（微电子学与固体电子学专业论文）工业以太网的无线扩展研究.pdf

中文摘要 现场总线是应用于过程控制现场的一种数字网络，是连接智能现场设备和自 动化系统的数字、双向传输、多分支结构的通信网络，它的关键标志是能支持双 向多节点、总线式的全数字通讯，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通 信速率快、系统安全、造价低廉、维护成本低等特点。 但在许多工业环境及过程控制环境下的对象，如移动对象、旋转对象、危险 环境对象等，有线的物理介质难以连接；工业以太网的发展，要求实现现场总线 与以太网技术结合，实现多级网络的互连；工业布线的成本高。针对这一系列的 不足，提出了将无线以太网技术应用于现场总线网络中，这是解决上述问题的最 佳方案。 本文以c a n b u s 总线作为研究对象，在分析c a n b u s 总线和i e e e8 0 2 1 1 x 两种协议的基础上，设计开发将无线以太网i e e e8 0 2 1 1 b 应用于工业现场总线 c a n b u s 中，用无线技术作为有线c a n b u s 总线网络的无线扩展。考虑了现有 技术兼容问题和易实现性问题，并综合考虑技术、性能及市场等多方面要求，确 定了无线c a n b u s 网络的技术目标。 本文设计了无线c a n - b u s 总线的网络架构一虚拟环网结构( 也) ，使有线 站点和无线站点可以在同一个c a n b u s 网络内运行；分析了物理层使用无线扩 频技术如何保证工业需求的高速、高性能；设计专用的a p 节点一a p - i w u ，实 现有线无线网段的平滑桥接；在应用层实现c a n b u s 总线和i e e e8 0 2 1 l b 的融 合；设计无线网段内虚拟主机和虚拟从机的有限状态机，验证了有限状态机的可 达性；并对由此组成的无线c a n b u s 网络的实时性作了初步的研究，针对无线 信道自身的特点，讨论了数据调度算法，确定在无线c a n b u s 网络传输时间严 格数据和周期数据的网络延迟。 关键词：工业以太网 现场总线 c a n b u s 总线 i e e e8 0 2 1 1 b v r e 有限状态机 a b s t r a c t f i e l d b u si sad i g i t a ln e t w o r kw h i c ha p p l i e di np r o c e s sc o n t r o l ，t w o - w a y , m u l t i - n o d e ，b u s s t r u c t u r ea r et h ef e a t u r e so f t h i sd i g i t a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k b u t f a c i n gt h em e a s u r e m e n ta n d c o n t r o lo fs o m em o b i l e ，r o t a t e do rt h ed a n g e r o u s o b j e c t si nt h ep r o d u c t i o nf i e l do fi n d u s t r ye n v i r o n m e n t ，w i r e dp h y s i c a lm e d i u mi s h a r dt oj o i n ；w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a le t h e m e t ，m u l t i l e v e ln e t w o r kn e e dt o c o m b i n et h ee t h e m e ta n df i e l d b u s ；t h ec o s to fi n d u s t r i a lw i r el a y o u ti sh i g h i ti st h e b e s ts c h e m et os l o v et h ep r o b l e mb ya p p l y i n gt h ew i r e l e s se t h e m e tt e c h n i c a lt ot h e f i e l d b u s t h i sp a p e ri st or e s e a r c hc a n b u sb u s o nt h ef o u n d a t i o no fa n a l y s i n g c a n b u sb u sa n di e e e8 0 2 1 l x ，t h er e s e a r c ha p p l yw l a ni e e e8 0 2 1 l bt ot h e i n d u s t r i a lc a n b u sf i e l d b u sa se x t e n d e dw i r e l e s sc a n b u sn e t w o r k b yc o n s i d e r i n g e x i s t i n gt e c h n i c a lc o m p a t