ds c h e m ea r m s a tt h e d e v e l o p m e n to fc a nb u sp r o t o c 0 1 t h ep r o t o c o lu s e di nt h i s s y s t e m i st h ec a n 2 0 b t h ea r t i c l e m a k e sa s t u d y o ft h e c a n o p e np r o t o c o l a n dt t c a n p r o t o c 0 1 c a n o p e n h a sa s t a n d a r dc o m m u n i c a t i o np r i n c i p l ea n dt h et t c a n h a sam o r e f a s tw a yt ot r a n s m i td a t a m e s s a g eb yu s i n gt i m e - t r i g g e rm o d e b a s e do i lt h ef a u l tm o n i t o r i n gs y s t e mf o rl o c o m o t i v e ，t h e a r t i c l em a k e sad e t a i lr e s e a r c ho fc a n b u st e c h n o l o g ya n d p u t s f o r w a r ds o m e s i g n i f i c a t i v ea d v i c e k e yw o r d s ：c a n b u s ， c a n o p e n , t t c a n ， f a u l t = m o n i t o r i n g ， h a r d w a r e - d e s c r i p t i o n c a n 总线在机车故障检测系统中应用的研究 北京交通大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 现代信息技术的飞速发展，导致了自动化领域的深刻技术变革，控 制系统的体系结构向分散化、模块化发展的格局已基本形成。其中，现 场总线是系统分散模块间的信息纽带，是自动化控制领域内发展较快、 较活跃的一项技术。本章系统的说明现场总线技术产生和发展过程，列 举了c a n 总线的基本特点，并在此基础上详细阐述本课题的研究背景 和论文具体内容。 1 1 现场总线发展的历史背景 2 0 世纪5 0 年代以前，第一代控制体系结构是基于气动信号标准的， 随后的第二代控制体系则基于4 - 2 0 m a 的模拟信号标准。到了7 0 年代， 在测量、模拟和逻辑控制领域率先使用了数字计算机，由此产生的第三 代控制系统使用集中式控制机制，其缺点是风险高度集中，系统抗干扰 的设计和实现困难，不易于进行系统扩展。2 0 世纪8 0 年代，现场设备 中开始普遍应用微处理器，产生了第四代控制系统集散控制系统 ( d c s ) ，其结构如图1 1 所示。 图卜1d c s 系统的星型结构 c a n 总线在列车故障检测系统中应用的研究 第1 页 丽工引一 俐订 一 一 一 一 丽雨 j1赢矿一 一 北京交通大学硕士论文 第一章绪论 f i g u r e1 - 1s t r u c t u r eo fd c sr s ) 7 s t e m 集散控制系统将主控机的部分功能分散到多个以微型计算机为核 心的控制器来完成，克服了集中式监控结构风险高度集中的问题。另外， d c s 系统缩短了模拟信号连线，广泛使用了带监控计算机的数字系统。 集散式控制系统虽然相对于集中式控制有很大优势，但随着集散技术的 普及，其问题也逐渐暴露出来。核心处理器工作繁重，通信技术的开发 在系统开发中占的比例过大，系统星型组网联线复杂，没有统一的通信 标准、系统缺乏互连性等缺点目益明显。 此时，自动控制技术已从单变量控制发展到多变量控制，从局部自 动调节发展到全局最优控制。随之发展起来的工业控制系统，要求具有 高度的灵活性和可靠性，能够实现全开放和多系统互联。现场总线控制 系统f c s 是新一代控制系统，它适应了工业控制系统向分散化、网络化、 智能化发展的方向。现场总线集合了控制技术、自动化技术、数字技术、 信息技术、微电子技术、网络技术和系统集成技术等多项科技最新成果， 是一门交叉学科，经过多年的发展，逐步形成一项专业通信技术。 