（机械电子工程专业论文）基于神经网络的can总线智能节点设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 c a n 总线以其极高的可靠性和独特的设计被公认为最有前途的现场总线之 一，而智能节点的设计是实现现场总线控制系统的关键性环节，因此研制功能完 善的c a n 总线智能节点将有助于促进c a n 现场总线技术的发展，有利于工业控 制系统向分散化、网络化、智能化方向发展，同时对整个国内自动化水平的提高 都有不可忽视的意义。 本论文研究的是基于c a n 现场总线技术的智能节点的设计，其主要内容有： 现场总线技术及其c a n 总线技术的发展、工作原理及特点；c a n 智能节点的控 制算法；c a n 智能节点的硬件及软件设计；基于c a n 智能节点的双容水箱液位 控制实验验证。 针对智能性和精确性都相对较差的c a n 节点微控制器p i d 控制算法，本论文 提出了基于b p 神经网络控制算法的c a n 总线智能节点的设计思想，神经网络控 制算法是一种具有自学习能力的更加先进和智能的控制算法，研究中通过对b p 算 法的改进，提高了神经网络控制算法的性能，并最终提高了c a n 智能节点的性能。 本文采用“微控制器带独立c a n 总线控制器”的设计方案，以通信模块为核 心分析论述了c a n 总线智能节点的硬件电路设计，给出了整个c a n 智能节点的 电路设计原理图。同时从两个方面论述了c a n 总线智能节点的软件设计：基于单 片机的c a n 智能节点的软件设计和基于上位机p c 的c a n 总线通信软件设计， 详细论述了c a n 智能节点初始化、报文接收及报文发送程序的设计，并运用 v c + + 6 0 开发设计了基于上位机p c 的c a n 智能节点通信软件，最终通过c a n 总线智能节点的硬件和软件设计实现了c a n 总线智能节点与现场数据之间以及上 位机p c 与c a n 总线智能节点之间快速而稳定的数据通信。 本课题在c a n 智能节点的研究与设计基础之上，进行了基于c a n 智能节点 的双容水箱液位控制实验，现场实验结果表明系统运行稳定、控制精确，达到了 所需的功能要求，较好地体现了智能节点的特色和优越性。 关键词：现场总线，c a n ，智能节点，b p 神经网络，f c s 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t c a n ( c o n 廿o l l e ra r e an e t w o r k ) h a sb e e nr c c o g n i z e da so n go ft h em o s tp r o c e s s i n g f l e l d b u sw i t hi t sh i 出r e l i a h i l i t ya n dp a r t i c u l a rd e s i g ns t y l e t h ed e s i g no ft h ei n t e l l i g e n t n o d ei sac r u c i a lp a r to nr e a l i 五n gt h ef i e l d b u sc o n t r o ls y s t e mf f c s ) ，s t u d yt h ep e r f e c t f u n c d o nc a ni n t e l l i g e n tn o d ew i l lr e b o u n dt ot h ed e v e l o p m e n to ft h ec a nf l e l d b u sa n d m a d et h ei n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e mt u r n st ob ead i s t r i b u t e d , n e t w o r k i n ga n di n t e l l i g e n t s y s t e m i ta l s oh a sa c a n n o tn e g l c c t a b l em e a n i n gt oh e i g h t e nt h en a t i o n a la u t o m a t i o nl e v e l t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ed e s i g no fi n t e l l i g e n tn o d eb a s e do nc a nf i e l d b u sf r o m t h e s em a i na s p e c t s ：t h ed e v e l o p m e n t ，f e a t u r e sa n dp r i n c i p l e so ft h ef l e l d b u sa n dc a n b u s ；t h ec o n t r o la l g o r i t h mo fi n t e u i g e mn o d e ；t h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ed e s i g no