（电力电子与电力传动专业论文）基于can总线的智能仪表远程传输系统的研究与实现.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dc o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fa u t o m a t i o ni nt h e p r o d u c t i o nm a n a g e m e n t t h e t r a d i t i o n a l i n s t r u m e n t s ，f i e l d b u sa n de t h e r n e t t e c h n o l o g ya r ec o m b i n e dt od e v e l o pt h ef i e l di n t e l l i g e n td e t e c t i o ni n s t r u m e n tw i t hb u s i n t e r f a c ea n dr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e c o m et h eh o ts p o ti nt h ei n d u s t r y t h e r e s e a r c hs t a t u so ft h es u b j e c ta th o m ea n da b r o a dw a s a n a l y z e di nd e t a i l ，a n dak i n do f r e m o t et r a n s m i s s i o ns y s t e mo fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tb a s e do nc a n b u sw a s p r o p o s e d i nt h i sp a p e r f i r s t l y , t h ek e yi s s u e sw h e r et h ep r o b l e ml i e sw e r ea n a l y z e d ，a n dt h eo v e r a l ld e s i g n o ft h es y s t e mw a se x p l a i n e di nt h i sp a p e lt h e nt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no f t h es y s t e mw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h em c uc 8 0 51f 0 4 0w a su s e da st h ec o r e m i c r o p r o c e s s o ro ft h ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ti nt h ed e s i g n b e s i d e s ，s i g n a lp r o c e s s i n g c i r c u i t ，c a nb u si n t e r f a c ec i r c u i ta n dm a n m a c h i n ei n t e r a c t i v ei n t e r f a c e ，e t c w e r e d e s i g n e d ，a n dt h ew a t e re n v i r o n m e n tr o u t i n ep a r a m e t e r ss u c ha st e m p e r a t u r e ，p h ， t u r b i d i t y , c o n d u c t i v i t y , e t c w e r ed e t e c t e d t h ei n s t r u m e n tw a st a k e na st h en o d eo f c a nb u sa n dt h ed e t e c t e dd a t aw e r et r a n s m i t t e dt ot h eb u sb yt h ec a nb u si n t e r f a c e t h ea r m 7p r o c e s s o rl p c 2 2 9 2c h i po ft h ep h i l i p sw a su s e da st h ep r o c e s s o ro ft h e e m b e d d e dc a n - e t h e r n e tg a t e w a y , a n dt h er e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mo f t c o s 1 1 w a s t r a n s p l a n t e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m t h et c p i pp r o t o c o ls t a c kw a sr e a l i z