2 0 世纪8 0 年代，些国际大公司和国际组织开始着手制定现场总 线通讯协议，其基础是国际标准化组织i s o 的开放系统互连模型o s i ， 并根据工业控制的需要，在o s i 的体系结构上进行了多项优化。从本质 上说，现场总线是一种数字通信链路，是连接智能现场设备和自动化系 统的数字式、全分散、双向传输、多分支结构的通信网络。伴随着现场 总线的技术的飞速发展，f c s 工业控制进入全球应用阶段。基于现场总 线的f c s 控制系统改变了现有集中与分散相结合的集散控制系统，实现 分布式网络控制，开放性好，全数字通信，可靠性高并且现场布线方便， 大大简化了体系结构，与d c s 相比，具有很大技术优势。 c a n 总线在列车故障检测系统中应用的研究 第2 页 北京交通大学硕士论文 第一章绪论 1 2c a n 总线的技术特点 2 0 世纪8 0 年代中后期，随着新型工业控制系统的逐步形成和嵌入 式系统在工业中的普遍应用，现场总线技术开始高速发展。在过去的近 2 0 年中，f f 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、h a r t 、c a n 等几种现场总线技术 日趋成熟，得到了广泛应用，其中c a n 总线在世界范围内应用的数量 最大，备受科研领域关注。 c a n 是英文c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k 的缩写，翻译成中文即控制器 局域网络。c a n 总线最初是由德国的b o s c h 公司推出，最初计划用于汽 车内部测量与执行部件之间的数据通信，由于c a n 总线系统具有良好 的稳定性和较高的实时性，在很短的时间内，c a n 就被应用到多个领域， = 翟全球范围内得到了飞速发展。c a n 总线具有如下特性： 4 ( 1 ) 、c a n 协议结构至少具有i s o o s i 模型的两层：物理层、数据 ，j 键路层，有些扩展的c a n 协议还具有应用层； ”( 2 ) 、信号传输介质可以采用双绞线、同轴电缆或光纤i ( 3 ) 、通信速率最高可达i m b p s ( 4 0 m ) ，直接传输距离最远可达1 0 k m ， 此时通信速率为5 k b p s ； ( 4 ) 、c a n 总线的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 字节，传输时间短，受干扰的概率降低： f 5 ) 、c a n 采用非破坏性位仲裁方式进行总线通信。当两个节点同 时向网络中传送消息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级 高的节点可不受影响地继续传送数据； ( 6 ) 、可挂接设备的数量理论上是2 的2 9 次方个，但一个子系统实 际节点数目取决于系统需求、总线驱动电路和设计通信速度； ( 7 ) 、当节点严重错误时，具有自动关闭功能，以切断该节点与总线 c a n 总线在列车故障检襁4 系统中应用的研究第3 页 北京交通大学硕士论文 第一章绪论 ( 8 ) 、生产c a n 总线器件的厂家众多，但都符合统一的国际标准。 虽然c a n 总线开发时的主要目的是用于汽车行业，但其适用范围 已扩展到了机械工业、纺织工业、农用机械、机器人、数控机床、医疗 器械、家用电器、传感器等领域。在中国，c a n 总线是应用最广泛的现 场总线。 从c a n 总线的特点可以着到，c a n 总线有较多技术优势和较成熟 的技术背景。首先，c a n 总线在国外发展时间较长，是一种基于全数字 信号的总线。c a n 协议在实现标准模式啄后，做了一次较大改进，制定 了扩展模式，短帧结构总线技术被提升到了一新的高度。其次，由于c a n 的数据结构简单，用户可以直接控制c a n 总线的最基本传输，其传输 过程透明，可控性很强。再次，由于c a n 的报文均为广播式，可是用 于多种网络拓扑结构。最后，在我国，c a n 总线在应用现场总线领域具 有绝对的数量优势，其配套节点、路由器、网桥等辅助设备开发完善， 这使得c a n 总线在批量生产和不同c a n 系统互连中有很大技术优势。 改进后的c a n 总线技术在开放性、互操作性以及灵活性方面满足了现 在通信控制网络的要求，并具有良好的可扩展性，被公认成最有前途的 现场总线。