（电力系统及其自动化专业论文）基于can现场总线的测控网络研究.pdf

摘要 控制系统的发展对测控网络的开放性、互操作性、底层功能提出了越来越高的 要求，现场总线技术正是适应这一要求而产生的，它的出现引起了控制体系的场 革命，其具有的突出的优点将成为工业测控领域的发展趋势。c a n 现场总线具有可 靠性高，实时性好，同时又具有价格低、容易实现的优点，因此，得到了越来越广 泛的应用，本文主要对基于c a n 现场总线的测控网络进行了深入研究，工作如下： 第一，阐述了c a n 总线的特点、通信技术、c a n 控制器性能，给出了基于 c a n 总线测控网络的总体设计方案、系统结构、工作原理。介绍了基于c a n 总线 现场测控装置的线路原理、技术指标和使用说明，以及u s b c a n 接口卡的系统结 构及其工作原理。 第二，基于c a n 2 0 b 协议制定了面向应用层的c a n 总线网络通信协议 q u c a na ，该协议基于“命令+ 参数”的形式，采用双滤波功能，标准帧格式，支 持广播、组广播及点对点通信。 第三，基于协议q u c a r la ，开发了主节点与从节点的通讯软件。其中从节点通 讯软件主要包括三大模块：c a n 现场智能测控装置初始化，报文发送及中断接收， 从节点的协议实现。主节点的通讯软件主要包括以下模块：主节点初始化，报文发 送及接收，主节点的协议实现，c a n 测控列络的人机界面。 第四，开发了主节点的驱动程序，该驱动程序有两个接口：与u s b c a n 卡交 换信息的动态链接库接口及与其它应用软件相互交换信息的o p c 接口。另外，实 现了网络配置及网络数据的管理。 第五，开发了从节点的i 0 子函数，主要包括：a d 、d a 、d i 、d o 子函数。 第六，基于变电站自动化的现状及设计要求，开发了一个变电站监控的应用实 例，进一步验证了该网络在实践中的先进性，实用性。主要模块包括：变电站自动 化监控画面，主接线图，历史报警，趋势显示等。 总之，本文提出的应用层协议q u c a na 功能完备，扩展及兼容性强，通信灵活， 基于该协议实现的基于c a n 总线的测控网络综合了a i 、a o 、d i 、d o 等多种功能， 其技术指标完全符合系统的殴计要求，既适用于数据采集，又适用于控制场合，可 方便的构成现场总线多主从分散型测控网络系统。 关键词：现场总线；c a n ；控制网络；通信协议；o p c 技术 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n t r o ls y s t e mp u tf o r w a r dh i g h e rd e m a n d so nt h eo p e n n e s s ， i n t e r o p e r a b i l i t ya n db o t t o ml a y e rf u n c t i o n so ft h ec o n t r o ln e t w o r k t h ea p p e a r a n c eo f f i e l db u st e c h n o l o g ys a t i s f i e dt h ed e m a n d sa n dc a u s e dar e v o l u t i o no f t h ec o n t r o ls y s t e m i tw i l lb et h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h ec o n t r o l s y s t e mb e c a u s eo fi t so u t s t a n d i n g a d v a n t a g e s c a nb u sh a st h ea d v a n t a g e so f h i g h r e l i a b i l i t y , r e a l t i m ea n dl o w - p r i c e ，s oi t i su s e dw i d e l y i nt h i sp a p e r , w em a i n l yd i s c u s s e dt h en e t w o r kb a s e do nc a n b u s ，t h e m a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： f i r s t ，e x p a t i a t e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c ，c o m m u n i c a t i o np r i n c i p l eo fc a nb u s ； p r o v i d e dt h eo v e r a l ld e s i g np l a n ，t h es t r u c t u r ef e a t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h e c o n t r o ln e tb a s e do nc a nb u s ；i n t r o d u c e dt h ec i r c u i tp r i n c