f c a ni n t e l l i g e n tn o d e ；t h ee x p e r i m e n tv a l i d a t i o no ft h ed o u b l e - c a p a b i l i t yw a t e rt a n k c o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ec a n i n t e l l i g e n tn o d e a tp r e s e n t , t h ec o n t r o la l g o r i t h mo fc a n i n t e u i g e n tn o d eu s u a l l ya d o p t sp i dw h i c h i sp o o ro ft h ei n t e l l i g e n c ea n da c c u r a c y i nt h i sp a p e rw ep r e s e n tt h ed e s i g no fc a n i n t e l l i g e n tn o d eb a s e do nb pn e u r a ln e t w o r kw h i c hi sa na d v a n c e da n di n t e l l i g e n tc o n t r o l a l g o r i t h ma n d i th a st h ea b i l i t yo f s e l f - c u l t u r e f i n a l l y , i ti m p r o v e dt h ep e r f o r m a n c eo f t h e c a n i n t e l l i g e n tn o d eb yt h ea p p f i c a d o no f t h ea m e l i o r a t e dn e u r a ln e t w o r k i nt h i sp a p e r , i ta d o p t s m i c r o - c o n t r o l l e ra n di n d e p e n d e n tc a nc o n t r o l l e r a st h e r d e s i g np r o j e c to fc a ni n t e l u g e n tn o d e i tl a b o r st h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l ea sm a i n l y p a r to ft h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g no fc a ni n t e l l i g e n tn o d ea n dp r o v i d e st h ec i r c u i t s c h e m a t i cc h a r t i tp r e s e n t st h es o r w a r ed e s i g no fc a ni n t e l l i g e n tn o d ef r o mt w op a r t s ： t h ec o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ed e s i g no fc a ni n t e l l i g e n tn o d eb a s e do nm c ua n dp c ， w h i c hi sc o m p r i s e do ft h ep r o g r a md e s i g no fi n i t i a l i z a t i o n , m e s s a g et r a n s m i s s i o n , m e s s a g er e c e p t i o na n dt h es o f t w a r ed e s i g no f t h ec a n i n t e r f a c ec a r db a s e do np e r s o n a l c o m p u t e rw i t hv c + + 6 0 f i n a l l y ，i tr e a l i z e dt h ec a ni n t e l l i g e n tn o d ec o m m u n i c a t i o n f u n c t i o nw i t ht h em c ua n dt h eu p p e r - c o m p u t e rf l e e t l ya n ds t e a d i l y o nt h eb a s eo ft h er e s e a r c ha n dd e s i g no fc a ni n t e l l i g e n tn o d e ，w ep r e s e n ta n a p p l i c a t i o n w h i c hi sa n e x p e r i m e n t o nc o n t r o l l i n gt h el i q u i dh e i g h to ft h