e d w h i c hw a sc u ta n ds u i t a b l ef o rt h ea p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m s ，a n dt h ew e b s e r v e rw a sb u i l tb a s e do nt c p i pp r o t o c o l ，t h eg a t e w a yw a st a k e na st h eh o s tn o d eo f c a nb u sa n dt h er e c e i v e dd a t aw e r es t o r e di ni t t h e nt h ee m b e d d e dw e bs e v e ro f c a n - e t h e r n e tw a sa c c e s s e dt h r o u g hi eb r o w s e rb yt h es t a f fi nt h em o n i t o r i n gc e n t e r , a n dt h er e a l - t i m ed a t ad e t e c t e db yt h ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tc a nb ed i s p l a y e do nw e b p a g e sd y n a m i c a l l y t h es y s t e mp e r f o r m ss t e a d i l ya n de f f i c i e n t l yi n p r a c t i c a lt e s t b ya n a l y z i n gt h e o p e r a t i o nr e s u l t s a n d p e r f o r m a n c e ，t h ei n d u s t r i a le t h e r n e t ，c a n b u s a n dt h e i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t sc a nb eu n i t e dt ot r a n s m i tt h ei n f o r m a t i o no ff i e l di n t e l l i g e n t e q u i p m e n t st o t h ec o n t r o lr o o mf a ra w a y t h em o n i t o r i n go fs o m es p e c i a lo r d a n g e r o u su n a t t e n d e dp l a c e si sr e a l i z e d ，r e d u c i n gt h ep r o d u c t i o na c c i d e n tr a t et ot h e l o w e s tp o i n t m o r e o v e r , t h ea f t e r - m a i n t e n a n c eo fe q u i p m e n t si ss i m p l i f i e d ，b r i n g i n g g r e a te c o n o m i cp r o f i t sf o re n t e r p r i s e s m e a n w h i l e ，t h es y s t e mi sa na l l - o p e ns y s t e m w i t hs t r o n gp o r t a b i l i t y , h u g et e c h n o l o g i c a lu p g r a d i n gs p a c ea n dag c i o dd e v e l o p i n g p r o s p e c t i tc a nb ee a s i l ya p p l i e dt oo t h e rm o n i t o r i n ga r e a ss u c ha sn a t i o n a ld e f e n s e ， m i l i t a r yi n d u s t r y , m a r i n eg e o l o g ya n de n v i r o n m e n t a le c o l o g ya n ds oo n k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ，c a nb u s ，e t h e r n e t ，p c o s 一1 1 ，t c w i p j j 学位论文版权使用授权书 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。 保密口在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 学位论文作者签名：李成云 签字同期：刁年占月射 导师签名： 叫芝行 签字f j 期叫年6 心同 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。