现场总线及其应用

现场总线及其应用,2008年2月,推荐参考书目,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,学习内容,出勤率10%，听课,实验过程表现40%.思考题20%结课报告30%,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,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1,一.概述1.现场总线技术的特点、状况及发展趋势。2.CAN、PROFIBUS的应用领域。二.应用实例（系统工艺原理、软硬件框图等描述）1.CAN总线（汽车、楼宇自动化等）2.PROFIBUS（工业上PLC、变频器等系统）,现场总线及其应用-结课报告,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),流程控制自动化技术是工业自动控制领域的热点研究内容。它包括三个层面：位于最底层的是基础自动化PCS系统，关注与设备相关的自动控制和优化，包括整个生产线的过程控制和单体设备基础自动化，是整个流程型企业信息化的基础。中间层是制造执行系统(MES)，进行生产作业的计划、执行与监控以及生产实时数据的采集和管理。以上两层面向生产过程控制，强调信息的时效性和准确性。,现场总线及其应用-目的及意义,最上层是企业资源计划（ERP）系统，管理整个企业的内部价值链和供应链，即销售、采购、生产、库存、质量、财务、人力资源等，强调所有这些业务的整合，强调计划(销售计划、生产计划、采购计划等)的协调和控制。过程控制系统网络化实验以数字化工厂现代化PCS过程控制系统实践平台为依托，实现对位于最底层的基础自动化系统、中间层制造执行系统(MES)的了解，建立起对现代化工业企业控制系统模式的整体概念。,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,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,（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,是一种高速确定性网络，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。用户可在其基础上开发适合系统实际需要的应用层通信协议，由于CAN总线极高的可靠性，从而使应用层通信协议得以大大简化。,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)基于事件触发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,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、CAN总线的通信距离,现场总线及其应用CAN总线传输,三、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,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,主要内容：CAN总线系统的构成CAN总线系统的节点CAN总线系统的拓扑结构CAN总线系统的通信方式,现场总线及其应用CAN总线结构原理,CAN总线是现场总线的一种，是一种有效分布式控制或实时控制的串行通信网络，隶属控制网络的范畴。,现场总线及其应用CAN总线结构原理构成,简单的CAN总线系统主要由上位机和位控制器构成包括：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,常用CAN节点结构,现场总线及其应用CAN总线结构原理节点,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总线节点结构,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,1、总线结构只支持一种信道，所有节点共享总线的全部带宽；一个节点发送，所有节点被动的侦听该数据。容易实现、成本低、扩展性差；节点增加时性能将下降。,现场总线及其应用CAN总线结构原理拓扑,2、环形结构每个节点与最近的俩个节点连接以使整个网络形成一个环，数据沿着环向一个方向发送。不易扩展；单个节点或一处线缆发生故障时将会造成整个网络的瘫痪，CAN采用双环结构提供容错。,现场总线及其应用CAN总线结构原理拓扑,3、星形结构每个节点通过一中央设备（集线器）连在一起。容易移动、隔绝、与其它网络连接，易于扩展是CAN、以太网中用的最多的拓扑结构。,现场总线及其应用CAN总线结构原理拓扑,4、网状结构每两个节点间都是互连的，常用于广域网，是最具容错性的网络结构。成本很高，实际中多采用半网络状结构更实用。,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,为了满足现代控制系统既要集中管理又要分散实时控制的要求，CAN现场总线数据采集与控制系统总体结构如图所示，主要由上位机监控站和若干个现场CAN智能测控节点构成，通过相应的网关还可与其他类型网络进行通信。,现场总线及其应用CAN总线网络结构,网关,详见：CAN总线实验平台实验手册V1.0过程控制系统网络化实验-CAN实验指导书,现场总线及其应用IXXAT系列CAN总线通讯/测试模块,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,现场总线及其应用CAN总线在工业上的应用,CAN（ControllerAreaNetwork）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相关软件（Software）或固件（Firmware）。