e d o u b l e - c a p a b i l i t yw a t e rt a n k i nc o n c l u s i o n , a st h ec a s es t a n d s ，t h i ss y s t e mr u n ss t e a d i l y , c o n t r o l ss m a r t l ba c h i e v e st h ee n t i r ef u n c t i o nr e q u e s t e d ，a n di n c a r n a t e st h ec h a r a c t e r i s t i c a n dt h ea d v a n t a g e so f t h ei n t e l l i g e n tn o d e k e y w o r d s ：f i e l d b u s ，c a n ，i n t e l l i g e n tn o d e ，b pn e u r a ln e t w o r k , f c s 学位论文版权使用授权书 1 9 7 5 1 3 6 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 沙勰彩月旧 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密瓯 指导教师签名： 一台年二月f 日 独创性声明 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。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包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。 学位论文作者签名： 日期：耖尹莎年 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着4 c 技术，即计算机( c o m p u t e o 、控$ 懦( c o n t r o l l e r ) 、通信( c o m m u n i c a t i o n ) 、 显示器( c r t ) 技术的发展，特别是微处理器技术和集成电路技术的飞速发展以及市 场竞争和用户需求的提高，过程控制系统已经经历了基地式气动控制仪表系统 p c s ( p n e u m a t i cc o n t r o ls y s t e m ) 、电动单元组合式模拟仪表控制系统a c s ( a n a l o g o u s c o n t r o ls y s t e m ) 、集中式数字控制系统c c s ( c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ) 和集散式控制 系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 的前四代而发展至今天的第五代现场总 线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。现场总线控制系统的核心是现场总线。 根据国际电工委员会i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 标准和现场总 线基金会f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化 系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线控制系统f c s 与集 散控制系统d c s 相比，具有四大优点【1 】： ( 1 ) 信号传输数字化：这是现场总线控制系统的鲜明特点，相对于传统d c s 的模拟信号传输，系统的精度和有效性都大大提高，同时又因无须采用抗干扰和 提高精度等措施，有利于降低系统的成本。 ( 2 ) 标准统一全开放：相对于d c s 只做到操作站以上开放，控制层不开放。 f c s 则是系统从上到下全开放。这样可以促进技术更好的得到进步，防止个别厂 商的垄断。同时由于不同厂家的产品采用统一的国际标准，在硬件、软件、通讯 规程、连接方式等方面互相兼容，可以实现互换和互联。这种开放性系统更加有 利于用户使用、操作、维护和扩展。 ( 3 ) 控制彻底分散：在f c s 中由高度智能的现场设备来分散的完成d c s 的 功能，可以省去控制器的层次，同时也使控制风险得到彻底的分散，进而提高了 系统的可靠性。 ( 4 ) 现场通信网络：所有智能化现场仪表都通过特定的接口挂接到总线上， 通过总线现场智能仪表之间可以相互通信，实现现场通信网络，同时这种通信方 式实现了一对传输线连接多台仪表，双向传输多个信号的功能，有效的改变了传 江苏大学硕士学位论文 统d c s 系统一台仪表一对传输线传输单个信号的局面，大大提高了现场的通信能 力同时降低了系统的成本。 由上可知f c s 既是一个开放的通信网络，又是一种全分布控制系统。它把单 个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相 互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与测控系统。