i b l ep r o b l e m ，e a s yr e a l i z a t i o np r o b l e ma n dt h er e q u i r e m e n t o ft h eo t h e rr e q u i r e m e n t s ，t h er e s e a r c hd e t e r m i n et h et e c h n i c a lg o a l so fw i r e l e s s c a n b u sn e t w o r k t h i sp a p e rd e s i g n e t h en e t w o r kc o n f i g u r a t i o no fw i r e l e s sc a n b u sn e t w o r k v i r t u a lr i n ge x t e n d e d ( v r e , ) ，w i r e dn o d e sa n dw i r e l e s sn o d e sm a yr u ni nas a m e c a n b u sn e t w o r k ；a n a l y s e sh o wt og u a r a n t e eh i g hp e r f o r m a n c ea n dt h eh i 曲s p e e d o fp h y s i c a ll a y e ru s i n gd s s st e c h n o l o g y ；d e s i g n st h es p e c i a la pn o d e a p - i w u t h a tr e a l i z e st h es m o o t hb r i d g eo fw i r e d w i r e l e s sn e t ；r e a l i z e st h ec o m b i n a t i o no ft h e c a n b u sa n di e e e8 0 2 1 l bi na p p l yl a y e r ；d e s i g n sf i n i t es t a t em a c h i n e ( f s m ) o f t h em a s t e rn o d ea n dt h es l a v en o d e ，v e d f i e st h ea c c e s s i b i l i t yo ff s m s ；a tl a s t , t h e r e a l - t i m eo ft h en e t w o r ks y s t e mi sd i s c u s s e d a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i co fw i r e l e s s c h a n n e l ，t h er e s e a r c hp u t sf o r w a r dt h ea l g o r i t h mo fs c h e d u l i n gd a t aa n dd e t e r m i n e s n e t w o r kt r a n s m i s s i o nd e l a yo ft h ep e r i o dd a t aa n dt i m e - c r i t i c a ld a t ai nw i r e l e s s c a n b u s k e yw o r d s - - i n d u s t r i a le t h e m e t f i e l d b u s c a n b u s i e e e8 0 2 1 1 d s s s f s m 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，也不包含为获得叁洼盘茔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：眵e 签字日期：加占年月b 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛盘璧有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘洼盘堂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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 谬鼍 导师签名 赫灭 签字日期：p ；年p 月知日签字日期：o 刖多年吱月口日 第一章绪论 第一章绪论 i i 相关技术的现状和发展方向 随着计算机网络技术和微电子技术的发展，工业网络控制技术已从模拟仪表 加4 - - 2 0 m a 电流环系统，d c s 集散控制系统发展到了现在的工业以太网控制系 统，它被誉为自动化领域的计算机局域网，在工业控制中得到了广泛的应用，是 一个控制技术新时代的开端。 但对许多工业环境及过程控制环境下的对象，如移动对象或旋转设备( 机器 人、车床) 上的传感器，手持的数据采集设备( p d a ) 等，距离远的单设备、传 感器、执行器等，临时安装的器件，有线的物理介质连接是较难或甚至无法实现 的，在这种情况下就需要无线技术和工业以太网的结合方案。 