CAN总线与PROFIBUS总线比较

CAN总线与PROFIBUS总线比较摘要：本文简单介绍了CAN总线与PROFIBUS总线，。从两种总线的特点，优缺点、工作原理及应用领域行了对比,并对两者的发展趋势进行简单阐述。关键词：CAN总线，PROFIBUS总线，发展趋势Abstract：This paper simply introduces the CAN bus and the PROFIBUS fieldbus. Compared this two fieldbus from the characteristics of two kinds of bus, characteristics, working principle and application field line. And state the development tendency of the two kinds of bus.Keywords: CAN BUS, PROFIBUS, development trend1 两种总线简单介绍控制器局域网总线（CAN，Controller Area Network）是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，是世界上应用最广泛的现场总线之一。CAN协议由德国的Robert Bosch公司开发，用于汽车中各种不同元件之间的通信1，以此取代昂贵而笨重的配电线束。该协议的健壮性使其用途延伸到其他自动化和工业应用。CAN协议的特性包括完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传输速率高达1Mb/s、同时具有11位的寻址以及检错能力2。CAN总线是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电子干扰性，并且能够检测出产生的任何错误3。CAN总线可以应用于汽车电控制系统、电梯控制系统、安全监测系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输等领域4。PROFIBUS是过程现场总线（Process Field Bus ）的缩写，于1989年正式成为现场总线的国际标准。目前在多种自动化的领域中占据主导地位，全世界的设备节点数已经超过2000万5。它由三个兼容部分组成，即PROFIBUSDP（ Decentralized Periphery）PROFIBUSPA（Process Automation ）PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification )。其中PROFIBUSDP应用于现场级，它是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O之间的通讯6，总线周期一般小于10ms，使用协议第1、2层和用户接口，确保数据传输的快速和有效进行。；PROFIBUSPA适用于过程自动化，可使传感器和执行器接在一根共用的总线上，可应用于本征安全领域；PROFIBUSFMS用于车间级监控网络7，它是令牌结构的实时多主网络，用来完成控制器和智能现场设备之间的通信以及控制器之间的信息交换。主要使用主-从方式，通常周期性地与传动装置进行数据交换8。2 工作原理2.1 CAN总线工作原理CAN总线使用串行数据传输方式，可以1Mb/s的速率在40m的双绞线上运行，也可以使用光缆连接，而且在这种总线上总线协议支持多主控制器。CAN与I2C总线的许多细节很类似，但也有一些明显的区别。当CAN总线上的一个节点(站)发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点。对每个节点来说，无论数据是否是发给自己的，都对其进行接收9。每组报文开头的11位字符为标识符，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的，不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。当几个站同时竞争总线读取时，这种配置十分重要。 当一个站要向其它站发送数据时，该站的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN芯片，并处于准备状态；当它收到总线分配时，转为发送报文状态10。CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时网上的其它站处于接收状态。每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。由于CAN总线是一种面向内容的编址方案，因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置11。