（计算机软件与理论专业论文）基于现场总线技术的智能化门禁系统的设计与开发.pdf

摘要 摘要 信息技术的飞速发展，引起了a 动化系统结构的变革，逐步形成 以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线就是顺应这 一形势发展起来的新技术。现场总线是当今自动化领域技术发展的热 点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双 向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信 的底层控制网络。它在制造业、流程工业、交通、楼字等方面的自动 化系统中具有广泛的应用前景。 c a n 已经形成国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线 之一。它属于总线式串行通讯网络，由于其采用了独特的多主工作方 式、短帧结构、非破坏性总线仲裁以及校验检错措施，与一般的通信 总线相比较，具有突出的可靠性、实时性和灵活性等特点，c a n 已 经被广泛用于汽车、火车、智能楼宇、机器人、消防管理、自动化仪 表等领域。 在本课题“智能化门禁系统”中，由于采用了c a n 现场总线技 术，较好地解决了在低成本传输介质( 双绞线) 条件下传输距离、节 点数量和传输时间之间的矛盾，达到了预期的目标。 本文共分五个部分，首先介绍了现场总线的发展、种类及其特点， 然后详细介绍了c a n 总线技术的特点，最后重点阐述了利用c a n 总 线技术具体实现的智能化门禁系统的关键技术和系统设计中应注意 的事项。 关键词：现场总线控制系统，c a n ，智能化门禁 ! ! ! ! 坠! ! a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h eg r e a tc h a n g e sh a v e t a k e np l a c ei na u t o m a t i cs y s t e ma n di n f o r m a t i o ns y s t e mo fe n t e r p r i s e sb a s e do nt h e a u t o m a t i c s y s t e m o fi n t e g r a t e dn e t w o r kh a s g r a d u a l l y f o r m e d f c si san e w t e c h n o l o g yc o m p l y i n gw i t ht h i st e n d e n c y f s ci s o n eo fh o t s p o t si nt h ef i e l do f a u t o m a t i ct e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，a p p r a i s e da s c o m p u t e rl a n i nt h ed o m a i no f a u t o m a t i z a t i o n f c si sas y s t e mt h a ti s a p p l i e di n t h ef i e l do fp r o d u c t i o nt or e a l i z es e r i a l l y b i d i r e c t i o n a lm u l t i c a s td i g i t a lc o m m u n i c a t i o n ，a l s oc a l l e do p e n ，d i g i t i z e da n dm u l t i c a s t c o m m u n i c a t i o nb o t t o m l a y e r c o n t r o l n e t w o r k ，w h i c h h a saw i d e p r o s p e c t o f a p p l i c a t i o ni na u t o m a t i cs y s t e mi ns u c hf i e l d sa sm a n u f a c t u r i n g ，p r o c e s s i n gi n d u s t r y , c o m m u n i c a t i o n ，b u i l d i n g sa n d s oo n c a n ，a ni n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d , h a sg e n e r a la c c e p t e d a so n eo ft h em o s t p r o s p e r o u sf c s 。