现场总线及其应用课件

现场总线及其应用,2011年10月,推荐参考书目及网站,CAN现场总线系统技术史久根国防现场总线CAN原理与应用技术饶运涛北航现场总线技术应用选编(1)上下(2)邬宽明北航现场总线及其应用技术李正君机械现场总线仪表杨庆柏国防PROFIBUS现场总线控制系统的设计与开发孙鹤旭国防深入浅出西门子S7-300PLC西门子（中国）北航深入浅出西门子WinCCV6西门子（中国）北航EPA技术资料POWERLINK资料http:/www.c-,学习内容,出勤率10%，听课,实验过程表现20%.考试70%,考核方式与内容,CAN总线系统技术PROFIBUS总线系统技术EPA总线系统技术（简介）POWERLINK技术（简介）,一.基础概念：（思考题为主）60%二.应用案例：（CAN、PROFIBUS）40%1.根据给定的系统工艺原理（汽车、楼宇自动化、工业上PLC、变频器等应用背景，消化理解后进行设计。2.方案:系统框图,功能描述.3.实施:协议分类,格式;协议清单.4.结果:通讯部分初始化代码;数据/命令执行代码（或框图）,现场总线及其应用-结课考试大纲,1.现场总线的定义及特点2.CAN总线的ID标识符的作用?3.CAN总线的主要特点?4.CAN总线的报文有几种格式?是如何定义的?5.基于CAN总线的应用层协议有哪些?其特点?6.应用层协议的作用及主要内容(服务元素)?7.对象字典OD的作用.8.数字化设备使用的一般方法.,现场总线及其应用思考题1,通讯线路的特征1.外部：机械（连接件）、电气特性（电平）、介质（双绞线、同轴电缆）等。2.内部：信息传送方式（串、并、基带、调制）、组成（协议）、编码方案、传输速率等。3.串行接口：RS232、RS485、RS422、SPI、USB、JTAG、I2C、1-wire4.并行接口：ISA、PCI,现场总线及其应用常识,现场总线及其应用-目的及意义,自动控制系统网络结构,以太网（或FMS),现场总线及其应用-目的及意义,现场总线及其应用-数字化工厂模型,ERP,MES,PCS,现场总线及其应用-过程控制系统网络化模型,五代过程控制系统（PCS、ACS、CCS、DCS、FCS）以及现场总线控制系统的历史发展概貌如图,现场总线及其应用-过程控制系统发展历程,计算机的微型化和普及推动着数字化、网络化时代的到来，它们也成为工业控制应用领域进一步发展的主流。现场总线是实现自动化控制系统现场设备或仪表之间互连的通信网络；当然，系统中各个节点上的仪表也都应当是数字化、智能型的设备。由此产生了新一代的控制系统现场总线控制系统(FCS(FieldbusControlSystem)，它是现场通信网络与控制系统的集成。,现场总线及其应用-现场总线控制系统(FCS）,现场总线（1）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节点数字通信的系统。也可称为开放式、数字、多点通信的底层控制网络。（2）现场总线控制系统：是一个开放的通信网络，又是一种全分布控制系统。是连接智能设备的纽带，实现基本控制，补偿计算、参数修改、报警、显示、监控优化及控管一体化的综合自动化功能。,现场总线及其应用-现场总线定义,（3）2000年宣布的国际标准中，将下列6种总线列入国际标准；形成多种总线共同竞争的局面。PROFIBUSINTERBUS-SDERICENET(基于CAN)FOUNDATIONFILDBUSHICONTROLNETCANOPEN(基于CAN),现场总线及其应用-现场总线,FCS除了它的数字化、节点智能化、开发式、互换性能好、布线简单的特征外，其最大优点表现在既可以把系统对各节点的控制功能和权利充分下放给节点本身的微处理器，必要时又可以由监控中心的虚拟控制平台实施集中控制，同时它又可以使得各节点之间直接通信。由此，可以想象在一个复杂、实时性很强、节点之间相互紧密关联的自控系统中，FCS的优势最为明显。,现场总线及其应用-FCS的网络特点,是一种实时性、确定性网络，用于对时间有苛刻要求的应用场合的信息传输。他为对等通信提供实时控制和报文传送服务。他作为控制器和I/O设备之间的一条高速链路，综合了现有各种网络的能力。其特点是：对同一链路上I/O实时互锁。对等报文传送和编程操作时均具有相同的带宽。对于离散和连续过程控制应用场合，均具有确定性和可重复性。,现场总线及其应用控制网网络,CAN(ControllerAreaNetwork)总线，又称控制器局域网，是Bosch公司在现代汽车技术中领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越的性能，极高的可靠性，独特灵活的设计和低廉的价格，现已广泛应用于工业现场控制、智能大厦、小区安防、交通工具、医疗仪器、环境监控等众多领域。CAN已被公认为几种最有前途的现场总线之一。CAN总线规范已被ISO国际标准组织制订为国际标准，CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连参考模型基础上的，主要工作在数据链路层和物理层。,现场总线及其应用CAN总线概述,1.技术规范:CAN2.0A报告标准格式(11位)CAN2.0B报告标准格式和扩展(29位)是基于事件触发类型的通信模式。