i p l e ，t e c h n i c a lc r i t e r i aa n d o p e r a t i o ni n s t r u c t i o n so ft h ei n t e l l i g e n c ec o n t r o ld e v i c e ；p r e s e n t e dt h es y s t e m a t i c s t r u c t u r ea n do p e r a t i o np r i n c i p l eo f t h eu s b c a ni n t e r f a c ec a r d s e c o n d ，an e wp r o t o c o lf o ru s e rl a y e rc o m m u n i c a t i o nw h i c hi sn a m e dq u e a nai s p r e s e n t e d ，t h i sp r o t o c o li sb a s e do n ”o r d e r + p a r a m e t e r ”，a d o p tt h ef u n c t i o no fd u a lf i l t e r a n dt h ef o r mo fs t a n d a r df l a m e ，s u p p o r tb r o a d c a s t ，g r o u p sr a d i oa n dp o i n t - t o - p o i n t c o m m u n i c a t i o n t h i r d ，t h ec o m m u n i c a t i o ns o f t w a r eb a s e do nt h ep r o t o c o lq u c a n _ ab e t w e e nm a s t e r n o d e sa n ds l a v en o d e sh a v eb e e nd e s i g n e d t h es l a v e n o d e sc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e m a i n l yi n c l u d e st h r e em o d u l e s ：t h ei n i t i a l i z eo fc a ni n t e l l i g e n c ec o n t r o ld e v i c e ，t h e t r a n s m i s s i o na n dt h ei n t e r r u p tr e c e p t i o no ft h em e s s a g e ，t h ep r o t o c o lr e a l i z a t i o no ft h e s l a v en o d e s t h em a s t e r - n o d ec o m m u n i c a t i o ns o f t w a r em a i n l yi n c l u d e s ：t h ei n i t i a l i z a t i o n o ft h em a s t e rn o d e ，t h et r a n s m i s s i o na n dr e c e p t i o no ft h e m e s s a g e ，t h ep r o t o c o l r e a l i z a t i o no f t h em a s t e rn o d e ，t h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c eo f t h en e t w o r k r o u g h ，t h em a s t e rn o d ed r i v e rw i t ht w oi n t e r f a c e sh a sb e e nd e s i g n e d ，i tc a n e x c h a n g ed a t aw i t hu s b c a n i n t e r f a c ec a r da n do t h e ra p p l i c a t i o ns o f t w a r e s i na d d i t i o n ， t h ec o n f i g u r a t i o na n dd a t am a n a g e m e n to f t h en e t w o r kh a v eb e e nd e s i g n e d f i f t h ，t h e u s e ri os u b f u n c t i o n s o ft h es l a v en o d e h a v e b e e n d e s i g n e d ，t h e s u b f u n c t i o n sm a i n l yi n c l u d e ：a d ，d a ，d i ，d 0 s i x t h ，b a s e do nt h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o na n dt h ed e s i g n r e