i tb e l o n g s t oa s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k c o m p a r e d 训m c o m m o nc o m m u n i c a t i v ef c s ，i ti se n d o w e dw i t ho u t s t a n d i n gd e p e n d a b i l i t y , t h e p r o p e r t y o f r e a l - t i m ea n d f l e x i b i f i t yb e c a u s eo f m o r ew o r k ，f l a m es t r u c t u r e ，b u sa c c e s s m e t h o da n de l l o rt o l e r a n c et e c h n o l o g y c a nh a sb e e na d o p t e di nt h ed o m a i no f a u t o m o b i l e ，t r a i n ，i n t e l l i g e n tb u i l d i n g s ，a u t o m a t o n ，f i r e c o n t r o lm a n a g e m e n ta n d a u t o m a t i cm e t e r i nt h i ss u b j e c to ni n t e h i g e n tg a t es y s t e m ，t h ec o n t r a d i c t i o na m o n gt r a n s m i s s i o n d i s t a n c e ，q u a n t i t yo fn o d ea n dt r a n s m i s s i o nt i m eu n d e rt h ec o n d i t i o no fl o w c o s t t r a n s m i s s i o nm e d i aw i l lb es o l v e d ，s ot h a tt h ea n t i c i p a t i v et a r g e tw i l lb ea c h i e v e d ， t h a n k st ot h ec a n t e c h n o l o g y sa r t i c l ei sd i v i d e di n t of i v es e c t i o n s i nt h ef i r s ts e c t i o n ，t h ed e v e l o p m e n t ， v a r i e t ya n dc h a r a c t e r i s t i c so ff c sw i l l b ei n t r o d u c e da n dt h es p e c i a l t yo fc a n t e c h n o l o g y w i l lb e d e t a i l e d l ym e n t i o n e d i nt h ef o l l o w i n g p a r a g r a p h a n di nt h el a s t ，t h e k e yt e c h n o l o g yi nr e a l i z i n gi n t e l l i g e n tg a t es y s t e mu s i n gc a nt e c h n o l o g ya n dt h e p r e c a u t i o n s i ns y s t e md e s i g nw i l lb e e x p a t i a t e d k e y ：f i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m ，c a n , i n t e l l 蟾e n tg a t e 2 第一章前言 第一章前言 随着计算机技术，通信技术，集成电路技术及智能传感技术的发展，在工业 控制领域出现了一种新兴的控制技术，即现场总线。它是上述几种技术的结合， 是当今自动控制技术发展的热点，代表了工业控制领域今后的一种发展方向。它 的出现，将使传统的控制系统无论在结构上还是在性能上出现巨大的飞跃，可以 说现场总线是控制领域的一场革命，它代表了一种有突破意义的新的控制思想， 它将开辟一个新的时代。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪 表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，导致了传统控制系统结构的 变革，形成了新型的网络集成式全分布控制系统现场总线控制系统f c s ( f i e e l d b u sc o n t r o l s y s t e m ) 。 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 ) 是继基地式气动仪表控制 系统，电动单元组合式模拟仪表控制系统，集中实式数字控制系统集散式控制系 统d c s 后的新一代控制系统。控制器局部网c a n ( c o n t r o l l e ra e r a n e t w o r k ) 属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的 串行通讯网络，c a n 的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络，由于 c a n 总线技术具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优 点，使其在道路运输工具以外的领域，即在机器人、工业自动化、医疗仪器、自 动测试、智能火灾报警控制系统等领域也得到了广泛的应用。 作为智能化电子安全防范系统的重要组成部分一智能化门禁系统，就是利 用计算机和自动化控制设备对各类出入口通道进行控制和管理的智能化管理系 统，它有效地解决了往往由于人为因素造成的出错率高、管理不严格、漏洞多等 弊端，进而达到可靠管理、科学管理的目的。 