在工业应用和工厂设备上使用无线技术是具有吸引力的。为了适应工业现场 的恶劣环境和在满足工业实时性和可靠性的要求上能力不足，无线局域网技术 ( w l a n ) 可以带来的大量效益，如减少电缆和移动性，吸引这大量的学者和开 发人员。而无线局域网技术带来的优势同样对工业应用有着巨大的吸引力。 1 1 1 工业以太网 一、以太网和t c p i p 州 以太网起源于1 个实验网，其设计用来支持x e r o xp a l oa l t o 研究中心的“a l t o ” 的个人计算机间以3 m b p s 速率互连。在o s i i s o 七层协议中，以太网本身只定 义了物理层和数据链路层。作为一套完整的网络传输协议，必须具有高层控制协 议，以太网使用了t c p i p 协议：t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l 是用来保证传 输的可靠性，而i p ( i n t e m o tp r o t o c 0 1 ) 贝f j 是用来确定信息传递路线。i p 技术是 i n t e m e t 的基础，它相当于地址门牌号，被许多传输协议所应用；而t c p 在两点 之间建立一条可靠的连接通道，保证数据流的正确传递，口却做不到这一点。 随着i i l t 嘲e t 的快速发展，以太网已成为事实上的工业标准，t c p i p 的简单 实用已深入人心，为广大用户所接受。目前，不仅在工业自动化领域里，而且在 各个企业的管理网络也都使用以太网。 二、工业控制领域需要以太网的原因 ( 1 ) 与i n t e m e t 连接。过去几十年中随着i i l t e m c t 的兴起和w i n d o w s 、u n i x 等 第一章绪论 操作系统逐渐处于主导地位，象t c p a p 以及其它一些定义明确的传输协议得到 广泛应用。电子商务的出现使企业生产管理营销的观念发生着巨大变化。能够走 出办公室，在任何地方利用电话线通过i n m e t 和e t i l e m e k 以太网) 对企业生产进 行实时监控，无疑是各个企业提高生产率、增强竞争力的有效方法。 ( 2 ) 以太网可以克服现场总线不能与计算机网络技术同步发展的弊病。以太 网作为现场总线，尤其是高速现场总线结构的主体，可以避免现场总线技术游离 于计算机网络技术的发展之外，使现场总线技术与计算机网络技术很好地融合而 形成相互促进的局面。 ( 3 ) 以太网是当今最流行、应用最广泛的通信网络，具有价格低、多种传输 介质可选、高速度、易于组网应用等优点，而且其运行经验最为丰富，拥有大量 安装维护人员 ( 4 ) 现场总线标准的特点是通信协议比较简单，通信速度比较低。如基金会 总线c a n b u s 的h i 和p r o f i b u s p a 的传输速度仅为3 1 2 5 k b p s ，但随着仪器 仪表智能化的提高，传输的数据将趋于复杂，未来传输的数据可能已不满足于几 个字节，甚至是网页，所以网络传输的高速度在工业控制中越来越重要。以太网 以其廉价高速方便的特性受到青睐。 三、当前工业以太网的现状及前景 l 、应用现状 近几年，以太网广泛应用于工业领域，其原因主要是以太网技术的发展使得 阻碍以太网应用于工业环境的难题逐渐得到解决。表现在以下几个方面： ( 1 ) 电缆从难于应用的昂贵1 0 b a s e 5 发展到细缆1 0 b a s e - 2 和现在常用的 双绞线1 0 b a s e - t 。抗干扰能力强的双绞线的应用提高了以太网运行于工厂环境 的能力 ( 2 ) 以太网通信速度一再提高，从1 0 m b p s 提高到1 0 0 m b p s ，目前1 0 0 0 m b p s 以太网已在城域网、局域网中普遍使用，1 0 g b p s 以太网也正在研制。对于同样 的通信量，通信速度的提高意味着网络负荷的减轻，而减轻网络负荷则意味着提 高确定性，这使以太网有能力满足实时性的要求 ( 3 ) 交换技术的快速发展已经消除了应用于控制领域的障碍。交换式以太网 技术产生于1 9 9 2 年，它使得多个网上设备之间同时进行通信时不会发生冲突。 随着以太网的实时性、稳定性和抗干扰性问题的解决，工业以太网的研究、开发 又热了起来。但产品基本处于f o 集中器的水平，把以太网应用到现场总线仍有 许多技术难题要解决，这是今后以太网技术攻关的重点。 将以太网应用于工业领域的目的是形成一个真正的开放式协议，实现不同厂 商的以太网产品的互连。 第一章绪论 下面是两种目前常用的工业以太网协议： m o d b u s t c p 协议：该协议是s e h e i d e ra u t o m a t i o n 公司1 9 9 9 年公布的， 它把m o d b u s 总线协议捆绑在t c p 协议上形成的。t c p 和m o d b u s 在工业界 得到了广泛的应用，因此易于实施、能够实现互连。但它存在很大局限性， m o d b u s 不支持一些正在被广泛应用的网络新技术，如基于对象的通信模型等 现场总线基金会的h s e ：现场总线基金会在1 9 9 8 年将快速以太网作为它的 h 2 网的基本协议，形成了高速以太( h i g hs p e e de t h e m e t , h s e ) 协议。