q u e s t ，am o n i t o r i n ge x a m p l eo ft h et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nh a sb e e nr e a l i z e d t h em a i n m o d u l e si n c l u d e ：t h em o n i t o r i n gi n t e r f a c eo f t h et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n ，t h em a i nh o o k u p ， h i s t o r ya l a r m ，t r e n dd i s p l a y ，a n de t c c o n s e q u e n t l y , i tf u r t h e rv e r i f i e st h ea d v a n c e m e n t a n dp r a c t i c a b i l i t yo f t h en e t w o r ki np r a c t i c e i naw o r d ，t h eu s e rl a y e rp r o t o c o lq u c a n _ at h a th a sb e e ns t i p u l a t e di se x p a n d a b l e ， c o m p a t i b l ea n df l e x i b l e t h en e t w o r kb a s e do nt h ep r o t o c o li n t e g r a t e sm a n yf u n c t i o n s ， s u c ha s ：a i ，a o ，d i ，d o ，a n de t c ，i t st e c h n i c a lp a r a m e t e r st o t a l l ya c c o r dw i t ht h e s y s t e m a t i cd e s i g nr e q u i r e m e n t s i ti sn o to n l ys u i t a b l ef o rt h ed a t aa c q u i s i t i o n b u ta l s o c a nb eu s e di nc o n t r o ls i t u a t i o n ，t h u s ，t h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ln e t w o r kw i t hm u l t i m a s t e r n o d e sa n dm u l t i s l a v en o d e sc a nb er e a l i z e de a s i l y k e y w o r d ：f i e l db u s ；c a n ；c o n t r o ln e t w o r k ；c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ；o p c 第一章引言 1 1 测控网络及其特点 第一章引言 众所周知，自动监控系统( 或称为测控系统) 正在向分布式和酬络化方向发展 分布式监控系统的关键在于其联网技术，即控制网络技术”。 图1 i 简单控制网络示意图 工业数据通信的内容可以追溯久远，但控制网络却是近些年发展形成的。应该 说，工业数据通信是控制网络的基础和支撑条件，是控制网络技术的重要组成部分。 在这个意义上也可以把工业数据通信与控制网络一并简称为控制网络。由图1 1 中 可以看出，控制网络将多个分散在生产现场，具有数字通信能力的测量控制仪表作 为网络节点，采用公开、规范的通信协议，以现场总线作为通信连接的纽带，把现 场控制设备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。 相对于普通的计算机网络系统而言。控制网络的组成成员比较复杂，除，作为普通 计算机通信系统成员的计算机、工作站、打印机、显示终端之外，大量豹嗍络设备 是各种可编程控制器、开关、马达、变送器、阀门、按钮等。有的现场控制设备内 嵌有c p u 或其它专用芯片，有的只是功能相当简单的非智能设备。它们是一类特 殊的网络系统，其应用涉及离散、连续制造业，交通、环保、楼宇、家电，甚至农、 林、牧、渔等各行各业。 我们通过图1 2 与图i 3 的比较可以看出，控制网络改变了传统控制系统的结 构形式。传统模拟控制系统采用的是一对一的设备连线，按控制回路的信号传递需 要连线。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的 执行器、开关、马达之间均为一对一的物理连接。而网络集成式控制系统与传统控 制系统相比使连线变得简单明了，网络采用的是总线式串行通信。串行通信的晟人 优点是经济，为系统设计、安装、维护带来很多方便。在两根双绞线上，可挂接几 1 青岛大学硕士学位论文 个、几十个自控设备，与传统设备间对一的接线方式相比，可节省大量线缆、槽 架、连接件，连线设计与接头校对的工作量也火火减少。