随着工业以太网给现场总线的巨大冲击，许多高端现场总线， 如f f 总线、l o n w o r k s 等总线日趋向多协议层靠近，而c a n 总线则牢 牢把握了低端、低层控制、实时控制领域，日益显露出其不可取代的总 线地位。为了使c a n 总线能够适应各种应用环境，b o s c h 等公司一童致 力于c a n 协议的进一步发展。在最近几年里，有几种具有较高o s i 层 次c a n 协议开始投入使用，其中最为著名的是c a n o p e n 协议。它只用 到了o s i 的三个层次，解决了c a n 应用时通信不够标准的问题，在欧 洲开始逐渐代替基本c a n 协议，得到广泛应用。 c a n 总线在列车故障检测系统中应用的研究 第4 页 北京交通大学硕士论文 第一章绪论 1 3 课题的硬件基础与论文主要内容 1 31 课题的硬件基础 本文以机车故障检测系统为硬件基础，着重研究c a n 总线的基本 协议实现方案和c a n 协议的扩展。 机车故障检测记录系统通过网络模块采集机车运行时的状态信息， 加以分析，判断，将最后的结果通过网络发送到司机台前端显示屏上， 以提示司机作相应操作。地面接收端接收由机车通过无线发下来的信 息，作为地面监视。系统基本结构图如下： a ：司机台显示屏b ：防包闸走车检测模块c ：状态信息采集分析模块 d ：逻辑控制模块e ：机车瞬间故障检测记录仪f ：地面显示系统 图卜2 接车故障检测系统结构图 f i g u r = 1 - 2s t r u c t u r eo ft h el o c o m o t i v ef a u l tc h e c ks y s t e m 各个模块的主要功能概括如下： a 、司机台显示屏：显示机车运行状态和故障信息，在系统自检和 故障数据查询时可作为人机界面，可与地面进行无线通信； b 、防抱闸走车检测模块：检测抱闸走车故障，对故障进行逻辑判 断、报警显示、记录故障信息； c 、机车状态信息采集及故障分析模块：检淤机车状态信号，判断 是否有故障发生，记录并向网络发送故障信息； c a n 总线在列车故障检测系统中应用的研究第5 贡 北京交通大学硕士论文 第一章绪论 d ：逻辑控制模块：实现电子化、无触点化的机车逻辑控制，传递 故障信息，并实现对c p l d 器件的在系统编程： e ：机车瞬间故障检测记录仪；检测机车电压电流等模拟、数字信 号，判断逻辑，记录故障； f ：地面显示系统：接收司机台显示屏的信息，在地面显示并作一 定的故障分析。 机车故障检测系统对通信总线有以下要求： ( 1 j 、实时响应能力，是此系统中一个重要的技术指标，要求系统能 过载尽可能短的时间内将故障信息发送到司机台的显示屏。c a n 总线是 实时性很好，机车状态采集模块用一个短帧即可将载有6 4 个故障表的 信息发送给司机台显示屏。 ( 2 ) 、可靠性，线作为设备内部重要信息的传输通道，总线上的任何 故障或错误信息都可能引起系统的误报，造成司机错误操作。因此，通 信总线应具备良好的可靠性。 ( 3 ) 、适应性，是系统能够广泛应用的关键。机车内部干扰频繁，主 要有电磁干扰和冬季恶劣的温度条件。在设计列车安全监控网络时，必 须考虑在恶劣机车环境下通信总线抗干扰能力。 ( 4 ) 、简洁的网络布线，是工程布线的要点，机车本身结构复杂，布 线简洁可使系统易于安装和维护，减少系统故障隐患。 ( 5 ) 、较强的系统开放性，使系统易于扩展，这使得一个大的项目可 以分期分批的装载到机车上。在实际应用中，要一次性完成一个大的项 目是不尽现实的。 根据机车故障检测系统要求，综合c a n 的技术特点，我们认为， c a n 总线适合用于此项目。这一设想经过系统分析、实验室测试和现场 检验，证明是可行的，项目总体是成功的。 c a n 总线在列车故障检测系统中应用的研究 第6 页 北京交通大学硕士论文第一章绪论 1 3 2 论文主要内容 本课题在机车故障检测系统上实现c a n 通信，并以此为基础，重 点研究c a n 技术革新，对系统通信提出了改进方案。 论文所做的工作如下： ( 1 ) 、本文全面的阐述了现场总线技术的发展背景，介绍了c a n 总 线技术特点和技术优势，分析了应用c a n 技术的可行性。 ( 2 ) 、简述c a n 总线发展历史，介绍c a n 协议核心技术，从应用的 角度，对c a n 组网进行量化分析。 ( 3 ) 、简介c a n 总线的节点类型、不同节点中c a n 的接 e l 电路，以 及c a n 总线在机车故障检测系统中的应用情况。 