2000年时间触发通信的CAN“TTCAN”2.基本述语（1）报文:总线上的信息是以不同格式的报文发送（长度有限）当总线开放时,任何连接的单元均可以开始发送一个新的报文.,现场总线及其应用CAN总线概述,(2)信息路由A)系统灵活性:节点随时接入B)报文通信:一个报文的内容由其标识符ID命名，ID不指出报文的目的,但描述数据的含义,以便网络中的所有节点借助报文滤波决定该数据是否使它们激活.C)成组:由于采用报文滤波,所有节点均可以接收报文,并同时被相同的报文激活.D)数据相容性:在CAN网络内,可以确保报文被所有节点或没有节点接收.,现场总线及其应用CAN总线概述,(3)位速率:CAN数据传输率可编程,即位速率在一个范围内可调，在给定系统中速度是唯一且固定.优先性:用标识符定义了一个报文静态的优先权远程数据请求:节点A请求节点B发送数据时,先发送一个ID标识符的远程帧。节点B以相同的ID发送数据帧。多主站:当总线开放时,任何节点均可发送报文但只有最高优先权报文赢得总线的访问权.,现场总线及其应用CAN总线概述,（7）仲裁:总线冲突时,运用逐位仲裁规则,借助标识符ID解决.即在仲裁期间,每个发送器都对发送位电平与总线上检测到的电平进行比较,若相同，该节点继续发送.当发送一个“隐性”(逻辑1)电平,而在总线上检测到“显性”(逻辑0)电平时.该节点退出仲裁,并不再传送后继位.对于占用总线的节点来说.这种规则可以使信息和时间均无损失.（8）安全性:错误检测、标定和自检,发送自检、循环冗余位，填充(5个连续电平插入位)、格式检测等。,现场总线及其应用CAN总线概述,（9）出错标注和恢复时间:出错标注自动重发,恢复时间短。（10）故障界定:区别干扰和永久故障。（11）连接:多点，但受延时和电器负载限制。（12）应答:相容性检查回答相容报文,现场总线及其应用CAN总线概述,现场总线及其应用CAN总线特点,（1）CAN是目前为止惟一有国际标准的现场总线；（2）CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从；（3）在报文标识符上，CAN上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求；（4）CAN采用非破坏总线仲裁技术:改进的CSMA/CD方式(载波侦听多路访问冲突检测）；（5）CAN节点只需要通过对报文的标识符滤波即可以实现点对点、一点对多点及全局广播等方式传送接收数据；（6）CAN的直接通信距离最远可达10Km（速率5kbps以下）；通信速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40m）；,现场总线及其应用CAN总线特点,（7）CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个；（8）报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低；（9）CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，具有极好的检错效果；（10）硬件化底层协议（物理层和数据链路层）（11）CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活；（12）CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响；（13）CAN总线具有较高的性价比。,现场总线及其应用CAN总线结构与组成,CAN通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。CAN层的定义与开放系统互连模型OSI一致。CAN的规范定义了模型的最下面两层：数据链路层和物理层，其中数据链路层又划分为逻辑链路控制子层（LLC）和媒体访问控制子层（MAC），应用层协议可以由CAN用户定义成适合特别工业领域的任何方案，如已在工业控制和制造业领域得到广泛应用的协议标准DeviceNet，以及在汽车工业中被大量使用的CANOpen协议等。具体分层结构如图所示。,现场总线及其应用CAN总线结构与组成,现场总线及其应用CAN总线结构与组成,现场总线及其应用CAN媒体访问层实例,现场总线及其应用CAN总线传输,一、CAN总线的位数值表示CAN中的总线数值为两种互补逻辑数值之一：“显性”或“隐性”。“显性”(“Dominant”)数值表示逻辑“0”，而“隐性”(“Recessive”)表示逻辑“1”。“显性”和“隐性”位同时发送时，最后总线数值将为“显性”。,二、传输介质（双绞线）,现场总线及其应用CAN总线传输,三、拓扑,四、CAN总线的通信距离,现场总线及其应用CAN总线传输,五、CAN报文的帧结构1、数据帧,现场总线及其应用CAN总线传输,SOF：所有站都必须同步于首先开始发送的那个站的帧起始前沿仲裁场远程请求：RTR=显性数据帧；=隐性远程帧帧格式：IDE=显性标准帧；=隐性扩展帧替代远程请求：SRR扩展帧=隐性控制场：数据场：由0-8字节数据组成CRC场：1位隐性位界定，8位CRC应答场ACR2位：应答间隙=2隐性（发送器发出）1显性（接收器回应）应答界定符=1隐性帧结束：由7个隐性位组成,现场总线及其应用CAN总线传输,2、远程帧：用来请求总线上远程节点发送自己想要接收的某种数据，无数据域且RTR=1，其余同数据帧3、错误帧：两个场组成，第一场由来自各站的错误标志叠加，第二场为出错界定符。