现场总线技术及应用课程论文

自动化学院 基于基于 CAN 总线的网络控制系统设计总线的网络控制系统设计 CAN 控制器局域网是德国 Boseh 公司于 1983 年为汽车应用而开发的一种能有效 支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络 属于现场总线 FieldBuS 的范畴 1993 年 n 月 150 正式颁布了控制器局域网 CAN 国际标准 工 5011898 CAN 总线的通讯介质可采用双绞线 同轴电缆和光导纤维 通讯距离与波特率有关 最大通讯距离可达 1 队 m 最大通讯波特率可达 IMbpS CAN 总线仲裁用 11 位 CAN2 OA 协议 和 29 位 CAN2 OB 协议 标识和非破坏性位仲裁总线结构机制 可以确定数据块的优先级 保证在网络节点冲突时最高优先级点不需要冲突等待 CAN 结构模型取 150 051 模型的第 1 2 7 层协议 即物理层 数据链层和应 用层 CAN 总线采用了多主竞争式总线结构 具有多主站运行和分散仲裁的串 行总线以及广播通信的特点 CAN 总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络 上其他节点发送信息而不分主次 因此可在各节点之间实现自由通信 CAN 总 线协议已被国际标准化组织认证 技术比较成熟 控制的芯片己经商品化 性价 比高 特别适用于分布式测控系统之间的数据通讯 3 1 2CAN 总线特点 CAN 总线特点如下 1 CAN 总线插卡可以任意插在 PC AT XT 兼容机上 方便地构成分布式监 控系统 2 CAN 可以以多主方式工作 网络上任意一个节点均可以在任意时刻向网络 上其它节点发送信息 而不分主从 通讯方式灵活 利用这一特点也可以方便地 构成 容错 系统 3 CAN 网络上节点可分成不同的有限等级 可以满足不同的实时要求 CAN 采用非破坏性仲裁技术 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以不受影响地继续传输数据 有效避免 了总线冲突 4 CAN 可以点对点 一点对多点 成组 及全局广播集中方式传送和接受数 据 5 CAN 总线直接通讯距离最远可达 10km SKbPs 通讯速率最高可达 IMbps 4Om 6 CAN 总线上节点数理论值为 2000 个 实际可达 110 个 7 CAN 采用短帧结构 每一帧的有效字节数为 8 个 这样短的传输时间 受 干扰的概率低 重新发送的时间短 8 CAN 的每帧信息都有 CRC 效验及其他检错措施 保证了数据的出错率极低 9 通讯介质采用廉价的双绞线 无特殊要求 10 CAN 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 以使总线上其它操作不受影响 因此 CAN 总线可以很好的满足现 场总线运动控制系统对实时响应的较高要求 同时使用 CAN 总线还使得系统具 有很好的扩展性能 当需要更多轴运动控制时 只需要简单地再增加新运动控制 单元 把新的运动控制单位作为新的 CAN 总线节点挂接到 CAN 总线上就可以 形成一个分布式多轴运动控制系统 而且无需在硬件上对原有的运动控制单元做 任何的修改 在扩展距离上同样也不会受到限制 这样为将来向多轴或多点的分 布式运动控制网络发展打下坚实的基础 在 40m 总线长度下位速度最高达到 IMbPs 最多可连接 30 个节点 当然 CAN 总线可以最多带 110 个点 只是那样 的话速度比较慢 CAN 技术规范 主要是 1 帧格式 CAN 标准帧信息分为两部分 信息部分和数据部分 前 3 个字节为信息部分 第 1 个字节是帧信息 FF 为帧格式 RTR 位为远程发送请求 为 0 表示发送数据 帧 为 1 表示发送远程帧 x 位为无关位 最后 4 位 DLC 是数据长度 即所发数据 的实际长度 单位 字节 第 2 3 个字节的前 n 位为 CAN ID 标识符 2 个字节 其余八个字节是数据部分 存有实际发送的数据 帧信息格式详见表 4 2 由于 CAN 总线采用了多主竞争式总线结构 具有多主站运行和分散仲裁的串行 总线以及广播通信的特点 总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其他节 点发送信息而不分主次 因此可在各节点之间实现自由通信 系统采用 CAN 总 线作为通信总线 通过 CAN 总线适配卡或转换卡 采用总线型拓扑结构 把现 场总线中分散的主站和从站互连起来 