第二章现场总线概述 第二章现场总线概述 七十年代以前，控制系统中采用模拟量对传输及控制信号进行转换、传递， 其精度差、受干扰信号影响大，因而整个控制系统的控制效果及系统稳定性都很 差。七十年代末，随着大规模集成电路的出现，微处理器技术得到很大发展。微 处理器功能强、体积小、可靠性高、通过适当的接口电路用于控制系统，控制效 果得到提高；但是尽管如此，还是属于集中式控制系统。随着过程控制技术、自 动化仪表技术和计算机网络技术的成熟和发展，控制领域又发生了一次技术变 革。这次变革使传统的控制系统( 如集散控制系统) 无论在结构上还是在性能上 都发生了巨大的飞跃，这次变革的基础就是现场总线技术的产生。 现场总线是连接现场智能设备和自动化控制设备的双向串行、数字式、多节 点通信网络，它也被称为现场底层设备控制网络( i n f r a n e t ) 。八十年代以来， 各种现场总线技术开始出现，人们要求对传统的模拟仪表和控制系统变革的呼声 也越来越高，从而使现场总线成为一次世界性的技术变革浪潮。美国仪表协会 ( i s a ) 于1 9 8 4 年开始制订现场总线标准，在欧洲有德国的p r o f i b u s 和法国的 f i p 等，各种现场总线标准陆续形成。 2 1 现场总线的发展背景与趋势 现场总线技术起源于欧洲，目前以欧美地区最为发达。由于这是一项带有革 命性的、领导今后各领域自动化潮流的技术，各国、各公司都投入了大量的人力、 财力在市场上展开了激烈的竞争。据不完全统计，世界上已出现过的总线种类近 第二章现场总线概述 2 0 0 种，经过1 0 多年的竞争和完善，目前较有生命力的有l o 多种，并仍处于激 烈的市场竞争之中。 现代工业控制思想的核心是“分散控制，集中监控”使得”危险分散，控制分 散”，但即使是现在流行的d c s 控制，其与工业过程打交道的过程控制站仍然还 是集中的，现场信号的检测、传输和控制还是采用的4 2 0 m a 的模拟信号，这正 是对分散控制，集中监控思想的违背。而f c s 控制系统真正做到了这一点，把 控制彻底地下放到现场，现场的智能仪表就能完成诸如数据采集，数据处理，控 制运算和数据输出大部分现场功能，只有一些现场仪表无法完成的高级控制功能 才由上位机来完成。而且现场节点之间可以相互通信实现互操作，现场节点也可 以把自己的诊断数据传送给上位机，有益于设备管理。 在五十年代以前，由于当时的生产规模较小，检测控制仪表处于发展的初级 阶段，所采用的仅仅是安装在生产设备现场、只具备简单测控功能的基地式气动 仪表，其信号仅在本仪表内起作用，一般不能送给别的仪表或系统，即各测控点 只能为封闭状态，无法与外界沟通信息，操作人员只能通过生产现场的巡视，了 解生产过程的状况。 伴随着生产规模的不断扩大，操作人员需要综合掌握多点的运行 参数与信息，需要同时按多点的信息实行操作控制，于是出现了气动、 电动系列的单元组合式仪表，出现了集中控制室。生产现场各处的参 数通过统一的模拟信号，如0 0 2 0 1 m p a 的气压信号，0 1 0 m a 、4 - 2 0 m a 的直流电流信号，1 5 v 直流电压信号等，送往集中控制室。操作人 员可以坐在控制室纵观生产流程各处的状况，可以把各单元仪表的信 号按需要组合成复杂控制系统。 由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，提 高计算速度与精度的开销、难度都很大，信号的抗干扰能力也较差， 人们开始寻求用数字信号取代模拟信号，于是出现了直流数字控制。 第二章现场总线概述 由于当时的数字计算机技术还不发达，价格昂贵，人们企图用一台计 算机取代控制室的j r , 乎所有的仪表盘，于是出现了集中式数字控制系 统。但由于当时数字计算机的可靠性还较差，一旦主控计算机出现某 种故障，就会造成所有控制回路瘫痪、生产停产的严重局面，这种危 险的集中系统结构很难为生产过程所接受。 随着计算机可靠性的提高，价格的大幅f 降，出现了数字调节器、 可编程控制器( p l c ) 以及由多个计算机构成的集中、分散相结合的 集散控制系统。这就是今天正在被许多企业采用的d c s 系统。d c s 系 统中，测量变送仪表一般为模拟仪表，因而它是一种模拟数字混合系 统。这种系统在功能、性能上较模拟仪表、集中式数字控制系统有了 很大的进步。但是，在d c s 形成的过程中，由于受计算机系统早期存 在的系统封闭这一缺陷的影响，组成更大范围信息共享的网络系统存 在很多困难。 新型的现场总路线控制系统则实破了d c s 系统中通信由专用网络 的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成 了基于公开化、标准化的解决方案，即可以把来自不同厂商而遵守同 一协议规范的自动化设备，通过现场总路线网络连接成系统，实现综 合自动化的各种功能；同时把d c s 集中与分散相结合的集散系统结 构，变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现 场智能设备本身便可实现基本控制功能。 现场总路线是一种工业的数据总线，是一种全数字化、双向、多 站的通信系统，是自动化领域中计算机通信体系最底层的低成本网 络，它可以与现场设备直接相连，构成控制网络，并在现场设备之问 实现数据交换，使所有现场设备具备了原先只有中央控制室才有的控 制功能，从而避免了控制高度集中，一旦中央控制室发生故障，就会 第二章现场总线概述 造成整个系统全面瘫痪的后果。