（控制理论与控制工程专业论文）车载网络控制系统及基于can的电喷节点的研究.pdf

摘要 摘要 随着我国铁路的跨越式发展，一次又一次的提速，对控制的要求也越来越高，单靠 人工进行控制已是不可能的了。列车网络应运而生，在国外已经大量应用，而在我国国 内还仍然处于少量试验阶段。同样，在汽车领域，人们对于安全性和舒适性的要求也在 迅速增长。汽车上的e c u ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ，电子控制单元) 也越来越多，他们 的协调工作以及信息共享都需要利用网络来解决。 本文以车载网络为主线，介绍了车载网络产生的必然性以及车载网络的概念和优 点，并对流行于列车和汽车上的几种总线进行了说明，使读者对于车载网络的发展有一 个简单的了解。之后，选择应用最广泛的并且作为现场总线一个标准的c a n 总线作为 研究对象，对其技术规范和应用层进行了研究。 在理论研究的基础上，选择了采用m m b 集成开发环境对具有c a n 通信功能的柴 油机电喷e c u 进行了组态开发，并利用l a b v i e w 强大的图形界面功能绘制了一个具有 良好人机界面的e c u 状态监控界面。经实际试验，基本上达到了预期的目标。 e c u 作为车载网络中的一个组成部分，它的开发对下一步进行更全面的试验打下了 坚实的基础。 关键词：车载网络；c a n 总线；m m b 集成开发环境；e c u 大连交通大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h es p a n i n gd e v e l o p m e n to fo u rr a i l w a ya n di t ss p e e d i n gu po n c em o r ea n d m o r e ，s t r i c ta n da d v a n c e dc o n t r o ls t y l ei sr e q u i r e d ，i ti si m p o s s i b l et ob er e a c h e db y m a n 。o p e r a t i o n t r a i nn e t w o r ki sa p p e a r e d ，a n di th a sb e e na p p l i e dw i d e l ya b o a r d ，b u tj u s ta t t h eb e g i n n i n gi no u rc o u n t r y s i m i l a r l y ，m o r e s e c u r i t ya n dc o m f o r t n e s sa r ed e s i r e di n a u t o m o b i l ed o m a i n t h e r ea r em o r ea n dm o r ee c u s ( e l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t s ) w h i c hw o r k t o g e t h e ra n ds h a r ei n f o r m a t i o nu t i l i z i n gn e t w o r k w 仙o n - b o a r dn e t w o r ka sm a s t e r s t r o k e ，t h ei n e v i t a b i l i t yo fi t sa p p e a r i n ga n di t sc o n c e p t a n df e a t u r ea r ei n t r o d u c e d b e s i d e s ，k i n d so fp o p u l a rb u s e sa r ei l l u m i n a t e dt oe n a b l et h e d e v e l o p m e n to fo n - b o a r dn e t w o r km o r ec l e a rf o rr e a d e r s t h e nc a nb u sw h i c hi sa p p l i e d v e r yw i d e l ya n di so n es t a n d a r do ff i e l d b u s e si ss e l e c t ，a n di t ss p e c i f i c a t i o na n da p p l i c a t i o n l a y e ra r er e s e a r c h e d o nt h eb a s eo ft h e o r e t i c sr e s e a r c h ，d i e s e le f i ( e l e c t r o n i cf u e li n j e c t i o n le c u 丽t hc a n c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o ni sd e v e l o p e du t i l i z i n gm m b i n t e g r a t e dd e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t