并按现场总线的物理层 数据链路层 应 用层协议 实现主一主 主一从 从一从节点间的通信功能 侧 总体方案结构 图如图 2 1 所示 2 1 1 多电机同步控制网络系统结构 基于 CAN 总线网络的多电机同步控制系统 采用总线式多主多从网络拓扑结构 当系统中不仅有工程师层还包括管理层即多个主节点时 主一主通信将实现不同 功能主节点的交流 整个控制系统由三部分组成 上位 PC 机 CAN 总线 以 DSP 控制系统为主的下位机 系统采用 PC 机 或工业 PC 机 IPC 作为监控主机 实现对各节点的监控和管理 CAN 总线接口卡完成 CAN 协议的物理层和数据链 路层功能 实现 PC 机与 CAN 总线之间的通信 各从节点通过 DSP 完成数据的收 发和对交流电机的控制 网络拓扑结构图如图 2 2 所示 l 初始化 CAN 总线 首先打开 PCCAN 接口部件 然后使 PCCAN 节点复位 然后初始化 PCCAN 节 点 在主从式网络结构中 将 PCCAN 节点设置成主节点 2 初始化 CAN 通信接口控制器中的 CAN 通信接口初始化 即对节点的站地址 和波特率进行设置 所有 CAN 通信接口的波特率必须与 PCCAN 中的设置一致 3 数据传输系统上电复位后 CAN 通信接口卡接收到 PC 机的命令后 便向总 线上的各个节点传送指令命令数据 CAN 总线的节点与被控对象相连 当它接 收到主节点发出的数据后 对被控对象作相应的操作 当 CAN 总线节点有数据 向总线发送时 便通过收发器把数据发到物理总线 或传送到其他的节点 或经 CA 通信板卡传送到主节点 4 实现运动控制 通信建立后 需要电机的运动动作按要求完成 可以灵活的把一些固定不变的 运动方式固化在控制器中 在主节点中通过模块化的编程实现对电机的控制 以 实现所要求的运动控制 2 3 1cAN 网络通信协议设计方案 以 N 总线是建立在工 50 05 工参考模型基础上的 不过只采用了其中最关键的三 层 即物理层 目标层和传输层 CAN 协议中的物理层对应 150 051 的物理层 CAN 协议中的目标层和传输层对应 150 051 的数据链路层 在基于 CAN 的分布 式系统中 仅有物理层 目标层和传输层的功能是远远不能满足要求的 比如对 于传输长度超过 8 个字节的数据块 带有握手协议的数据传输过程 标识符分配 网络管理等功能 就不能实现 在物理层 目标层和传输层之外附加的一层来支 持应用过程 这一层称为 应用层 应用层对应 150 051 参考模型中的上五层 物理层的主要内容是规定通信介质的机械 电气 功能和规程特性 数据链路层的主要功能是将要发送的数据进行包装 即加上差错校验位 数据链 路协议的控制信息 头尾标记等附加信息组成数据帧 从物理信道上发送出去 在接收道数据帧后 再把附加信息去掉 得到通信数据 其中媒体访问控制子层 MAC 传输规则 逻辑控制子层 LLC 报文的滤波和报文的处理 应用层的主要完成网络层和传输层的工作 实现应用进程之间的信息交换 同 时具有一系列业务处理所需的服务功能 并且提供接口 使得通信模块和具体应 用模块分离 CAN 的物理层和数据链路层协议在 CAN 相关器件中已经基本实现了 而应用层 协议至今仍然没有统一的标准 目前存在着多种 CAN 应用层协议 例如 VLSA CAL 和 CAN0pen 它们都是为工业控制系统发展起来的 用户 在应用 CAN 协议时 必须自行定义应用层协议 根据 CAN 总线技术规范 CAN2 OA CAN2 OB 本文设计了用户通信协议 该协议基于多主多从式网络 结构 支持广播和点对点传送命令数据 各个节点都按此协议实现通信 2 3 2 主节点软件设计方案 作为上位机的主节点 主要完成主节点和主节点通信 主一主通信 以及主节点 与从节点 主一从通信 通信 主一主通信主要用于各主节点间的信息交互与信息 共享 主一从通信用来完成控制算法的实现 控制命令的发送和各电机状态信息 的接收等功能 VisualC 是当今流行的面向对象的编程工具 控制系统人机界 面采用 VC 基于对话框模式的编程 操作界面简单易懂 方便控制命令的发送与 电机状态的读取 响应及时 2 3 3 从节点软件设计方案 做为下位机的从节点主要完成主节点和从节点通信 主一从通信 以及从节点和 从节点通信 从一从通信 主一从用来完成接收主节点发送的命令 根据命令控 制电机运行状态 并将电机的状态信息反馈发送给主节点 从一从通信有助于完 成下位机之间的速度同步 软件设计 DSP 程序的编写可以用汇编语言 也可以 使用 C 语言 一般来说 采用 C 语言设计的开发周期短 效率较高 并