当需要增加现场控制殴备 时，一般无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少 了设汁、安装的工作量，根据工程实例估算，可节省安装费用约为6 0 。 冈ei _ 眄司 凰 面 图1 2 传统控制系统结构图 图1 3 网络集成式控制系统图 在控制网络中实现串行数据通信的信号线就称为总线。总线上除了传输测量控 制的数值外，还可传输设备状态、参数调整和故障诊断等信息。便于操作管理人员 更好、更深入地了解生产现场和自控设备的运行状态。而目，作为网络节点的智能 现场设备，具备数字计算和数字通信能力，提高了信号的测量、控制和传输精度。 同时具备把控制模块、各输入输出模块置入现场设备的条件，实现了彻底的分散到 现场的控制系统功能，而不依赖控制室的计算机或控制仪表。这种将完整的控制系 统功能彻底分散到现场的做法，从根本上提高了控制系统运行的可靠性。 控制网络的出现，打破了自动化系统原有的信息孤岛的僵局，为工业数据的集 中管理与远程传送，为自动化系统与其它信息系统的沟通创造了条件。 1 2 控制系统对测控网络的要求 在网络集成式控制系统中，网络是控制系统运行的动脉，是通信的枢纽。因而 应高度重视网络系统的开放性、互操作性、通信的实时性、对环境的适应性等问题。 控制网络的通信系统应具有开放性。这里的“开放”是指通信协议公开，不同 厂商的设备可互连为系统，并实现信息交换；也指相关标准的一致性、公开性，强 调对标准的共识与遵从。作为开放系统的控制网络，应该能与世界上任何地方的遵 守相同标准的其他设备或系统连接。这样才能把系统集成的权利真正交给用户，用 户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品按应用需要组成系统。 控制l 叫络中的控制设备应具有互操作性与互用性。“互操作性”是指互连设备 间的信息传送与沟通；“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。 控制网络的基本任务是实现测量控制。而有些测控任务是有严格的时序和实时 2 第一章引言 性要求的。若达不到实时性要求或因时间同步等问题影响了网络节点间的动作时 序，则会造成灾难性的后果。这就要求控制网络能提供相应的实时通信，提供刚问 发布与时间管理功能，同时也要求提高系统的通信有效性。控制网络通信中的媒体 访问控制机制、通信模式、网络管理方式等都会影响到通信的实时性和有效性。 控制网络还应具有对现场环境的适应性。在这一点上，控制网络明悬区别于办 公室环境的各种网络。不同工作环境对控制网络的环境适应性有不同的要求。例如 在高温、严寒、粉尘环境下能保持正常工作，能抗振动，抗电磁干扰，在易燃易爆 环境下能保证本质安全，有能力支持总线供电等。 1 3 现场总线及其发展 目前，现场控制层所采用的控制网络种类繁多，有d c s ，p l c ，s c a d a ，现场 总线等，虽然d c s 控制系统采用了分层的结构，运用数字信号和模拟信号混合通 讯，克服了点对点控制的诸多弊端，但是并没有完全解决模拟信号传输带来的问题， 而且不同厂家的产品自成体系，难以实现互联、互操作和互换。而与其它控制网络 相比，现场总线具有开放性、互操作性、系统结构的高度分散性、灵活的网络拓扑 结构、现场设备的高度智能化、对环境的高度适应性等诸多突出特点。 现场总线技术就是在这种情况下应运而生，它的出现引起了工业控制领域的巨 大变革。其具有的突出的优点将成为工业测控领域的发展趋势。 现场总线技术产生于2 0 世纪8 0 年代，但对它的研究开发之热却是近年之举。 这一方面是因为信息时代各项技术的发展对自动化系统提出了新的要求，促进了该 领域的网络化、信息化进程；另一方面也是由于它本身所蕴涵的技术经济潜力。欧 洲、北美、亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力研究开发该项技术，出现了现场 总线技术与产品百花齐放、兴盛发展的态势。例如丹麦p r o c e s sd a t a 公司1 9 8 3 年推 出的pn e t 、德国s i e m e n s 公司1 9 8 4 年推出的p m f i b u s ，法国a l s t o n 公司1 9 8 7 年推出 的f i p 等都属于早期推出且至今仍有较大影响的总线技术。目前国际上有4 0 多种现 场总线，但影响较大的主要有f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) ，p r o 舶u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) ， c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 、l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i o nn e t w o r k ) 、h a r t ( h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 等 。 