一( 4 ) 、详细研究c 4 2 q 总线的内核工作原理，用v e r i l o gh i ) l 语言对 c a n 控制器进行硬件描述，实现其大部分功能，并用软件进行结果仿真。 ( 5 ) 、探索c a n 协议发展的新方向，结合硬件基础，详细研究 q 套j q o p e n 协议和t t c a n 协议。 论文最后列举了部分系统现场工作中和实验室试验中得到的结果， 对系统作出总结并提出了改进建议。 c a n 总线在列车故障检测系统中应用的研究 第7 页 北京交通大学硕士论文第二章c a n 总线概述 第二章c a n 总线概述 本章简述了c a n 总线的发展历史，并根据课题需要，详细介绍了 c a n 2 0 b 协议的部分具体内容，分析了用c a n 总线进行组网涉及到的 总线长度、通信速度以及系统节点个数等技术问题。 2 1 c a n 总线的发展历史 随着工业控制系统的发展，集散控制系统( d c s ) 的弊端日益明显， 发展一种新的控制模式势在必行。2 0 世纪8 0 年代，德国b o s c h 公司的 工作人员开始探索将现有的串行总线系统应用于轿车的控制系统， 1 9 8 3 年，新的串行总线开始进入设计阶段。此项工作广受支持，主要原 因是其强大的通信功能和总线型系统布线的便利。不久，著名的 m e r c e d e s - b e n z ( 奔驰汽车) 和半导体巨头i n t e l 开始介入此总线的研究工 作。德国应用科学大学教授d r w o l f h a r dl a w r e n z 作为此项工程的顾问， 给这个新的网络协议命名为“c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ”，控制器局域网。 1 9 8 6 年，在汽车工程人员协会( s a e ) 上，德国b o s c h 公司正式提出c a n 总线，于是，一个目前为止最成功的底层网络总线诞生了。随后，c a n 总线不再拘泥于汽车行业，从火车到轮船等几乎全部的交通运输业，以 及工业控制、制造业都使用了c a n 总线。到】9 9 9 年，世界有多于6 0 0 0 万个c a n 控制器投入使用，而到2 0 0 0 年，此数字超过了1 亿。 c a n 总线进入广泛使用后，开始了萁标准化和一致往过程。1 9 8 7 年，i n t e l 公司制造出第一片c a n 控制器。8 2 5 2 6 ，它在硬件上实现了c a n 协议，不久，p h i i p s 公司推出了8 2 c 2 0 0c a n 控制器。随后，多家公司 介入了c a n 总线芯片的生产。i n t e l 公司使用的f u l l c a n 和p h i l i p s 公司 北京交通大学硕士论文第二章c a n 总线概述 使用的b a s i c c a n 对c p u 干预方面有很大不同，并且f u l l c a n 对可接 收报文数目作了限制。c a n 从最开始发展，就在各，一家产品上出现差异， 这也是几乎所有电子产品市场化遇到的问题。2 0 世纪9 0 年代初，b o s c h 的c a n 规范被提交作为国际标准，我们称为c a n20 协议。1 9 9 3 年1 】 月，国际标准化组织( i s o ) 公布1 1 8 9 8 标准，确定了c a n 总线最高传输 速率和2 9 位c a n 扩展描述符。1 9 9 2 年i s o1 1 5 1 9 2 标准确定了c a n 数据传输中的错误处理方式。但是，所有公司的c a n 总线规范和c a n 标准都有不相符的地方。于是，b o s c h 公司要求所有公司都遵照b o s c h c a n 模型。这使得在以后的使用中，几乎所有c a n 控制器的网络互连 功能是兼容的，保证了c a n 使用的灵活性和扩展性。 。 c a n 总线协议已有1 5 年的历史，现今仍在发展中。各公司及各研 发机构出于不同科研目的，研究方向也不尽相同。美国机械工程公司开 始开发基于c a n 的控制和通信方案，随后“d e v i c e n e t ”诞生了，它于 謦s m a r td i s t r i b u t e ds y s t e m ”( 智能分布式系统) 相似。d e v i c e n e t 阻c a n 总线为基础，提出了著名的基于c a n 节点的“o f - t h e 。s h e l ，即插即用功 能。