a u s e r - f r i e n d l yh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ei sd r a w nw i t hl a b v i e ww h i c hh a sp o w e r f u lg r a p h i c a b i l i t y e x a m i n a t i o n sa r ec a r r i e do u ta n dt h er e s u l ti sa c c o r d i n g 、历t l la n t i p a t i v eg o a l a so n e p a r to fo n - b o a r dn e t w o r k t h ed e v e l o p m e n to fe c u w i ub e c o m es t a b l eb a s ef o r f u r t h e re x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：o n - b o a r dn e t w o r k ：c a nb u s ；m m bi d e ：e c u 绪论 绪论 随着电子技术、计算机技术、通信技术以及控制技术的发展，现在的列车和汽车已 经逐渐步入了网络化时代。我国铁路的跨越式发展，一次又一次的提速，速度越来越快， 2 5 0 k m h 的速度需要列车性能的整体提高，在控制方面也已网络化。但是与国外相比， 我们还存在着很大的差距。汽车上的控制网络也随着控制要求和e c u 的增加也变得更 加必要。无论是列车还是汽车上的控制网络，他们都有一些相似的地方，所以我们这里 统称为车载网络。 车载网络系统可以实现信息共享、减少布线、降低成本和提高总体可靠性。通常的 车载网络系统采用多条不同速率的总线分别连接不同类型的节点，并通过网关服务器来 实现整车的信息共享和网络管理。车载网络的主要优点有结构配置的灵活性、系统开发 的方便性、信息使用的一致性、降低成本的可行性、功能扩充的现实性、自我诊断的完 善性等等。 国外比较流行的有这么几类列车网络：t c n 网络、l o n w o r k s 网络、以太网、4 8 5 、 c a n 以及w o r l d f i p 等。汽车上的网络也是多种多样，像c a n 、v a n 、j 1 8 5 0 、f l e x r a y 、 m o s t 等都在整车或者是部分功能领域有着一定的应用。但是国内现在仍然没有能够完 全掌握车载网络的核心技术。从上面的介绍可以知道，c a n 是同时用于列车和汽车上 的一种协议，除此之外，c a n 在过程控制中的应用已经十分成熟。 在国内，也有多所科研院校对车载网络进行着研究。大连理工大学、中国北车集团 电力牵引研究开发中心等在t c n 网络方面都研制出了代表先进技术的可以应用于实际 的系列产品。武汉理工大学等则在汽车电控及网络控制方面有着较深的研究。 电子技术在汽车发动机及整车上的广泛应用，使得汽车在各种工况下始终处于最佳 的工作状态，各项性能指标都得到了较大改善，例如燃油消耗降低、动力性提高、排气 污染减少，并大大提高了汽车工作的可靠性、安全性和乘员舒适型。电子技术可使汽车、 道路、环境和乘员之间形成一个完整的系统网络，这是采用任何机械的办法都无法达到 的。 电子装置运行极为精确，并且本身不会磨损。若把电子技术应用于汽车控制与监测， 利用其自学习功能和一些闭环控制，使生产中、运行中产生的一些错误受到严格控制， 这将改善汽车的功能效用，并能延长汽车的维修周期和使用寿命。 电子装置的通用性较好，各种传感器、报警器、计算机系统软件等，比机械部件更 容易换装到各种车辆上。 大连交通大学工学硕士学位论文 随着电子技术的发展，电子电路集成化程度越来越高，因而电子装置具有体积小、 重量轻、故障率低、使用方便等优点。并且随着高新技术的飞速发展，电子产品的价格 不断下降，品种越来越多，产量越来越大，因而电子装置在各个领域都得到了广泛应用。 本论文主要研究了列车和汽车上的一些比较流行的网络技术，并把c a n 总线技术 作为一个突破口，依托大连三合仪表开发公司成熟的m m b 集成开发平台进行了具备 c a n 接口的柴油机电喷控制器e c u 的设计和调试工作，达到了预期的目标。 第一章车载网络及常用的总线 1 1 车载网络 第一章车载网络及常用的总线 1 1 1 车载网络的概念 车载网络是指能使用电气或电子媒介发送或接收信息的控制模块和接线。有些网络 允许电子模块共享输入信息，让多个模块一起工作，实现复杂的控制。网络的使用也提 高了列车或汽车的自诊断能力【lj 。 1 1 2 车载网络的优点 车载网络系统可以实现信息共享、减少布线、降低成本和提高总体可靠性 2 】。通常 的车载网络系统采用多条不同速率的总线分别连接不同类型的节点，并通过网关服务器 来实现整车的信息共享和网络管理。 车载网络系统具有以下优点： ( 1 ) 结构配置的灵活性。容易针对不同的汽车电子设备在无需重新设计整个系统的 前提下，进行组成结构的配置就可使用或扩展其功能。 ( 2 ) 系统开发的方便性。系统所有软硬件均是通用器件，便于设计人员的开发和升 级。 ( 3 ) 信息使用的一致性。子系统均使用同一信息( 或数据) ，既能减少传感器数量， 又可提高子系统的控制精度。 ( 4 ) 降低成本的可行性。减少所需传感器、导线束及接插件的数量，减轻安装工作 量、降低生产成本。 ( 5 ) 功能扩充的现实性。可在不增加硬件的情况下，扩充子系统功能，易于大量资 料的流通交换。 ( 6 ) 自我诊断的完善性。使车载电子设备的自我诊断更加完善。 1 2 应用于列车网络的几种总线 随着铁路运输中动车组的兴起和计算机控制技术的进步，列车通信网络也蓬勃发 展。在动车组的动车和拖车上都设有许多由计算机控制的部件，列车通信网络就是将它 们互相联网通信，实现资源共享和完成列车控制功能1 3 】。国际上各大厂商如瑞士的 a d t r a n z 、德国的s i e m e n s 、意大利的a n s a l d o 等都开发了自己的总线控制系统。然 而，由于不同的系统不能兼容，给整个铁路总设备的互连造成了很大困难。这就促使了 相应标准的产生。 大连交通大学工学硕士学位论文 国际上现在已经制定了2 个相应的标准：美国电气与电子工程协会i e e e l 4 7 3 ：19 9 9 列车通信协议及国际电工委员会i e c 6 1 3 7 5 1 ：1 9 9 9 铁道电气设备列车总线第1 部 分：列车通信网络( t c n ) 【4 】。前者包含了两种类型的列车通信网络：t 型和l 型。 t 型即为i e c 6 1 3 7 5 1 ：1 9 9 9 规定的t c n 型1 5 , 6 , 7 1 ：l 型为美国电子工业协会e i a 7 0 9 1 ：1 9 9 8 控制网络协议规范及e i a 7 0 9 3 ：1 9 9 8 自由拓扑双绞线信道规范规定的l o n w o r k s 型【引。 t 型在国外已大量使用，主要用在西欧电动车组上；而l 型主要用在美洲内燃动车 组上【9 】。 而在国内，列车上的网络控制系统虽然发展的比较缓慢，但也紧紧跟随国际上先进 水平的步伐，制定了铁标t b b 列车通信网络【1 0 , 1 1 】。该标准推荐使用t 型网络，同时也 保留了l 型网络一定的使用空间i l2 。在动车组上，l o n w o r k s ，f s k ( a d t r a n z ) ，t c n 都 已有一定数量的应用【l 引。 下面简单地介绍列车上常用的几种总线。 1 2 1t c n t c n 网络是由绞线式列车总线w t b 和多功能车辆总线m v b 组成的两级总线结构。 w t b 连接各个车辆( 或单元) 中的节点( 网关) ，可以用于实现列车的动态编组；m v b 连接同一车辆( 或单元) 内的各个由计算机控制的部件【l 训。w t b 适用于2 2 节列车、长 度5 8 6 0 m 、3 2 个节点，介质为符合u i c 5 5 8 规定的双绞屏蔽电缆，波特率为1 m b p s 。m v b 可连接2 5 6 个设备、4 0 9 5 个逻辑端口，介质为电缆或光纤，波特率为1 5 m b p s 。w t b 是目前唯一能对非固定编组列车自动组态的列车总线【1 5 1 。w t b 和m v b 之间的数据需 经t c n 网关才能相互传输。 首列2 0 0 k m h 国产化动车组c r h 5 “和谐 号就是采用国际t c n 标准的列车网络 控制系统，实现了列车的智能化自动控制和状态监测【l 酬。 1 2 2l o n w o r k s 它由美国e c h e l o n 公司推出，它采用i s o o s i 模型的全部7 层通讯协议，采用面向 对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电 缆、光缆和红外线等多种通信介质，并开发了本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。 采用l o n w o r k s 技术和神经元芯片的产品，被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保 安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。 4 第一章车载网络及常用的总线 当用于列车网络时，l o n w o r k s 网络用于连接一个基本运转单元( l v b ) 或一组基 本运转单元内的电子装置，传送时间不太紧迫、时问不要求确定的由事件驱动的消息数 据，只适用于编组固定的列车。 1 2 3w o d d f i p w o r l d f i p 是法国f i p 公司在1 9 8 8 年最先推出的现场总线技术。实际上，w o r l d f i p 最早提供了现场总线网络的基本结构，使现场总线系统初步具有了信息化的技术特征。 w o r l d f i p 的基本技术特点如下【】刀。 ( 1 ) 系统内部采用统一的通信协议。 ( 2 ) 实现了o s i 参考模型中的物理、数据链路和应用3 层结构。 ( 3 ) 符合i e c l1 5 8 2 的总线逻辑和令牌方式。 ( 4 ) 使用光纤时数据传输速率为5 m b s ；使用双绞线时数据传输速率为3 1 2 5 k b s ， 1 m b s 和2 5 m b s ，其速率与通信距离的关系。 ( 5 ) 每段可连接3 2 个设备节点，最多可连接4 段。 ( 6 ) 可选冗余通信线路。 ( 7 ) 支持分时变量和消息，具有6 4 0 0 0 个区分标志。 ( 8 ) 变量长度为2 b - - - 1 2 7 b ；消息长度为2 5 6 b 。 ( 9 ) 支持制造商消息服务( m m s ) ，最大消息长度可达6 4 k b 。 ( 1 0 ) 没有提供d d l ，互操作性依赖与生产厂家协会做出的行业规定。 1 2 4f s k a d t r a n z 公司的f s k ( 频移键控) 总线已经大量用于列车总线，它符合w t b 协议， 能自动进行初运行，识别车辆朝向和编号，可用于非固定编组列车。但他的物理层与 w t b 不同，传递的编码“0 为1 4 9 1 k h z ，“1 为1 7 9 0 k b p s ，一个节点的通信周期为 7 0 m s ，1 0 个数据字节。速率低是f s k 的主要缺点。 1 3 应用于汽车网络的几种总线 随着汽车燃油电喷、电动门窗、电动座椅等电控系统的增加，如果仍采用常规的布 线方式，即电线一端与开关相接，另一端与用电设备相通，将导致汽车上电线数目急剧 增加。目前，一根线束包裹着几十根电线的现象很普通。在一些高级轿车上，电线的质 量占到整车质量的4 左右。电控系统的增加虽然提高了轿车的动力性、经济性和舒适 性，但随之增加的复杂电路也降低了汽车的可靠性，增加了维修的难度。尤其是在追求 汽车小型化及实用化的今天，粗大的线束不但占用了汽车上宝贵的空间资源，而且也越 大连交通大学工学硕十学位论文 来越难以安装它的隐蔽位置。目前，汽车新技术的发展应用与汽车线束根数及线径急剧 增加的矛盾相当突出。因此，越来越多的电子控制单元( e c u ) 将被引入到汽车中。目 前，在高端汽车中一般会有5 0 个以上的e c u 。为了使这些e c u 能够在一个共同的环境 下协调工作，也为了进一步降低成本，人们设计了针对汽车通信网络的总线协议【1 8 】。 早在8 0 年代，众多国际知名的汽车公司就积极致力于汽车总线技术的研究及应用， 如博世的c a n 、s a e 的j 1 8 5 0 、马自达的p a l m n e t 、德国大众的a b u s 、美国商用机 器的a u t o c a n 、i s o 的v a n 等。目前，国外的汽车总线技术已经成熟，采用总线系 统的车辆有b e n z 、b m w 、r o r s c h e 、r o l l s r o y c e 、j a g u a r 、v o l v o 等。国内 完全引进技术生产的奥迪a 6 车型已于2 0 0 0 年起采用总线替代原有线束，帕萨特b 5 、 b o r a 、p o l o 、f i a tp a l i o 和s i e n a 等车型也都不同程度地使用了总线技术【1 9 1 。此 外，部分高档客车、工程机械也都开始应用总线技术。 一般来说，汽车通信网络可以划分成四个不同的领域，每个领域都有其独特的要求。 现有的主流总线协议都无法适应所有的要求： 信息娱乐系统：此领域的通信要求高速率和高带宽，有时会是无线传输，目前主流 应用协议有m o s t ，正在推出的还有i d b 1 3 9 4 等： 高安全的线控系统( x b y w i r e ) ：由于此领域涉及安全性很高的刹车和导向系统， 所以它的通信要求高容错性、高可靠性和高实时性。可以考虑的协议有t t c a n 、 f l e x r a y 、1 v r p 等； 车身控制系统：在这个领域c a n 协议已经有了二十多年的应用积累，其中包括传 统的车身控制和传动装置控制； 低端控制系统：此系统包括那些仅需要简单串行通信的e c u ，比如控制后视镜和车 门的智能传感器以及激励器等。 下面简单介绍了常用的和正在逐渐推出的几种汽车总线。 1 3 1c a n c a n ，全称为“c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛 的现场总线之一，关于c a n 的详细介绍请参见下一章。 c a n 被用在车载各电子控制装置e c u 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比 如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入c a n 控制 装置f 2 0 1 。 c a n 在全世界的应用范围十分广泛，它的下一代协议t t c a n 和f t t c a n 更增加 了c a n 的实时性。 6 第一章车载网络及常用的总线 t t c a n ( t i m e t r i g g e r e dc a n ) 是对c a n 扩展而形成的实时控制协议，它在c a n 的物理层和数据链路层上添加了一个会话层。1 v r c a n 已被国际标准化组织接收为 i s 0 1 18 9 8 - 4 规范j 。 在t t c a n 的通信中，报文的传输是按照时间顺序进行的。在通信过程中，各节点 在总线时间轴预先规定好的时刻点上访问总线，可以预知总线活动的调度，这与传统 c a n 的载波监听多路访问方式对总线活动的不可预知性有很大的不同。 t t c a n 协议基于汽车控制领域广泛应用的c a n 总线技术。针对c a n 总线在媒体 访问方式上不能确定最大传输延迟时间的问题，t t c a n 通过时间触发的方式，较好地 解决了报文的实时传输，同时兼顾传统的c a n 所具备的非破坏性总线仲裁技术。 