现场总线与测控技术考试试题.doc

“现场总线与测控技术”硕士研究生考试试题1. 什么是现场总线？国际电工委员会IEC61158对现场总线的定义是什么？答：现场总线原本是指现场设备之间公用的信号传输线，后又逐渐被定义为应用在生产现场，在测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信技术。国际电工委员会IEC61158对现场总线（field bus）的定义是：安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。 2. 简述现场总线的分类及其应用领域。答：现场总线可分为三类：全传感器网络功能数字网络 数字信号串行线 现场总线是应用在生产现场、在微型计算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、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用背景。3. 简述现场总线的协议组成结构及其工作原理。答：现场总线网络结构按照国际标准化组织（ISO）制定的开放系统互联OSI（Open System Interconnection）参考模型建立的。OSI参考模型共分7层，即物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表达层和应用层。 工作原理：它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，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。4. 介绍CAN总线位的数值表示，并说明任意两点间的最大距离。答: VCAN-HVCAN-LVdiffVdiff隐性位隐性位显性位时间tU图 1 总线位的数值表示 位速率bps1M500K250K125K100K50K20K10K5K最大距离40m130m270m530m620m1.3km3.3km6.7km10km表 1 CAN总线系统任意两节点之间的最大距离5. 简述数据链路层的几个特征。答：七个基本特征：（1）报文（Messages）（2）信息路由（Information Routing）（3）优先权（Priorities）（4）远程数据请求（Remote Data Request）（5）仲裁（Arbitration）（6）安全（Safety）错误检测（Error Detect）措施：- 监视（发送器对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较）- 循环冗余检查- 位填充- 报文格式检查（7）应答（Acknowledgment）6. 详述报文的帧结构。答：在报文传输时，不同的帧具有不同的传输结构，下面将分别介绍四种传输帧的结构，只有严格按照该结构进行帧的传输，才能被节点正确接收和发送。数据帧由七种不同的位域(Bit Field)组成：帧起始(Start of )、仲裁域(Arbitration Field)、控制域(Control Field)、数据域(DataField)、CRC域(CRC Field)、应答域(ACK Field)和帧结尾(End of )。数据域的长度可以为08个字节。1)帧起始(SOF)：帧起始(SOF)标志着数据帧和远程帧的起始，仅由一个“显性”位组成。在CAN的同步规则中，当总线空闲时(处于隐性状态)，才允许站点开始发送(信号)。所有的站点必须同步于首先开始发送报文的站点的帧起始前沿(该方式称为“硬同步”)。2)仲裁域：仲裁域由标识符和RTR位组成，标准帧格式与扩展帧格式的仲裁域格式不同。标准格式里，仲裁域由1l位标识符和RTR位组成。标识符位有ID28IDl8。扩展帧格式里，仲裁域包括29位标识符、SRR位、IDE(Identifier Extension，标志符扩展)位、RTR位。其标识符有ID28IDO。为了区别标准帧格式和扩展帧格式，CANl012版本协议的保留位r1现表示为IDE位。IDE位为显性，表示数据帧为标准格式；IDE位为隐性，表示数据帧为扩展帧格式。在扩展帧中，替代远程请求(Substitute Remote Request，SRR)位为隐性。仲裁域传输顺序为从最高位到最低位，其中最高7位不能全为零。RTR的全称为“远程发送请求(Remote TransmissionRequest)”。RTR位在数据帧里必须为“显性”，而在远程帧里必须为“隐性”。