从总体上来说，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 双向串行多仃点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制 网络其先驱可谓是h o n e y w e l l 公司在1 9 8 3 年推出的数字信号4 2 0m a 输出的差 分信号驱动器，它在输出的4 2 0m a 直流信号上叠加了数字信号，从而使现场装 置与控制室控制装置之间的连接由模拟信号过渡到了数字信号。在此基础上，美国 r o s e m o u n t 公司配合使用了它自己的h a r t 数字通信协议。到了1 9 8 7 年，美国f o x b o r 青岛大学硕士学位论文 公司开发了i a 智能式自动控制系统，系统中使用了全数字通信。与此同时，在不 同的行业还陆续派生出些有影响的总线标准，它们大都是在公司标准的基础上逐 步形成，并得到其他公司、厂商、用户以至于国际组织的支持。目前国际上有1 0 多种列入i e c 标准的现场总线标准，而在国际标准尚未制定之前，工业控制领域的 各大公司就纷纷推出了自己的现场总线产品，并且很多国家和集团还推出了自己的 现场总线标准。晟终被列入i e c 标准的总线产品，在技术卜相互不兼容，而纷纷寄 希望于通过扩大市场占有率而成为事实上的标准。 尽管目前对现场总线的研究尚未能形成一个完善的统一标准，但现场总线的高 性能价格比将吸引众多工业控制系统采用。 1 4 现场总线在国内的应用 现场总线技术的发展在我周剐刚起步。根据我国国民经济发展需要和市场需 求，结合现场总线技术本身的特点及我国国情，现场总线专业委员会( c f f c ) 确定了 我国现场总线技术发展的3 2 字方针，即”市场牵引，面向专业；引进消化，开发创 新；总体规划，突出重点；内外结合，推进行业”。可以预期，现场总线技术在我 国的发展前景令人鼓舞。 1 9 9 6 年1 0 月，在美国芝加哥举行的9 6 1 s a 展览会上，醒目地展现了基金会现 场总线；1 9 9 8 年4 月在北京举行的多国仪器仪表展览会上，名目繁多的现场总线产 品，更是给人一种现场总线已是大势所趋的感觉。1 9 9 8 年的中国控制会议上，专门 安排了现场总线控制系统的大会专题报告，表明现场总线技术不仅是工业控制系统 的必然趋势，同时也成为控制理论研究的新方向。现场总线技术的兴起，推动了 d c s 的全面革新，为工业自动化实施先进控制策略创造了条件，同时也有力地推动 了计算机通信等相关技术的迅速发展。 1 9 9 8 年8 月，中国第一套现场总线系统由国家电力公司热工研究院从美国 f i s h e r - r o s e m o u n t 公司引进，该系统采用p l a n t w e b t m 基于现场结构的最新技术， 同时也是在中国第一次运用f f 技术。它将智能化现场设备、规模可变的平台和模 块化软件结合在一起，实现过程控制。这套系统将用于国内大中型火力发电厂汽轮 机性能考核测试，它包括一套d e l t a v 规模可变的过程控制系统、a m s 设备管理系 统以及1 0 0 余套基于f f 技术的压力温度变送器。该项目的引进也标志着我国电力 自动化技术进入了一个新时代。 目前中国现场总线发展面临的问题，除了继续开发新产品和新技术之外，还有 两项重要的工作。一项是技术应用，目前所取得的成果大多是技术上的，将技术转 化为产品，还要在生产工艺、质量管理等方面进行大量的工作；另一方面是产品推 广，d c s 在我国经过多年推广应用，技术上已经非常成熟，f c s 是一种新技术，需 4 第一章引言 要有个认知的过程，只有经过实践证明f c s 的优势，才能形成巨大的市场需求 进而推动行业良性发展。 1 5c a n 现场总线的发展及与r s - 4 8 5 通讯方式的比较 作为现场总线的一种，控制器局域网c a n ( c o n t r o l l e r ar e a ne t w o r k ) 是德国 b o s c h 公司于2 0 世纪8 0 年代初为了解决现代汽车中众多传感器与执行装置之间的 数据交换而开发的一种多主总线系统。 c a n 协议的最初版本为1 0 版，1 9 9 0 年推出1 2 版，1 9 9 1 年推出2 0 版。c a n 协议规定的网络结构模型以国际标准化组织规定的开放系统互连模型( i s o o s i ) 为 基础。目前，国际标准化组织i s o t c 2 2 技术委员会己经制定了c a n 协议的国际标 准i s o o s i l l 8 9 8 ( 通信速率小于等1 m b p s ) 干hi s o o s l l l 5 1 9 ( 通信速率小于等于 1 2 5 k b p s ) 。c a n 协议被国际标准化组织承认，进一步促进了c a n 总线在各种测 控领域中的应用。1 9 9 3 年3 月，国际c a n 总线用户及制造商协会在欧洲正式成立， 协会的缩写名称为c i a ( c a n i n a u t o m a t i o n ) 。c i a 的工作任务在丁- 制定修改 c a n 的有关协议，解决c a n 总线应用中的一些问题，提供c a n 总线开发工具及 产品，推广c a n 总线的应用，并定期出版有关c a n 总线的开发应用动态及产品介 绍的杂志。d e v i c e n e t 和c a n o p e n 是2 0 世纪9 0 年代产生的两种标准化的应用层， 现在已经在市场上得到了广泛应用。虽然c a n 协议迄今已有1 5 年，它仍然在发展 完善。