（电气工程专业论文）基于can总线的楼宇自动化系统设计.pdf

t h e d e s i g no f ac a nb a s e db u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m a b s t r a c t t h et h e s i si n t r o d u c e st h ed e s i g no fac a nb a s e db u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m b y t h ea n a l y s i so ft h ee v o l u t i o na n dt h ev a r i o u sf e a t u r e so fc o n t r o ls y s t e m s ，i ti sp o i n t e d o u tt h a tt h ef i e l db u s e si n c l u d i n gc a na r eo fa d v a n c e dp r o p e r t i e sa n dw i l lb ew i d e l y u s e di nt h ef i e l do fc o n t r 0 1a p p l i c a t i o n s t h ed e s i g n e dc a nb a s e db u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e mi sc o m p o s e do ff r o n t e n d m o d u l e sa n dap cw i t hc o m m u n i c a t i o nc a r da st h es y s t e ms u p e r v i s o r t h ef r o n t - e n d m o d u l ei sa ni n t e l l i g e n tu n i td e s i g n e da r o u n d8 0 51m i c r o c o n t r o l l e r w i t hi o i n t e f f a c e st op e r f o r md a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o la c t i o n t h ec a ni n t e r f a c ei s d e s i g n e db yu s i n gs j a 10 0 0c a nc o n t r o l l e rc h i pt of u l f i l lt h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n t a s k s t h ec o m m u n i c a t i o nc a r dm o u n ti np cu s e sc h 3 6 5t ol i n kp c sp c ib u sa n d p e r f o r md a t ae x c h a n g et o f r o mc a nb u sv i as j a 10 0 0 as i m p l ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o li sd e s i g n e db a s e do nt h ec a n sp h y s i c a la n dd a t al i n kl a y e rp r o t o c o l s t h e p r o t o c o lf u l f i l l st h et a s k so fe q u i p m e n ti d e n t i f i c a t i o n ，r e l i a b l ed a t at r a n s f e r ，n e t w o r k c o n t r 0 1 t h ea p p l i c a t i o no fc a nb a s e db u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e mw i l lr a i s et h e i n t e l l i g e n c el e v e l ，d e c r e a s et h ec o s to fm a n a g e m e n t ，a n di m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n d s a f e t yo ft h eb u i l d i n g o b v i o u s l y ，s u c has y s t e mi so fb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tb u i l d i n g s ；c a nf i e l db u s ；8 0 51m c u ；c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 插图清单 图2 