因而研究基于现场总线 技术的智能测控节点成了测控领域研究新技术的重点。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，对大范围、大规模加l 的分布式 系统来说，f c s 相比以往任何一代控制系统可以省去大量的电缆、i o 模块及安装 维护费用，大大降低了系统及工程的成本，因此它一经产生便成为全球工业自动 化技术的热点，受到全世界的普遍关注。 控制器局域网络c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线是一种目前比较流行的现 场总线，支持多主工作方式，网络上的任何节点均可在任意时刻向其它节点发送 信息，支持点对点，一点对多点和全局广播方式。采用总线仲裁方式，按优先级 高低不同发送数据，避免总线冲突。采用8 位的短帧传输结构，传输时间短，抗 干扰能力强。c a n 总线卓越的特性、极高的可靠性、实时性和独特的设计，越来 越受到工业界的重视，并被公认为最有前途的现场总线之一。 c a n 总线技术的最大应用同样在于组建c a n 总线控制系统，而对于现场总 线控制系统其关键环节是智能节点的设计，通过设计功能完善的智能节点有助于 建立完整的c a n 现场总线控制系统，从而提高整个工业控制系统的发展水平，以 方便企业的管理、节约企业的生产成本和提高生产效率。此外，研制完善的c a n 现场总线控制系统将进一步促进现场总线技术的发展乃至对整个国内自动化水平 的提高都有不可忽视的意义 1 2 国内外的发展现状及趋势 现场总线技术发展至今已有4 0 余种【2 】，其中c a n 总线协议最早由德国b o s c h 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信，由于其卓越的性能， 极高的可靠性和独特的设计，c a n 总线在以后的几十年间越来越受到业界的重视， 逐步发展到应用于其它工业部门的控制领域，在国内外的应用范围也在不断的扩 展。 2 江苏大学硕士学住论文 由德国b o s c h 公司推出至今，c a n 总线协议得到了不断的扩展和完善，由 最初的c a n l 0 版到现在比较稳定的c a n 2 0 版( 由a 和b 两个部分组成) ，使得 c a n 总线的性能进一步得到了增强。目前，国际标准化组织i s o t c 2 2 技术委员 会已经制订了c a n 协议的国际标准i s o d i s l l 8 9 8 ( 通信速率小于等于1 m b p s ) 和 i s o d i s l l 5 1 9 ( 通信速率小于等于1 2 5 k b p s ) ，这些都大大促进和拓展了c a n 总线 在工业领域内的发展。目前c a n 现场总线技术在美国和欧洲等发达国家和地区发 展迅速，并已有较多的应用范例，如b e n z ( 奔驰) 、b m w ( 宝马) 、p r o s c h e ( 保时捷) 、r o l l s r o y c e ( 劳斯莱斯) 和j a g u a r ( 美洲豹) 等汽车生产商都 已经开始采用c a n 总线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【l 】。在亚洲远东地区，许多大学和研究机构正利用他们自身的条件帮助用户提高 对现场总线技术的认识和理解。根据市场的需求和技术的发展趋势，国外各大仪 表制造厂都把发展现场总线技术和产品放在技术进步的第一步。目前已有i n t e l ， m o t o r o l a ，p h i l l i p s ，n e c 等公司生产了符合c a n 协议的通讯芯片【1 1 ，多家公司也 有相应的c a n 总线接口适配卡，这些产品接口简单，编程方便，实用性强，适合 国内目前的应用情况。1 9 9 3 年3 月，o a ( c a n i na u t o m a t i o n ) e i j 国际c a n 总线用 户及制造商协会在欧洲成立，其任务为制订修改c a n 的有关协议，解决c a n 应 用中的问题，提供c a n 总线的开发工具及产品，推广c a n 的应用。 c a n 总线目前己广泛应用于工业领域中的各个方面，已不再局限于汽车行业， 而是向机械制造、纺织机构、机器人、数控机床、医疗器械、建筑物管理与监控、 火车、传播、传感器测控等领域发展。在医疗器械方面，s 正m e n s 公司生产的基 于c a n 总线通信系统的c t 断层扫描仪，有效的解决了c t 功能单元之间需要进 行的大量的数据交换问题，改善了设备的性能。在传感器技术及数据采集系统领 域，r d 电子公司开发的数据采集系统c a n - - m d e ，可以直接通过c a n 总线和传 感器相连接，省去了中间环节，简化了系统。瑞士g r o s s d m a s c 髓r 电子公司 开发的带有c a n 总线接口的轴控系统a c s e 目前已成功应用于c n c 机床，通 过c a n 总线该系统一方面可以与上位机进行通信，另一方面通过c a n 总线该系 统可以对多台数字式伺服电机实行控制。此外，一些大公司，如a b 公司的d e v i c e n e t 及h o n e y w e u 公司的s d s 系统都是应用c a n 总线的产品 4 】。