除文中已经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： 孝成 日期：矸年多月r 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言【l - 3 1 第1 章绪论 在工业生产以及日常生活中，仪表是人们获取和处理信息的重要手段。检测 技术和仪表是现代科学技术水平高低的一个标志。回顾仪器仪表工业的发展进 程，主要经历了全模拟式仪表、智能仪表和具有通信功能的智能仪表等几个发展 阶段。 在仪器仪表迅速发展的同时，信息化和网络技术也在迅速发展，以太网协议 被广泛应用于各种计算机网络，如企业信息网、工业控制网等场合，并还在不断 发展。同时，随着大规模集成电路的发展，微处理器技术和嵌入式系统得到了迅 速的发展和广泛的应用。将嵌入式系统和以太网技术应用于仪器仪表领域，让传 统的仪表和微处理器、现场总线和以太网技术相结合，可产生功能强大的带有总 线接口的现场智能检测仪表及远程网络传输系统。 由这些智能设备、现场总线和以太网的组合产生了工业控制网络。工业控制 网络技术是我国仪器仪表领域需要重点发展的关键技术之一，最后要形成广泛适 用于国民经济各部门的新型检测、通信和控制一体化的工业自动化系统。基于现 场总线的智能仪表远程监控系统作为工业控制网络的重要发展方向之一，是工业 数据通信、控制网络技术、接l 技术和嵌入式系统等多种技术共同发展的结果。 其应用领域十分广阔，涉及工业生产过程控制、国防军工、海洋地质、环境生态 等各行各业，具有良好的发展前景。 1 2 基于c a n 总线的智能仪表远程传输系统的特点 目前，现场检测仪表主要是单个仪表独立工作和直接控制，运行和维护成本 都较高。而且，通信接口主要采用简单的串行通信接口，通过r s 2 3 2 或者r s 4 8 5 和自定义的通信协议方式与监控计算机或者其他设备进行通信和远程管理。这些 通信方式局限性大、不灵活、不易于扩展，难以适应工业生产快速发展的要求。 随着现场总线的出现，这些问题迎刃而解。c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 即 第1 章绪论 控制器局域网，是一种多主方式的串行通信总线，由于其采用独特的设计，与一 般的通信总线相比，具有特出的可靠性、实时性和灵活性，在工业控制领域中占 有重要地位。c a n 总线网络将多个分散在生产现场，带有c a n 通信接口的智能 仪表作为网络节点，采用规范的c a n 协议，将这些智能仪表连接成可以相互交 互信息，共同完成检测和控制任务的c a n 网络系统。 基于c a n 总线的智能仪表远程传输系统，是智能仪表、工业现场网络和以 太网相结合的产物。它实现了c a n 现场总线网络和以太网这两种异构网络的互 连，在监控计算机上通过l e 浏览器就可以对现场检测仪表进行监测和控制，这 种方式使得种类繁多的客户端软件得到了统一。 1 3 本课题的研究背景和意义 1 3 1 研究背景【4 - 9 】 随着经济的发展、社会的进步、生产管理自动化水平的不断提高，特别是网 络的同益普及，集中监控系统在社会各行各业得到了越来越广泛的应用。然而在 工业生产中，大多数智能仪表还处于单独应用的阶段，以m c u 为核心，与一些 监测、伺服、显示设备配合实现一定的功能。在某些工业应用中，为了实现多个 智能仪表间的信息交流，利用c a n 、r s 4 8 5 等总线将智能仪表组网，但这种网 络的有效半径比较有限，有关的通信协议也比较少。这样，人们在继续发展现场 总线的同时，逐渐把目光转向了以太网( e t h e r n e t ) ，因为以太网被广泛应用于各 种计算机网络，普及的程度较高。而从实际的应用角度来讲，在工业控制领域， 用以太网完全取代现场总线也是不可能的。现场总线是工业控制领域催生的，它 自出现就带着工业控制领域的特征，它的安全性以及极强的抗电磁干扰特性j 下是 以太网设备所不具备的特性。从通信的角度看，现场总线交换的是数据量有限的 信息，从而使得现场总线具有实时性的优势，而这却是以太网的弱点。但是，现 场总线有非丌放性的局限，面临着标准化难的问题。由此可见，只有结合两者的 优点，取长补短，才能得到更大的发展。 2 江苏大学硕士学位论文 1 3 2 研究意义 通过建立基于检测仪表、c a n 总线、以太网的检测和远程传输系统，让智 能仪表与信息网络实时通信，把工业控制网络和信息网路统一起来。其意义在于： 1 、l 为工业现场总线和互联网互联提供简便、低成本的网络接口技术。 2 ) 现场总线的以太网接入技术，一方面可以将现场测量控制设备互联为通 信网络，实现不同现场设备之间的信息共享，另一方面又将现场的各种信息传到 远离现场的控制室，以进一步与上层控制网络连接和信息共享。 3 ) 借助于基于c a n 总线的智能仪表远程传输系统，可以实现某些特殊或危 险的无人值守场合的监控。 4 1 借助于基于c a n 总线的智能仪表远程传输系统，便于企业内部的信息集 成，为管理者的决策提供及时、全面、准确的信息资源。 1 4 本课题国内外研究现状和关键问题 1 4 1 国内外研究现状f i 0 - 1 5 现场智能设备与上层监控计算机的互连可以通过一些计算机端口来实现，如 r s 2 3 2 接口、并口、u s b 接口等。