另外，1 9 9 3 年开始，b o s c h 公司领导欧洲协会设计了一种c a n o p e n 原型，其最终目的是制作一个标准化嵌入式网络接口。2 0 0 1 年，c i a ( c a n i n a u t o m a t i o n ) 负责的c a n o p e n 在欧洲开始进入应用阶段。 c a n o p e n 不仅在c a n 扩展协议基础上定义了应用层和更标准的通信方 案，而且制定了可编程通信接口、不同设各间的通信接口方案。2 0 0 0 年 开始，i s o 组织开始于b o s c h 等公司合作，定义一项基于时间触发机制 ( t i m e t r i g g e r e dt r a n s m i s s i o n ) 的新协议，郎t t c a n 。它为c a n 系统提 供了等时传输和封闭控制循环功能，并且与现有c a n 系统兼容。c a n 总线仍在高速发展中，i s o 的最保守估计，c a n 总线在今后的l o 到1 5 年里仍会得到更大的增长。 c a n 总线在列车故障检测系统中应用的研究 第9 页 北京交通大学硕士论文 第二章c a n 总线概述 22 c a n 总线的技术规范 c a n 总线的技术规范，包括c a n 总线的国际标准，详尽描述了 c a n 总线通信技术的每一个细节，是所有c a n 产品唯一统一标准，是 c a n 总线最核心的内容是研究c a n 总线技术的是设计c a n 应用系 统的基本依据。规范原文为纯英文，包括a 、b 两部分，其中a 部分是 标准总线，b 部分是扩展总线。本小节基于扩展c a n 总线，介绍一下 c a n 总线的模型、通信协议等基本c a n 技术，为深入实现c a n 协议 的硬件描述提供必要的知识积累。 22 1 c 州总线的拓扑及网络模型 国际标准化组织o s o ) 提出的“开放系统互连”( o s i ) 酐j 参考模型中， 网络系统结构化分为7 个层次，包括物理层、数据链路层、网络层、传 输层、会话层、表示层和应用层，从现场总线到局域网、i n t e r n e t ，的几 乎所有通信方式都被包含在这7 层中。c a n 总线的i s o o s i 参考模型包 括其中最底层的物理层和数据链路层。 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) l 拘作用是在物理传输媒体上传输各种数据的 比特流，不考虑数据类型和数据结构。 ( 1 ) 、数据传输速率是指每秒钟传送的码元数。在i s o 1 1 8 9 8 标准中 明确规定了c a n 总线的传输速率最高1 m b p s ，其传输速率与传输距离 有类似比例关系，主要于介质的通信频谱、系统网络阻抗等因素有关。 c a n 协议对传输速度作了一个框架性的规定，具体数值见下图。在实际 运用中，还要根据设定的网络传输速度、c a n 收发器特性，通过具体计 算才能准确得到系统两点间最远距离。 北京交通大学硕士论文 第二章c a n 总线概述 1 0 0 0 1 0 0 1 0 5 位速率最大总线长度 1 1 1 4 b p s 4 0 m 5 0 0 k b p s 1 3 0 m 1 0 0 k b p s 6 2 0 m 5 0 k b p s 1 3 1 锄 2 0 k b p s 3 3 1 m 5 k b p s 1 0 k m o4 u1 0 01 0 0 01 0 0 0 0 图2 - 1c a n 总线两点问最大距离于总线速度的关系 f i g u r e2 - 1r e l a t i o n b e t w e e nt h ed i s t a n c eo f t w on o d e sa n dt h e c o m m u n i c a t i o n s p e e d ( 2 ) 、传输媒介c a n 总线的传输介质一般采用双绞线，同轴缆和 光缆，选择手段比较灵活，不过，一般采用双绞线和同轴缆较多。 ( 3 ) 、总线型网络网络拓扑是指网络中的节点结构类型，主要有星 型、总线型、树型、环形和网型。具体实例如下图： 总线型树型环型 图2 - 2c a n 总线的网络拓扑 f i g u r e2 - 2t y p i c a ls t r u c t u r eo fc a n b u s c a n 总线可以使用以上的各种网络拓扑结构。星型连接经常在 d c s 控制系统中使用，由于通信极大的依赖中央节点，需注意可靠性和 信道容量问题，c a n 总线连接不需要这种拓扑，这也正是使用现场总线 的优势之一。