正是由于c a n 总线技术及其产品的可靠性与实用性，对于c a n 总线控制系统的研究和设计成为 江苏大学硕士学位论文 目前国际上研究的热点，研究工作也将向着更加深入的方向发展，而c a n 总线技 术也将更广泛的投入于实际应用。 我国的现场总线技术起步较晚，起点也较低。根据市场需求和现场总线技术 的发展趋势，国家自1 9 9 6 年起把现场总线智能仪表与系统作为关键技术列入科技 攻关计划，并争取至2 0 0 5 年实现基于现场总线技术的全数字系统的开发和商品化， 从技术上完成模拟现场仪表到基于现场总线的全数字开放自动化系统的转化，并 在以后进一步开拓现场总线技术包括c a n 总线技术在国内市场的应用。但从目前 情况看，现在基于c a n 总线技术的产品应用在我国仍处于起步阶段，一些c a n 总线控制器芯片的应用开发也有待继续发展，有关现场总线技术的智能仪表都以 国外产品为主，而且价格昂贵，国内产品的研制大都还处于起步阶段【l 】【4 】。 就c a n 总线智能节点的开发研制而言，其控制器所采用的算法一般都为p i d 控制算法，其智能性和精确性都相对较差【l 】，限制了现场总线的应用范围，对于一 些不能辨识数学模型的黑箱系统以及对象参数变化的时变系统表现的尤为明显。 因此，采用更加先进和智能的控制算法，对算法进行优化并进一步应用于c a n 总 线控制系统中，已经成为目前一项追切而重要的工作。神经网络控制算法不依赖 于控制对象的数学模型，是近几年发展起来的一种智能控制算法，在算法中，分 别取系统的误差、误差的变化和误差变化的平方作为输入的状态变量，每个变量 赋予不同的权值，并按照一定函数关系运算输出控制量，其中根据特定的学习算 法可以对权值进行自动的调整，以最终到达理想的输出结果。神经网络控制算法 具有自学习能力，控制精度高，自适应性比较强，其算法可由单片机系统来实现， 特别适合于参数不易辨识的黑箱系统以及对象参数变化的时变系统，己经在许多 领域得到应用并且取得了很好的效果闭。 随着我国对现场总线技术需求的增加以及现场智能设备技术的不断成熟与完 善，基于现场总线技术的产品将在国内得到更广泛的应用，c a n 总线也必然会成 一， 。 为国内最常用的现场总线之一，本课题结合神经网络控制算法详细阐述了c a n 总 线智能节点的设计开发，将对现场总线技术及其产品在国内的传播和发展产生积 极的影响。下面将简要介绍一下论文研究的主要内容。 4 江苏大学硕士学位论文 1 3 论文的主要内容 本论文研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 分析现场总线及其控制系统的特点和优点，阐述控制器局域网总线c a n 的通信协议、原理、特点和优点，分析其应用范围和前景。 ( 2 ) 作为c a n 智能节点的控制算法阐述了前向人工神经网络模型以及b p 算 法，论证b p 算法的收敛性并在此基础上改进完善了b p 神经网络控制算法。 ( 3 ) 详细论述c a n 智能节点的功能模块组成以及各模块的工作原理及接口 电路，完成c a n 智能节点的硬件电路设计，使之能挂接到c a n 现场总线上。 ( 4 ) 详细阐述基于单片机和p c 机的c a n 总线智能节点的软件设计，通过设 计可视化的操作软件，实现c a n 智能节点和上位机的通信功能。 ( 5 ) 通过对智能节点的硬件和软件设计，搭建一个简单的c a n 现场总线控 制系统，最终由上位机通过c a n 总线测控系统实现对现场双容水箱的液位控制。 5 江苏大学硕士学位论文 第二章现场总线技术及c a n 总线 2 1 现场总线简介 根据国际电工委员会i e c 标准和现场总线基金会f f 的定义：现场总线是连接 智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。同时 现场总线不单单是一种通信技术，也不仅仅是用数字仪表代替模拟仪表，关键是 用新一代的现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 代替传统的集散控制 系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ，实现现场通信网络与控制系统的集成。 2 1 1 现场总线控制系统的特点 以现场总线为核心的新一代现场总线控制系统f c s ( 如图2 1 所示) 相比于传 统的集散控制系统d c s ( 如图2 2 所示) ，在本质上具有以下六大特点【1 1 【2 1 ： ( 1 ) 现场通信网络：现场总线是用于过程自动化和制造自动化的现场仪表或 现场设备互连的现场通信网络。是c i p s ( 计算机集成过程系统) 和c i m s ( 计算 机集成制造系统) 的最底层。 ( 2 ) 现场设备互连：各种现场设备通过一对传输线互连，成为现场总线的各 个节点。 ( 3 ) 互操作性和互换性：在现场总线中允许不同厂商的现场设备互连、互换， 以组成用户所需的性价比最优的控制回路。 ( 4 ) 分散功能模块：现场总线控制系统f c s 是结构与功能高度分散的系统。 在结构上采用了全分布式方案，设备之间可点对点、点对多点或广播多种方式通 信；在控制功能上，连接到总线上的现场设备是智能化的，具有按照现场总线协 议、规范进行数字通信的能力，并且能够实现分散的功能模块，完成测量、控制、 ， d 通信的一体化。