然而，计算机端口的资源非常有限，在控制 复杂设备时，只利用计算机固有端口是远远不够的，另外这种做法不能进行控制 扩展，当有多台设备与上位机交互信息时，上位机的数量需求也会因此增加而造 成成本的提高。而采用p c 机+ c a n 卡+ 以太网接口的方法又相对复杂，同时需 要接口卡驱动程序，也不利于系统的更新和扩展，并且成本较高。为了解决这些 问题，国内外有很多公司投入到智能设备远程监控系统的研究中来。比较有代表 性的产品有： 瑞典h m s 工业网络有限公司研发的a n y b u s xe t h e r n e t p r o f i b u s 网关可以实 现工业以太网与p r o f i b u s 总线的联接。以太网接口包含一个内嵌的 e t h e m e t i p l 0 1 0 0 m b i t s 接口，支持l t 功能，包括w e b 服务器、s s i 脚本、f l a s h 文件系统、盯p 、e m a i l 客户和t e l n e t 等等。可以建立w e b 页来显示和控制一个 工厂的底层过程。一个专有的3 2 位r i s c 微处理器保证了快速而安全的以太网 性能，用户通过监控计算机i e 浏览器获得现场设备的实时数据和发送控制指令。 3 第1 章绪论 e m i t 公司采用桌面计算机或高性能的嵌入式处理器作为网关，称为 e m g a t e w a y ，向上支持t c p i p 协议并运行h t t p 服务程序，形成一个用户可以 通过网络浏览器进行远程访问的服务器。e m g a t e w a y 通过r s 2 3 2 、c a n 等轻量 级总线与多个嵌入式设备联系起来，每个嵌入式设备的应用程序巾包括一个独立 的通信任务，称为e m m i c r o ，监测嵌入式设备中预先定义的各个变量并将结果反 馈剑e m g a t e w a y 中，同时e m m i c r o 还可以解释e m g a t e w a y 的命令，修改设备中 的变量或进行某种控制。该网关实现了现场设备和监控计算机的联网通信和 i n t e r n e t 远程监控。 北京和利时公司研发的厂级信息监控系统( h i s i s ) ，充分满足了工厂管控一 体化的要求。系统基于i n t e m e t ，并融合了嵌入式系统和现场总线技术，用户所 有操作都以w e b 方式进行，在客户端上有适当的权限可自行修改显示环境设置， 对历史数据库中所记录的所有数据都可以用曲线的形式显示出来，以供参考和分 析，进行远程设备维护和专家会诊。这将整个工厂的生产和管理有机的连接起来， 提高生产效率，降低维护成本。 浙江威盛公司研发的f b 3 0 0 0 系统，采用比较先进的控制网络技术和丌放性 标准、高性能的微处理器和最新的嵌入式设计技术、软件设计技术等。将现场总 线、o p c 和i e c 6 1 1 3 1 3 等开放性标准作为系统的核心技术设计，提供更强的开 放性和系统集成性。用户可以通过以太网访问f b 3 0 0 0 系统服务器获得现场实时 数据。 这些公司研制的基于嵌入式系统智能仪表的远程监控系统中，嵌入式系统技 术、现场总线技术和e t h e m e t 技术占据了核心地位，这些技术的结合用于实时监 控、生产管理或辅助其他设备运行，具有很好的应用前景。 1 4 2 关键问题 本课题笨于c a n 总线的智能仪表远程传输系统的关键部分是智能仪表、 c a n 通信接口和嵌入式c a n e t h e m e t 网关的设计与实现，这晕主要有几个问题： 一是提高测控精度和可靠性，显著增强测控系统的自动化，智能化程度；二是 c a n 总线和以太网这两种异构网络的连接问题，即上层管理监控层同下层现场 控制层的连接，这通过设计嵌入式c a n e t h e r n e t 网关来解决；三是软件如何支 4 江苏大学硕士学位论文 持w e b 浏览器访问的服务，这需要在3 2 位r i s c 微处理器上移植# c o s 一1 1 实时 操作系统和经裁剪的适合嵌入式系统的t c p i p 协议栈并实现一个嵌入式w e b 服 务器。 1 5 本课题的主要研究内容 本课题来源于江苏省科技攻关项目( 总线化智能多参数高精度检测与控制仪 表) ，研制了一套基于c a n 总线的智能仪表远程传输系统，提出了一种c a n 总 线智能设备和以太网互相通信的方案。 本课题的研究目标是实现水环境多种参数的精确测量并实现c a n 组网，实 现c a n 总线现场网络与以太网之问的信息交互，信息交互采用嵌入式w e b 服务 器的方式，以此为接口实现两种异构网络之l i l j 的信息交互。通过w e b 页面实现 对现场智能仪表的远程测控。在研究和实现系统的过程中，主要的技术要点体现 在以下几个方面： 1 ) 深刻理解水体环境各个参数测量传感器的工作原理，研究相关榆测方法， 设计性能可靠的信号调理电路； 2 ) c a n 总线网络的设计思想和网络运行与调试都有其独特之处，需要认真 研究c a n 2 0 协议； 3 ) 现场检测仪表软件的设计。现场检测仪表采用s o c 单片机c 8 0 5 1 f 0 4 0 作为核心微处理器，程序设计主要包括：仪表操作界面、信号采样和数据处理、 自动标定、l c d 显示、c a n 通信程序等； 4 ) 嵌入式w e b 服务器硬件设计。