报文传输过程中任何一个节点出错，即于下一位开始发送出错帧，通知发送端停止发送。4、超载帧：超载条件要求延迟发送（最多两次）在间歇场检测到显性位活动5、帧间空间无错有错认可,现场总线及其应用CAN总线传输,错误标志：6个连续显性位认可错误标志：6个隐性位,2.0B标准帧：11字节13字节信息部分411字节数据部分FF：帧格式=0标准帧=1扩展帧RTR帧类型=0数据帧=1扩展帧DLC数据帧的数据长度,现场总线及其应用CAN总线传输,扩展帧：13字节15字节为信息613字节为数据,现场总线及其应用CAN总线传输,事件触发调度方式本身还是依靠CAN总线逐位仲裁机制(bitwisearbitration)来实现的,11001100000数据帧,11001011001数据帧,11001011001远程帧,现场总线及其应用CAN总线传输演示,四、位定时与位同步,概念正常位速率：正常状态发送的每秒发出的位数正常位时间：倒数,现场总线及其应用CAN总线传输,同步段：同步总线上各个节点传播段：补偿网络内的传输延时，约为信号传播时间输入比较器延时和驱动器延时之和的两倍。相位缓冲段1，2：补偿脉冲沿的相位误差采样点：在此点上仲裁电平被读取，并被理解为各位的数值信息处理时间：由采样点开始，保留用于计算子序列位电平的时间时间份额=M*最小时间份额由振荡器派生出的一个时间单元，可编程的分度值M（可编程132）硬同步重同步跳转宽度：相位缓冲段1延长，或2段缩短，其总和范围编程14个相位缓冲1（11）沿相位误差（12）重同步（13）同步规则,现场总线及其应用CAN总线传输,简单的CAN总线系统主要由上位机和下位控制器构成包括：个人计算机CAN的接口（CAN适配卡、若干CAN网络节点）CAN适配卡是实现上位机系统和CAN总线的连接接口，作用和以太网网卡相同。带CAN适配卡的上位机在CAN总线系统中相当于一个网络节点。CAN是多主发送的网络结构，从CAN的角度无所谓主从节点的概念，但是在有些具体的应用中，为了系统的可靠性及整体设计的考虑，还是分主节点和从节点的。,现场总线及其应用CAN总线结构原理构成,一、节点的概念节点：一般指挂在CAN总线上的传感部件、执行部件或控制器单元，CAN总线是通过允许节点间对等的传播数据来实现网络通信的（单向或双向）。二、节点的组成由于受总线收发器物理信号驱动能力的限制，在一个CAN总线网络上，最多可挂接110个节点设备。,现场总线及其应用CAN总线结构原理节点,现场总线及其应用CAN总线节点结构,CAN总线上的节点是网络上的信息接收和发送站，智能节点能通过编程设置工作方式、ID地址、波特率等参数。它主要由单片机和可编程的CAN通信控制器组成，具体结构如图所示。,现场总线及其应用CAN总线节点收发过程,一、基于CAN的拓扑概念网络拓扑结构设计是构建计算机网络的第一步，也是实现各种网络协议的基础，它对网络的性能、可靠性和通信费用等都有很大影响。CAN网络中也存在着各种拓扑结构。二、常用的CAN总线系统拓扑结构一般有4种常见的拓扑结构：总线结构环形结构星形结构网状结构,现场总线及其应用CAN总线结构原理拓扑,典型的CAN通信方式：(1)多主式结构:任一节点均可在任意时刻主动向网络上其他节点发送信息，而不分主从。为避免总线冲突，CAN采用非破坏性总线仲裁技术，根据需要将各节点设为不同优先级，以标志符ID标定，值越小优先级越高。(2)主从式结构:系统的通信活动依靠主站中的调度器来安排；目前的CAN一般采用多主式和主从式结合的结构，其灵活性和可靠性、实时性都较高。,现场总线及其应用CAN总线结构原理通信方式,现场总线及其应用CAN总线结构原理构成,详见：CAN平台实验手册V1.doc,现场总线及其应用IXXAT系列CAN总线通讯/测试模块,硬件层设计要考虑的问题许多厂商都提供能实现前节描述CAN协议的CAN芯片。设计产品时必须小心的选择CAN芯片。1.清楚设计的产品怎么使用协议以及你的应用的过程需要。2.知道上层协议怎么运行在CAN上3.CAN芯片怎么操作等。,现场总线及其应用CAN总线协议软件移植问题,选择CAN芯片考虑的问题：CAN芯片的类型：按照与微控制器集成与否主要分为内嵌型和外围型两种，内嵌是CAN控制器芯片在微控制器内。外围型CAN控制器就是CAN控制器是一个单独的芯片。接收滤波器的数量：接收滤波器可以当作标识符过滤器。任何通过接收滤波器的信息必须通过CAN控制器处理。如果CAN控制器能过滤掉越多不与节点不相关的信息，则对处理器(CPU)的影响越小。CAN芯片也许有一个滤波器，有的也许有多个。,现场总线及其应用CAN总线协议软件移植问题,接收滤波器的类型：主要有固定式和掩码匹配式两种。固定式滤波器:要求每一位一对一的完全匹配。掩码匹配式:在标识符与接收码寄存器匹配之前先，先对标识符进行进行掩码操作，使一些位在接收时不做比较。