因此，f c s 废弃了d c s 的控制站及其输输出单元，从根本上改 变了d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体系，通过将控制功能高度分散到现 场设备这一途径，实现了彻底的分散控制。由于功能块分散在多台现场仪表中， 并可统一组态，因此用户可以灵活的选用各种功能块，构成所需控制系统，实现 彻底的分散控制，从而有效的提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。 6 江苏大学硕士学位论文 ( 5 ) 开放式系统：现场总线为开放式互联网络，既可与同层网络互连，也可 与不同层网络互连，实现了网络数据库的共享。 ( 6 ) 数字化：现场总线是数字通信网络。在现场总线控制系统中，同层的或 不同层的总线设备之间均采用数字信号进行通信。而传统的d c s 则是半数字化， 只在操作站与控制站之间是数字化通信，而现场仪表与控制站中的输入输出单元 之间采用的是一对一的模拟信号输出。 图2 1 传统d c s 控制层 f i g 2 1 t h et r a d i t i o n a ll a y e ro f d c s 2 1 2 现场总线的通信模型 图2 2 现场总线f c s 控制层 f i g 2 2 t h el a y e ro f f c s 现场总线作为现场级通信网络，是连接现场智能设备和上层局域网l a n 的通 信纽带。现场总线网的设计是整个系统设计的关键。国际标准化组织i s o 建立的 开放系统互连参考模型，简称o s i 参考模型( 如图2 3 所示) ，是为实现开放系统 互连建立的分层模型，同时为异质计算机互连提供了一个基础和标准框架。 i s o o s i 参考模型其体系结构共有7 层，从下往上分别为：物理层、数据链路层、 网络层、传输层、会话层、表达层及应用层。作为工业控制现场底层网络的现场 总线，必须符合工业控制实时性的要求，为此，国际电工委员会美国仪表学会 ( 正c i s a ) 在以i s o ，o s i 参考模型的基础上，综合了多种现场总线标准，最终采 用了简化的o s i 模型作为现场总线网通信模型，如图2 4 所示。通过比较这两种通 信模型可知：现场总线通信模型在结构上比i s o o s i 模型更简单，减少了中间层 次，这主要是针对工业过程的特点，使数据在网络流动中减少环节，进而加快数 据传递速度，达到网络通信和数据处理的实时性要求。 江苏大学硕士学位论文 作为具体的现场总线，其现场通信网模型与i e c i s a 所定义的标准模型又有 一些差别，下面将简单的阐述目前几种常用的现场总线。 用户 用户 a p p l i c a t l 0 n妤p l i c a t l 0 h 应用层应用层 p r e s e n t a t i o no r e s e n t a t l 0 n 表达层表达层 s e 5 s 1 0 ns e s s i o n 会话层会话层 t r a h s p o r tt r a n 5 p o r t 传送层传送层 h e t l i l 【艇t 们雕 阿络层阿络层 d a t a l i n kd a t a l i n k 数据链路层数据链路层 p h y s i c lp h y s i c l 物理层物理层 物理介质。 l () i s 0 o s i 参考梗型图 图2 3l s o o s i 参考模型图 f i g 2 3 t h em o d e lo f i s o o s i 2 1 3 几种常用的现场总线 用户 用户 p p l i c a t i o n a p p l i c a t i o n 应用层 应用层 d a t a l i n kd a t a l i n k 数据链路层 数据链路层 p h y s i c 虬 p h y s i c l 物理层物理层 r 物理介质。 l () i e c i s a 现场总线参考模型图 图2 4 c i s a 现场总线参考模型图 f i g 2 4 t h ef c sm o d e lo f 难c i s a 由于各国的标准化组织、各大公司、技术协会以及i e c 和i s o 对现场总线技 术标准化工作的关注，使得现场总线的国际标准化呈现出复杂的局面。目前已经 开发出了4 0 多种现场总线，其中最具影响的有五种【1 】【2 】，分别是f f 、p r o f i b u s 、 h a r t 、l o nw o r k s 和c a n 现场总线。 ( 1 ) f ff f o u n d a t i o nf i e l d b l l s ，基金会现场总线) ，其前身是以美国f i s h c r 一 ，r o s e m o u n t 公司为首，联合西门子等8 0 家公司制订的i s p 协议和以h o n e y w e l l 公 司为首，联合欧洲1 5 0 多家公司制订的w o f l d f w 协议。迫于用户需求的压力，两 大集团于1 9 9 4 年进行了合并，成立了现场总线基金会f f ，致力于开发国际上统一 的现场总线协议。f f 的体系结构参照i s o o s i 模型的第1 、2 、7 层协议，即物理 层、数据链路层和应用层，另外增加了用户层，定义了信息存取的统一规范，这 是f f 的关键特点。 