一lc a n 的分层结构，9 图2 2 总线位电平9 图2 3 帧间空间1 4 图3 1 c a n 总线网络拓扑1 6 图4 1 测控终端硬件结构1 9 图4 - 2 8 0 c 5 5 2 的功能模块2 0 图4 3c a n 接口电路硬件2 0 图4 4 模拟量信号条理电路2 l 图4 5 t i l 3 0 0 的应用原理2 2 图4 6 开关量信号采集电路2 3 图4 7 外接引脚图2 4 图4 8 测控终端主程序流程2 4 图5 1 p c i 接口卡原理图2 5 图5 2 c h 3 6 5 硬件译码2 5 图5 3 中断控制电路2 6 图5 4 网卡接口图2 6 图6 1 中央空调控制系统结构2 8 表格清单 表2 1 数据帧的组成1 2 表2 2 标准格式中的仲裁场和控制场1 2 表2 3 扩展格式中的仲裁场和控制场1 2 独创性声明 本人声明所，交的学侥论文是本人经导师指导卜进行的研究1 7 作及取得的研究成槊。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰弓过的 研究成果，也不包含为获得佥8 曼! ：些厶堂 或其他教育机构的学位或证1 5 而使过的 材料。与我一同i ：作的同忠对本研究所做的任何：贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学侥论文作者签名 豸、易签字日期n 辑“月c 驴 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹! ：些厶堂有关保留、使用。学位论文的规定，有权保留爿： 向国家有天部j j 或机构送交论文的复印件币1 磁盘，允许论文被商阅和借阅。本人授权地 ! ：些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有犬数据库i 生行检索t 可以采心影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学6 1 论文在解密斤适用本授权10 ) 学袋论文作者签名： 匀、岛 l 导师签二： 签字日期易诉“月炉 ，签字日j c 】：_ 捌抟l 1 月l 舻 与乏位论文作者毕业j 亓玄向： i 作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 在论文写作及整个求学期间，深切地感受到来自各方面的关心和帮助，能有 机会表达对他们的感谢是我真诚的愿望。 在论文完成之际，我首先要感谢我的指导老师张崇巍教授，感谢他在我求学 及撰写论文期间给予我的悉心指导和教育。导师扎实渊博的专业知识、严谨的治 学态度、积极进取的精神和谦逊务实的工作作风使我受益匪浅，我将永远铭记在 心。在四年的学习、工作和生活中，导师给予我的关怀和帮助令我永生难忘。本 论文从选题、撰写到修改、定稿无处不凝结着导师的心血和汗水，在此向我的导 师表示崇高的敬意和深深的感激之情! 同时，我还要感谢我的家人，以及在课题组工作期间，给予我很大帮助的同 事和朋友们，是您们无私的奉献和积极的工作才使我得以完成此项课题研究。 在今后的工作和学习生活中，我将更加勤奋，更加珍惜美好时光，决不辜负 各位老师、同学和朋友对我的信任和期望。 作者：武金山 2 0 0 8 年1 1 月1 5 日 第一章控制系统和控制总线 1 1 控制系统与控制网络 1 1 1 计算机控制系统的发展历程 计算机从产生的那天起就开始了在控制系统中的应用。6 0 年代，人们利用 微处理器和一些外围电路构成了数字式仪表以取代模拟仪表，这种控制方式被称 为d d c 控制，该控制方式提高了系统的控制精度和控制灵活性，而且在多回路 的巡回采样及控制中具有传统模拟仪表无法比拟的性能价格比。7 0 年代中后期， 随着工业系统的日益复杂，控制回路的进一步增多，单一的d d c 控制系统已经 不能满足现场的生产控制要求和生产工作的管理要求，同时中小型计算机和微机 的性能价格比有了很大提高。于是，由中小型计算机和微机共同作用的分层控制 系统由中小型计算机对生产工作进行管理，从而实现了控制功能和管理信息的分 离。当控制回路数目增加时，前置机及其与工业设备的通信要求就会急剧增加， 从而导致这种控制系统的通信变得相当复杂，使系统的可靠性大大降低。 进入8 0 年代后，由于计算机网络技术的迅速发展，同时也因为生产过程和 控制系统的进一步复杂后，人们将计算机网络技术应用到了控制系统的前置机之 间以及前置机和上位机的数据传输中。前置机仍然完成自己的控制功能，但它与 上位机之间的数据( 上位机的控制指令和控制结果信息) 传输采用计算机网络实 现。上位机在网络中的物理地位和逻辑地位与普通站点一样，只是完成的逻辑功 能不同，另外，上位机增加了系统组态功能，即网络的配置功能。这样的控制系 统称为d c s ( 集散控制) 系统。d c s 系统是计算机网络技术在控制系统中的应 用成果，提高了系统的可靠性和可维护性，在今天的工业控制领域仍然占据着主 导地位。然而，不可忽视的是：d c s 系统采用的是普通商业网络的通信协议和 网络结构，在解决工业控制系统的自身可靠性方面没有作出实质性的改进，为加 强搞干扰和可靠性采用了冗余结构，从而提高了控制系统的成本。另外，d c s 不具备开放性，布线复杂，费用高。 