总线型接法采用单一的传输媒介，所有节点通过相应的硬 件接口接至公共信道( 总线) 上，任何一点发送的保文，其他节点都可接 收到。当多点同时发送数据时，会造成信号碰撞而传输失败，因此总线 传输需要在链路层作仲裁。总线拓扑的优点是电缆长度短、布线容易、 c a n 总线在列车故障检测系统中应用的研究第1 1 页 北京交通大学硕士论文 第二章c a n 总线概述 可靠性高和易于开放，缺点是系统应用范围受传输速率和传输距离的相 互制约的限制。c a n 总线最低层系统的布线一般都使用总线型结构。树 型拓扑是由总线型发展出来的，它的总线故障比较容易检查和隔离，因 此，多个c a n 总线多个功能子系统互连时，经常采用树型结构的父节 点作网桥，将两个同级子系统连接起来。这样，当一个子系统出现问题 时，可以很容易得从这个系统上摘下来，不至于影响全部的通信。每个 子系统可以拥有自己的应用层通信协定，由网桥统一管理即可。树型拓 扑是扩展c a n 系统的基本方式。环形型拓扑在c a n 总线布线中使用较 少，但在某些情况下为保证灵活性，也有使用。 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 基于物理层之上，通过一系列协议， 在不可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。在物理线路上，由于噪音 干扰、信号衰减歧变等原因，传输过程中常常出现差错，物理层对对此 不做差错控制，因此，必须有一定规程来控制数据传输，把这些规程的 硬件和软件使用到通信链路上，这就构成了数据链路层。通常，原始数 据被分割成一定长度的数据单元，被称为帧，一帧内应包含同步信号f 帧 的起始和终止标识) 、差错控制( 检错码和纠错码，一般采用检错重发机 制) 、流量控制( 协调发送方和接受方的速率) ，控制信息、数据信息、寻 址( 在信道环境中保证每一帧都能有明确的来源和目标) 。帧的具体结构 和使用方法在数据连路层要有详尽的定义。 帧同步是有限长度数据传输的必要过程，主要用来在比特流中识别 出帧的边界。帧同步最初采用面向字符的，1 9 7 4 年出现了面向比特位的 帧规程，逐渐发展成为高级数据链路( 玎) l c ) 。h d l c 用比特位填充的方 法很容易实现数据的透明传输，可以传输任意长度的二进制比特串。例 如，采用特殊的比特模式0 1 1 1 1 1 1 0 ，即连续的6 个1 作帧起始和帧结束 标志f 。当帧的其他地方出现相同的比特位时，发送方每连续发送5 个 c a n 总线在列车故障检测系统中应用的研究第1 2 页 北京交通大学硕士论文 第= 章c 州总线概述 l 以后在后面自动补加1 个0 ，而接收方在连续接收到5 个1 后，如果 后面是0 ，则删除此0 来恢复有效数据，如后面是l ，则表示此帧已经 结束。这种方法具有很强的通用性，可以传送任意长度的二进制数据， c a n 总线就是采用这种方法。至于，到底在几个连续相同位后面开始补 位，与信息预期频谱有关。 。 数据链路层包含两个子层，其中介质访问控制子层m a c ( m e d i u m a c c e s sc o m r 0 1 ) 是c a n 的协议核一i i , 。它把接收到的报文提供给l l c 子 层，主要负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定。m a c 子层同 时受到个“故障界定”( f a u l tc o n f i n e m e n t ) 的管理实体监督，可以把永 久故障和扰动故障区分开。逻辑链路控制子层l l c ( l o g i c a l l i n kc o n t r o l 、 处理报文过滤、过载通知和恢复报文的管理。 一， 222c a n 总线的数据格式 量 豢 c a n 总线的数据传输以帧为基本单位，因此c a n 总线的数据格式 就是c a n 总线的帧结构问题。c a n 总线采用h d l c 帧结构，有四种不 同的帧类型： 数据帧a t a f r a m e ) ：用来将数据从发送端传送到接收端； 远程帧( r e m o v ef r a m e ) ：请求发送具有同一标识的数据帧； 错误帧( e r r o rf r a m e ) ：任何单元检测到总线错误就发出错误帧； 过载帧( o v e r l o a df r a m e ) ：用于在相邻数据帧和远程帧之间提供附加 的延时。 