控制网络体系结构的这种变革，将在 今后几十年中直接影响控制领域的发展。因此，可以况现场总线技术 开辟了过程控制的新纪元。在现场总线技术诞生的初期，它的主要功能是将 当时的可编程逻辑控制器( p r o g r a mm a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，p l c ) 以一种较 简洁的方式连接起来。随着计算机技术引入p l c ，计算机通信技术被引入现场总 线；p l c 功能的增强对现场总线提出了更高的要求，计算机通信技术的引入大大 增强了现场总线的功能，成为现场总线技术发展的主要趋势。 2 2 现场总线的结构特点及优点 现场总线控制系统( f c s ) 在技术上具有以下特点： 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。一个开放系统，是指它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。不同厂家的d c s 往往无法兼容，而f c s 技术及 标准是全开放式的，从总线标准、产品检测到信息发布都是公开的， f c s 遵循国际标准化组织i s d 的开放系统互连标准o d i ，具有“互联” 互操作性，也就是说，不同厂家的现场总线产品可以组成统一的系统， 可以实现互直互通，这就使得用户可以自由地选择不同厂商所提供的 设备来集成系统，通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。 第二章现场总线概述 互可操作性与互用性 互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通；而 互用则意味着不同生产厂家的性能类似的设备可实现相互替换。 信号传输的数字化 在传统的d c s 系统中，现场仪表到控制站之问采用4 - 2 0 m a 模拟 信号传输，而f c s 则采用数字信号，在网络传输中还采用了防止碰撞、 检错、纠错等技术措施，实现了高速、双向、多变量、多站点之间的 可靠通信，在通信质量和连线方式上都有了重大的实破。 现场设各的智能化与功能自治性 f c s 将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制功能分散到现场 设备中完成，依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，提高了控制系统的鲁棒性。由于f c s 设备的标 准化、功能模块化，因此，f c s 还具有设计简单，易于重构等优点。 系统结构的高度分散性 第二章现场总线概述 现场总线构成了一种新的全分散控制系统的体统结构，f c s 废弃 了d c s 的控制站和输入输出单元，而将这一级的功能分配给现场仪 表，从根本上改变了现有d c s 集中与分散相结合的集散控制系统体 系，使系统结构得到了简化，大大提高了系统的可靠性。 多种传输媒介和拓扑结构 工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专门 为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、红外线、电 力线等，具有绞强的抗干扰能力，可以采用两线制实现供电与通信， 并可满足本质安全防爆要求等。根据控制系统中节点的空间分布情 况，可以采取多种拓扑结构，这种传输介质和拓扑结构的多样性，给 自动化控制系统的旌工带来极大的方便，省时间、省材料，据有关介 绍，与传统的d c s 从结构上相比，仅在布线方面一项就可节约4 0 的 成本。 对现场环境的适应性 工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为 现场环境而设计的，可支持双绞线同轴电缆光缆射频红外线电力线 等，具有较强的抗干扰力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足 本质安全防爆要求等。 第二章现场总线概述 2 3几种有影响的现场总线 美国仪表协会( i s a ) 于1 9 8 4 年开始制订现场总线标准，在欧洲有德国的 p r o f i b u s 和法国的f i p 等，各种现场总线标准陆续形成。其中主要的有：基金会 现场总线f f ( f o u n d a t i o nfj e l d b u s ) 、控制局域网络c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) 、局部操作网络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 ) 、过程现场 总线p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 和i i a r t 协议( h i g h w a ya d d r e s s a b jer e m o t e t r a n s d u c e r ) 等。但是，总线标准的制定工作并非一帆风顺，由于行业与地域发 展等历史原因，加上各公司和企业集团受自身利益的驱使，致使现场总线的国际 化标准工作进展缓慢。但是不论如何，制定单一的开放国际现场总线标准是发展 的必然。