为了更灵活地调度时间触发通信，有人提出了灵活时间触发c a n 协议，即f t t c a n ( f l e x i b l et t c a n ) 。f 1 v r c a n 的最大优点是它能在线修改时间触发通信要求，如添 加新报文、删除已有报文、调整通信参数等。 f t t - c a n 采用面向基本周期而不面向每个报文的方式，减少了报文头的比重，有 效地利用带宽，同时触发报文中提供网络调度信息，能在线修改网络策略，特别适合于 子系统之间异步访问总线的情况，如导航控制和a b s 。 1 3 2v a n 由法国标致雪铁龙汽车集团与雷诺汽车公司和j a e g e r 公司联合开发，主要应 用于车身系统，在通信速率要求方面已进一步优化。v a n 网协议【ij 是一种只需要中等通 信速率的通信协议，尤其适用于车身功能和车辆舒适性功能的管理。实际上，许多功能 都要求从发出指令到有所行动，这段反应时间大约是l o o m s 。二进制v a n 网所使用的 编码要么是n r z 编码，要么是曼彻斯特( m a n c h e s t e r ) 编码。 1 3 3b y t e f l i g h t b y t e f l i g h t 是b m w 公司发布的总线标准，主要应用于安全气囊、安全带等高性能 汽车控制领域和一些航空领域【2 1 1 。 b y t e f l i g h t 的数据通信采用f t d m a 灵活时分多路访问( f l e x i b l et d m a ) 媒体访问 方式。一个同步主控制器周期性地发送同步脉冲，网络上的其他节点基于此脉冲同步本 地时钟。连续的两个同步脉冲时间间隔是一个周期，每周期为2 5 0 1 x s 。 b y t e f l i g h t 根据报文的高、低优先级各自称为“同步 和“异步 报文。每个周期 被划分为时间片，用于传输“同步 报文，剩余时间用于传输所谓低优先级的“异步 报文。 7 大连交通大学工学硕士学位论文 “同步报文每周期都被发送，保证了安全临界信息的周期性、实时性，而大量的 “异步 报文根据需要偶尔才发送，这样可以有效地利用带宽，提供各类信息的传输， 在通信调度中具有了灵活性。 1 3 4f l e x r a y f l e x r a y 是为高速数据传输和高级控制应用而设计的故障容错协议，具有全局时间 同步、实时数据传输和时间触发通信等特点。 f l e x r a y 在通信方式上继承了b y t e f l i g h t 的一些特性，部分采用了b y t e f l i g h t 的数据 链路层协议规范，主要用于f l e x r a y 动态段的事件触发报文的传输。f l e x r a y 的通信调 度分为4 个层次：通信周期层、仲裁网格层、宏瞬时层和微瞬时层。每个通信周期由静 态段、动态段、符号窗口和网络空闲时间构成。静态段负责传输控制参数等周期性实时 信息，动态段则用于发送事件触发的非实时信息( 如诊断数据等) ，符号窗口中可包括 系统的状态信息( 如正常或报警状态等) ，对通信控制器调度网络活动提供信息，空闲 时间则用于日后系统的扩展。 f l e x r a y 的通信方式兼顾了时间触发( 静态段) 和事件触发( 动态段) 报文的处理。 其中静态段的传输机制类似于t t p c ，并提供最多2 4 6 字节的数据帧，而动态段基本采 用了b y t e f l i g h t 的基于优先级的时间触发报文传输方式【2 。 1 3 5l i n l i n ，全称为“l o c a li n t e r c o n n e c tn e t w o r k ”，始创于1 9 9 8 年，由a u d i 、b m w 等7 家汽车制造商及m o t o r o l a 集成电路制造商联合提出，专为降低汽车成本而开发的一种总 线系统，它是现有汽车c a n 网络功能的补充。在现代汽车改革方面，l i n 也是较为普 遍使用的一种总线，它作为c a n 总线的补充，可有效地降低汽车制造成本。l i n 提升了 系统结构的灵活性，并且无论从硬件还是软件角度而言，都为网络中的节点提供了相互 操作性，并可预见获得更好的e m c ( 电磁兼容) 特性。主要用于汽车外围设备的网络 连接，应用最多的是灯光照明、车窗座椅、电动天窗等的控制传输【2 0 】。 本章小结 本章首先对车载网络的概念和优点进行了阐述，指出了车载网络在世界上的飞速发 展。之后，则在查阅大量资料的基础上分别介绍了流行于列车和汽车车载网络中的几种 总线，使读者能够对车载网络的发展有一个初步的认识。 8 第二章现场总线和c a n 总线技术 第二章现场总线和c a n 总线技术 c a n 总线是现场总线基金会确定的现场总线的一个标准，我们有必要对现场总线 做一简单介绍。 2 1 现场总线 2 1 1 现场总线的产生和发展趋势 7 0 年代中期，工业过程控制仪表由原来的四线制，发展成为统一的两线制4 - - 一2 0 m a 标准信号。这大大地方便了用户，促进了工业过程控制系统的发展。 从8 0 年代开始，随着微电子学的发展，导致含有微处理器的智能变送器、控制器 和集散系统( d c s ) 的普遍应用。这些智能化的现场设备可以直接完成许多控制功能，这 也正是智能化仪表的显著特点之一。因此，现场设备与基于微处理器的控制室自动化设 备间待传输的信息量急剧增加。原有的4 2 0 m a 模拟直流回路，只能在一根两芯电缆中 单向传输一个参数。