8 江苏大学硕士学位论文 f f 提供了两种物理标准：h 1 和h 2 。h 1 为用于过程控制的低速总线，速率为 3 1 2 5 k b p s ，传输距离为2 0 0 m 、4 0 0 m 、1 2 0 0 m 和1 9 0 0 m 四种。i - l 2 的传输速率可为 i m b p s 和2 5 m b p s 两种，其通信距离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传输介质可支持 双绞线、同轴电缆和光纤，协议符合i e c l1 5 8 - 2 标准。介质访闯方式：主从、令牌 方式。 ( 2 ) p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) ，作为德国国家标准和欧洲国家标准的现 场总线标准，该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。 p r o f i b u s 由三部分组成：p r o f i b u s - - d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ，分布式外设) ， p r o f i b u s f m s ( f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ，现场总线信息规范) 和 p r o f m u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ，过程自动化) 。d p 用于制造行业从站之间 的通信；f m s 用于主站之间的通信；p a 用于过程行业从站之间的通信。p r o f m u s 的网络协议以i s o 0 s i 参考模型为基础，对第3 6 层进行了简化，取其物理层和 数据链路层协议。其中f m s ( 应用层协议) 定义了应用层( 第7 层) 的内容，物理层采 用r s - 4 8 5 标准通信规范，传输介质为双绞线；p r o f i b u s 链路层又称f d l ，它采 用混合介质存取方式，即主站间按令牌方式，主站和从站间按主从方式工作。 ( 3 ) h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ，可寻址远程传感器数据 通路) h a r t 由美国r o s e m o u n t 公司于1 9 8 9 年推出，主要应用于智能变送器。h a r t 作为一过渡性标准，它通过在4 2 0 m a 电源信号线上叠加不同频率的正弦波 ( 2 2 0 0 h z 表示“0 ”，1 2 0 0 h z 表示“l ”) 来传送数字信号，从而保证了数字系统和 传统模拟系统的兼容性。介质访问控制方式为主从、令牌方式。 ( 4 ) l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ，局部操作网) ，由美国e c h e l o n 公 司在1 9 9 1 年推出。l o n t a l k 采用全部7 层协议，介质访问方式为预测p 坚持c s m a ( 预测p 一坚持载波监听多路复用) ，其最大传输速率为1 5 m b p s ，传输距离为2 7 0 0 m ， 传输介质可以是双绞线、光缆、射频、红外线和电力线等，主要构建大型网络控 制系统。由e c h e l o n 公司推出的n e u r o n 神经元芯片实质为网络型微控制器，内含 3 个8 位微处理器，分别负责介质访问控制、网络处理和应用处理。该芯片强大的 网络通信处理功能配以面向对象的网络通信方式，大大降低了开发人员在构造应 用网络通信方面所需花费的时间和费用，而可将精力集中在所擅长的应用层进行 控制策略的编制，因此目前l o n w o r k s 总线也是一种很流行的现场总线。基于 9 江苏大学硕士学位论文 l o n w o r k s 的总线产品有美国a c t i o n 公司的f l e x n e t & f l e x l i n k 等。 ( 5 ) c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k 控制器局域网络) ，最早用于汽车内部测量 与执行部件之间的数据通信，逐步发展到用于其它工业部门的控制。c a n 结构模 型取i s o o s i 模型的第l 、2 、7 层协议，即物理层、数据链路层和应用层。c a n 总线通信采用广播方式并带有冲突检测、多主节点以及基于报文的数据传送方式。 对于c a n 节点可进行优先级设定，c a n 的信号传输采用短帧结构，节点严重错 误时，具有自动关闭的功能，具有较强的抗干扰能力，实时性好。有关c a n 的内 容将在下一节做详细的说明。 、 2 2 控制器局域网总线c a n c a n 是由德国b o s c h 公司于2 0 世纪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数据通信协议。由于其卓越的性能， 极高的可靠性和独特的设计，c a n 在以后的几十年间越来越受到业界的重视，在 国内外的应用范围也在不断的扩展，成为目前公认的最流行也是最有前途的现场 总线之一。