它是区别数据帧和远程帧的标志。3)控制域：控制域由6位组成，包括2个保留位(r0、r1同于CAN总线协议扩展)及4位数据长度码，允许的数据长度值为08字节。4)数据域：发送缓冲区中的数据按照长度代码指示长度发送。对于接收的数据，同样如此。它可为08字节，每个字节包含8位，首先发送的是MSB(最高位)。5)CRC校验码域：它由CRC域(15位)及CRC边界符(一个隐性位)组成。CRC计算中，被除的多项式包括帧的起始域、仲裁域、控制域、数据域及15位为0的解除填充的位流给定。此多项式被下列多项式 除(系数按模2计算)，相除的余数即为发至总线的CRC序列。发送时，CRC序列的最高有效位被首先发送接收。之所以选用这种帧校验方式，是由于这种CRC校验码对于少于127位的帧是最佳的。6)应答域：应答域由发送方发出的两个(应答间隙及应答界定)隐性位组成，所有接收到正确的CRC序列的节点将在发送节点的应答间隙上将发送的这一隐性位改写为显性位。因此，发送节点将一直监视总线信号已确认网络中至少一个节点正确地接收到所发信息。应答界定符是应答域中第二个隐性位，由此可见，应答间隙两边有两个隐性位：CRC域和应答界定位。7)帧结束域：每一个数据帧或远程帧均由一串七个隐性位的帧结束域结尾。这样，接收节点可以正确检测到一个帧的传输结束。（2）错误帧错误帧由两个不同的域组成：第一个域是来自控制器的错误标志；第二个域为错误分界符。1)错误标志：有两种形式的错误标志。激活(Active)错误标志。它由6个连续显性位组成。认可(Passive)错误标志。它由6个连续隐性位组成。它可由其他CAN总线协议控制器的显性位改写。2)错误界定：错误界定符由8个隐性位组成。传送了错误标志以后，每一站就发送一个隐性位，并一直监视总线直到检测出1个隐性位为止，然后就开始发送其余7个隐性位。(3) 远程帧 远程帧也有标准格式和扩展格式，而且都由6个不同的位域组成：帧起始、仲裁域、控制域、CRC域、应答域、帧结尾。与数据帧相比，远程帧的RTR位为隐性，没有数据域，数据长度编码域可以是08个字节的任何值，这个值是远程帧请求发送的数据帧的数据域长度。当具有相同仲裁域的数据帧和远程帧同时发送时，由于数据帧的RTR位为显性，所以数据帧获得优先。发送远程帧的节点可以直接接收数据。(4) 过载帧 过载帧由两个区域组成：过载标识域及过载界定符域。下述三种状态将导致过载帧发送：1)接收方在接收一帧之前需要过多的时间处理当前的数据(接收尚未准备好)；2)在帧空隙域检测到显性位信号；3)如果CAN节点在错误界定符或过载界定符的第8位采样到一个显性位节点会发送一个过载帧。7. 设计一个独立CAN控制器电路，并设计相应的接口软件。答：1.CAN总线接口电路SJA1000在电路中是一个总线接口芯片，通过它实现上位机与现场微处理器之间的数据通信。该电路的主要功能是通过CAN总线接收来自上位机的数据进行分析组态然后下传给下位机的控制电路实现控制功能，当CAN总线接口接收到下位机的上传数据，SJA1000就产生一个中断，引发微处理器产生中断，通过中断处理程序接收每一帧信息并通过CAN总线上传给上位机进行分析。AT89C51是CAN总线接口电路的核心，其承担CAN控制器的初始化、CAN的收发控制等任务。CAN总线接口框图见图：2.CAN总线接口软件：CAN接口通信软件分为3部分：CAN初始化、数据发送、数据接收。CAN控制器SJA1000的初始化程序：设SJA1000的首地址是8000H；CREQU8000H；控制寄存器CMREQU8001H；命令寄存器SREQU8002H；状态寄存器IREQU8003H；中断寄存器ACREQU8004H；验收码寄存器AMREQU8005H；验收屏蔽寄存器BTR0EQU8006H；总线定时寄存器0BTR1EQU8007H；总线定时寄存器1OCREQU8008H；输出控制寄存器DILDBCL,#03HSTBCL,CR；开放接收中断，复位请求位置1，开始初始化LDBCL,#01HSTBCL,ACR；将节点1标识符送给ACRLDBCL,#0FFHSTBCL,AMR；验收滤波LDBCL,#00HSTBCL,BTR0；波特率为250kbpsLDBCL,#14HSTBCL,BTR1；定义位周期宽度，采样点位置及采样次数LDBCL,#0AAHSTBCL,0CHLDBCL,#1AHSTBCL,CR；复位请求位置0，初始化结束EI.数据发送、数据接收中断程序流程图 图3接收数据的中断服务程序流程图 图4发送数据中断服务程序流程图8. 