2 0 0 0 年一开始，l s o 的任务定义了“c a n 的时间一触发通信”协议( t t c a n ) 。 目前，许多数字化分布式测控系统都是基于r s 4 8 5 网络构建的，这种基于 r s 一4 8 5 网络的分布式测控系统由于具有结构简单、抗干扰能力强、传输距离远、成 本低等优点，而被广泛应用于各利，实时分布式测控现场。但在构建复杂并且存在强 干扰的实时测控网络时，必须保证系统具有良好的可靠性、抗干扰性和实时性，以 及足够的通信距离。而r s 4 8 5 本身具有诸多缺点，不能给出良好的解决办法。 r s 一4 8 5 仅仅是一种半敬工式通信的电气协议，其通信介质为双绞线，信号在传 输的双绞线上呈现一对相异的电平信号。由r s 一4 8 5 构成的分布式测控系统，任何 时候，只能允许一个节点向网络系统发送数据，系统中每一个节点的r s 4 8 5 驱动 器都有一个发送使能端d e ，d e 的作用是驱动器在发送数据时，控制该发送单元有 效，使其向网络中的节点发送数据；数据发送完成后，则禁止驱动器的发送单元工作， 使其处于高阻状态，从而不影响网络中的数据传输。如果发生故障，出现几个节点 同时向网络发送数据，使整个网络回路呈现短路状态，最终损坏其节点的驱动器。 如果网络中的节点太多，超过了r s 一4 8 5 驱动器的负载能力，或者各节点之间的距 离人于r s 一4 8 5 规定的距离，则必须使用中继器来增加网络中的节点数或延长备节 点之间的距离。 青岛大学硕士学位论文 由于r s 一4 8 5 只是一种电气协议，它本身并未提供可靠高效的通信协议的实现， 加之这种网络的工作方式是命令响应型，因此，为了保证数据通信的准确性和系统 运行的可靠性，就必须编制完善的调度程序和通信协议，这就增加了系统开发的难 度和开发周期。 对于这些问题，r s - 4 8 5 网络本身无法给出良好的解决办法。而新兴的c a n 总 线技术则使这些问题得到了较好的解决，c a n 具有一系列的优点如下： 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是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i l 位( 按c a n 技术规范2 0 a ) 或2 9 位( 按c a n 技术规范2 0 b ) - - 进制 数组成，因此可以定义2 “或2 ”个不同的数据块。这种按数据块编码的方式，还可 使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分步式控制系统中非常有用。c a n 的模型结构只有三层，数据结构简单，又是范围较小的局域网，有利于系统中实时 控制信号的传送。数据段长度虽多为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间过长，从而保 证了通信的实时性。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。 c a n 的这些卓越特性，极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设 备的互连，因此，越来越受到工业界重视，并已被公认为最有前途的现场总线之一。 本课题跟踪现场总线技术，介绍一个基于c a n 现场总线的测控网络，可用于 工业控制、楼宇、汽车电子、变电所、配电车间、电力系统等多种场合的监控系统， 可以模拟各种开关、继电器的合、分状态，设备运行状态监测，故障诊断，对各种 参数在线监控，适时报警，使工程人员及时掌握设备的运行状况，及时采取各种措 旖排除故障，提高系统的运行效率。 6 第二章基于c a n 现场总线的测控网络 第二章基于c a n 现场总线的测控网络 本章简单介绍了c a n 总线的通信原理、通信技术，硬件产品性能及其通信接 口电路，给出了测控网络的系统方案结构、软件系统、抗干扰性设计及其性能指标。 2 1c a n 总线简介： 2 1 1 控制器局部网( c a n ) 控制器局部网( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k - - c a n ) 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信网络。c a n 现场总线最初是由德国的 b o s c h 公司为汽车的监测控制系统而设计的。由于c a n 现场总线有卓越的特性和极 高的可靠性，特别适合工业过程监控设备的互连，因此越来越受到工业界的重视， 并被公认为几种最有前途的现场总线之，成为一种国际标准( i s o1 1 8 9 8 ) 3 1 。 c a n 现场总线是一个多主总线，各节点都有权向其它节点发送信息。通信介质 可以是双绞线、同轴电缆或光纤，其主要特点有： a )通信速率为5 k b p s 1 0 k m 、1 m b p s 4 0 m ，节点数l l o 个，每个节点均可主动 传输，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。 b )采用点对点、全局广播发送接收数据。 c )可实现全分布式多机系统，且无主从之分，每点均可主动发送报文，可方 便地构成多机备份系统。 