所以，4 2 0 m a 这种信号标准已成为当前控制系统发展的主要瓶颈。 为此，在现场设备和控制系统之间，迫切需要一种全数字化的、双向、多变量的通信规 程，来代替正在流行着的4 2 0 m a 单变量、单向模拟传输方式。各个厂家为此都进行了 大量的工作，它们各自采用了不同的手段、不同的信号标准，结果导致了智能化工业控 制仪表的不兼容1 2 2 。 鉴于这种情况，国际电工技术委员会( i e c ) 从1 9 8 5 年即开始着手制订国际性的智能 化现场设备和控制室自动化设备之间的通信标准，并命名为“f i e l d b u s ”即现场总线。 现场总线控制系统( f c s ) 是基于现场总线技术的计算机控制系统，它是集计算机技 术、网络技术和控制技术为一体的先进的计算机控制系统，是一种全分散、全数字、全 开放的控制系统。它适用于工业过程控制、制造业及楼宇自动化等领域，将逐渐成为计 算机控制系统的主流形式。 现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它把作为网 络节点的智能设备连接成自动化网络系统，实现基础控制、补偿计算、参数修改、报警、 显示、监控、优化的综合自动化功能。是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、 网络为主要内容的综合技术【2 3 】。 智能仪表【2 4 】的出现为现场信号的数字化提供了条件，但不同厂商提供的设备通信标 准不统一，束缚了底层网络的发展。现场总线要求不同的厂商遵从相同的制造标准，组 成开放的互连网络是现场总线的发展趋势。 9 大连交通大学工学硕士学位论文 2 1 2 现场总线的定义 根据i e c 标准和现场总线基金会的定义，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。现场总线控制系统是在现场总线的基 础上发展起来的，它所带来的改进首先体现在现场通信网络方面，其次在结构、装置、 功能等方面也有优势。 2 1 3 现场总线的技术特点 现场总线的技术特点有： ( 1 ) 网络系统的开放性。开放是指对相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共 识与遵从。系统可以与世界上任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接，使各不同 厂家的设备之间可实现信息交换。 ( 2 ) 互操作性与互用性。互操作性指实现互联设备间、系统间的信息传送与沟通， 现场总线既可实行点对点的通信，也可实现一点对多点的通信：互用性指不同生产厂家 的性能类似的设备可实现相互替换，大大减少设备备件的库存量。 ( 3 ) 设备智能化与自治。现场总线将传感器、补偿计算、工程量处理与控制等功能 分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设 备的运行状态。 ( 4 ) 系统结构高度分散。这种分散性结构简化了系统结构，提高了可靠性。而且在 增加现场设备或现场仪表时，只需并行挂接到电缆上而无需架设新电缆。 ( 5 ) 现场环境的适应性。工作在生产现场前端，作为工作网络底层的现场总线与现 场设备的前端相连接，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，有 较强的抗干扰能力，采用两线制实现供电与通信，可满足本质安全防爆要求。 所以，如果把现场总线运用在汽车上，无论车上有多少块电控单元，信息容量有多 大，每块电控单元都只需引出两条线( 这两条导线就称作数据总线，亦称为b u s 线【2 1 ) 共同接在两个节点上，这样就能在一定程度上减少布线的难度，并且能够节省空间。 2 2c a n 的产生及发展过程 c a n 总线方案最初出现在2 0 世纪8 0 年代末的汽车工业中，由德国b o s c h 公司最 先提出。当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基 于电子操作的，这就使得电子装置之间的通信越来越复杂，同时意味着需要更多的连接 信号线。提出c a n 总线的最初动机就是为了减少解决现代汽车中庞大的电子控制装置 1 0 第二章现场总线和c a n 总线技术 之间的通信而不断增加的信号线。于是设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件都 可以被挂接在该总线上1 2 j 。 当关于这种革新的通信方案的大部分文字内容制定之后，于1 9 8 7 年中期，i n t e l 提 前计划2 个月交付了首枚c a n 控制器：8 2 5 2 6 ，这是c a n 方案首次通过硬件实现的。 不久之后，p h i l i p s 半导体推出了8 2 c 2 0 0 。9 0 年代初，p h i l i p s 公司生产了带有c a n 总 线控制器的单片机( p 8 x c 5 9 2 ) ，之后又推出了带数字模拟输入输出功能的c a n 总线 控制器( 8 2 c 1 5 0 ) ，可用于传感器等非开关量的传输，使c a n 总线应用技术向成熟发 展。