,现场总线及其应用CAN总线协议软件移植问题,CAN的中断率：设计者在设计产品时需要考虑CAN控制器中断的速率。由于CAN数据帧很小(携带数据为08byte)，所以到处理器的中断事件发生频率很高。考虑到这点，不能认为CAN是一个低速网络。下表所示说明了两个紧挨着的数据帧的情况，两个数据帧中间(帧间空间InterFrameSpace)值最小。描述了对于这种情况下，接收器从像洪水泛滥的总线上接收所有数据中断率的情况。这种情况是最差的。这样的中断率很高。在500K时0byte的数据帧每94s就要发生一次中断。很多低成本的CAN控制器是不能满足这个中断率的。因此，要在CAN的兼容性上和成本及封装之间做取舍。,现场总线及其应用CAN总线协议软件移植问题,现场总线及其应用CAN总线协议软件移植问题,两帧传输最小间隙的情况因此，要选择能提供合适水平的接收过滤的CAN控制器。控制器应该留出足够的时间运行应用程序，也要提供一个单独的微控制器/微处理器为CAN接收器服务。另外，要意识到一些芯片过滤最重要的8bit标识（不是全部的11bit），还有一些CAN控制器只有一个掩码/匹配过滤器。,现场总线及其应用CAN总线协议软件移植问题,CAN中断率计算表,两类结构的CAN控制器常见的CAN控制器有邮箱式和缓冲式两种，现在设计大多使用邮箱式的，不同之处只是邮箱数量的不同。邮箱式CAN控制器，大体结构下图所示一个CAN控制器里有很多个邮箱(MailBox)或消息对象(MessageObject)，现在很多微处理器如AT90CAN，DSP2000，HS12，Infineon都是采用这种结构的CAN控制器。它们不同之处在于邮箱的数量不同。,现场总线及其应用CAN总线协议软件移植问题,现场总线及其应用CAN总线协议软件移植问题,邮箱式CAN控制器使用比较灵活，每个邮箱可以用做接收消息邮箱或发送消息邮箱。同时每个邮箱都有自己的滤波接收器。对于数据发送的过程而言，CPU直接将要发送的数据放到邮箱相应的寄存器(DataBuffer)里，然后启动发送，邮箱就会在总线空闲的时候把数据发送出去。对于接收数据过程，CPU先要对要接收数据的邮箱进行设置，设置的内容主要有期望接收的CAN数据帧的ID号，然后根据需要对屏蔽寄存器进行设置。,现场总线及其应用CAN总线协议软件移植问题,最后启动邮箱的数据接收，当有符合的数据帧在总线上发送时，相应的DataBuffer就会接收到该数据帧。这种结构的CAN控制器由于有足够的屏蔽寄存器，能大大减少CPU的负担。不足之处是由于一个邮箱只有一个存放数据帧的DataBuffer，当数据量大时，当CPU发送很快时，或是CPU没急时处理接收到的数据时，数据就会被下一条数据覆盖掉。此外这种结构的CAN控制器有优先级的区别。它们需要CPU的干预少。,现场总线及其应用CAN总线协议软件移植问题,缓冲区CAN控制器：这种CAN控制器与邮箱式控制器相比较，最大的特点是屏蔽寄存器资源相对较少，因此当要接收的CAN消息种类较多时，屏蔽寄存器不能把不相关的数据完全屏蔽掉。这些收据被接收到RECEIVEBUFFER里后，还要由软件程序来判断一下。另外，由于这种控制器有较大的发送和接收缓冲区，发送和接收的数据不容易出现被覆盖的情况。在对CAN数据的处理判断方面，需要CPU干预更多。,现场总线及其应用CAN总线协议软件移植问题,在CAN协议使用邮箱式CAN控制器时，要考虑的问题有：1)先确定协议中接收和发送的信息。然后再给发送或接收的信息分配相应的邮箱。2)如果协议收发信息的种类(CAN的ID不同的消息算一种)少于邮箱的数量，则为每一种信息分配一个邮箱。,现场总线及其应用CAN总线协议软件移植问题,在CAN协议使用缓冲区式CAN控制器时，要考虑的问题有：1)先确定协议中接收和发送的信息。2)根据屏蔽寄存器的数量和要接收消息的种类设置好屏蔽寄存器。3)发送的数据直接送往发送FIFO。4)CAN控制器接收数据时，会通过屏蔽寄存器然后放到ReceiveFIFO.软件程序从ReceiveFIFO中接收到数据后，还要判断一下接收到的消息有效性，避免处理不相关的数据。,现场总线及其应用CAN总线协议软件移植问题,现场总线及其应用CAN总线控制器SJA1000的应用SJA1000.pdf,现场总线及其应用CAN总线控制器CAN128试验说明书.doc,现场总线及其应用前两次课总结,自动控制系统网络结构,以太网（或FMS),现场总线及其应用-前两次课总结,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节点数字通信的系统。满足实时性、确定性、可靠性的开放式、数字、多点通信的底层控制网络。多总线标准共存的局面,现场总线及其应用前两次课总结,CAN(ControllerAreaNetwork)总线，又称控制器局域网，是Bosch公司在现代汽车技术中领先推出的一种多主机局部网，,现场总线及其应用前两次课总结,CAN采用多主方式，利用ID标识符(11位或29位)可表示报文的优先级、目标地址、信息含义等，通过滤波可以实现点对点、一点对多点、广播方式。报文构成：,“显性”或“隐性”,现场总线及其应用前两次课总结,现场总线仅仅定义了第1层、第2层（见ISO11898标准）；实际设计中，这两层完全由硬件实现，设计人员无需再为此开发针对协议部分相关软件，只需针对协议芯片进行相关初始化、读写报文数据即可。