本设计中嵌入式w e b 服务器的设计采用 a r m 7 处理器l p c 2 2 9 2 为核心，主要包括以太网接口电路、c a n 总线接口电路、 系统电源电路、复位电路、系统时钟、存储部分等； 5 ) t c p i p 协议栈在嵌入式操作系统c o s i i 中的实现。分析t c p i p 通信 中用到的s o c k e t ( ) 霞l 数；分析w e b 服务器与浏览器通信的h t r p 协议格式和标准 的c g l ( c o m m o ng a t ei n t e r f a c e ) ，并重点设计基于嵌入式操作系统p c o s i i 的嵌 入式c g i ，从而实现嵌入式w e b 服务器。 5 笫1 章绪论 1 6 本文的结构安排 全文共分6 章，各章内容安排如下： 第1 章主要论述基于c a n 总线智能仪表远程传输系统的研究背景、国内外 的研究现状和研究意义，并给出其研究重点。 第2 章主要论述c a n 总线接口技术和以太网技术。研究两种网络的特点， 找到解决这两种异构网络的连接的关键问题。 第3 章主要论述基于c a n 总线智能仪表远程传输系统的总体设计方案，阐 明了系统各主要部分的结构并给出了结构框图。 第4 章主要论述系统的硬件设计。详细分析了以8 位处理器为核心的智能检 测仪表的设计和以3 2 位r i s c 处理器为核心的c a n e t h e r n e t 网关的硬件设计。 第5 章主要论述系统的软件没计。包括检测仪表检测程序、c a n 总线通信 程序和c a n e t h e r n e t 网关的程序设计。 第6 章主要对实验结果进行分析，并给出全文的总结与展望。 6 江苏大学硕士学位论文 第2 章c a n 总线与以太网 c a n 总线现场网络和以太网这两种异构网络的互连是本课题的关键问题之 一，所以首先要了解这两种网络，对这两种网络进行分析研究，了解两种网络互 连的关键问题所在，才能选择解决问题的正确途径。 2 1 现场总线 现场总线( f i e l db u s ) 是应用在生产现场、在智能设备之间实现双向串行多 节点数字通信的系统，也被称为丌放式、数字化、多点通信的底层控制网络。它 在制造业、工业过程控制、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前 景。 将现场总线技术应用在传统的测量控制仪表领域，设计带有现场总线接口的 智能仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接 的双绞线、光纤等作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、 规范的通信协议，在位于现场的多个测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控 计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。 简而言之，它把单个分散的测董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控制系统。现场 总线使自控系统与设备具有了通信能力，把它们连接成网络系统，加入到信息网 络的行列。 现场总线1 1 6 】的特点可概括如下： 1 )全数字化的现场通信网络现场总线利用数字信号代管模拟信号，其传输 抗干扰性强、测量精度高，大大提高了系统性能； 2 )丌放性现场总线是丌放式的互连网络，用户可自山集成不同制造商的通 信网络，通过网络对现场设备和功能块统一组念，把不同厂商的网络及设备有机 地融为一体，构成统一的现场控制系统( f c s ) ； 3 )双向通信现场设备通过一对传输线互连多台仪器，双向传输多个信号， 可大大减少连线数量，使系统的安装成本降低，易于推广维护，提高了系统的可 7 第2 章c a n 总线与以太网 靠性； 4 )可互操作性与互用性可互操作性是指实现互连设备问、系统f h j 的信息传 送与沟通，可实行点对点、一点对多点的数字通信；互用性意味着不同生产厂家 的性能类似的设备，可进行互换而实现互用； 5 )对现场环境的适应性现场总线工作在生产现场前端、作为工厂网络底 层，是专为现场环境而设计的，具有较强的抗于扰能力，采用两线制实现供电与 通信，并可满足安全防爆要求等； 6 )增加了非控制信息，如自诊断、组态及补偿信息等，实现了现场管理与 控制的统一。 现场总线发展迅速，目前已开发出有4 0 多种现场总线，如i n t e r b u s 、b i t b u s 、 d e v i c e n e t 、m o d b u s 、a r c n e t 、p n e t 、f i p 、1 s p 等，其中最具影响力的有5 种， 分别是：f f 、p r o f i t b u s 、h a r t 、c a n 和l o n w o r k s 。 2 2c a n 总线1 1 7 】 c a n 总线( c o n t r o l l e ra r e an 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，由于其高性能、高可靠性及独特的设计，越来越成为自动化 控制领域关注的一个焦点，受到人们的重视。