下面对几种有影响的现场总线分别加以介绍： 1 基金会现场总线f f ( f o u n d a t i o nf i o ld b u s ) 基金会现场总线f f 是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展 前景的一种技术，其前身f is h e r r o s e m o u n t 公司为首，联合8 0 家公司 制定的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 家公司制定 的w o r l d f i p 协议，两大集团于1 9 9 4 年合并，成立现场基金会，致力 与开发统一的现场总线标准。f f 目前拥有1 2 0 多个成员，这包括世 界上最主要的自动化设备供应商：a b 、a b b 、h o n e y w e l l 、s m a r t 、f u j i e 1 e c t r i c 等。f f 的通信模型以i s o o s i 开放系统模型为基础，采用 了物理层、数据链路层、应用层，并在其上增加了用户层，各厂家的 产品在用户层的基础上实现。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义 第二章现场总线概述 了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。f f 总线包括 f f 通信协议、i s o 模型中的2 7 层通信协议的通栈、用于描述设备特性及操作 接口的d d l 设备描述语占、设备描述字典，用于实现测量、控制、工程量转换的 应用功能块，实现系统组念管理功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、 网络系统的系统集成技术。 f f 总线采用的是令牌总线通信方式，可分为周期通信和非周期通 信。f f 目前有高速和低速两种通信速率，其中低速总线协议h l 已于 1 9 9 6 年发表，现在已应用于工作现场，高速协议原定为h 2 协议，但 目前h 2 很有能可胎死腹中，e t h e r n e t 将取而代之。h 1 的传输速率为 3 1 2 5 k b p s ，传输距离可达1 9 0 0 m ，可采用中继器延长传输距离，并 可支持总线供电，支持本质安全防爆环境；h 2 的传输速率分为1 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 。f f 可采用总线型、 树型、菊花链等网络拓扑，网络中的设备数量取决于总线带宽、通信 段数、供电能力和通信介质的规格等因素。f f 支持双绞线、同轴电 缆、光缆和无线发射等传输介质，物理传输协议符合i e c l l 5 8 2 标准， 编码采用曼彻斯特编码。f f 总线拥有非常出色的互操作性，这在于 f f 采用了功能模块和设备描述语言d d l ，使得现场节点之间能准确、 可靠的实现信息互通。目前f f 有2 9 个功能块，其中包括1 0 个基本 功能块和1 9 个先进功能块。用户还可以开发自己的功能块，这些功 能块之间通过标准的d d l 实现互操作。f f 的开发工具为a t2 4 0 0d d t o k e n i g e rk i t 和a t2 4 0 1d ds e r i c e sk i t 。f r a u n h o f e r 实验室担任测试。 2 过程化现场总线p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e i db u s ) 第二章现场总线概述 p r o f i b u s 是p r o c e s sf i e l db u s 的缩写。它是由以西门子为首的 1 3 家公司和5 家科研机构在联合开发的项目中制定的标准化规范，1 9 8 9 年l 2 月成立了p n o ，1 9 9 6 年p r o f i b u s 成为德国国家标准d i n l 9 2 4 5 ，同时 又是欧洲标准e n 5 0 1 7 0 。p r o f t b u s 在实际应用巾业绩彪炳，在众多总 线中居于前列，广泛应用于各种行业。同f f 一样，它也是最具竞争 力的一类现场总线。目前的p r o f i b u s 有三种系列：p r o f i b u s d p 、 p r o f i b u s p a 和p r o f i b u s f m s 。p r o f i b u s d p ( 传输速率为1 2 m b p s ) 应用于现场级，经过优化的高速、廉价的传输形式适于自动控制系统 与现场设备之间的实时通信，它采用了r s 一4 8 5 传输。p r o f i b u s f m s 用于车间级，即中、下层，要求面向对象，提供较大数据量的通信服 务，它有被e t h e r n e t 取代的趋势，它也采用了r s 一4 8 5 传输。 p r o f i b u s p a 专为过程自动化设计，它采用了i e c l l5 8 2 传输技术可 用于有爆炸危险的环境中。p r o f i b u s d p 和p r o f i b u s f m s 使用了同 样的传输技术和总线访问协议，所以它们可以在同一根电缆上同时操 作，而p r o f i b u s p a 设备通过分段耦合器可以很方便地集成到 p r o f i b u s d p 网络。p r o f i b u s 有三种传输类型：p r o f i b u s d p 和 p r o f i b u s f m s 的r s 一4 8 5 ( h 2 ) ：p r o f i b u s p a 的i e c l l 5 8 2 ( h 1 ) ：光 纤( f o ) 。