h s e 被认 为是能够应用于现场设备级的协议，主要用在过程控制领域。 以太网在工业领域中的应用结构有两种，即控制中心网络结构和设备中心网 络结构。在控制中心网络结构中，以太网应用在企业网的上层，将控制器、操作 员站、管理计算机连接起来。企业网的最低层是现场总线结构，构成了简洁的 l a n f i e l d b u s 网络结构。在设备中心网络结构中，i o 设备连到以太网上，在这 种结构中，以太网取代了现场总线，真正建立了从企业网的上层和下层统一的以 太网结构。 2 、发展前景 以太网在工业领域已得到了广泛的应用，而且应用广度和深度继续在扩大。 目前，以太网应用主要集中在控制中心网络结构中，要深入到现场设备级还有诸 多问题有待解决，例如，以太网本质安全问题；高速廉价的以太网基通信芯片的 研制；以太网交换技术需进一步的发展，以适应恶劣的工业环境；真正世界范围 的工业以太网标准没有出现。尽管如此，在现场设备级联网中，现场总线有被以 太网取代的趋势，权威机构推测，大约2 - 5 年的时间，e t h e m e t 可能会大规模地 应用于现场总线，约5 年的时间研究出价格性能比很高的适合现场总线设备需要 的以太网连接器。 如今，以太网技术的发展十分迅速，网卡工作方式从单工发展到双工；网络 传输速度从早期的1 0 m b p s 逐步发展到目前的1 g b p s 甚至正处于试验阶段的 l o g b p s ，配合多模光纤技术和频分复用技术，传输速度可进一步增加；网络机理 从早期的共享式发展到目前盛行的交换式，并开始逐步引入流量控制机制。但是， 以太网在关键性实时网络使用中存在一些先天不足，如：任何变量都不能完全确 保在规定时间内发送成功，即传输具有不确定性，这是今后工业以太网科研攻关 的重点。 四、工业以太网应用的领域 由于具有以上特性，工业以太网越来越受到人们的重视，目前已有许多大公 司的产品采用了这一技术。工业以太网的应用范围很广，其中汽车和交通领域占 应用总数的8 0 以上，还用在工业控制领域，楼宇自动化，机器人领域，装载 第一章绪论 器械，嵌入式网络，混合引擎控制，医学电子，电话系统，模拟战争，高能量物 理等一些特殊领域。 1 1 2r - f i e i d b u s 无线现场总线技术 r - f i e l d b u s 无线现场总线技术的提出正是基于以上两个主要问题。它旨在利 用现有的无线移动通讯技术，在计算机网络通讯技术的支持下，结合利用现有的 现场总线系统，实现一种在工厂的现场设备层的具有无线移动接入能力的、能传 输多媒体信息的高性能无线现场总线，以解决工业环境下的诸如移动对象，危 险环境对象与传统的有线连接对象之间的符合工业级实时要求的、可靠的、兼顾 多媒体大容量数据通讯和控制问题。 用无线技术扩充有线网络已有许多实例，如无线局域网络w a ni e e e 8 0 2 1 1 是对以太局域网的无线扩展。但由于传统以太网的m a c 层协议的先天缺陷，无 法应用到实时性要求甚严的工业控制场合中。以b l u e t o o t h 、h o m e r f 为代表的个 人局域网p a n 技术实现了小范围的数据灵活交换，但尚未完全成熟。 现场总线网络的协议在开始就考虑到了工业实时性的要求，把无线技术与处 在工厂现场设备级的现场总线技术结合起来是一个全新的研究课题。 1 1 3i e e e8 0 2 1 l x 无线技术 一、i e e e8 0 2 1 l x 的概述1 4 l 8 0 2 1 l x 标准是i e e e 制定的无线局域网标准，主要是对网络的物理层( p h 和媒质访问控制层( m a c ) 进行了规定，其中对m a c 层的规定是重点各厂商的 产品在同一物理层上可以互操作，逻辑链路控制层( l l c ) 是一致的，即m a c 层 以下对网络应用是透明的。 i e e e8 0 2 1 l b 无线局域网的带宽最高可达l i m b p s ，比i e e e8 0 2 1 1 标准快5 倍，扩大了无线局域网的应用领域。另外，也可根据实际情况采用5 5 m b p s 、2 m b p s 和1m b p s 带宽，实际的工作速度在5 m b s 左右，与普通的1 0 b a s e t 规格 有线局域网几乎是处于同一水平。i e e e8 0 2 1 l b 使用的是开放的2 4 g b 频段，不 需要申请就可使用。既可作为对有线网络的补充，也可独立组网，从而使网络用 户摆脱网线的束缚，实现真正意义上的移动应用。 二、i e e e8 0 2 1 i b 的特点及优势1 3 1 1 4 1 l 、速度：2 4 g h z 直接序列扩频无线电提供最大为1 l m b p s 的数据传输速率， 无须直线传播。 2 、使用范围：8 0 2 1 l b 支持以百米为单位的范围( 在室外为3 0 0 米；在办公 环境中最长为1 0 0 米) 。 第一章绪论 3 、可靠性：与以太网类似的连接协议和数据包确认提供可靠的数据传送和 网络带宽的有效使用。 4 、电源管理：8 0 2 1 l b 网络接口卡可转到休眠模式，访问点将信息缓冲到客 户，延长了笔记本电脑的电池寿命。 5 、漫游支持：当用户在楼房或公司部门之间移动时，允许在访问点之间进 行无缝连接。 