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丌发的一 种串行数据通信协议，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤等，通信速率最 高可达1 m b p s 。 c a n 总线是种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速 率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到 1 0 k m 时，c a n 总线仍可提供高达5 k b p s 的数据传输速率。由于c a n 总线具有 这些特性，在汽车、制造业以及航空工业中受到广泛应用。 作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方 式，c a n 总线已被广泛应用到各个自动化控制系统中。例如，在汽车电子、自 动控制、智能大厦、电力系统、安防监控等各领域，c a n 总线都具有不可比拟 的优越性。在实际应用中，通常采用如图2 1 所示的网络拓扑结构。 8 江苏大学硕士学位论文 其他设器 c a n 收发器 ! 0 0 1 2 0e c a n 收发器 c a n 收发器c a n 收发器 智能仪表l智能仪表2智能仪表n 2 2 1c a n 总线的特点 图2 - 1c a n 总线网络拓扑结构 c a n 总线与其他总线相比有如下特点： 1 ) 它是一种多主总线，网络上任一节点在任意时刻都可以主动的向其它节 点发送信息，即每个节点机均可成为主机，切( 且) 无需站地址等节点信息，通 信方式灵活； 2 )通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤； 3 )c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k m ( 速率5 k b p s 以下) ；通信速率最高 可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) ； 4 )c a n 上的节点分成不同的优先级，可以满足不同的实时性要求，优先级 高的数据最多可在1 3 4 乒l s 内得到传输； 5 )c a n 总线通信接 j 中集成了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、循环冗余校验和优先级 判别等项工作； c a n 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信 数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限 制，数据块的标识码可由1 1 位或2 9 位二进制数组成； 7 )c a n 采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲 突时，优先级较低的节点主动退出发送，而最高优先级的节点可以不受影响地继 续传输数据，从而大大节省了总线冲突裁决时间，尤其是在网络负载很重的情况 下，也不会出现网络瘫痪的情况； 9 第2 章c a n 总线与以太网 8 )数据段长度最多为8 个字节，可满足通常工业领域中控制命令，工作状 态及测试数据的一般要求。同时，8 个字节不会占用总线时问过长，从而保证了 通信的实时性； 9 )c a n 协议采用c r c 检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通 信的可靠性； l o ) c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其它 节点的操作不受影响。 c a n 总线信号采用差分电压传送，两条信号线称为c a nh 和c a nl ，c a n 的总线数值为两种互补逻辑电平之一：隐性( r e c e s s i v e ) 和显性( d o m i n a n t ) 。 隐性电平表示逻辑“1 ”，显性电平表示逻辑“0 ”。静态时，v c a nh = v c a nl - 平均 电平= 2 5 v ，此时的总线状态称为“隐性”，表示逻辑“1 ”；当v c a nh = 3 5 v ， v c a nl = 1 5 v 即v c a nh 大于v c a sl 时，此时的总线状态称为“显性”，表示逻辑 “0 ”。c a n 总线上的电平如图2 2 所示。 v o l t a g e s v c a n h 3 5 v _ t 一一一一 2 5 v 一4 一一一一 2 2 2c a n2 0 协议 图2 2c a n 总线电平 t i m e r e c e s s i v e 随着c a n 总线在各领域的应用和推广，对其通信格式的标准化提出了要求。 为此，1 9 9 1 年9 月p h i l i p s 公司制定并发和了c a n 技术规范( v e r s i o n 2 0 ) 。该技术 规范包括了a 和b 两部分。2 0 a 给出了c a n 报文标准格式，而2 0 b 给出了标 准和扩展两种格式。此后，1 9 9 3 年1 1 月i s o 国际标准化组织f 式颁布了控制器 局域网( c a n ) 网际标准i s 0 1 1 8 9 8 ，为控制器局域网的标准化、规范化铺平了道路。 