8 0 年代后期，人们的d c s 的基础上开始开发一种通用于工业环境的网络结 构和网络协议，并实现传感器、控制器层的通信，这就是现场总线。由于从根本 上解决了网络控制系统的自身可靠性问题，现场总路线技术逐渐成为了计算机控 制系统的发展趋势。从那时起，一些发达的工业国家和跨国工业公司都纷纷推出 自己的现场总线标准和相关产品，形成了群雄逐鹿之势。 1 1 2 控制系统的网络化发展背景 1 应用背景 根据工厂管理、生产过程及功能要求，c i m s 体系结构可分为五层，即工厂 级、车间级、单元级、工作站和现场级。简化的c i m s 则三层，即工厂级、车间 级和现场级。在一个现代化的工厂环境中，在大规模的工业控制过程中，工业数 据结构同样分为这三个层次，与简化的网络层次相对应。 现场级与车间级自动化监控及信息集成是工厂自动化及c i m s 不可缺少的 重要部分，该系统主要完成底层设备单机控制、连机控制、通信联网、在线设备 状态检测及现场设备运行、生产数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备 高质量完成生产任务，并将现场设备生产及运行数据信息传送到工厂管理层，向 工厂级c m i s 系统数据库提供数据，同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及 调度命令并执行之。因此，现场级与车间级自动化临近及信息集成系统是实现工 厂自动化及c i m s 系统的基础。 传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统( 包括基于p c 、p l c 、 d c s 产品的分布式控制系统) ，其主要特点之一是，现场层设备和控制器之间的 连接是一对一的i o 接线方式，即一个i o 点对设备的一个测控点，传送4 2 0 m a 模拟量信号或2 4 v d c 开关量信号，这种传统的现场级与车间级自动化监控及信 息集成系统所具有主要缺点是： ( 1 ) 信息集成能力不强，控制器与现场设各之间靠i o 边线连接，传送4 2 0 m a 模拟量信号或2 4 v c d 等开关量信号，并以此监控现场设备，这样控制器 获取信息量有限，大量的数据如设备参数、故障及记录等很难得到。底层数据不 全，信息能力不强，不能完全满足c i m s 系统对底层数据的要求。 ( 2 ) 系统不开放，可集成性差，专业性不强除现场设备均靠标准4 2 0 m a 2 4 v d c 连接外，系统其它软件通常只能使用一家产品。不同厂商缺乏互 操作性和互换性，因此可集成性差。这种系统很少留出接口，允许其它厂商将自 己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此， 面向行业的系统很少。 ( 3 ) 可靠性不易保证，对于大范围的分布式系统，大量的i o 电缆及敷设 施工，不仅增加了成本，也增加了系统的不可靠性。 ( 4 ) 可维护性不高，由于现场级设备信息不全，现场级设备的在线故障诊 断、报警、记录功能不强。另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定、修改 等参数化功能，影响了系统的可维护性。 2 技术背景 从发展历程看，信息网络体结构的发展与控制系统结构的发展有相似之处。 计算机出现以后。人们便开始探索两台或多台计算机之间的通信问题，纵观企业 信息网络的发展工，它大体经历了如下几个发展阶段： ( 1 ) 基于主机( h o s t - b a s e d ) 这集中模式：由强大的主机完成几乎所有的计 算和处理任务，用户和主机的交互很少。 ( 2 ) 基于工作组( w o r k g r o u p b a s e d ) 的分层结构：微机和局域网技术的发展 使工作性质相近的人员组成群体，共享某些公共资源，用户之间的交流和协作得 到了加强。 2 ( 3 ) 客户i n 务器网络模式；计算机网络技术的发展使它成为现代信息技术的 主流。该模式提高了信息资源的安全性和利用率，成为网络计算的流行模式。 f 4 ) 基于i n t e m e f f i n t r a n e r e x t r a n e r 和f i e l d b u s 的企业网：i n t e m e t 的发展和普 及就用使它成为公认的未来全球信息基础设施的雏形。采样i n t e r n e t 成熟的技术 和标准，人们又提出了i n t e m e t 和e x t r a n e r 的概念，分别用于企业内部网和企业 外联网的实现，于是便形成了以i n t e r n e t 为中心，以e x t r a n e r 为补充，依托于 i n t e r a c t 的新一代企业信息基础设施( 企业网) 而计算机控制系统也大体经历了集中控制、递阶分层控制、基于现场总线的 网络控制等几个阶段。信息网络与控制系统在体系结构发展过程上的相似性不是 偶然的。在计算机控制系统的必恭必敬过程中，每一种结构的控制系统的总是滞 后于相应计算机技术的发展。实际上，大多数情况下，正是在计算机领域一种新 技术出现发后，人们才开始研究如何将这种新技术应用于控制领域。当然，鉴于 两种应用环境的差异，其中的技术细节作了修改和补充，但在关键技术原理及实 现上，它们有许多共同的地方，正是由于二者在发展过程中的这种关系，使得实 现信息一控制一体化成为可能。 