我们可以很容易地在CAN总线中加进一些新站而无需在硬件或软件上进行修改。当所提供的新站是纯数据接收设备时，数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址。它允许分布过程同步化，即总线上控制器需要测量数据时，可由网上获得，而无须每个控制器都有自己独立的传感器12。2.2 PROFIBUS总线工作原理PROF IBUS - DP使用了第1 层(物理层) 、第2层(数据链路层)和用户接口层,由于工业上的特殊需要省略了36层 。模型的第1层相同,其主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接,以透明地传送比特流。它采用RS - 485协议,其传输技术为半双工通信方式,传输速率在9. 6 k12M bits- 1之间可选, 对应的通讯距离在100 m1 200 m,根据最大传输速率的不同,可选用双绞线或光纤2 种传输电缆13。一般来说在电磁干扰很大的环境下可使用光纤导体以增长高速传输的最大距离。数据链路层: PROF IBUS - DP的数据链路层是比较复杂的一部分,它主要是通过数据链路层协议, 在不可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。 PROF IBUS - DP网包括两种介质存取方式:令牌总线方式和主- 从方式可选用。数据链路层协议媒体访问控制(MAC)部分采用受控访问的令牌总线和主从方式。主站间数据传输采用令牌总线方式 。令牌在总线上的各主站间传递,持有令牌的主站获得总线控制权,该主站依照关系表与从站或其它主站进行通信。主站与从站之间的周期性数据传输采用主从方式,主站向从站发送或索取信息。应用层: PROF IBUS - DP网没有使用OSI参考模型的应用层,而是自己定义了第8层用户层, 这一层与用户接触比较多,它主要定义了DP的功能、行规及扩展功能15。3 两种总线特点3.1 CAN总线的特点 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； 采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作； 具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN 控制器挂到CAN-bus 上，形成多主机局部网络； 可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文； 可靠的错误处理和检错机制； 发送的信息遭到破坏后，可自动重发； 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能； 报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。3.2PROFIBUS总线特点(1)由于PROFIBUS现场总线技术投运时间较长,因而它的应用范围已渗透扩散到电力拖动的电力电子技术(如变频调速器)等领域中。 (2 ) PROFIBUS 可远距离高速度传输数据。PROF IBUS - DP /FMS通信介质为屏蔽双绞电缆或光纤,传输速率为9. 6 k12M bits- 1 ,传输距离为1001 200 m,通过中继器后传输距离还可加长 。 (3) PROF IBUS根据不同的应用对象可灵活选取不同规格的总线系统。如简单的设备一级的高速数据传送,可选用PROF IBUS - DP单主站系统;稍微复杂一些的设备级高速数据传送可选用PROF I2 BUS - DP多主站系统;比较复杂一些的系统可以将PROFIBUS DP与PROFIBUS- FMS混合选用,两套系统可方便地在同一根电缆上同时操作,无需附加任何转换装置 。 (4) PROF IBUS具有本征安全的优势。目前各种现场总线技术中考虑本征安全的只有PROF IBUS与FF。而FF的部分协议及成套硬件支撑尚未完善,可以说目前过程自动化中现场总线技术的成熟解决方案是PROF IBUS - PA 。它只需一条双绞线就既可传送信息又向现场设备供电,由于总线的操作电源来自单一供电装置,它就不再需要绝缘装置和隔离装置,设备在操作过程中进行的维修、接通或断开,即使在潜在的爆炸区也不会影响到其它站点。使用分段式耦合器PROF IBUS - PA 可以很方便地集成到PROF IBUS - DP网络上,使用连接器可在DP上扩展PA网络。PROF IBUS - DP总线上可挂接的设备有PROF IBUS - PA 总线变送器和执行器等。经过扩展的PROF IBUS - DP诊断能对故障进行快速定位,诊断信息在总线上传达输出并由主站采集,诊断信息分为3级:本站诊断操作、模块诊断操作和通道诊断操作。 (5) PROF IBUS具有硬件支持。由于PROF I2BUS协议芯片具有广泛的系列,故PROF IBUS协议的具体实现既简单又便宜。原则上, PROFIBUS协议在任何微处理器上都可实现,同时在微处理器内部或外部装上异步串行口即可,但当传输速度超过500 kbit/ s或需要联接使用IEC1158 - 2 传输技术时,要用西门子公司ASIC协议芯片16。4 应用及发展趋势CAN总线在组网和通信功能上的优点以及其高性价比据定了它在许多领域有广阔的应用前景和发展潜力。这些应用有些共同之处：CAN实际就是在现场起一个总线拓扑的计算机局域网的作用。不管在什么场合，它负担的是任一节点之间的实时通信，但是它具备结构简单、高速、抗干扰、可靠、价位低等优势。CAN总线最初是为汽车的电子控制系统而设计的，目前在欧洲生产的汽车中CAN的应用已非常普遍，不仅如此，这项技术已推广到火车、轮船等交通工具中。 应用CAN总线，可以减少车身布线，进一步节省了成本，由于采用总线技术，模块之间的信号传递仅需要两条信号线。布线局部化，车上除掉总线外其他所有横贯车身的线都不再需要了，节省了布线成本。CAN总线系统数据稳定可靠，CAN总线具有线间干扰小、抗干扰能力强的特点。CAN总线专为汽车量身定做，充分考虑到了汽车上恶劣工作环境，比如点火线圈点火时产生的强大的反充电压，电涡流缓冲器切断时产生的浪涌电流及汽车发动机仓100左右的高温。随着安全性能日益受到重视,安全气囊也将逐渐增多,以前是在驾驶员前面安装一个,今后侧面与后座都会安装安全气囊,这些气囊通过传感器感受碰撞信号,通过CAN总线将传感器信号传送到一个中央处理器内,控制各安全气囊的启动弹出动作。同时,先进的防盗设计也正基于CAN总线网络技术。首先,确认钥匙合法性的校验信息通过CAN网络进行传递,改进了加密算法,其校验的信息比以往的防盗系统更丰富;其次,车钥匙、防盗控制器和发动机控制器相互储存对方信息,而且在校验码中搀杂随机码,无法进行破译,从而提高防盗系统的安全性。而这些功能的实现无一不借助CAN总线来完成,CAN总线成为汽车智能化控制的“定海神针”。目前的普遍观点是将来肯定会出现许多种现场总线并存的情况,这是由各种总线技术的特点、适用场合及大公司、集团的既得利益所决定的。各种现场总线技术相互融合、合理搭配真正形成开放的互联系统将是现场总线下一步的发展趋势。在单元级和现场级使用的PROF IBUS和在管理级使用的工业以太网TCP / IP构成一个自上而下的统一和透明的通信网络系统。PROFIBUS与工业以太网技术的结合、与安全技术的结合,将是未来自动化技术发展的主要趋势。由此可见,网络协议的兼容使得PROF IBUS在更多方面如生产自动化、过程自动化、驱动技术和楼宇自动化等领域得到了成功的应用, 证明其强大、灵活的功能,并在众多的现场总线技术中占据首要地位。 在近几年内,国产现场总线技术产品应用主要是在现场设备及仪表领域。主要产品可能是与电力驱动有关的产品,如传感器类、专用控制设备及分布式控制系统 。PROF IBUS产品开发已有适用的。但国内经过认证的PROF IBUS产品还很少。现场总线技术和现场总线控制系统的概念早己被市场所认知。国外产品力求在竞争中获胜并占据中国市场,虽然称为开放的现场总线,但是其核心技术却只对成员开放,我们在某些深层次的技术和应用仍依赖于国外公司,在此基础上的进一步发展越来越困难。因此,开发自主知识产权的PROF IBUS接口卡件和上位机软件,构建自己的基于PROFIBUS的现场总线控制系统势在必行。6 结术语 在相当长的时间内还难以统一现场总线的国际标准,因此仍然会保持几种现场总线标准并存的局面。这不仅会给用户的选择带来不便,而且也会使现场总线间的竞争日益加剧。目前,由于这两种总线的自身性能等各方面的优势以及PLC各大生产商的支持,再加上其他总线的标准迟迟得不到完善, CAN总线与PROFIBUS总线将会有更大的发展空间,有望成为在国际上推广速度最快、用户最多、应用范围最广及最有发展前景的现场总线。参考文献1.夏德海，现场总线的现状及应用（一）.中国仪器仪表。2005.12.饶运涛，邹建军，郑勇芸现场总线原理与应用技术【M】。北京：北京航空航天大学出版社，20033.吴爱国，梁瑾，金文，工业以太网的发展现状【J】.信息与控制，20034.阳贤惠，现场总线技术及应用【M】.北京：清华大学出版社。19995.袁海洲，Profibus技术概述【J】.电工技术，2002。26.熊育悦，赵哲身工业以太网在自动控制系统控制的应用前景【J】。自动化仪表。20027.谢昊飞，李勇，王平，张军，网络控制技术【J】。机械工业出版社。20098.王化祥，林慧工业控制的应用现状和发展趋势20049.CHAI Z H，HUANG Q Y，WU Y CAn integrative radiati