从9 0 年代中期起，i n f i n e o n 公司和m o t o r o l a 公司已向欧洲的客车厂商提供了大量 的c a n 控制器，如m o t o r o l a 公司也推出了带有c a n 总线控制器的单片机( c 1 6 7 c ) 。 此外，还有p h i l i p s 公司的8 2 c 2 5 0 、s i e m e n s 公司的8 1 c 9 0 9 1 。从1 9 9 0 年后期起，远 东的半导体厂商也开始提供c a n 控制器。1 9 9 4 年，n e c 推出了传说中的c a n 芯片 7 2 0 0 5 。随着数字信号处理器d s p 的出现和发展，许多d s p 公司已将c a n 集成到d s p 芯片中，如m o t o r o l a 的d s p 5 6 f 8 0 7 ，t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 1 等。这些足以证明c a n 总线强大的生命力和诱人的市场前景。 在1 9 9 0 年早些时候，b o s c hc a n 规范( c a n 2 0 版) 被提交给国际标准化组织。在 数次行政讨论之后，应一些主要的法国汽车厂商要求，增加了“v e h i c l ea r e an e t w o r k ( v a n ) ”内容，并于1 9 9 3 年1 1 月出版了c a n 的国际标准i s 0 11 8 9 8 。除了c a n 协 议外，它也规定了最高至1 m b s 时的物理层。同时，在国际标准i s 0 11 5 1 9 2 中也规定 了c a n 数据传输中的容错方法。1 9 9 5 年，国际标准i s 0 1 1 8 9 8 进行了扩展，以附录的 形式说明了2 9 位c a n 标识符。当前，修订的c a n 规范正在标准化中。i s 0 1 1 8 9 8 1 称 为“c a n 数据链路层 ，i s 0 11 8 9 8 2 称为“非容错c a n 物理层 ，i s 0 11 8 9 8 3 称为 “容错c a n 物理层 ，这样就形成了c a n 2 0 规范。国际标准i s 0 11 9 9 2 ( 车和拖车接 口) 和i s 0 11 7 8 3 ( 农业和森林机械) 都在美国标准j 1 9 3 9 的基础上定义了基于c a n 应 用的子协议。 尽管c a n 协议已经有多年的历史，但它仍处于改进之中。从2 0 0 0 年开始，一个由 数家公司组成的i s o 任务组织定义了一种时间触发c a n 报文传输的协议。专家将此协 议定义为“时间触发通信的c a n ( 1 v r c a n ) ，计划在将来标准化为i s 0 1 1 8 9 8 4 0 ， 这个c a n 的扩展已在硅片上实现，不仅可实现闭环控制下支持报文的时间触发传输， 而且可以实现c a n 的x b y w i r e 应用。因为c a n 协议并未改变，所以在同一个的物理 层上，既可以实现传输时间触发的报文，也可以实现传输事件触发的报文。 t t c a n 将为c a n 延长5 1 0 年的生命期。c a n 在全球市场上目前仍然处于起始点， 当得到重视时，难以预料c a n 总线系统在下一个1 0 1 5 年内的发展趋势。这里需要强 大连交通大学1 = 学硕七学位论文 调一个现实：近几年内，美国和远东的汽车厂商将会在他们所生产汽车的串行部件上使 用c a n 。另外，大量潜在的新应用( 例如：娱乐) 正在呈现不仅可用于客车，也 可用于家庭消费；同时，结合高层协议应用的特殊保安系统对c a n 的需求也正在稳健 成长。德国专业委员会b i a 和德国安全标准权威t t i v 已经对一些基于c a n 的保安系统 进行了认证。c a n o p e n s a f e t y 是第一个获得b i a 许可的c a n 解决方案，d e v i c e n e t s a f e t y 也会马上跟进。全球分级协会的领导者之一，g e r m a n i s c t e rl l o y d 正在准备提议将 c a n o p e n 固件应用于海事运输。在其他事务中，规范定义可以通过自动切换将c a n o p e n 网络转换为冗余总线系统。 c a n 2 0 规范没有规定媒体的连接单元以及驻留媒体，也没有规定应用层。因此， 用户可以直接建立基于c a n 2 0 规范的应用协议进行数据通信。随着c a n 在不同行业、 领域的应用形成了各种高层协议。 2 3c a n 的技术规范 随着c a n 在各种领域的应用和推广，对其通信格式的标准化提出了要求。为此， 19 91 年9 月p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 制定并发布了c a n 技术规范( v e r s i o n 2 o ) 。该技术 规范包括a 和b 两部分【2 5 1 。2 0 a 给出了c a n 报文标准格式，而2 。o b 给出了标准的和 扩展的两种格式。此后，1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运输工具数据信息 交换高速通信控制器局域网( c a n ) 国际标准i s 0 11 8 9 8 ，为控制器局域网的标准 化、规范化铺平了道路。 2 3 1c a n 的一些基本概念 报文总线上的信息以不同格式的报文发送，但长度有限制。当总线开放时，任何 连接的单元均可开始发送一个新报文。 