,现场总线及其应用前两次课总结,一、CAN基本协议：物理层和数据链路层,一般应用：多主方式复杂应用：兼容性、总线负荷、相同制造厂商的设备之间的互操作和互换性因素,现场总线及其应用CAN总线应用层协议,现场总线及其应用CAN总线应用层协议,CAN只定义物理层和数据链路层，没有规定应用层，本身并不完整，需要一个高层协议来定义CAN报文中的11/29位标识符、8字节数据的使用。而且，基于CAN总线的工业自动化应用中，越来越需要一个开放的、标准化的高层协议：这个协议支持各种CAN厂商设备的互用性、互换性，能够实现在CAN网络中提供标准的、统一的系统通讯模式，提供设备功能描述方式，执行网络管理功能。,现场总线及其应用CAN总线应用层协议,应用层（Applicationlayer）：为网络中每一个有效设备都能够提供一组有用的服务与协议。通讯描述（Communicationprofile）：提供配置设备、通讯数据的含义，定义数据通讯方式。设备描述（Deviceproflile）：为设备（类）增加符合规范的行为。,现场总线及其应用CAN总线应用层协议,SAEJ1939美国汽车工程协会SAE于2000年提出J1939，成为货车和客车中控制器局域网的通信标准。采用CAN2.0B扩展信息帧格式。1、信息帧格式,现场总线及其应用CAN总线应用层协议SAEJ1939,2、J1939编码定义规则,现场总线及其应用CAN总线应用层协议SAEJ1939,将CAN2.0B扩展帧的29位标识符ID进行重新定义同时制定了相应的数据定义。优先级（P）：由3位组成共07级一般面向控制为3一般面向数据为6保留（R）位清零数据页（DP）：1位即0、1页，用于扩展参数组（PGN），目前占用0页PDU格式（PF）：PDU协议数据单元用于分配到数据域的参数组PDU1：用于传递CAN数据帧到特定目标地址（DA）PDU2：用于传递CAN数据帧到扩展参数组（GE）特定PDU（PS）：取决于PF。PF240时为DA；240PF255时为GE源地址（SA）：8位，网络中每个装置仅有一个源地址数据域（DATA）：每帧有8字节，最大字节的为1785个（多帧实现）,现场总线及其应用CAN总线应用层协议SAEJ1939,PGN=00+PF+PS(一般00省略),PDU1,PDU2,现场总线及其应用CAN总线应用层协议SAEJ1939方案,3、编码实例,现场总线及其应用CAN总线应用层协议SAEJ1939,现场总线及其应用CAN总线应用层协议应用,烧结配料系统整个系统由1个PC、1个主控制器、14个配料控制器组成。PC机的功能是采用组态王接收并显示各个配料控制器的流量值及状态，并且能对配料控制器的参数进行设置；主控制器的功能是控制各个配料控制器的启动停止，并实时的接收配料控制器的状态及报警，做出相应的判断和操作；配料控制器主要作用是按照给定流量控制各秤均匀下料，并上报实时流量、状态及接收PC机下传的参数。系统协议的定制是参照J1939-21制定的，采用CAN2.0B帧格式，把29位标识划为优先级、PGN、源地址、目的地址四个部分，对照关系见下图,具体的协议制定参看J1939-21。,现场总线及其应用CAN总线应用层协议应用了解工艺,现场总线及其应用CAN总线应用层协议应用了解工艺,现场总线及其应用CAN总线应用层协议应用提出功能,协议Step1认识PGN的由来,当PF240时,PS为DA(就是接收这条信息的节点的地址),是发送到具体点的信息当240PF255,PS为扩展类型,是发送到总线上所有点的信息,广播信息。智能烧结配料控制系统技术说明书(通信)v1.1.doc,举例:,查询命令:0 xEA00EA=234240,所以PS处的A0在用时不动,这是广播信息,现场总线及其应用CAN总线应用层协议应用协议制定,现场总线及其应用CAN总线应用层协议应用实施,现场总线及其应用CAN总线应用层协议应用实施,WindowLift,Lock,Mirror,Lock,Lock,Mirror,Lock,UniversalMotor,UniversalPanel,Wiper,Interior,Light,Lock,Seat,Seat,Roof,ECU3,ECU1,ECU2,OSEKOS,OSEKCOM/NM,e.g.ignition,GatewayApplication,OSEKOS,TaskE,TaskF,TaskD,ClimateControl,OSEKCOM/NM,OSEKOS,TaskB,TaskC,TaskA,CentralBodyControl,OSEKCOM/NM,Instruments,ECU4,Heating,Heating,Heating,Heating,汽车电子控制网络,现场总线及其应用CAN总线在汽车上的应用,现场总线及其应用CAN总线在汽车上的应用,汽车电子控制网络的设计与开发ABS,ABS控制原理,现场总线及其应用CAN总线在汽车上的应用,汽车电子控制网络的设计与开发ABS,系统框图,现场总线及其应用CAN总线在汽车上的应用,汽车电子控制网络的设计与开发车身控制系统,INPUTCIRCUITRY,MC9S12DP256,SPI,Lamp(2)每个OPC服务器可以通过标准接口而作为一个PROFInet节点被操作。