自己设计一个CAN总线的应用案例，详细叙述设计方案，并完成电路设计和部分软件设计。答： 本设计结合宾馆、酒店的客房控制和管理实例，简单设计了基于CAN总线的客房通信控制器的方案。1.系统结构 客房控制和管理系统的总体结构下面如图1所示。整个系统包括三层：现场控制层、监控层和管理层。现场控制层主要是宾馆内的各客房控制器或其它控制设备；以一个客房节点为例，每个客房控制器可对客房内部的空调、灯、背景音乐、门铃、报警等各种设备进行控制，还可接收客户的需求信息，并将信息上传给监控层的通信控制器。监控层通信控制器的主要任务是过滤信息量，并将信息上传给管理层，同时接收管理层的控制指令，对记录数据和各节点进行操作。各楼层的中继器则可增加节点的最大数目，扩大通信距离。管理层主要由中央服务器、总台PC、工程部PC、服务中心PC等组成，主要用于信息的综合管理与控制，具有汇总各个节点上传信息、综合决策、数据查询及处理、故障诊断、通信管理等功能。图1 系统总体结构框图 由于现场控制层具有节点多、分布广的特点，其通信系统应具有良好的可靠性、适应性、可扩展性和简单的连接方式，并能满足长距离传输和现场调试方便的需要。因此，现场控制层采用了使用简单灵活、可靠性高、实时性强且成本低的CAN总线。管理层的中央服务器PC、总台PC、服务中心PC等相互之间通过以太网进行通信。而监控层的CAN通信控制器则提供管理层中央服务器PC与现场控制层CAN总线的接口，即把中央服务器PC的数据和命令传送给指定的CAN网络节点，同时将各网络节点的数据传输给中央服务器PC以做进一步处理。 2 硬件电路结构 CAN总线通信控制器的硬件电路结构如图2所示。主要包括主控制器、时钟保持电路、非易失性EEPROM存储器、CAN总线接口电路和RS232接口电路。主控制器采用性价比高、结构简单、便于编程的AT89C51单片机，主要用于对CAN控制器SJA1000 及RS232串口的初始化，并通过对CAN控制器SJA1000 及RS232串口的控制操作实现现场CAN总线与管理层中央服务器PC的数据交换等通信任务。CAN总线接口电路主要由CAN通信控制器SJA1000、高速光耦6N137和CAN总线驱动器82C250组成。SJA1000作为CAN总线协议转换的控制器，它内建BASIC CAN协议，并提供对CAN2.0B协议的支持。通过对片内寄存器的读、写操作，主控制器单片机能够设置CAN总线通信模式，实现数据的发送与接收。图2 硬件结构 SJA1000在逻辑上实现了传输数据的编码和解码，若要与物理线路连接，还必须借助总线驱动器82C250，以增强CAN总线的差动发送和接收驱动能力。为了增强CAN 总线节点的抗干扰能力，防止线路间串扰，SJA1000 的TX0 和RXO 并不是直接与82C250 的TXD 和RXD 相连，而是通过高速光耦6N137 后再与82C250 相连；另外，CAN总线驱动器采用带隔离的DC/DC模块单独供电，实现了通信控制器与CAN总线的隔离，提高系统的可靠性。 82C250的CANH和CANL引脚各自通过一热敏电阻与CAN总线相连，当过流时电阻发热阻值变大，保护82C250免受过流的冲击。CANH和CANL与地之间并联两个小电容，可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。 RS232接口电路主要用于主控制器单片机与管理层中央服务器PC的双向数据传送。由于采用了标准的RS232串行通信，结构简单、成本低。 控制器的其它外围电路还有电源模块、非易失性EEPROM存储器、时钟保持电路、LED指示灯和看门狗等。非易失性EEPROM存储器采用具有2KB容量的AT24C02，用于保存系统配置参数及各节点的最新信息，便于管理层的查询。时钟保持电路选用涓流充电时钟芯片DS1302，其内部含有实时时钟和日历，通过简单的串行接口与单片机进行通信，用于给各节点控制器校时。同时,控制器还配置了4个LED指示灯，分别用于系统上电、CAN通信、RS232通信和系统通信故障的指示，以方便系统的调试和对控制器运行状况的监测。3系统软件 CAN通信控制器的主要任务是过滤信息量，将现场层信息上传给管理层，同时接收管理层的控制指令，对记录数据或各CAN节点进行操作。CAN通信控制器同时还具有数据记录和零点校时功能。因而控制器软件设计主要包括四大部分：CAN通信、RS232通信、EEPROM数据的读写和系统时钟DS1302的读写。其程序主流程图如图3所示。 CAN通信软件包括CAN初始化、报文的接收和报文发送三部分。当控制器上电后，首先对CAN控制器SJA1000进行