这四种帧结构中，数据帧用于传输有效数据，是用户控制c a n 最 常用的帧类型，下面以扩展型数据帧为例，说明c a n 总线的帧结构。 c a n 总线在列车故障检测系统中应用的研究 第1 3 页 北京交通大学硕士论文第= 章c a n 总线概述 数据帧( d a t af r a m e ) 由7 个位域( b i tf i e l d ) 组成，他们是：帧起始、 仲裁域、控制域、数据域、校验域、应答域和帧结尾构成。其报文的数 据帧结构入图所示： 帧起始仲裁域控制域数据域c r c 域 应答域帧结尾 图2 3c a n 总线报文的帧结构 f i g u r e2 - 3s t r u c t u r eo fc a nd a t am e s s a g e ( 1 ) 、帧起始( s t a r to f f r a m e ) 标志数据帧的开始，仅由一个显性位组 成。总线在前一次发送结束以后，连续多个隐性位表示总线处于空闲状 态，所有的节点必须在总线空闲状态下发送帧起始前沿。 ( 2 ) 、仲裁域( a r b i t r a t i o nf i e l d ) 用于传送标识符和一些标志位，具体 格式如下图： 图2 - 4 扩展帧的仲裁域格式 f i g u r e2 - 4s l r a c t u r eo f a r b i t r a t i o nf i e l d 扩展格式的标识符( i d e n t i f i e r ) 由2 9 位标识府组成，其中1 1 位基 本i d ，1 8 位扩展i d 。他们按照i d 2 8 - i d l 8 、i d l 7 一i o o 的顺序发送出去。 标准用法中标识符用于指定数据接收节点的i d 编号，有些c a n 控制器 匝可利用i d 空间携带一些数字信息。 远程发送请求位r t r ( r e m o v et r a n s m i s s i o nr e q u e s tb i t ) 用来标 识远程请求，在数据帧里r t r 为显性，远程帧里s r r 为隐性。 c a n 总线在列车故障检测系统中应用的研究 第1 4 页 北京交通大学硕士论文 第二章c a n 总线概述 替代远程请求位s r r ( s u b s t i t u t er e m o v er e q u e s tb i t ) 为隐性位， 替代标准帧的r t r 位置。 标识扩展位i d e ( i d e n t i f i e re x t e n s i o nb i t ) 在扩展格帧中属于仲 裁域，在扩展帧中是隐性位，在标准帧中是显性位。 ( 3 ) 、控n i j 域( c o n t r o lf i e l d ) 由6 个位组成，具体格式如下： 图2 5 扩展帧的控制域和数据域格式 f l g w e2 - 5s l r u c t u r eo f c o n t r o l f i e l da n dd a mf i e l d 扩展帧中r 1 和r o 位是保留位，还没有使用。d l c 3 d l c o 四位用 莱表示数据域中的字节数，由于c a n 一帧最多传送8 个字节的数据， 因此d l c 3 d l c o 最大不能超过二进制数l o o o b ( 十进制8 d ) 。 ( 4 ) 、数据域a 钮f i e l d ) 就是扩展帧要发送的有效数据，长度在8 个 字节以内，可以是0 个字节，由高位字节到低位字节的顺序发送。 “ ( 5 ) 、循环冗余校验域c r c ( c r cf i e l d ) 的具体格式如下图： 图2 - 6 扩展帧的c r c 域和压答域格式 f i g n r e2 - 6s t r u c t u r eo f c r c f i e l da n d a c kf i e l d c r c 帧检查序列最适合用于位数低于1 2 7 位( b c h 码) 的帧。为进 行e r e 计算，被除的多项式系数由无填充位流给定，就是在c r c 以前 的帧起始、仲裁、控制、数据等域的位信息。用此多项式除以下面的多 项式：x 1 5 + x 1 4 十x ”十x 8 + 刃+ x 。x 3 + l ，得到的余数就是发送到总线上 的c r c 序列，可用15 位移位器来实现此算法。c r c 界定是一个单独的 隐性位。 