PROFInet的功能性远比OPC优越,PROFInet技术与OPC接口技术的集成不仅可以实现自动化领域对实时通信的要求,还可以实现系统之间在更高层次上的交互。,现场总线及其应用PROFINET解决方案,随着计算机控制、通信、网络技术的发展，以太网技术在工业控制中的应用成为当前控制领域的研究热点。以太网存在通信不确定性，不能满足实时性要求，成为应用于工业现场设备层网络的主要障碍。EPA是EthernetforPlantAutomation的缩写，它基于以太网(IEEE802.3)和无线局域网(IEEE802.11)、蓝牙(IEEE802.15)等信息网络COTS(CommercialOfTheShelf)通信技术以及TCP(UDP)AP协议，是一种适用于工业自动化控制系统装置与仪器仪表间、工业自动化仪器仪表间数据通信的工业控制网络技术。,过程控制系统网络化实习EPA总线特点,EPA标准是我国第一部工业以太网标准。通过分析现场设备层信息的实时性要求，提出了EPA系统应用于工业现场设备层的实时通信解决方案。在研究EPA所定义的系统管理、网络拓扑结构、通信模型、时钟同步和应用层服务等功能基础上，重点分析EPA系统的实时特性，讨论EPA实时通信调度方法。进一步研究在网络节点数、交换机级联级数和带宽确定情况下，设备递交时间，时钟同步精度，网络吞吐量，非实时通信带宽和实时通信带宽等实时性能指标的测试目的、测试方法和测试评判，以及实时性能指标间的相互影响和综合指标集的测试方法。,过程控制系统网络化实习EPA总线特点,现场总线的出现给工业自动化带来一场深层次的革命，但多种现场总线互不兼容，不同公司的控制器之间不能相互实现高速的实时数据传输，信息网络存在协议上的鸿沟导致出现“自动化孤岛”等，这一些不足之处阻碍了现场总线的进一步发展。随着控制、计算机、通信、网络技术的发展，以太网以其成熟的技术、开放和统一的标准、广泛的应用和高传输速率等优势，弥补了现场总线的缺陷。工业以太网作为一种新兴、统一、快速发展的标准，满足了工业网络在开放性、互联性、带宽方面提出的高要求，因此，从信息集成的角度出发，要达到“管控一体化”的最佳状态，现场总线与以太网相结合将会是最佳的方案，也是现场总线未来发展的方向。这一结合，为工业控制网络产生了新的活力，势必将推动工业控制领域的又一次变革和发展。,过程控制系统网络化实习EPA总线特点,EPA网络拓扑结构如图所示，它由两个网段组成：监控级L2网段和现场设备级L1网段。现场设备级L1网段用于工业生产现场的各种现场设备（如变送器、执行机构、分析仪器等）之间以及现场设备与L2网段的连接；监控级L2网段主要用于控制室监控设备、装置以及人机接口之间的连接。,过程控制系统网络化实习EPA网络拓扑结构,过程控制系统网络化实习EPA网络拓扑结构,每个EPA设备的功能由至少一个功能块实例、EPA应用访问实体、EPA系统管理实体、EPA套接字映射实体、EPA链接对象、通信调度管理实体以及UDP/IP协议等几个部分组成。当某个EPA设备的用户层功能块生成一个数据后，把数据传递给EPA应用层实体。EPA应用层实体接受到数据后，通知EPA套接字映射实体把报文向下传递，经过UDP和IP打包后，把数据暂时存在处于数据链路层的通信调度管理实体(CSME)。通信调度管理实体(CSME)按照调度规则，把数据发送到以太网上。,过程控制系统网络化实习EPA通信过程,处于以太网另一端的设备在接收到该报文后，首先通过通信调度管理实体，判断是否为给CSME的报文，不是就继续向上送。IP和UDP在经过校验和解包后，把数据通过套接字映射实体传递给EPA应用层，EPA应用层通过查找链接关系找到相应功能块实例后便把数据发送给相应功能块实例进行处理。,过程控制系统网络化实习EPA通信过程,过程控制系统网络化实习EPA通信过程,网桥：EPA网桥是一个微网段与其他微网段或者与监控级L2网段连接的设备。一个EPA网桥至少有两个通信接口，分别连接两个微网段。EPA网桥是可以组态的设备，具有以下功能：通信隔离一个EPA网桥必须将其所连接的本地所有通信流量限制在其所在的微网段内，而不占用其他微网段的通信带宽资源。这里所指的通信流量包括以广播、一点对多点传输的组播以及点对点传输的单播等所有类型的通信报文所占的带宽资源。,过程控制系统网络化实习EPA基本设备网桥,报文转发与控制一个EPA网桥还必须对分别连接在两个不同微网段、或一个微网段与监控级L2网段的设备之间互相通信的报文进行转发与控制。即连接在一个微网段的EPA设备与连接在其他微网段或L2网段的EPA设备进行通信时，其通信报文由EPA网桥负责控制转发。一般推荐每个L1微网段使用一个EPA网桥。但在系统规模不大，整个系统为一个微网段时，可以不使用EPA网桥。,过程控制系统网络化实习EPA基本设备网桥,主控制器：EPA现场控制器是一个特殊的现场设备，完成现场控制层的大部分控制功能，并且能够参与到现场控制层的调度中，其同其他设备一样完成所有的EPA协议相关的同步，调度，设备管理和服务。,过程控制系统网络化实习EPA基本设备主控制器,信号采集基本设备：是EPA现场设备的组成部分，主要完成现场信号的测量和采集，并通过EPA通信栈发送给监控层。