6 、加载平衡：8 0 2 1 l b n i c 更改与之连接的访问点，以提高性能( 例如，当 前的访问点流量较拥挤，或发出低质量的信号时) 7 、安全性：内置式鉴定和加密。 8 、网络效率：i e e e8 0 2 1 1 b 无线局域网引进了冲突避免技术，从而避免了 网络中冲突的发生，可以大幅度提高网络效率。 三、i e e e8 0 2 1 l x 应用的领域 无线局域网的应用范围非常广范，如果将其应用划分为室内和室外的话，室 内应用包括大型办公室、车间、智能仓库、临时办公室、会议室，证券市场；室 外应用包括城市建筑群间通信、学校校园网络、工矿企业厂区自动化控制与管理 网络、银行金融证券城区网、矿山、水利，油田、港口、码头、江河湖坝区、野 外勘测实验、军事流动网、公安流动网等。 1 2 课题的提出及意义 1 2 1 课题的提出 一、课题的提出 现场总线( f i e l d b u s ) 是8 0 年代末、9 0 年代初国际上发展形成的，用于过程 自动化、制造自动化、楼字自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为 工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控 制管理层次之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全 分布控制系统。这项以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的 综合技术，已经受到世界范围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自 动化系统结构与设备的深刻变革。但现场总线对于许多工业环境及过程控制环境 下的对象，有线的物理介质连接是较难或甚至无法实现的；另外，面对日益增加 的控制工业对象类型，人们需要在网络上传输的数据已不仅仅是控制数字量等， 而是趋于包括音频，视频( 低分辨率) 的多媒体数据，这对以传输短“数据包” 为特点的现场总线技术也提出了新的要求。 第一章绪论 本论文利用现有的无线局域网通讯技术，结合利用现有的现场总线系统，实 现一种在工厂现场设备层的具有无线移动接入能力的、能传输多媒体信息的高性 能无线现场总线，以解决工业环境下的诸如移动对象，危险环境对象与传统的有 线连接对象之间的符合工业级实时要求的、可靠的、兼顾多媒体大容量数据通讯 和控制问题。 二、课题的发展现状 现场总线把无线技术与处在工厂现场设备级的现场总线技术结合起来是一 个全新的研究课题。目前r - f i e l d b u s 在欧盟第十五框架程序计划的资助下，由德 国i f a k ( 控制和通讯研究所) 和西门子两家牵头，并结合法国、希腊、葡萄牙 等共七家研究部门共同研究。 r - f i e l d b u s 是以研制出p r o f i b u s 和无线局域网技术结合起来的新系统为目的。 它可以使p r o f i b u sd p 传输信息和t c p i p 数据流在无线和有线混合的物理层同时 传送数据，这就意味着过程控制数据和多媒体信息例如照片和工业录像可以同时 通过r - f i e l d b u s 通道。 三、课题的具体内容 选择现场总线时，考虑到现有的f f 、m o d b u s 等结构和协议分层情况，结 合与无线通讯协议8 0 2 1 1 ，决定采用c a n b u s 总线和i e e e8 0 2 1 l x 两种协议，并 在此基础上设计i e e e8 0 2 1 l b 作为c a n b u s 总线的无线扩展，使有线站点和无线 站点可以在同一个c a n b u s 网络内运行。考虑现有技术兼容问题和易实现性问 题，并综合考虑技术、性能及市场等多方面要求，确定无线c a n b u s 网络的技术 目标；分析及确定无线c a n b u s 网络的架构；并以此模型架构为基础，分析物理 层如何保证工业需求的高速、高性能，m a c 层如何实现有线无线网段平滑桥接。 同时，根据工业网络实时性的要求，确定在无线c a n b u s 网络传输时间严格数据 和周期数据的网络延迟，并设计无线c a n b u s 总线的有限状态机。 1 2 2 课题的意义 在工业应用和工厂设备上使用无线技术是具有吸引力的。无线局域网技术 ( w l a n ) 可以为工业生产带来大量效益，如： l 、在移动系统下的应用，如自主传输车、机器人、转车。 2 、在可能破坏电缆环境下的分布式控制系统的安装，如可燃可爆的地区， 具有腐蚀性的化学环境。 3 、在工厂快速建设，不希望花太大的力量用于布电缆。 4 、移动机器设备诊断系统，用于编程和配置的无线站点。 由于c a n b u s 广泛的使用，c a n b u s 总线的无线扩展有着巨大的吸引力， 第一章绪论 也就是，有线站点和无线站点可以在同一个c a n b u s 网络内运行。这样，已经 存在和使用的设备和投资不必被替换，从而提高了c a n b u s 总线的能力。 1 3 课题的任务及本系统的优点 一、论文的主要研究内容 l 、分析c a n b u s 总线协议和i e e e8 0 2 1 l b 协议，并以此提出将i e e e8 0 2 1 i b 作为c a n b u s 总线的无线扩充的可能性及不足。 