c a n 总线在列车故障检测系统中应用的研究 第1 5 页 北京交通大学硕士论文 第二章c a n 总线概述 应答域( a c kf i e l d ) 长度为两个位，分别是应答间隙( a c ks l o t ) 并 1 应 答界定符( a c kd e l i m i t e r ) ，发送节点在这两个位里均发送隐性位。当接 收节点正确的收到有效的报文时，接收节点会在应答间隙期间向发送节 点发送一个显性位以示应答。 帧结尾( e n do f f r a m e ) 用连续7 个隐性位表示帧的结尾。 以上就是c a n 总线数据帧的扩展格式，通过上述格式，可阱相应 的分析c a n 总线报文传输的基本原理和过程。 2 2 3c a n 总线的报文传输 以扩展格式为例，在c a n 总线发送数据之前，用户首先要向c a n 控制单元提交2 9 位i d 和要发送的数据信息，此处假定是8 个字节。而 后，c a n 控制单元开始为此数据帧进行位流编码( b i t s t r e a mc o d i n g ) 。 c a n 总线数据包中的帧启始、仲裁域、控制域、数据域以及c r c 校验 序列均要通过位填充的方法进行编码。编码过程中，数据按帧格式顺序 填充比特流，当发送方检测到位流里有连续。5 个连续相同值的位时，自 动在位流里插入一个于此值相异的补充位。数据帧和远程帧的其他域 ( c r c 届定符、应答域、帧结尾) 以及错误帧和过载帧的格式固定，没有 填充。报文的位流根据c a n 总线的显性和隐性两种状态，对位流进行 不归零编码0 岍屹) ，没有第三态。 发送方将己编好的位流发送到c a n 网络上，其他节点开始准各接 收位流。c a n 总线规定位时间的定义分为四部分，如下图所示 同步传播相位缓冲段l采样相位缓冲段2 i t l t4 t4t 一 1 n 时闻暑嘏 一 。 图2 7 位传输列捌定义 f i g u r e2 - 7s e c u o n d e f i n ei nb i tt r a n s m i s s i o n c a n 总线在列车故障检测系统中应用的研究第1 6 页 北京交通大学硕士论文 第二章c a n 总线概述 位时间定义详细说明了c a n 总线采集位信号的过程。同步段 ( s y n cs e g ) 用来同步网络上的不同节点，在这一时间段上要有一个跳 变沿。传播段( p r o ps e g ) 用来补偿网络内的物理延时，长度一般为总 线传播的时间、输入比较器延时和输出驱动器延时总和的两倍。相位缓 冲段( p h a s e s e g ) i 、2 用来补偿边沿阶段的误差。在缓冲段1 和缓冲 段2 之间，系统对总线电平进行采样，读到的值就是此位的值。 串行数据传输中同步是很重要的概念，确保了位数据接收的准确 性。同步分为两种，硬同步( h a r ds y n c h r o n i z a t i o n ) 迫使同步的跳变沿位 于重新开始的位时间的同步时间段内，就是使得内部的位时间以同步段 重新开始。重新同步( r e s y n c h r o n i z a t i o n ) 的作用是使一个相位缓冲段增长 而另一个相位缓冲减短，采样点由此而向前或向后移动。重新同步的增 减是有限度的，上图中的重新同步上限是4 个时间量程。两种同步共同 遵守的规则是：一个位时间内只允许有个同步；只有当采样点之前的 值于边沿后面的值不一致时，使用重新同步；总线空闲期间，有隐性转 变到显性要执行一次硬同步；符合以上规则的其他隐性变为显性的边沿 都可以用作重新同步。 c a n 总线的错误检测和仲裁也是报文的一个重要部分，属于内核 部分，是报文传输的功能扩展。 本小节详细叙述了c a n 总线信息传输的组织结构和发送接收包文 的最基本方法，用户可以根据以上规则自己组织包文，并可以在位仲裁 的情况下，发送和接收自己的报文。 2 3 c a n 总线组网分析 c a n r 总线的协议是c a n 总线技术的框架，是基本的通信方法。然 两组建一个c a n 网络，除了通信协议之外，还需要一定的数字通信工 c a n 总线在列车故障检测系统中应用的研究万1 7 面 北京交通大学硕士论文 第二章c 州总线概述 程技术。本小节对c a n 总线的传输原理加以分析，结合实际说明保持 系统数据传输稳定性的组网方案。 231 二元码的误比特率分析 c a n 总线采用二元不归零码作为其比特位基本编码方式，即用传输 线路之间的赢电平和低电平分别表示二进制的0 和i 。c a n 采用补充位 方式对数据流编码，就是说发送方只要检测到位流中有5 个连续的相同 位，便自动插