p r o f i b u s - - d p 用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化 领域。f m s 型适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。而p a 型则 是用于过程自动化的总线类型。 p r o f i b u s 支持主从方式、纯主方式、多主多从通信方式。主站对总线具有控 制权，主站间通过传递令牌来传递对总线的控制权。取得控制权的主站，可向从 站发送、获取信息。p r o f i b u s 只采用了o s i 模型的物理层、数据链路层、应用 层，它省略了3 6 层，增加了用户层。p r o f i b u s - d p 使用第l 、第 2 层和用户接口。p r o f i b u s f m s 分l 、2 和7 层均加以定义， 第二章现场总线概述 p r o f i b u sp a 的数据传输延用p r o f t b u s d p 的协议，只是在上层增加 了描述现场设备行为的p a 行规。它的总线防问方式m a c 为：主站之 间通信采用令牌传输，主站和从站之间采用主从方式。p r o f i b u s 可 以采用总线型、树型、星型等网络拓扑，总线上最多可挂接12 7 个站 点。p r o f i b u s 行规的制定，为遵循p r o f i b u s 协议的设备之间的互操 作奠定了基础。通过对设备指定符合p r o f i b u s 行规的过程参数、工 作参数、厂家特定参数，设备之间就可以实现互操作。 3 世界工厂仪表现场总线w o r l d f ip ( w o r id f a c t o r y n s t r u m e n tp r o t o c o1 ) w o r l d f i p 基于f i p 协议，其最初由法国于8 0 年代开发，并成为 法国国家标准u t ec 4 6 ( 1 、2 、7 层) 。w o r l d f i p 协议采用i e c i s as p 5 0 物理层( i e c1 1 5 8 2 ，支持总线冗余) ，选择f i p 数据链路层和应用 层，符合i s as p 5 0 用户层子集。提供传感器执行器与p l c 、控制器 之间的连接。w o r l d f i p 提供高速确定性控制和双冗余网络。数据链 路层采用确定性的集中总线调度器l a s ( l i n ka c t i v es c h e d u le r ) 实现访问控制，总线仲裁器处理所有通信，为实时变量和报文提供服 务。应用层为用户应用中的实时变量和报文提供服务。 4 in t e r b u s i n t e r b u s 是一种传感器级的现场总线，令牌网、经济性是它 第二章现场总线概述 的一大特点。不象其它总线，其至今仍是在其最早的总线协议上发展 并壮大。目前，它在欧洲市场占绝对优势，为宝马，通用，福特等车 界巨头所采用。 5 h a r t 现场总线( h i g h w a y a d d r e s s a b i er e m o t e t r a n s d u c e r ) h a r t 协议是由r o s e m o u n t 公司于1 9 8 6 年提出的通信协议。由美国 r o s e m o u n t 公司开发并得到8 0 多家代表公司的支持，于1 9 9 3 年成 立了h a r t 通信基金会。它是用于现场智能仪表和控制室设备间通信的一种 协议。它包括i s o o s i 模型的物理层、数据链路层和应用层。h a r t 协议符合 o s i r m 的l 、2 、7 层。物理层使用基于f s k 技术的b e l l2 0 2 。h a r t 为主从协议。应用层定义了3 类命令：通用命令、特殊命令和专用 命令。h a r t 通信可以有点对点或多点连接模式。 这种被称为可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，其特点 是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字 系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强市场竞争 力，在智能仪表市场上占有很大的份额。 6 l o n w o r k s 现场总线( l o c a i o p e r a t i n gn e t w o r k s ) l o n w o r k s 技术是由美国e c h e l o n 公司开发，并与m o t o r o l a 和东 芝公司共同倡导的现场总线技术。它采用i 8 0 o s i 模型的全部七层协 第二章现场总线概述 议结构。采用了面向对像的设计方法，通过网络变量把网络通信设计 简化为参数设计，其传输速率为3 0 0 b p s 一1 5 m b p s ，当传输率为 7 8 0 k h p s 时，传输距离为2 7 0 0 m 。l o n w o r k s 技术的核心是具备通信和控制功 能的n e u r o n 芯片。n e u r o n 芯片实现完整的l o n w o r k s 的l o n t a l k 通信协议。其 上集成有三个8 位c p u 。一个c p u 完成o s i 模型第一和第二层的功能，称为介质 访问处理器。一个c p u 是应用处理器，运行操作系统与用户代码。还有一个c p u 为网络处理器，作为前两者的中介，它进行网络变量寻址、更新、路径选择、网 络通信管理等。