d ) 采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当两个节点同时向网上发送信息时， 优先级低的节点主动停止发送数据。 e )支持四种报文帧：数据帧、远程帧、出错帧、超载帧。采用短帧结构，传 送时间短、受干扰概率低。 f )采用c r c 校验及其他校验措施，保证了极低的信息出错率。 g )具有自动关闭功能，当接点错误严重时，自动切断与总线的联系，以不影 响总线的工作。 2 1 2c a n 通信技术 随着c a n 在各种领域的应片j | 和推f 4 ，对其通信协议的标准化也提出了要求。 1 9 9 1 年9 月飞利浦半导体公司制订并发布了c a n 技术规范；该技术规范包括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 给出了标准的和扩展的两种格式， 2 0 b 完全兼容2 0 a 。此后，c a n 成为国际标准i s o l l 8 9 8 。这一标准的颁布，为控 制器局域网的标准化、规范化推广铺平了道路。 青岛大学硕士学位论文 2 1 2 1c a n 通信参考模型 参照i s o o s i 标准模型，c a n 分为数据链路层和物理层。c a n 的通信参考模 型如表2 1 所示 表2 ic a n 的通信参考模型 协议层对应o s i 模型说明 l l c 数据链路层逻辑链路控制于层，用于为链路中的数据传输上层控制手段 m a c媒体访问控制子层，用于控制帧结构、仲裁、错误界定等 物理层 物理层是在不同节点之问根据所有的电气属性进行位的实际传输 图中逻辑链路控制子层l l c 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。 m a c 子层主要规定传输规则，即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标 定和故障界定。m a c 子层要为开始一次新的发送确定总线是否开放或者是否马上 开始接收。m a c 子层特性不存在修改的灵活性。 物理层规定了节点的全部电气特性。在一个网络内，要实现不同节点间的数据 传输，所有节点的物理层必须是相同的。 2 1 2 2c a n 的报文传送与通信帧结构 在数据传输中，发出报文的节点称为该报文的发送器，节点在报文进入空闲状 态莉或丢失仲裁前恒为发送器。如果一个节点不是报文发送器，并且总线不处于空 闲状态，则该节点为接收器。c a n 协 义中使用两种逻辑位表达方式，当总线上的 c a n 控制器发送的都是隐性位时，此时总线状态是隐性位( 逻辑1 ) ，如果总线上 有显性位出现，隐性位总是让位于强位，即总线上是显性位( 逻辑o ) 。报文传输有 4 个不同类型的帧：数据帧，远程帧，错误帧，过载帧。数据帧和远程帧可以使用 标准帧及扩展帧2 种格式。这里主要介绍一下数据帧。 数据帧从发送节点传送数据到一个或多个接收节点。它由七种不同的位域组 成：帧的起始域，仲裁域，控制域，数据域( 长度可为o ) ，c r c 域，应答域，帧 的结束域。c a n 2 0 a 数据帧的组成如图2 1 所示： 8 第二章基于c a n 现场总线的测控网络 帧间空间 图2 1c a n 2 0 a 数据帧结构 在c a n 2 0 b 中存在两种不同的帧格式，其主要区别在于标识符的长度，具有 1 1 位标识符的帧称为标准帧，而包括2 9 位标识符的帧称为扩展帧。c a n 2 0 b 的报 文滤波以整个标识符为基准。标准格式和扩展格式的数据帧结构如图2 2 所示。 基本帧结构 仲裁场控制场数据场 f + + f 一 + - 扩展帧结构 仲裁场控制场 数据场 竺匝! ! 卫玉亟三丑臣日豇 图2 2c a n 2 0 b 的数据帧结构 数据帧的主要结构有： 1 ) 帧起始：标注数据帧的起始，它由单个“显性”位构成，在总线空闲时发 送，在总线上会产生同步作用。 2 ) 仲裁场：标准格式帧与扩展格式帧的仲裁域格式不同 对于c a n 2 0 a 标准，标识符的长度为1 1 位，这些位以从高位到低位顺序传送。 对于c a n 2 0 b ，在标准格式里，由1 1 位标识符( 1 d 2 8 1 d 1 8 ) 和远程发送请 求位( r t r ) 组成，r t r 位为显性位表示数据帧，隐性位表示远程帧。标识符由高 至低次序发送，且前7 位( i d 2 8 i d 2 2 ) 不能全为隐性位。在标准帧里，标识符其 后是r t r 位。 在扩展格式里，仲裁域包括2 9 位标识符、s r r 位、i d e 位、r t r 位。其标识 符由1 d 2 8 i d l 0 组成。在扩展帧里，基本i d 首先发送，随后是i d e 位和s r r 位， 扩展l d 的发送位于s r r 位之后。 标识符用于提供关于传送报文利总线访问的优先权信息，其数值越小，表示优 先权越高，发生冲突时优先发送。s r r 位是一隐性位，它是在扩展帧中标准帧的 青岛大学硕士学位论文 r t r 位的位置被发送，因而替代标准帧的r t r 位。当标准帧与扩展帧发生冲突， 而扩展帻的基本i d 同标准帧的标识符一样时，标准帧优先于扩展帧。 3 ) 控制场：标准格式的控制域结构和扩展格式的不同，在标准帧里有6 位构 成，前2 位为保留位，为显性，后4 位为数据长度码( d l c ) ，表示数据场中数据 的字节数，必须在o 8 范围内变化。 