1 2 现场总线技术 1 2 1 现场总线技术的产生与发展 现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种分散、全数字化、 智能、双向、多变量、多点、多站的通信系统。可靠性高、稳定性好、抗干扰能 力强、通信速率快、系统安全符合环境保护要求、造价低廉、维护成本低是现场 总线的特点。 现场总线是8 0 年代末，9 0 年代初发展形成的，用于过程自动化、制造自动 化、楼宇自动化、家庭自动化等领域的现场智能设备互联设备通信网络。作为工 厂数字通信网络的基础，现场总线沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更 高控制管理层次之间的联系，这项以智能传感、控制、计算机、数据通信为主要 内容的综合技术己受到世界范围的关注而成为自动化技术发展的热点，并将导致 造化系统结构与设备的深刻变革，现场总结与企业网相结合，有可能将构成一个 企业的控制和信息系统的骨架。 现场设备的串行通信接口是现场总线技术的原型。由于大规模集成电路的发 展，许多传感器、执行机构、驱动装置等现场设备智能化，即内置c p u 控制器， 完成诸如线性化、量程转换、数字滤波甚至回路调节等功能。因此，对于这些智 能现场设备增加一个串行数据接口( 如r s - - 4 8 5 r s 2 3 2 ) 是非常方便的。有了 这样的接口控制器就可以按其规定的协议，通过串行通信方式而不是i o 方式完 成对现场设备的监控。如果设想全部或大部分现场设备都具有串行通信接口并具 有统一的通信协议，控制器只需一根通信电缆就把分散的现场设备连接起来，完 成对所有现场设备的监控，这就是现场总路线技术的最初想法。 在过去的几十年中，工业过程控制仪表一直采用4 - 2 0 m a 标准的模拟信号。 随着微电子技术和大规模以超大规模集成电路以的迅猛发展，微处理器在过程控 制装置、变送器、调节阀等仪表装置中的应用不断增加，出现了智能变送器、智 能调节阀、等系列高新技术仪表产品，现代化的工业赛程控制对仪表装置在速率、 精度、成本等诸多方面都有了更高的的要求，导致了用数字信号传输技术代替现 行的模拟信号传输技术的需要，这种现场信号传输技术就被称作为现场总线。也 就是说，现场总线是由过程控制技术、仪表技术和计算机网络技术三个不同领域 结合的产物，当过程控制技术由分立设备发展到共享设备，仪表技术由简单仪表 发展到智能仪表，计算机网络技术同m a p 网络技术发展到现场级网络技术时， 就必然会走向现场总线。 1 2 2 现场总线技术产生的意义 现场总线控制系统继气动信号控制系统p c s ，4 - - - 2 0 m a 等点动模拟信号控 制系统，数字计算机集中式控制系统和集散式分布控制系统d c s 之后，被誉为 第五代控制系统。它采用了基于公开化、标准化的开放式解决方案，实现了真正 的全分布式结构，将控制功能下放到现场，使控制系统更加走向于分布化，扁平 化、网络化、集成化和智能化。 现场总线的产生和发展，使一个企业的现场级控制网络可以更方便有效的与 办公信息网络通信，二者的集成对企业信息基础设施的改进具有重大意义。可以 说，现场总线从开始出现时就是为了融入到实际上已通行的t c p i p 信息网络中， 并与其有效的集成到一起，为企业提供一个强有力的控制与通信基础设施。现 场总线技术产生的意义如下： ( 1 )现场总线技术是实现现场级设备数字化通信的一种工业现场层网络 通信技术，这是工业现场级设备通信的一次数字化革命。应用现场总线技术可用 一条电缆将带有通信接口的智能化现场设备连接起来，使用数字化通信代替4 2 0 m a 、2 4 v d c 信号，完成现场设备控制、检测、远程参数化等功能。 ( 2 ) 传统的现场级自动化监控系统采用一对一连线的4 2 0 m a 2 4 d c v 信号，信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系 统成了工厂中的“信息孤岛”，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实 现。 ( 3 )基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自 控系统与设备加入工厂信息网络，成为企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆 盖范围一直延伸到生产现场。在c i m s 系统中，现场总线是计算机网络到现场级 设备的延伸，是支持现场与车间级信息集成的技术基础。 基于现场总线的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统所具有的主要 优点有： ( 1 )增强了现场级信息集成能力：现场总线可从现场设备获取大量丰富 4 信息，能够更好地满足自动化及c i m s 系统的信息集成要求。现场总线是数字化 通信网络，它不单纯取代4 2 0 m a ，还可实现设备状态、故障、参数信息传送。 系统除完成远程监控，还可完成远程参数化工作。 ( 2 ) 开放式、互操作性、互换性、可集成性：不同厂家产品只要使用同 一总线标准，就具有互操作性。互换性，因此设备具有很好的可集成性。