1 0 一 一 d ac 一 一 一 一 一 一 一 v 江苏大学硕士学位论文 2 2 2 1c a n 的分层结构 c a n 层的定义与开放系统互联模型( o s i ) 一致，c a n 规范定义了模型的 最下面两层：数据链路层和物理层。数据链路层又分为逻辑链路控制子层( l l c ) 和介质访问控制子层( m a c ) 。c a n 的分层结构和功能如图2 3 所示。 逻辑 链路 报文滤波 控制 超绒通知 千层 恢复管理 一 、刈 数 据 l l c 链 路 介质 数据封装拆装 一l 士南鼢薯田t 7 一jr 伏r 甲，r 匕 一 访问错误检测和标定 一 总线故障管理 层 控制帧编码( 填允解除填允) 子层媒体访问管理 j 避答 m a c 串行化解除串行化 物 位编舻，解码 理 位定时 同步 层 ( 驱动器接收器特性) 图2 - 3c a n 的分层结构和功能 ( 1 ) l l c 子层的作用 为数据传输和远程数据请求提供服务；确认由l l c 子层接收的报文已被接 收，并为恢复管理和通知过载提供信息。 ( 2 ) m a c 子层的作用 主要是确定传送规则，即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定、故 障界定。m a c 子层晕还确定总线上什么时候丌始发送新报文和什么时候丌始接 收报文。位定时的一些普通功能也可以看作是m a c 子层的一部分。其中m a c 子层运行借助称之为“故障界定实体( f c e ) ”的管理实体进行监控。故障界定 是使判别短暂干扰和永久性故障成为可能的一种自枪机制。 ( 3 ) 物理层的作用 在不同节点之间根据所有的电气属性进行位信息的实际传输。同一网络的物 理层对于所有的节点必须是相同的。尽管如此，在选择物理层方面还是很自由的。 在物理层上以能够使用多种物理介质，如双绞线、光纤等，最常用的就是双绞线。 第2 章c a n 总线与以太网 2 2 2 2 报文传送及其帧结构 报文的传送由四种不同类型的帧表示和控制：数据帧携带数据由发送器到接 收器；远程帧通过总线单元发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧；错误帧 由检测出总线错误的任何单元发送；过载帧用于提供当前和后续的数据帧的附加 延迟。数据帧和远程帧借助帧空间与当前帧分开。 数据帧和远程帧可以使用标准帧及扩展帧两种格式。进行通信和数据传输主 要用到数据帧和远程帧，简单的介绍如下： ( 1 ) 数据帧 数据帧是c a n 总线发送和接收数据时使用的数据流格式。数据帧由7 个不 同的位场组成：帧起始( s t s r to ff t a m e ) 、仲裁场( a r b i t r a t i o nf r a m e ) 、控制场 ( c o n t r o lf r a m e ) 、数据场( d a t a f r a m e ) 、c r c 场( c r cf t a m e ) 、应答场( a c k f r a m e ) 、帧结尾( e n do f f r a m e ) 。数据场的长度可以为0 。c a n 2 0 b 协议标准数 据帧和扩展数据帧格式如表2 - 1 所示。 表2 - 1 数据帧格式 帧起始仲裁场控制场数据场c r c 场应答场帧结尾 s o fi dr t rl d er 0d l cd a t ac r ca c ke n d 帧起始：标志数据帧和远程帧的起始，仅由一个“显性”位组成。只在总线 空闲时才允许节点开始发送信号。当总线上出现起始帧，其他节点与之同步； 仲裁场：标准格式帧与扩展格式帧的仲裁场格式不同。标准格式艰，仲裁场 由1 1 位识别符和r t r 位组成。识别符位由i d 2 8 i d 1 8 。扩展格式罩，仲裁场 包括2 9 位识别符、s r r 位、i d e 位、r t r 位。其谚 别符为l d 2 8 l d o ； 控制场：由6 个位组成。标准格式的控制场格式和扩展格式的不同。标准格 式早的帧包括数据长度代码、i d e 位和保留位巾。扩展格式罩的帧包括数据长度 代码和两个保留位：r 1 和雨。其保留位必须发送为“显性”，但是接收器认可“显 性”和“隐性”位的组合； 数据场：数据场可以是o 8 个字节，由控制场d l c 决定； c r c 场：包括c r c 序列( c r cs e q u e n c e ) 和c r c 界定符( c r cd e l i m i t e r ) ， c r c 序列( 标准格式以及扩展格式) 由循环冗余码求得的帧检查序列最适用于 1 2 江苏大学硕士学位论文 位数低于1 2 7 位的帧； 应答场：长度为2 个位，包含应答问隙( a c ks l o t ) 和应答界定符( a c k d e l i m i t e r ) 。在应答场旱，发送站发送两个“隐性”位。当接收器正确地接收到 有效的报文，接收器就会在应答间隙( a c ks l o t ) 期间( 发送a c k 信号) 向发 送站发送1 个“显性”位以示应答； 帧结尾：每一个数据帧和远程帧均由一标志序列界定，这个标志序列由7 个“隐性”位组成。 ( 2 ) 远程帧 作为某数据接收器的站，通过发送远程帧可以启动其资源节点传送它们各自 的数据。远程帧由6 个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、c r c 场、 应答场、帧结尾。