4 ) 数据场：由被发送数据组成，数目为控制场中决定的o 8 个字节，首先发 送最高有有效位m s b 。 5 ) c r c 场：包括c r c ( 循环冗余码校验) 序列( 1 5 位) 和c r c 界定符( 1 个隐性位) ，用于帧校验。 6 ) a c k 场：由应答间隙和应答界定符组成，共两位。 7 ) 帧结束：有7 位隐性位组成，此期间无位填充。 2 1 3c a n 通信控制器 c a n 通信控制器是c a n 总线接l _ ：_ 电路的核心，主要完成c a n 的通信协议， 由实现c a n 总线协议部分和跟微处理器接口部分电路构成。 ， 目前广泛流行的c a n 总线器件有两大类： 1 1 独立c a n 控制器，如8 2 c 2 0 0 、s j a l 0 0 0 及i n t e l 8 2 5 2 6 8 2 5 2 7 等。 2 ) 嵌入式c a n 控制器，如p s x c 5 9 2 ，8 7 c 1 9 6 c a c b 及p 5 1 x a c 3 ，d s p 等。 这里主要以s j a l 0 0 0 对c a n 控制器的结构功能及应用加以介绍。 2 1 3 1c a n 控制器s j a l 0 0 0 结构及主要特点： s j a l 0 0 0 是一种独立c a n 控制器，是p h i l i p s 公司的p c a 8 2 c 2 0 0c a n 控制器 的替代产品，s j a l 0 0 0 具有b a s i c c a n 和p e l i c a n 两种工作方式。b a s i c c a n 可完成 基本的c a n 模式，执行c a n 2 0 a 协议，p e l i c a n 可完成增强的c a n 模式，执行 c a n 2 0 b 协议。在这两种模式中s j a l 0 0 0 寄存器从数量、地址分配到功能方面都 有所区别。 1 1s j a l 0 0 0 的主要新功能 s j a l 0 0 0 增加了很多新的功能。主要新功能如下： 夺标准结构和扩展结构报文的接收和发送 夺6 4 字节的接收f i f o 夺标准和扩展帧格式都具有单双接收滤波器( 含接收屏蔽和接收码寄存器) 夺可进行读写访问的错误计数器 夺可编程的错误报警限制 第二章基于c a n 现场总线的测控网络 夺最近一次的错误代码寄存器 夺每一个c a n 总线错误都可以产生错误中断 夺具有丢失仲裁定位功能的丢失仲裁中断 夺单发方式( 当发生错误或丢失仲裁时不重发) 夺只昕方式( 监听c a n 总线，无应答，无错误标志) 夺自检测模式( 自发送，自接收) 2 1s j a l 0 0 0 的功能框图与引脚说明 图2 2 中a d 7 a d 0 为多路地址数据总线，a l e 、r d 、w r 、c s 为地址锁存、 读、写、片选信号，i n t 为中断输出，r s t 为复位输入，m o d e 选择i n t e l 方式( 接 v d d ) 或m o t o r o l a 方式( v s s ) ，x t a l l 、x t a l 2 为振荡器输入输出，r x 0 、r x l 、 为c a n 总线至s j a l 0 0 0 的输出端，t x 0 、t x i 、为s j a l 0 0 0 至c a n 总线的输出端。 s j a l 0 0 0 的引脚图如图2 3 所示。 图2 2s j a l 0 0 0 引脚图 2 1 3 2s j a l 0 0 0 寄存器【4 1 c a n 控制器对外部微控制器( c p u ) 来讲，是一个存储器映象的i o 设备， s j a l 0 0 0 的内部存储器可以分为3 个部分，分别为控制寄存器组、发送缓冲区和接 收f i f o ，同时支持b a s i c c a n 和p e l i c a n 两种模式，这两种模式下，各个寄存器 的地址分布是不同的，并且有些寄存器只在p e l i c a n 方式下有效。下面阱p e l i c a n 模式介绍s j a l 0 0 0 的寄存器功能。 表2 2 p e l i c a n 模式下寄存器分配 肼肼删删删枷憾踟踟衙而 ：|i3竺：兰=篙 青岛大学硕士学位论文 工作状态复位状态 c a n 地址 读 写读写 0模式模式模式模式 l0 0 h命令0 0 h命令 2 状态 状态 3中断中断 4 中断使能中断使能 中斯使能 5 保留 保留 6总线定时0 总线定时0总线定时0 7总线定对1总线定时i 总线定时l 8输出控制输出控制 输出控制 9检测检测 检测检测 1 0保留保留 1 l仲裁丢失捕捉 仲裁丢失捕捉 1 2 错误代码捕捉 错误代码捕捉 1 3错误报警限制 错误报警限制错误报警限制 1 4r x 错误计数器r x 错误计数器 r x 错误计数器 1 5t x 错误计数器 t x 错误计数器t x 错误计数器 1 6 2 0帧信息+ 识别码帧信息+ 识别码 验收代码验收代码 2 l 2 8 数据字节 数据字节验收屏蔽( 2 1 - 2 4 )验收屏蔽( 2 1 - 2 4 ) 由表2 2 可以看出，c a n 寄存器分三部分：控制段、发送缓冲区、接收缓冲区， 其中控制段由c p u 填入发送缓冲区并启动发送，而接收到的数据被放在接收缓冲 区中。发送缓冲区有两个，对于c p u 而言两者的地址是相同的，当c p u 读取一个 缓冲区时，