系统为 开放式，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等 集成到通用系统中去，因此，市场上将有许多面向行业特点的监控系统。 ( 3 )系统可靠性高、可维护性好：基于现场总线物自动化监控系统采用 总线连接方式替代一对一的f o 连线，对于大规模i o 系统来说，减少了由接线 点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录 功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可 维护性。 ( 4 ) 降低了系统及工程成本：对大范围、大规模的i o 分布式系统来说， 省去了大量的电缆、i o 模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及节节胜利成本。 1 2 3 现场总线国际标准化近况 现场总线是当今世界各国热点课题，以现场总线为基础的全数字控制系统是 2 1 世纪自动化控制系统的主流。目前世界发达国家的自动化仪表公司都以巨大 的人力和财力投入，全方位进行技术研究和实际应用，以期待成为市场的主宰者。 由于现场总线是以开放的、独立的、全数字化的双向多变量通信代替0 - - 1 0 m a 或4 2 0 m a 的现场仪表，以实现全数字化的控制系统。因此其标准化是至关重 要的，世界各国的技术协会( 学会) 、各大公司、各国的标准化组织，还有国际 电工委员会( i e c ) 及国际标准化组织( i s o ) 对于本项技术的标准化工作都给 予极大的关注，也使得目前现场总线国际标准化工作出现了复杂的局面。 1 欧洲标准 e n 5 0 1 7 0 一3 ：这是法国w o r l d f i p 现场总线标准，截至1 9 9 9 年底它拥有 1 0 0 多个成员，可生产3 0 0 多个产品，其产品在法国有占有率为2 5 。 e n 5 0 1 7 0 - - - 2 ：这是德国p r o f i b u s 现场总线标准，截至1 9 9 9 年底它拥有成员 6 0 5 个，产品8 0 0 多个，据其统计，其产品的市场占有率在欧洲为4 0 。 e n 5 0 1 7 0 - - 1 ：这是丹麦p - n e t 现场总线标准，其规模相对较小，其产品主要 用于农业灌溉和水厂自动化系统中。 欧洲标准e n 5 0 1 7 0 实际上是上述三大现场总线协议的文件汇编 2 基金会现场总线f f 在1 9 9 4 年以前，现场总线标准化问题主要出于i s p ( i n t e r o p r a t a b l es y s t e m p r o t o c o l ，可互操作系统协议) 和wo r l d f i p 的北美部分wo r l d f i pn a 和i s p 联手 于1 9 9 4 年6 月成立了现场总线基金会( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ，简称f f ) ，旨在制 订一个单一、开放、可互操作的现场总线标准，并推出了基现场总线f f 由于基 得到美国大公司如r o s e m o u n t 、h o n e y w e l l 、f o x b o r o 等的支持，很快在该领域确 立了自己的优势。因而，从1 9 9 4 年以后，现场总线标准化问题便主要集中在f f 和p r o f i b u s 之间的矛盾上了。 3 现场总线标准化工作进展困难的原因 纵观许多新技术的发展、推广和应用都会人为地造成标准化工作滞后于技术 发展和用户需求的现象，现场总线标准化工作也不例外，实际上它已经与各国的 经济政策紧密相联，标准化之争实际上是不同国家大企业集团之间的经济利益之 争。总的来说，主要有以下几个原因： ( 1 ) 几大现场总线组织的支撑集团都是在世界具有垄断地位的大公司， 而现场总线标准化工作是为了撕破这种垄断，建立单一的全面开放的现场总线， 这本身便是个矛盾。于是各大公司采取的首先措施便是力争用最大的为达到市 场技术的单一性，它们深知，如果在标准化工作中失利损失是巨大的，所以，彼 此之间拼死核战争，互不相让。 ( 2 ) 世界各大现场总线组织的实力是相当的，它们认为，i e c 标准晚一天 到来，它们便有更多的商业运作时间以收回投资。另一方面，它们也不愿冒巨大 风险在其产品上做进一步的巨额投资。 ( 3 ) i e c 组织本身便是一个“多样化”的组织，其内部存在“官僚主义”现 象。 ( 4 )发展中国家由于受资金和限制，受制于世界各大公司，受经济利益 的驱动，它们在标准化制订过程中经常表现出多面性。 1 3 楼宇自动化系统 智能建筑( i n t e i l i g e n tb u i l d i n g s ) 是建筑技术与计算机信息技术相结合的产物， 是信息社会与经济国际化的需要。智能建筑主要有楼宇自动化控制系统( b a s ) 、 通信自动化系统( c a s ) 和办公自动化系统( o a s ) - - 大系统组成。智能建筑往往是 从楼宇自动化控制系统开始。 设计楼宇自动化系统的主要目的在于将建筑内各种机电设备的信息进行分 析、归类、处理、判断，采用最优化的控制手段，对各系统设备进行集中监控和 管理，使各子系统设备始终处于有条不紊、协同一致和高效、有序的状态下运行， 在创造出一个高效、舒适、安全的工作环境中，降低各系统造价，尽量节省能耗 和日常管理的各项费用，保证系统充分运行，从而提高智能建筑的高水平的现代 化管理和服务，使投资能得到个良好的回报。 