由神经芯片构成的节点之间可以进行对等通信。l o n w o r k s 支持多 种物理介质并支持多种拓扑结构，组网方式灵活，其i s 一7 8 本安物理通道使得 它可以应用于危险区域。l o n w o r k s 应用范围主要包括楼宇自动化、工业控制等， 在组建分布式监控网络方面有较优越的性能。 7 m o d b u sp lu 8 m o d b u s p l u s 是为工业控制应用( 如过程控制和监控信息传递) 设计的局域网，由a e 6m o d ic o n 开发。网络总线采用单双电缆布局， 可连接至多6 4 个可寻址节点，1 m b p s 传输速率。信息格式为h d l c ， 介质访问采用令牌方式。 8 p n e t ：p r o c e $ sa u t o m a tio nn e t p - n e t 的设计目的是用普通2 线制电缆实现过程自动化中分散过 程组件的连接，由p r o c e s s d a t as il k e b o r ga p sd e n m a r k 开发。应 第二章现场总线概述 用主要集中在过程工业和制造厂。覆盖o s i r m 的1 、2 、3 、4 、7 层， 并利用信道结构定义了用户层。 该总线为带多网络和多端f a 功能的多主总线，允许几个总线区 域的直接寻址，而无需递阶网络结构。所有的通信均基于这样的原则： 主节点发送一个请求，被寻址的从节点在3 9 0 us 内立即返回一个n 向 应，只有已存放到从节点内存中的数掘方可被访问。主节点之间的总 线访问权限通过虚拟令牌传递解决。每个从节点中内含一个通用单芯 片微处理器，带2 k b y t ee p r o m ，不仅仅为通信用，而且可用于测量、 标定、转换和应用功能。p - n e t 接口芯片执行数据链路层的所有功能， 第3 层和第4 层的功能由宿主处理器中的软件解决。 9 p h o e b u s p h o e b u s 是瑞士联邦工艺于1 9 8 7 年推出的串行现场总线。它采用 开放系统互联( o s i ) 参考模型的第1 、2 和7 层结构，可把传感器、 变送器和执行器连接到p l c ( 可编程序控制器) 上，主要用于机床行 业。 1 0 8 0 n tr o i n e t c o n t r 0 1 n e t 是a b 公司开发的现场总线标准，用于高速生产流水 线的测控和一般的工业信号处理。 第二章现场总线概述 1 1 控制器局域网络c a n 总线( c o n t r o ii e ra r e an e t w o r k ) 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，最初由德 国b o s c h 公司8 0 年代用于汽车内部测试和控制仪器之间的数据通信。目前c a n 总线规范已被国际标准化组织i s o 制订为国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ，并得到了 m o t o r o l a ，i n t e l ，p h i l i p s 等大半导体器件生产厂家的支持，迅速推出各种集 成有c a n 协议的产品。目前c a n 总线主要用于汽车自动化领域，如发动机自动点 火、注油、复杂的加速刹车控制( a s c ) 、抗锁定刹车系统( a b s ) 和抗滑系统等。 b e n z 、b m w 等著名汽车上已经采用c a n 来满足上述功能。在工业过程控制领域， c a n 也得到了广泛的应用。 c a n 也是基于o s i 模型，但进行了优化，采用了其中的物理层、数据 链路层和应用层，提高了实时性。 c a n 具有以下特点：1 、c a n 可以多主方式工作，网络上任意一 个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而不 分主从，通信方式灵活。利用这一特点也可方便地构成多机备份系统： 2 、c a n 网络上的节点( 信息) 可分成不同的优先级可以满足不同的 实时要求；3 、c a n 采用非破坏性总线占有技术，当两个节点同时向 网络上传送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高 的节点可不受影响地继续传输数据，大大节省了总线冲突裁决时间。 最重要的是在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪的情况 ( 以太网则可能) ；4 、c a n 可以点对点、一点对多点( 成组) 及全局 广播几种传送方式接收数据；标准报文标志符可达2 0 3 2 种，而扩展 标准的报文标志符几乎不受限制；5 、c a n 的直接通信距离最远可达 第二章现场总线概述 10 k m ( 速率5 k g s 以下) ；6 、c a n 的通信速率最高可达l m b s ( 此时 距离最长4 0 m ) ；7 、c a n 上的节点数实际可达1 1 0 个；8 、c a n 采用短 帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，这样传输时间短，受干扰的概 率低，且具有极好的检错效果；9 、c a n 每帧信息都有c r c 校验及其 他检错措施，保证了数据出错率极低；1 0 、通信介质采用廉价的双绞 线即可，无特殊要求：1 1 、c a n 节点在错误严重的情况下，具有自动 关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上的其他操作不受 影响；1 2 、n r z 编码解码方式，并采用位填充技术。