目前支持c a n 协议的有i n t e l ，m o t o r o l a ，p h i l i p s ，s i e m e n s ，n e c ，s i l i o n i ， h o n e y w e l l 等百余家国际著名大公司。 2 2 1c a n 协议介绍 目前最新的c a n 协议是c a n v e r s i o n 2 0 版【5 1 6 1 ，它由a 和b 两部分组成，2 0 a 是基于c a n 的标准帧格式，2 o b 则在此基础上增加了c a n 的扩展帧格式的定义， 该协议的制订解决了c a n 总线通信报文的标准化问题。同时为了能在任何两个 c a n 仪器之间建立兼容性，进一步达到设计的透明度和c a n 总线实现的灵活性， 根据i s o o s i 的参考模型，c a n 协议采用了七层架构之中的物理层、数据链路层 和应用剧6 】川。具体的分层结构如图2 5 所示。 1 物理层p l ( p h y s i c a l l a y e r ) ”一。 物理层定义信号怎样进行发送，涉及位定时、位编码及同步的描述，具体划 分为： ( 1 ) 物理信令( p l s ：p h y s i c a ls i g n a l i n g ) ：实现位编码解码、位定时和同步的 功能； ； 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 物理媒体附属装置( e m a ：p h y s i c a lm e d i u m a t t a c h m e n t ) ：用于实现总线发 送接收功能的电路等。 ( 3 ) 媒体相关接n ( 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 ) , 提供一些连接器，实 现媒体之间机械和电气的接口等。 图2 5c a n 的分层结构和功能 f i g 2 5 t h el a y e rs t r u c t u r ea n df u n c t i o no f c a n 2 数据链路层d l l ( d a t al i n kl a y e r ) 按照i e e e 8 0 2 2 和8 0 2 3 标准，数据链路层划分为：逻辑链路控制( l l c ，l o g i c l i n kc o n t r 0 1 ) 子层和媒体访问控制 i a c ：m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 子层。 ( 1 ) l l c 子层：主要功能由报文滤波、超载通知和恢复管理三部分组成。 报文滤波：总线上的数据以报文方式进行传输，同时总线每个节点都带有报 文标识符i d 寄存器和屏蔽寄存器，节点在接收报文时，通过判断标识符i d 表达的 数据含义是否和节点屏蔽寄存器表达的功能相同，相同则接收，否则就不接收该 报文。 超载通知：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， 则可以通过l l c 子层开始发送超载帧，最多可通过产生两个超载帧以达到延迟下 个数据帧或远程帧的目的。 江苏大学硕士学位论文 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，在发送完成前，其它帧发送服务不被认可。 ( 2 ) m a c 子层：m a c 子层主要负责报文分帧、帧编码、仲裁、错误监测、 标定以及应答，是c a n 协议的核心。m a c 子层把接收到的报文提供给l l c 子层 并接收来自l l c 子层的报文。同时，m a c 子层也被称为是“故障界定”的一个管 理实体监控。这种“故障界定”是一种自检测机制，通过它可以区别永久故障和 短时扰动。有关m a c 子层的具体内容将在下面的内容中作详细阐述。 3 应用层a l ( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 应用层是o s i 模型的最高层，实现的功能分为两大部分：用户应用进程系统 和应用管理进程。应用管理进程管理系统资源，如优化分配系统资源和控制资源 的使用等。由管理进程向系统各层发出下列要求：请求诊断，提交运行报告，收 集统计资料和修改控制等。应用层协议的提出使得用户可以制订出更好的适合自 己工业领域的方案。对于c a n 总线，目前已有的基于o s i 标准的应用层协议是； o p e nc a n 协议和d e v i c e n e t 协议等。这些协议都极大的帮助用户更方便的实现信 息之间的交换和管理。 2 2 2c a n 报文帧介绍 1 术语解释 帧：数据链路层的传输单位。对于冗长的报文通常要按一定的要求分块，即 代码块，传输这些代码块时，要加上头尾两部分，把代码块加在中间，就构成了 “帧” “隐性”位及“显性”位：总线上的两种互补逻辑数值，在“显性”位与“隐 性”位同时发送期间，总线上将是“显性”位。 2 报文帧的类型及格式 ”c a n 总线通信以报文的方式进行传输，而数据在节点之间的报文传输由四种 不同类型的帧表示和控制【6 】，分别为数据帧、远程帧、错误帧和超载帧。其中数据 帧和远程帧可以使用标准帧和扩展帧两种格式，它们借助一个帧间空间与前面的 帧进行分隔。以下将对这几种帧的格式做详细的介绍。 ( 1 ) 数据帧( d a t a f r a m e ) 江苏大学硕士学位论文 传输数据