以下是各类现场卡件的具体介绍。VC（标准信号输入卡）：根据组态对外接信号点（电流或电压）进行采样，并对原始所得的数据进行转换(标定等)得到所需要的数据后发送到EPA协议栈。,过程控制系统网络化实习EPA基本设备信号采集,DI（4点开关量信号输入卡）：EPA系统中的DI模块是四点的开关量输入模块，能够快速响应干触点信号和电平信号的输入，实现数字量信号的准确采集，模块具有信号通道的自检功能。信号通道统一隔离，进行了电磁兼容性的设计，具有脉冲群抑制和浪涌的吸收保护功能。DO（4点开关量信号输出卡）：根据组态及从EPA协议栈收到的输出状态要求的数据，将控制命令转换成开关量信号的输出，并完成DO卡4路通道的自检，将自检结果等写入发送缓冲区。,过程控制系统网络化实习EPA基本设备信号采集,DA（单点模拟信号输出卡）：根据组态及主控制器下发来的数据，输出相应的模拟信号，并对设备和输出信号进行自检，并将自检的结果，发送到EPA协议栈，拱上位机对设备进行诊断使用。TC（单点热电偶信号输入卡）：根据组态对外接信号点（主要为温度）进行采样，主要通过一次采集100mv+100mv的电压值，并对原始所得的数据进行转换(标定等)得到所需要的数据后发送到EPA协议栈。RTD（单点热电阻信号输入卡）根据组态对外接电阻信号点进行采样，并对原始所得的数据进行转换(标定等)得到所需要的数据后发送到EPA协议栈。,过程控制系统网络化实习EPA基本设备信号采集,EPA智能仪表：符合EPA协议的智能仪表，是完整的EPA现场总线解决方案中必不可少的构成部分。组成支持EPA现场总线协议的智能变送器，在全数字通信基础上实现对现场信号的实时测量与传输。其软件部分采用此项目仿真平台作为底层，用户层则使用具体仪表各自采样程序实现。,过程控制系统网络化实习EPA基本设备智能仪表,在以太网通信过程中，其报文竞争机制CSMA/CD难以保证信息的确定性和实时性，为了解决这个问题，我们在OSI七层中的数据链路层和网络层之间增加了一个调度管理机制CSME。CSME全称为CommunicationScheduleManagementEntity,即通信调度管理实体，主要完成对数据报文的调度管理，实现确定性通信。,过程控制系统网络化实习EPA分时确定性调度机制,在具体实现上，CSME定义了一个通信宏周期，并将其分为周期数据发送时间和非周期数据发送时间。在周期数据发送时间，各个设备根据时间组态有秩序地发送周期数据，并在周期数据发送完毕之后发送非周期数据声明报文。在非周期数据发送时间，各个设备则是根据优先级的调度按优先级的高低发送数据。并在数据发送完毕后发送非周期数据结束声明报文。如图所示。,过程控制系统网络化实习EPA分时确定性调度机制,过程控制系统网络化实习EPA分时确定性调度机制,周期数据是指与过程有关的数据，如需要按控制回路的控制周期传输的测量值、控制值，或功能块输入、输出之间需要按周期更新的数据。周期报文的发送优先级应为最高。在非周期报文传输阶段Tn，每个EPA设备向网络上发送的报文是包含非周期数据的报文。非周期数据是指用于以非周期方式在两个通信伙伴间传输的数据，如程序的上下载数据、变量读写数据、事件通知、趋势报告等数据，以及诸如ARP、RARP、HTTP、FTP、TFTP、ICMP、IGMP等应用数据。非周期报文按其优先级高低、IP地址大小及时间有效方式发送。,过程控制系统网络化实习EPA分时确定性调度机制,IEEE1588标准定义了一个协议，这个协议能够在度量和控制系统中实现精确的时钟同步，协议在诸如网络通信、局部计算等技术中已得到实施。这个协议也适用于通过支持多点传送信息的局域网通信的系统，并不只限于以太网中。协议能够使异种系统实现同步，尽管这些系统包括各种各样不同的内在的精确时钟、稳定性。协议支持系统范围的时钟同步，这种同步能在小网络到本地时钟计算资源范围内实现亚微秒的精确同步。它通过PTP协议通过计算本地时钟和网络上主时钟的偏差来不断调整本地时钟，保证本地时钟和网络时钟的同步。,过程控制系统网络化实习EPA时间同步机制,UDP是一个简单的面向数据报的运输层协议：进程的每个输出操作都正好产生一个UDP数据报，并组装成一份待发送的IP数据报。UDP不提供可靠性，它把应用程序传给IP层的数据发送出去，但是并不保证它们能到达目的地。UDP首部的各字段：源端口号+目的端口号+UDP包长度+校验和（各2字节，共8字节）。端口号表示发送进程和接收进程。UDP长度字段指的是UDP首部和UDP数据的字节长度。UDP检验和覆盖UDP首部和UDP数据，UDP的检验和是可选的。在本EPA系统中，网络中传输的是UDP报文。因此，我们的一切对数据的操作，都是基于UDP层之上。通过UDP解包后，再判断是否属于CSME或EPA应用层的报文。,过程控制系统网络化实习UDP/IP介绍,EPA通讯协议报文分为EPA应用访问实体和EPA管理访问实体，所有报文遵照EPA报文格式，使用UDP端口号为0 x88bc，报文类型包括请求报文和相应的正响应和负响应，以及不必须回应的声明类报文。、系统管理服务类设备声明报文（无证实）EM_DeviceAnnunciation服务是一条无证实的服务。EPA设备以15s为周期，周期性的发送此服务请求，通知组态应用其在网络上的存在。