c a n 不能用于防 爆区。总之，c a n 总线具有实时性强、可靠性高、结构简单、互操作性好、价格 低廉等优点，克服了传统的工业总线的缺陷，是一种有效的解决方案。 当前，各种形式的现场总线协议并存于控制领域。在楼字自控领域， l o n w o r k s 和c a n 网络具有一定的优势；在过程自动化领域，主要有过渡型的h a r t 协议、得到广泛支持的f f 现场总线协议以及同样较有竞争力的p r o f i b u s 协议。 h a r t 协议将是目前几年内智能化仪表的主要通信协议；基金会现场总线是过程自 动化领域中较有前途的一种现场总线，得到许多自动化仪表设备厂商的支持；由 于l o n w o r k s 技术的开放性，国内出现了利用它开发控制系统的许多开发商。考 虑到统一的开放式现场总线协议标准制定的长期性和艰巨性，传统d c s 的退出将 是一个渐进过程。在一段时期内，会出现几种现场总线共存、同一生产现场有几 种异构网络互连通讯的局面。但是，发展共同遵从的统一的标准规范，真正形成 丌放式互连系统，是大势所趋。 目前在我国，c a n 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 等得到了比较广泛的应 用，许多公司都开发出了基于现场总线的产品和系统，并取得了比较 好的效果。表2 1 是l o n w o r k s 与c a n 的性能比较，可以看出，l o n w o r k s 系统涵盖了o s i 的7 层模型，系统功能强大，结构复杂，造价较高， 适用于智能建筑等参变量较多的场合。而c a n 由于系统构成简单，且 第二章现场总线概述 由于采用了非破坏性总线仲裁机制，使得系统的实时性很好，在汽车、 工业自动化等要求系统响应较快的行业得到了广泛的应用。据文献介 绍，o p e lv e c t r a 汽车上就采用了三个基于c a n 的控制网络：a b $ 及 引擎控制的5 0 0 kb i t s 的高速c a n ；汽车音响及其他电子设备的 9 5 2 kb i t s 中速c a n ；用于灯光、空调及门窗控制的3 3 3 kb i t s 低速c a n 。 总线名l o n w o r k sc a n 静丝 应用场合 、 智能建筑，电力等汽车、工业自动化 0 s i 层次1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，71 ，2 ， 7 总线访问c s m d c ac s m d c r 媒介类型光纤、双绞线、同轴电缆光纤、双绞线 等 差错控制c r c c r c 网络规模大( 可多至几万个节点)取决于驱动器，最多 1 1 0 个节点 最大速率1 2 5 m b sl m b s 复杂程度复杂简单 经济性昂贵，适用于控制量多的便宜，易于实现 系统 表2 1 ：l o n w or k s 与c a n 的性能比较 第三章控制器局域网总线c a n 第三章控制器局域网总线c a n c a n ( 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。由于其高 性能、高可靠性及独特的设计，c a n 越来越受到人们的重视。c a n 最初是b o s c h 公司为汽车监测、控制而设计的，由于c a n 总线本身的 特点，其应用范围已扩展到过程工业、机械工业、机器人、传感器及 医疗器械等领域。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，1 9 9 1 年9 月p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 制订并发布了c a n 技术规范v 2 o 。该技术规范包括a 、b 两部分。 2 o a 给出了c a n 报文的标准格式，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一一数 据信息交换一一高速通信控制器局域网( c a n ) 国际标准i s 0 1 18 9 8 ， 为控制器局域网的标准化、规范化辅平了道路。 3 ic a n 总线的分层结构 c a n 总线是丌放系统，其通讯模型遵循i s 0 0 s i 模型，采用了 其中的物理层、数据链路层和应用层。其中数据链路层又进一步分为 逻辑链路控制子层l l c 和媒体访问控制子层m a c ，而应用层则包含了 i s 0 0 s i 模型中除物理层和数据链路层外其余各层的功能。c a n 总线 的分层结构和功能如图3 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 第三章控制器局域网总线c a n 认由l l c 子层接收的报文实际已被接收，并为恢复管理和通知超载提 供信息。在定义目标处理时，存在很人的灵活性。m a c 子层的功能主 要足传送规则，即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故 障界定。c a n 总线物理层的主要内容是规定了有关全部电气特性在不 同节点问的实际传送。在c a n 2 o a b 中对物理层的部分内容作了规 定，而在i s o l l 8 9 8 标准中的内容更加具体，但没有指明通讯介质的 材料，因而用户可以根据需要选择双绞线、同轴电缆或光纤。物理层 规定了c