智能建筑内部有大量的电气设备，如：环境舒适所需要的空调设备、照明设 备及绘排水系统的设备等，这些设备多而散：多，即数量多被控制、监视、测量 的对象多，多达上百到上万点；散，即这些设备分散在各层和角落。如果采用分 散管理，就地控制，监视和测量难以想象。为了合理利用设备，节省能源，节省 人力，确保设备的安全运行，自然地提出了如何加强设备的管理问题。 楼宇机电设备监控系统，作为智能建筑楼宇自动化系统非常重要的一部分， 担负着对整座大厦内机电设备的集中检测和控制，保证所有设备的正常运行，并 达到最佳状态。 楼宇自动化系统( b a s ) 对整个建筑的所有公用机电设备，包括建筑的中央空 调系统、给排水系统、供配电系统、照明系统、电梯系统，进行集中监测和遥控 来提高建筑的管理水平，降低设备故障率，减少维护及营运成本。 楼宇自动化控制采用的是计算机集散控制，所谓计算机集散控制就是分散控 制集中管理。它的分散控制器通常采用直接数字控制器( d d c ) ，利用上位计算 机进行画面的监控和管理。主要手段是动画、曲线、文本、数据库、脚本、和各 种专用控件等。 根据日本电气学会技术报告说：使用电子计算机的管理系统的效果与不使用 的效果相比，维修保养人员可减少约3 0 。这里讲的节能是在必要能源的最高 利用率上所采用的节能方法。此运转控制所采用的方法主要有：机械的有效运转； 变更室内温湿度的条件；控制照度；把设备运转时间控制在最小限度；减少室外 空气的取人量等。在一幢大楼内电气的消耗率占整个能源消耗的7 0 9 0 ，所 以节能首先应从电气方面着手，降低电能的消耗。 第二章c a n 总线技术综述 2 1c a n 总线简述 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，通信速率可达1 m b p s 。 c a n 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以标识( i d e n t i f i e r ) 对信息进行优先权的分级。任何节点均可向全网络广播发送数据，其它节点则根据所 接收到的标识来决定是否处理所接收到的信息。 c a n 是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，由于其通信速率 高，可靠性好，价格低廉等特点，使其特别适合中小规模的工业过程监控设备的互连 和交通运载工具电气系统中，因而受到工业界的广泛重视，并已公认为最有前途的现 场总线之一。 c a n 总线产品由于结构简单、应用灵活方便、可靠性强、价格低廉等优点，越 来越受到工业界青睐。据1 9 9 2 年成立的国际c a n 用户和制造商非牟利组织c i a ( c a n i na u t o m a t i o n ) 统计，在1 9 9 8 年销售了9 7 0 0 万个节点。其中8 0 安装于欧洲( 其中又 有8 0 安装于德国) 。c a n 节点的8 0 应用于车辆，其余应用于嵌入式网络和工业控 制系统，如工厂控制系统、机器人控制系统、监测系统、机床控制系统等。在欧洲高 能物理项目c e r n 中也采用了c a n 总线。 c a n 具有如下主要特性： 多主站依据优先权进行总线访问 无破坏性的基于优先权的仲裁 借助接收滤波的多地址帧传送 远程数据请求 全系统数据相容性 错误检测和出错信令 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 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 按照开放系统互连( o s i ) 基本参考模式( i s 0 7 4 9 8 ) 实现了种简化的o s i 模 型，它只具有o s i 七个层次中的两层：数据链路层和物理层。这两层一般固化在专用 的c a n 总线接口芯片和微处理器中。c a n 总线系统的开发者在软件上主要进行应用 层的工作。 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、循环冗余校验、优先级判别等多项工作。c a n 总线各节点之间 依据优先权进行总线访问，以广播的形式进行通信。 数据链路层和物理层的具体结构如图2 3 所示。 哺a c 数据封拆装 帧编码 媒体访问管理 错误检测 出谱标定 譬雾化解除串行化解除 串行化 物理层 p l s 位编解码 定时、同步 而厂一一一一一 驱动接收器特性 m d i 连接器 。一。 阳 c l m e 故障界定 p l s l 哺e 总线故障管理 l 一二二二= 图2 一lc a n 的分层结构 l i i 1 i i i l - j 2 2c a n 协议的物理层 物理层可进一步划分为三部分：m d i 、p m a 和p l s 。 2 2 。1 媒体相关接口( m d d 媒体相关接口( m d i - - m e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c e ) 实现物理媒体与媒体访问单 元( m a u ) 之间机械和电气接口，m a u 表示用于偶合节点至发送媒体的物理层的功 能部分，由p m a 和m d i 构成。 