多数情况下，这条服务是以广播的形式发送的。测试方法：填写将要收到的声明报文，并等待30s，收到则测试通过。,过程控制系统网络化实习EPA服务系统管理,设备查询服务（无证实）EM_FindTagQuery服务是一条无证实的服务。该服务用于通过设备物理位号PDTag查询一个对象的网络地址IP地址，以实现对象定位功能。多数情况下，这条服务是以广播的形式发送的，而且设备有可能收不到应答或同时收到多个设备的应答。收到该服务的设备使用EM_FindTagReply服务作为该服务的应答。测试方法：打开测试软件监听，然后新上电一个EPA设备，软件收到设备查询服务后匹配字节后测试通过。否则显示响应超时,过程控制系统网络化实习EPA服务系统管理,设备查询应答服务（无证实）设备查询请求应答服务作为EM_FindTagQuery服务的应答服务，返回被查询对象的IP地址，以及该对象所在设备的DeviceID、PDTag。测试方法：上位机模拟一个设备查询报文（为下位机已有的，模拟冲突），然后等待一段时间，当收到设备查询应答服务的时候测试通过。否则超时响应。,过程控制系统网络化实习EPA服务系统管理,设备属性读取服务（证实）EM_GetDeviceAttribute服务是一条证实的服务。主机发送此服务请求以获得指定设备的属性，同时可以检测该设备是否还在EPA网络上正常运行。收到EM_GetDeviceAttribute服务请求后，如果指定设备在网络上正常运行，该设备就向组态应用进程发回一个正响应Result(+)。如请求的设备不在EPA网络上，或链路出现故障，则由EPA系统管理实体向用户应用程序发送一个负响应Result(-)。测试方法：（正响应测试）填写测试报文并发送，收到正响应则测试通过。（负响应测试）按规定填写负响应测试报文，当收到负响应并匹配错误类型则测试通过。,过程控制系统网络化实习EPA服务系统管理,设备属性清除服务（证实）EM_ClearDeviceAttribute服务是一条证实服务。采用单播方式发送。用户应用程序向EPA设备发送此服务请求以清除设备的物理位号PDTag，并把EPA设备属性设置为出厂时的默认状态。为了防止误操作，该服务请求中所带参数（设备标识DeviceID和物理位号PDTag）必须与设备的设备DeviceID以及物理位号PDTag相匹配，否则该服务执行失败。测试方法：（正响应测试）填写测试报文，发送并收到正响应并匹配则测试通过。（负响应测试）根据负响应的情况分别填写测试报文，收到符合条件负响应则测试通过。,过程控制系统网络化实习EPA服务系统管理,设备属性设置服务（证实）EM_SetDeviceAttribute服务是一条证实服务。采用单播方式发送。用户应用程序向设备发送此服务请求以设置设备的物理位号PDTag以及其他属性信息。EPA设备对此服务请求做出响应。为了防止误操作，该服务请求中所带参数设备标识DeviceID必须与设备的设备标识DeviceID相匹配，否则该服务执行失败。在执行该服务时，如果设备已经有一个物理位号PDTag，那么必须先通过EM_ClearDeviceAttribute服务清除该物理位号PDTag之后，才能设置新的物理位号PDTag。测试方法：（正响应测试）在PDTag被清空的情况下，填写测试报文，发送并收到正响应并匹配则测试通过。（负响应测试）根据负响应的情况分别填写测试报文，收到符合条件负响应则测试通过。,过程控制系统网络化实习EPA服务系统管理,域是指内存中的一部分，它可以存储数据，也可以存储程序。从数据类型上来看，域的数据类型是“八位位组串”（OctetString）。对于域对象的操作，有上载（Upload）和下载（Download）两种服务。对于一个域对象，同时只允许一个上载或下载服务访问。由于收到状态机影响，对于域的5种状态，我们分别用5个域来对应。状态机之间转换按协议要求实现。（在测试过程中，要注意状态机之间的转换对正负响应测试的影响。）,过程控制系统网络化实习EPA服务域,域上载服务（证实）域上载（DomainUpload）服务是用来将EPA设备中域对象的内容上载到用户应用程序，数据是和服务响应一起传输的。测试方法：（正响应测试）对指定状态域进行上载，收到正响应则测试通过。（负响应测试）对指定状态域进行上载操作。收到指定状态负响应则测试通过。域下载服务（证实）使用域下载服务可以向EPA设备的域中下载数据或程序。在该服务中，数据和服务请求一起传输。测试方法：（正响应测试）对指定状态域进行下载，收到正响应则测试通过。（负响应测试）对指定状态域进行下载操作。收到指定状态负响应则测试通过。,过程控制系统网络化实习EPA服务域,事件ASE的主要功能是从一个EPA设备发送重要的事件信息到其他的一个、多个或所有设备。事件发生的条件是由用户定义的。当条件满足时，应用程序调用事件通知服务（EventNotification）来报告事件。而对事件的确认也是由用户来完成的。用户通过事件通知服务来传输事件序号（EventNumber）和事件的数据（EventData），如测量值、状态、单位。用户负责管理事件序号。事件通知服务（无证实）事件通知服务用来传输事件通知，即产生的事件通过调用事件通知服务来发送到接收设备。这是一个