信息路由在c a n 系统中，一个c a n 节点不使用有关系统结构的任何信息( 如站 地址) 。这里包含一些重要概念： 系统灵活性节点可在不要求所有节点及其应用层改变任何软件或硬件的情况 下，被连接于c a n 网络。 报文通信一个报文的内容由其标识符i d 命名。i d 并不指出报文的目的，但描 述数据的含义，以便网络中的所有节点有可能借助报文滤波决定该数据是否使它们激 活。 数据相容性在c a n 网络内，可以确保报文同时被所有节点或者没有节点接收， 因此，系统的数据相容性是借助于成组和出错处理达到的。 1 2 第二章现场总线和c a n 总线技术 位速率c a n 的数据传输率在不同的系统中是不同的，而在一个给定的系统中， 此速度是唯一的，并且是固定的。 优先权在总线访问期间，标识符定义了一个报文静态的优先权。 远程数据请求通过发送一个远程帧，需要数据的节点可以请求另一个节点发送一 个相应的数据帧，该数据帧与对应的远程帧以相同标识符i d 命名。 多主站当总线开放时，任何单元均可开始发送报文，发送具有最高优先权的单元， 以赢得总线访问权。 仲裁在总线开放时，任何单元均可开始发送报文，若同时有两个或更多的单元开 始发送，总线访问冲突运用逐位仲裁规则，借助标识符i d 解决。这种仲裁规则可以使 信息和时间均无损失。若具有相同标识符的一个数据帧和一个远程帧同时发送，数据帧 优先于远程帧。仲裁期间，每一个发送器都对发送位电平与总线上检测到的电平进行比 较。若相同则该单元可继续发送。当发送一个“隐性 电平( r e c e s s i v el e v e l ) ，而在总 线上检测为“显性 电平( d o m i n a n tl e v e l ) 时，该单元退出仲裁，并不再传送后续位。 安全性为获得尽可能高的数据传送安全性，在每个c a n 节点中均设有错误检测、 标定和自检的强有力措施。检测错误的措施包括：发送自检、循环冗余校验、位填充和 报文格式检查。错误检测具有如下特性：所有全局性错误均可被检测；发送器的所有局 部错误均可被检测；报文中的多至5 个随机分布错误均可被检测；报文中长度小于1 5 的突发性错误均可被检测；报文中任何奇数个错误可被检测。未检出的已损报文的剩余 错误概率为报文出错率的4 7 1 0 。1 1 。 出错标注和恢复时间已损报文由检出错误的任何节点进行标注。这样的报文将失 效，并自动进行重发送。如果不存在新的错误，自检出错误至下一个报文开始发送的恢 复时间最多为2 9 个位时间。 故障界定c a n 节点有能力识别永久性故障和短暂扰动，可自动关闭故障节点。 连接c a n 串行通信链路是一条众多单元均可被连接的总线，理论上，单元数目 是无限的，实际上，单元总数受限于延迟时间和( 或) 总线的电气负载。 单通道由单一进行双向位传送的通道组成的总线，借助数据重同步实现信息传 输。在c a n 技术规范中，实现这种通道的方法不是固定的，例如，可以是单线( 加接 地线) 、两条差分连线、光纤等。 总线数值表示总线上具有两种互补逻辑数值：显性电平或隐形电平。在显位与隐 位同时发送期间，总线上数值将是显位。例如，在总线的“线与”操作情况下，显位由 逻辑“o 表示，隐位由逻辑“l 表示。在技术规范中未给出表示这种逻辑电平的物理 状态( 如电压、光、电磁波等) 。 大连交通大学工学硕士学位论文 应答所有接收器均对接收报文的相容性进行检查，回答一个相容报文，并标注一 个不相容报文。 睡眠方式及唤醒为降低系统功耗，c a n 器件可被置于无任何内部活动的睡眠方 式，相当于未连接总线的驱动器。睡眠状态借助任何总线或者系统的内部条件被唤醒而 告终。在总线驱动器再次置于在线状态之前，为唤醒内部活动重新开始，传输层将等待 系统振荡器至稳定状态，并且一直等待至其自身同步于总线活动( 通过检查1 1 个连续 的隐位) 。为唤醒系统内仍处于睡眠状态的其他节点，可使用具有最低可能标识符的专 用唤醒报文：mr r r d 玎玎，其中，r 为隐位，d 为显位【2 5 1 。 2 3 2c a n 节点的分层结构 为使设计透明和执行灵活，遵循i s o o s i 标准模型，c a n 分为数据链路层( 包括逻 辑链路控制子层l l c 和媒体访问控制子层m a c ) 和物理层，而在c a n 技术规范2 0 a 的版本中，数据链路层的l l c 和m a c 子层的服务和功能被描述为“目标层 和“传送 层 1 2 引。c a n 的分层结构和功能如图2 1 所示。 l l c 子层的主要功能是：为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由l l c 子层 接收的报文实际己被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。在定义目标处理时，存 在许多灵活性。m a c 子层的功能主要是传送规则，亦即控制帧结构、执行仲裁、错误 检测、出错标定和故障界定。m a c 子层也要确定，为开始一次新的发送，总线是否开 放或者是否开始马上接收。位定时特性也是m a c 子层的一部分。m a c 子层特性不存 在修改的灵活性。物理层的功能是有关全部电气特性不同在节点间的实际传送。自然， 在一个网络内，物理层的所有节点必须是相同的。然而，在选择物理层时存在很大的灵 活性。 c a n 技术规范2 0 b 定义了数据链路中