c a n 总线的通信线路由双绞线组成，两根导线分别为c a n h 和c a n l ，这两根 导线也就是c a n 网络中的总线。网络中所有的节点都挂接在该总线上，并且都通过 这两根导线交换数据。 j 睁 越】 幽 镏 羁 i ；卜 图2 - 2 总线位电平 总线上某一时刻显现的数值由两根导线上电压v c a n h 和v c a n l 的差值表示。 该差分电压v d i f 可表示“显性”和“隐性”两种互补的逻辑数值。如图2 1 所示。在“隐 性”状态下，差分电压v d i f 近似为o 。“显性”状态v d i f 贝j j 大于一个最小阈值。在c a n 总线标准通信协议中规定“显性”( d o m i n a n t ”) 表示逻辑“0 ”，而“隐性”( r e c e s s i v e ”) 一 一 一 一 一 一 层一波知理一 潞一燃瓤鲐一 糌一m接超恢一 则表示逻辑“l ”。 2 2 2 物理媒体附属装置( p m a ) 物理媒体附属装置( p m 忙p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t ) 实现总线发送接收的 功能电路并可提供总线故障检测方法。 当在总线上存在“显性”位和“隐性”位同时发送时，节点发送驱动电路的设计使得 总线数值表现为“显性”。在总线空闲位期间，总线表现“隐性”状态( 即逻辑1 ) 。“显性” 状态改写“隐性”状态启动发送并进行各节点之间的同步。 c a n 总线上的数据按位串行传输，其传输速率可在5 k b p s - - 1 m b p s 之间选择，在 速率为5 k b p s 时传输距离可为达1 0 k m ，在速率为1 m b p s 时的传输距离为4 0 m 。当然， 挂接在同一条总线上的所有节点都必须采用相同的传输速率。 2 2 3 物理信令( p l s ) 物理层中的物理信令( p l s - - - p h y s i c a ls i g n a l l i n g ) 实现与位表示、位定时和位同 步相关的功能。 位表示、定时确定了正常位时间，正常位时间= 同步段( t s y n c s e g ) + 时间段l ( t s e 9 1 ) + 时间段2 ( t s e 9 2 ) 。同步段对应一个系统时钟周期。时间段1 由补偿传播延迟的时间 段和直接采样点前同步缓冲段组成，决定了定位周期内采样点的位置啦于时间段 1 的结束。时间段2 提供采样点上的附加时间以计算后续位电平以及采样点后的直接 同步缓冲段。时间段1 和时间段2 由c a n 控制器的b t r 0 和b t r l 通过编程决定。 c a n 总线的同步也是由物理信令完成的。它将到来沿同其实际位定时进行比较， 并通过同步适配位定时，同步包括硬同步和重同步两种。 硬同步仅发生在报文的开始。硬同步后，位时间由每个定时逻辑单元从同步段重 新启动。因此，硬同步强迫引起硬同步的边沿处于重新启动位时间的同步段内。 重同步发生在报文位流发送期间，以补偿个别c a n 控制器振荡频率的变化以及 由于从一个发送器转至另一个发送器引入的变化。重同步的结果是时间段l 被延长或 时间段2 被缩短，这两个时间段的延长或缩短的总和上限由重同步跳转宽度给定。当 引起重同步沿的相位误差幅值小于或等于重同步跳转宽度编程值时，重同步的作用与 硬同步相同；当相位误差幅值大于重同步跳转宽度，且相位误差为正时，则时间段1 延长总数为重同步跳转宽度：当相位误差幅值大于重同步跳转宽度且相位误差为负 时，则时间段2 缩短总数为重同步跳转宽度。 硬同步和重同步遵从下列规则： 1 ) 在一个位时间内仅允许一种同步。 2 ) 只要在先前采样点( 先前读到的总线数值) 上检测到的数值与总线数值不同， 沿过后立即有一个沿被用于同步。 3 ) 在总线空闲期间，当存在个“隐性”至“显性”的跳变沿，则执行一次硬同步。 4 ) 所有履行以上规则1 和2 的其他“隐性”至“显性”跳变沿都将被用于重同步。例 外情况是，对于具有正相位误差的“隐性”至“显性”的跳变沿，只要“隐性”至“显性”的 1 0 跳变沿被用于重同步，发送显性位的节点将不执行重同步。 2 3c a n 总线数据链路层 2 3 1 逻辑链路控制( l l c ) 和媒体访问控s t i ( m a c ) 数据链路层划分为：逻辑链路控制( l l c - - - l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 和媒体访问控制 ( m a c m m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) ，在c a n 技术规范2 0 a 版本中，l l c 和m a c 子 层服务和功能被描述为“目标层”和“传送层”。 逻辑链路控制( l l c ) 子层提供的功能有； 1 ) 接收过滤：在l l c 子层上开始的帧跃变是独立的，其自身操作与先前的帧跃 变无关。数据帧内容由标识符命名。标识符并不能指明帧的目的地，但描述数据的含 义，每个接收器通过接收过滤确定此帧与其是否有关。 2 ) 超载通告：如果接收器内部条件要求延迟下一个l l c 数据帧或l l c 远程帧， 则通过l l c 子层开始发送超载帧，最多可产生两个超载帧，以延迟下一个数据帧或 远程帧。 