2 、考虑技术、性能及市场等多方面要求，确定无线c a n b u s 网络的技术目 标；分析及确定无线c a n b u s 网络的架构。 3 、选用直接序列扩频作为无线网段的物理层，分析扩频技术的理论原理， 并通过频谱分析其抗干扰等性能特点。 4 、设计专用a p 节点的软件架构，实现有线无线网段的平滑桥接。并协调 有线与无线网段的传输速度。 5 、根据工业网络实时性的要求及无线c a n b u s 网络的特点，研究静态实时 调度算法，结合无线网络吞吐率的分析，确定在无线c a n b u s 网络中传输时间 严格数据和周期数据的网络延迟。 6 、使用有限状态机分析无线扩展的协议，并设计虚拟主机和虚拟从机的有 限状态机。 二、本系统的主要优点 l 、采用2 4 g h z 的直接扩频序列( d s s s ) 技术作为整个无线网段的物理层 平台，为工业现场环境的无线数据传输提供可靠的物理层保障。 2 、通过设计专用的无线a p 节点( 即a p i w u ) ，实现复合异质有线无线网 段的平滑桥接。 3 、在有线，无线异质覆合的现场总线中，可确定信息传输的延迟，保障数据 传输的实时性和可靠性。 4 、在应用层实现有线，无线网段的集成和数据的实时性调度，方法实现简单。 5 、通过静态调度算法实现对周期数据的调度，并根据无线网络自身的特点， 在提高网络吞吐率的基础上实现对时间严格数据和时间可用数据的调度。 6 、使用有限状态机分析网络，并可使用面向对象的编程方法实现有限状态 机。 第二章通讯协议 第二章通讯协议 c a n b u s 协议包括c a n b u s 2 0 a 和c a n b u s 2 o b 两部分内容，定义了数 据链路层和物理层，不是一个完整的网络协议，缺少应用层和网络管理部分，用 户可以根据实际应用开发自己的应用协议。 用无线技术扩充有线网络已有许多实例，如无线局域网络i e e e8 0 2 1 l x ，是 对以太局域网的无线扩展。但由于传统以太网的m a c 层协议的先天缺陷，无法 应用到实时性要求甚严的工业控制场合中。以b l u e t o o t h 、h o m e r f 为代表的个人 局域网技术实现了小范围的数据灵活交换，但尚未完全成熟。 i e e e 在1 9 9 9 年9 月公布了8 0 2 1 l 的扩展版本8 0 2 1 1 b ，新标准定义的无线网络 的传输速率可达到1 1 m b p s ( 与以太网的传输速率相似) ，因此又被称为无线以太 网。8 0 2 “b 协议可以向用户提供高速率的的无线通信，在一些有干扰和不稳定 的环境下，协议物理层的扩频机制和m a c 层的根据信道状况动态调整传输速率 的机制也可以保证设备阃的通信质量。8 0 2 1 1 b 协议的这些特点使它在工业控制 领域有较好的应用前景。 2 1c a n b u s2 0 b 协议的介绍2 1 1 8 1 | 9 1 | 1 2 1 2 1 1c a n b u s2 0 b 协议的基本概念 为了达到设计透明度以及实现灵活性，根据i s o o s i 参考模型，c a n b u s 被 细分为以下不同的层次： 数据链路层 - 逻辑链路控制子层( l i c ) - 媒体访问控制子层( m a c ) 物理层 1 、逻辑链路控制子层( l l c ) 的作用范围涉及报文滤波、过载通知、以及恢 复管理： 为远程数据请求以及数据传输提供服务；确定由实际要使用的l l c 子层接收 哪一个报文：为恢复管理和过载通知提供手段。 2 、媒体访问控制子层( m a c ) 是c a n b u s 协议的核心： m a c 子层的作用主要是传送规则，也就是控制帧结构、执行仲裁、错误检 第二章通讯协议 测、出错标定、故障界定。它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。m a c 子层负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定。m a c 子 层也被称作故障界定的管理实体监管。此故障界定为自检机制，以便把永久故障 和短时扰动区别开来。理所当然，m a c 予层的修改是受到限制的。 3 、物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位的实际传输。 同一网络的物理层对于所有的节点当然是相同的。尽管如此，在选择物理层方面 还是很自由的。物理层定义信号是如何实际地传输的，因此涉及到位时间、位编 码、同步的解释。 应 用c a n o p e nd e v i c e n e tj 1 9 3 9 层 w 浞键麓掣懈 数餐譬饕鸳 据m c ( 舟腹访璎) 链 觳掘封能q 拆装 路 桃蝈码( 域允勺舸琢域寇， 燃体访问错理 层 锵谈败测 m 销振定 j 由 乌： 蚪 f 化解除；r 化 h s ，p | f ) 物 臼自i 弼解4 位i 时 理 同步 层 p 姒( 物理舟赝州加瞒r 莹) m ( 勺介赝棚父的接| ：1 ) 图2 - - ic a n b u s 总线协议图 2 1 2c a n b u s 的帧梧式 在本文中用到标准格式，其格式如下 l 一 伸馥场 一 一经糍精 1 工r c a c 嚣l i 一 一 l 一 一 b u s sr r奠 l sb 0 l l 位妊嫩柠 t l0 嗽啪( o 8 8 y i a ， b h f妇 m k f托 l d k 图2 - - 2c a n b u s 标准帧的数据格式 c a n b u $ 2 o b 有两种不同的帧格式，不同之处为识别符场的长度不同：具有 1 1 位识别符的帧称之为标准帧；而含有2 9 位识别符的帧为扩展帧。 $ o f “隐性”电平是帧起始位，1 1 位的标识符一般包括自定义的帧类型和目 第二章通讯协议 的节点的i d 地址，r t r 为“显性”电平代表此帧为数据帧，为“隐性”电平代表 此帧为远程帧。控制场的前两位作为控制总线发送电平的备用位，后面四位是数 据长度码，用于指定数据场中的字节数目( o 8 ) 。 2 1 3c a n b u s 的帧类型 报文传输由以下4 个不同的帧类型所表示和控制： 数据帧：数据帧将数据从发送器传输到接收器，由7 个不同的位场组成，包 括帧起始、仲裁场、控制场、数据场、c r c 场、应答场和帧结束。数据场的长度 可为0 n 8 个字节；仲裁场的标识符和数据场的具体数据由用户通过软件填写；其 它位场由硬件控制器自动生成。 远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。远程帧 与数据帧格式区别是，前者的r t r 位必须为“隐性”电平而后者必须为“显性” 电平，且远程帧不存在数据场。 错误帧：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。由两个不同的场组成，包 括第一个场由来自各站的错误标志叠加得到，第二个场是出错界定符。 过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧( 或远程帧) 之间提供一附加 的延时。包括超载标志和超载界定符两个位场。 数据帧和远程帧可以使用标准帧及扩展帧两种格式。它们用一个帧间空间与 前面的帧分隔。 2 1 4c a n b u s 总线访问冲突仲裁方式 c a n b u s 总线物理层通常是双绞线。当逻辑“1 ”被写进总线里，两条线的 电平是2 5 v ，并被定义为“隐性”位。当逻辑“0 ”被写进总线里，一条线被上 拉到为5 v ( c a n b u s 高) 另一条线被下拉到地( c a n b u s 低) ，这叫做“显 性”位。但是如果显性位和隐性位都被不同的节点同时写进总线里，总线显示“显 性”位，所以显性位覆盖了隐性位，这些都是c a n b u s 网络冲突检测的基础。 c a n b u s 采用非破坏的c s m a c d 竞争方式解决潜在的总线访问冲突，不丢失 数据和带宽。当节点开始传送它们各自的报文时，标识符的每一个位都被写到总 线里，而且能够被每一个节点读回。如果一个节点写进了隐性位而读回显性位， 它会知道另一个较低标识符号码的( 高优先权) 节点正在访问总线。它会停止传 送报文并继续接收更重要的报文。这种技术叫做“非破坏性逐位”仲裁。它保证 了如果发送一个高优先权报文，它将会赢得仲裁并能够在一个保证的时间限度里 到达它的目的节点。这些都由系统设计者来控制。必须注意：如果两个节点用同 样的标识符发出数据两个都会得到总线的仲裁并开始传输数据。在某一点数据会 第二章通讯协议 不同并产生错误。两个节点都会后退并且重新开始整个传输过程，在最坏的情况 下它会锁死网络。 2 1 5c a n b u s 错误检测 c a n b u s 协议有五种错误检测的方法：三个是报文级的而两个是位级的。 如果一个报文出错，那么错误检测的任何一个方法使节点不接收这个报文并产生 一个出错帧，使所有的帧都忽略它并使发送节点重新发送这个报文。 在报文级检查中，有c r c 检查和应答隙。c r c 检查是一个1 5 位c r c ，它计 算描述符场和数据字节的c r c 。应答场有两位，包括一个应答位和一个应答界 定符。这个发送器将会把_ 二个隐性位放在应答场。任何一个正确接收报文的节点 在应答场写一个显性位。如果发送器在应答场没有读回一个显形位，它将产生一 个出错帧并重新传送报文。最后，在报文级还有一个形式检查。它检查那些总是 隐性位的报文场。如果检测到显形位，就会产生错误。它检查：帧起始、帧结束、 应答界定符以及c r c 界定符位。 在位级检查中每一个位都由发送器监控。如果一个位被写进总线但读到的是 它的反，错误就会产生。只有标识符场用于仲裁和应答隙是除外的，它要求显性 位覆盖隐性位。最后的一种错误检测方法是通过位填充规则。当一个报文没有被 填充，即如果在逻辑电平相同的连续5 位后，下一位不是前面的反，则产生一个 错误。 活动错误帧包括六个显形位，它们违背了位填充规则，所有的c a n b u s 节 点都认为它是一个错误并产生自己的错误帧，所以错误帧的长度可以在6 位和 1 2 位之间。错误帧后是8 位隐性位界定符场，而总线在重发被破坏的报文前是 空闲的。要注意报文在被成功接收之前仍要争取仲裁。 2 2 c a n b u s 叩e n 应用层协议的介绍5 1 1 瞰1 2 2 1 概述 c a n b u s o p c n 是建立在c a n b u s 协议的物理层和链路层基础上的标准化的 应用层协议。