远程帧结构如表2 2 所示。远程帧和数据帧的区别在于远程帧 没有数据场，其r t r 位是隐性电平。 表2 - 2 远程帧结构 帧起始仲裁场 控制场c r c 场应答场帧结尾 s o fl dr t rl d er 0d l cc r ca c ke n d 2 3 以太网和t c p i p 协议 2 3 1 以太网技术 以太网1 1 8 以9 】( e t h e r n e t ) 是x e r o x 公司研发的局域网标准，采用带冲突检测 的载波监听多路访问协议( c s m a t ，c d ) 访问方式，以报文分组方式进行数据交 换。1 9 8 0 年，x e r o x 、d e c 和i n t e r 三家公司联合起草了以太网标准，并于1 9 8 2 年发表了第2 版本的以太网标准。1 9 8 5 年，i e e e 8 0 2 3 委员会吸收以太网为 i e e e 8 0 2 3 标准，并对其进行了修改。以太网协议层次和c a n 网络层次的构成 基本相同，但i e e e 8 0 2 3 只提供物理层和数据链路层的m a c 层，因为i e e e 8 0 2 系列标准是局域网的标准，l l c 层的功能是相同的，不同的局域网采用的m a c 层不同。i e e e 8 0 2 3 所定义的m a c 层结构如表2 3 所示。 1 3 第2 章c a n 总线与以太网 表2 - 3 以太网帧格式 帧前界目的m a c源m a c l l c 数据数据校 同步位类犁字段填充位 定符地址地址段 验位 不超过 5 6 位8 位4 8 位4 8 位1 6 位可选3 2 字节 1 5 0 0 字节 同步位：用于接收方和发送方的时钟同步，同时指明了传输速率； 帧首界定符：为1 0 1 0 1 0 1 1 表示一帧数据的开始； 目的m a c 地址：共4 8 位，表示接收站点。当最高位为“o ”时表示唯一地 址或者单播地址( u n i c a s ta d d r e s s ) ，当最高位为“1 时表示组地址或组播地址 ( m u l t i c a s t a d d r e s s ) ，全“1 时为广播地址( b r o a d c a s t a d d r e s s ) 。 源m a c 地址：发送帧的网卡地址； 类型字段：表明该帧是何种类型的数据，0 8 0 0 h 代表l p 包，0 8 0 6 h 代表a r p 包，8 1 4 c h 代表s n m p 包等等； 数据段：由l l c 层提供或者接收，为了保证冲突检测的正常进行，从目的 地址算起的数据包最少6 0 字节，所以数据段部分最短4 6 字节； 填充位：是为了达到最短数据的要求，填0 即可； 数据校验位：网卡自动计算生成并附加到帧罩。 以太网中的信息以广播的方式传到每个节点上，节点判断该信息是否属于自 己，如果是的话，通过网络驱动接口从m a c 帧巾提取有效信息给上层协议 ( t c p i p ) 。 2 3 2 嵌入式t c p i p 协议 以太网本质上只是一个物理层标准，只有将其与网络协议结合，才能够进行 通信。t c p i p 协议是2 0 世纪6 0 年代由麻省理工学院和一些商业组织为美困国 防部开发的，到9 0 年代己发展成为计算机之i 日j 最常应用的组网协议。t c p i p 的 设计目的是独立于计算机所在的网络，在它们之问提供通用的互连。它是一个真 正的开放系统，被称为i n t e m e t 的基础。 在嵌入式系统中，由于资源的限制，只能实现一个简化的t c p i p 协议栈， 根据“够用原则”对标准t c p i p 协议进行有针对的模块化裁剪，设计了一个嵌 入式t c p i p 2 0 。2 1 1 协议簇，该t c p i p 协议簇包括i p 、t c p 、a r p 和i c m p 等协议 的全部或部分功能，尽量保持协议功能和机制上的完整。该协议栈按照网络体系 1 4 江苏大学硕士学位论文 分层思想设计，每层被设计成一个功能相对独立的模块，负责处理各自的数据， 通过函数调用把控制权交给上层或下层模块。嵌入式t c p i p 协议栈模型如图2 4 所示。 应用层 传输层 网络层 网络接口层 图2 4 简化的嵌入式t c p i p 协议栈结构图 ( 1 ) 网际协议即l p 协议，它是t c p i p 的核心协议，它使异构网络之间的 通信成为可能，并且所有上层的协议都使用l p 协议，因此要进行网络通信就必 须要使用l p 协议。所有的t c p 、u d p 、i c m p 及i g m p 数掘都以l p 数据报格式 传输。l p 提供了一种不可靠、无连接的数据报传送服务，即l p 不提供差错检验 和跟踪，只是尽最大可能的发送数据。不可靠的意思是不能保证l p 数据报完全 正确地到达目的地。任何要求的可靠性必须由上层来提供( 如t c p ) 。无连接的 意思是l p 并不维护任何关于后续数据报的状态信息。因为每个数据报的处理都 是相互独立的，可以不按发送顺序接收。l p 数据报格式如表2 4 所示。 表2 4l p 数据报格式 i p j 扳本报头长度优先级服务类璎 数据艮总长度 4 位4 侥8 位 6 位 分段标志( 1 6 位) 3 位分段标志1 3 位片段漂移节 生存期( 8 位)i p 数据报的岛层协议