3 ) 恢复管理：发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的帧，l l c 子层具有自动 重发送功能，在发送成功完成前，帧发送服务不被用户认可。 媒体访问控制( m a c ) 子层功能有： 根据功能可以将m a c 子层划分为完全独立的两部分发送部分和接收部分， 两部分的功能如下： 发送部分功能包括： 1 ) 发送数据封装：接收l l c 帧和接口控制信息，c r c 计算，通过l l c 帧附加 s o f 、r t r 位、保留位、c r c 、a c k 和构造m a c 帧。 2 ) 发送媒体访问管理：总线状态检查，m a c 帧串行化，插入填充位，丢失仲裁 时转入接收方式，错误检测，应答校验，超载检测，构造并发送超载帧，构造并发送 出错帧，输出串行位流至物理层准备发送。 接收部分功能与发送部分功能相反，主要包括： 1 ) 接收媒体访问管理：由物理层接收串行位流，解除串行结构并重新构筑帧结 构，检测填充位，错误检测，发送应答，构造并发送错误帧，确认超载条件，重激活 超载帧结构并开始发送。 2 ) 接收数据卸装：由接收帧去除m a c 特定信息，输出l l c 帧和接口控制信息 至l l c 子层。 2 。3 。2c a n 的帧格式 在c a n 中报文是以帧为单位进行传送的，只有一帧数据所有位都没有出错，报 文才算正确传送，否则报文无效，必须重新发送和接收。在c a n 技术规范中，规定 了总线上传输的四种帧类型： 数据帧携带数据由发送器至接收器； 远程帧请求其它节点发送具有相同标识符的数据帧： 出错帧由总线上各节点通过检测到错误后的响应组成； 超载帧用于提供当前的和后续的数据帧和远程帧之间的附加延迟。 2 3 2 1 数据帧 数据帧如表2 1 所示，由7 个不同的位场组成：即帧起始、仲裁场、控制场、c r c 场、应答场、数据场和帧结束。 在c a n 技术规范2 0 a 中规定了标准数据帧的格式，而在2 o b 中则规定了两种 格式：标准格式和扩展格式。 表2 1 数据帧的组成 i 帧起始i 仲裁场l 控制场l 数据场ic r c 场i a c k 场帧结束 i l _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ - _ _ - - _ _ _ 一| | ii 帧起始标志数据帧的起始，它仅由一个“显性”位构成。只在总线处于空闲状态时， 才允许某节点开始发送，所有节点必须都同步于首先开始发送的那个节点的帧起始前 沿。 仲裁场在标准格式和扩展格式中是不同的。在标准格式中，仲裁场由由1 1 位标 识符和远程发送请求( r t r ) 位组成；在扩展格式中，仲裁场由2 9 位标识符、替代 远程请求位( s r r ) 、标识位和远程发送请求位( r t r ) 组成。标准格式和扩展格式不 同在于仲裁场与控制场，其他的位场相同。数据帧的仲裁场和控制场标准格式与扩展 格式的分别如表2 2 和表2 3 所示。 表2 2 标准格式中的仲裁场和控制场 b i t 0 仲裁场( b i t l b i t l 2 )控制场( b i t l 3 b i t l 8 ) s o f1 1 位 i 玎ri d e r 1r o d l c 0 标识符 0o0 数据长度码 表2 3 扩展格式中的仲裁场和控制场 b i t 0 仁b 裁场( b i t l 一- - b i t 3 2 )控制场( b i t 3 3 - - 一b i t 3 8 ) s o f 1 1 位 s r ri d e 1 8 位 r t rr 1r od l c 0 基本标识符 1l 扩展标识符 oo o 数据长度码 注：r 1 和r 0 是保留位；b i t 0 首先送出，然后是b i t l 、b i t 2 。 控制场由6 位组成。标准格式和扩展格式不同。在标准格式中，一帧包括数据长 度码，发送“显性”电平的i d e 位和保留位r o ；在扩展格式中，一帧包括数据长度码和 两个保留位r 1 ，r 0 ，这两个保留位必须发送“显性”电平。数据长度码指明数据场的字 节数目，字节数为o 8 。 数据场、c r c 场、应答场、帧结束在标准格式和扩展格式中都相同。数据场都由 数据帧中被发送的数据组成，它可以包括从0 至8 个字节，每个字节包括8 位，其中 首先发送最高有效位。 c r c 场包括c r c 序列和c r c 界定符。c r c 界定符必须是“隐性”位。 应答场为两位，包括应答间隙和应答界定符。在应答场中发送站送出两个“隐性” 位。一个正确地接收到有效报文的接收器，在应答间隙( 送“a c k ”) 期间，将此信息 通过传送一个“显性”位报告给发送器。 所有接收到匹配c r c 序列的站，通过在应答间隙内把“显性”位写入发送器的“隐 性”位来报告。应答界定符是应答场的第二位，并且必须是“隐性”位，因此，应答间隙 被两个“隐性”位包围。 每个数据帧和远程帧均由7 个“隐性”位组成的帧结束标志序列界定。 2 3 1 2 2 远程帧 当一个节点希望接收某些信息时，可以借助于传送一个远程帧启动信息源节点的 数据发送。远程帧由6 个位场组成：帧起始，仲裁场，控制场，c r c 场，应答场和帧 结束。与数据帧相比，远程帧的r t r 位为“1 ”( 总线上为隐性电平) ，没有数据场，数 据长度码