c a n b u s o p e n 的标准化是指设备接口和通讯协议( c i a d s - 4 x x ) 定义了标准化的应用对象和基本功能。c a n b u s o p c n 网络管理服务( n m t ) 简 化了项目设计系统集成和诊断。在每个分散的控制应用中都有各自所需的不同的 通信模式( p d o 、s d o ) ，在c a n b u s o p c n 总线上所有这些通信模式的相关参数 都在对象字典中详尽地进行了描述。对象字典是整个c a n b u s o p c n 协议的核心。 第二章通讯协议 2 2 2 对象字典 c a n b u s o p e n g j 象字典是一个参数列表，定义了设备参数、各个通讯参数并存 储应用中输入输出的数据，描述了设备的全部应用对象。可以用一个1 6 位的索引 进行存取，另外用一个8 位的子索引描述了每一个参数具体定义的子项。对象字 典最大占6 4 k 的存储空间，特定的参数类型分布在临近的寻址空间，如表2 1 所示： 对象字典虽然占很大的空间，但并不是所有的参数都要定义。其中必须要实 现只有0 0 0 1 h 0 0 9 f h 和1 0 0 0 h 1 c p 斟b u s f h 两部分，2 0 0 0 h 5 c a n b u s f h 是 用户自己定义的特定参数，用户可以根据自己的需要进行相应的定义，这一部分 各个系统都有所不同。 索引区域参数功能 0 0 0 埘0 0 9 f h 定义数据类型 0 0 a o h o c a n b u s f h 保留 1 0 0 0 h 1 c a n b u s f h 与通讯相关的参数 2 0 0 0 h 5 e 矗n b u s f h 用户自己定义的特定参数 6 0 0 0 h 9 c a n b u s f l t 与特定设备相关的参数，用于存储相关的数据 a o o o h 保留 c a n b u s c a n b u s h 表2 1 数据字典索引的定义 2 2 3c a n b u s o p e n 网络中主节点和从节点的概念 在c a n b u s o p c n 网络中，主节点负责各种网络管理，并对网络中的通讯做合 理的调度。 主节点主要功能是：初始化时控制从节点的状态；程序运行中间启动或终止 从节点，或改变从节点的状态；通过s d o 通讯对对象字典的参数进行读取和修改； 监视从节点的运行状况和是否发生错误( 即进行节点保护) ；由从节点中获得相 应的信息和运行状态；启动和终止s d o 通讯；发送s y n c 报文；提供分配特定标 识符( d b t ) 等网络管理的服务。 从节点主要负责底层的网络通讯和控制任务。每个从节点只完成属于自己范 围内的特定任务，进行实时数据的传输( p d o 通讯) ，响应主节点发送的管理信 息帧，对自己负责的底层设备进行数据采集和控制。 对于c 址姻u s o p e n 网络中必须实现的管理功能，一般由一个节点来实现，但 也可以由几个节点分别承担。尤其对于s y n c 报文传输和标识符的分配，分开来 第二章通讯协议 实现会更好。一个节点是否为主节点对对象字典中设置，在软件编程中，主节点 和从节点有很大的不同。 2 3i e e e8 0 2 1 l x 协议的介绍3 1 1 4 1 1 站1 1 3 2 1 2 3 1 无线局域网的概念及演化 无线局域网络( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ，w l a n ) 是指以无线信道作传 输媒介的计算机局域网。其常见的形式是把一个计算机站点以无线方式连入一个 计算机网络中，作为网络中的一个点，使之具有网络工作站所具有的各种功能， 并能享受网络中的各种服务 无线入网的计算机能在一定的区域内移动同时又随时与网络系统保持联络。 应该说，计算机无线网是有线网的一种补充，它是在有线网的基础上发展起来的， 能快速、方便地解决以有线方式不能实现的网络信道的连通问题。 自1 9 9 0 年早期的无线网络产品问世以来，无线局域网出现了很多协议标准， 如l e e e8 0 2 1 1 ，i e e e8 0 2 1 l b ，i e e e8 0 2 1 l a ，i e 醯8 0 2 n e ，蓝牙( b l u e t o o t h 。 又称i e e e8 0 2 1 5 ) ，h o m e r f ，o p e n a i r 等。几种主要的无线局域网协议标准对 比如表2 2 所示。 协议标准 发布时间 最大传输滤 波段最大覆盖范围 ( m b p s ) ( g h z )( m ) i e e e8 0 2 1 l1 9 9 7 年底 2 2 4 - 2 4 8 51 0 0 i e 髓8 0 2 1 l b1 9 9 9 年8 月1 l2 4 一之4 8 5l o o 3 0 0 i e e e8 0 2 1 1 a1 9 9 9 年8 月5 4 55 k m 1 0 k m i e e e8 0 2 1 1 e2 0 0 1 年底 1 1 或5 4 2 4 或51 0 0 m 1 0 k m b l u e t o o t h 1 9 9 8 年5 月l 1 2 4 之4 8 5 1 0 h o l n e r