同时，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,现场总线及其应用CAN总线应用层协议,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,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),3、编码实例,现场总线及其应用CAN总线应用层协议SAEJ1939,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；配料控制器主要做用是按照给定流量控制各称均匀下料，并上报实时流量、状态及接收PC机下设的参数。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SAEJ1939应用,了解烧结配料系统,现场总线及其应用CAN总线应用层协议SAEJ1939应用,现场总线及其应用CAN总线应用层协议SAEJ1939应用,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,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SAEJ1939应用,现场总线及其应用CAN总线应用层协议SAEJ1939应用,现场总线及其应用CAN总线应用层协议SAEJ1939应用,CAL（CANApplicationLayer）协议是目前基于CAN的高层通讯协议中的一种，最早由Philips医疗设备部门制定。现在CAL由独立的CAN用户和制造商集团CiA（CANinAutomation）协会负责管理、发展和推广。1、CIA（CANinAutomation）2、CAL提供了4种应用层服务元素,现场总线及其应用CAN总线应用层协议CAL,4种应用层服务元素,（1）CMS(CAN-basedMessageSpecification)CMS提供了一个开放的、面向对象的环境，用于实现用户的应用。CMS提供基于变量、事件、域类型的对象，以设计和规定一个设备（节点）的功能如何被访问（例如，如何上载下载超过8字节的一组数据（域），并且有终止传输的功能）。CMS从MMS(ManufacturingMessageSpecification)继承而来。MMS是OSI为工业设备的远程控制和监控而制定的应用层规范。（2）NMT(NetworkManagemenT)提供网络管理（如初始化、启动和停止节点，侦测失效节点）服务。这种服务是采用主从通讯模式（所以只有一个NMT主节点）来实现的。,现场总线及其应用CAN总线应用层协议,（3）DBT(DistriBuTor)提供动态分配CANID（正式名称为COB-ID，CommunicationObjectIdentifier）服务。这种服务是采用主从通讯模式（所以只有一个DBT主节点）来实现的。（4）LMT(LayerManagemenT)LMT提供修改层参数的服务：一个节点（LMTMaster）可以设置另外一个节点（LMTSlave）的某层参数（如改变一个节点的NMT地址，或改变CAN接口的位定时和波特率）。,现场总线及其应用CAN总线应用层协议,3、ID映射表,现场总线及其应用CAN总线应用层协议,CMS为它的消息定义了8个优先级，每个优先级拥有220个COB-ID，范围从1到1760。剩余的标志（0，1761-2031）保留给NMT，DBT和LMT。注：29位ID并不改变描述；表中的11位映射到29位COB-ID中的最高11位,现场总线及其应用CAN总线应用层协议CANOPEN,1、CANopen是在CAL基础上开发的，使用了CAL通讯和服务协议子集，提供了分布式控制系统的一种实现方案。CANopen在保证网络节点互用性的同时允许节点的功能随意扩展。CANopen的核心概念是设备对象字典（OD：ObjectDictionary），在其它现场总线（Profibus，Interbus-S）系统中也使用这种设备描述形式。注意：对象字典不是CAL的一部分，而是在CANopen中实现的。,2、功能,（1）支持对设备参数的直接访问以及传输时间要求很严格的过程数据。（2）网络管理服务简化了工程设计，系统的集成及诊断。（3）对象字典定义了每个分散控制应用中的不同通信服务和协议。,现场总线及其应用CAN总线应用层协议CANOPEN,3、对象字典OD,是一组有序的对象，每个对象通过16位的索引来寻址。对于数组和结构类型的对象，用8位子索引来寻址其内部成员。一个节点的对象字典的有关范围在0 x1000到0 x9FFF之间。CANopen网络中每个节点都有一个对象字典。对象字典包含了描述这个设备和它的网络行为的所有参数。,现场总线及其应用CAN总线应用层协议CANOPEN,现场总线及其应用CAN总线应用层协议CANOPEN,现场总线及其应用CAN总线应用层协议CANOPEN,一个节点的对象字典是在电子数据文档（EDS：ElectronicDataSheet）中描述或者记录在纸上。节点本身只需要能够提供对象字典中必需的对象（而在CANopen规定中必需的项实际上是很少的），以及其它可选择的、构成节点部分可配置功能的对象。CANopen由一系列称为子协议的文档组成。通讯子协议（communicationprofile），描述对象字典的主要形式和对象字典中的通讯子协议区域中的对象，通讯参数。同时描述CANopen通讯对象。这个子协议适用于所有的CANopen设备。各种设备子协议（deviceprofile），为各种不同类型设备定义对象字典中的对象。目前已有5种不同的设备子协议，并有几种正在发展。设备子协议为对象字典中的每个对象描述了它的功能、名字、索引和子索引、数据类型，以及这个对象是必需的还是可选的，这个对象是只读、只写或者可读写等等。,现场总线及其应用CAN总线应用层协议CANOPEN,注意：一个设备的通讯功能、通讯对象、与设备相关的对象以及对象的缺省值由电子数据文档（EDS：ElectronicDataSheet）中提供。单个设备的对象配置的描述文件称作设备配置文件（DCF：DeviceConfigurationFile），它和EDS有相同的结构。二者文件类型都在CANopen规范中定义。设备子协议定义了对象字典中哪些OD对象是必需的，哪些是可选的；必需的对象应该保持最少数目以减小实现的工作量。可选项在通讯部分和与设备相关部分可以根据需要增加以扩展CANopen设备的功能。如果需要的项超过了设备子协议中可以提供的，在设备子协议中已预留由足够空间提供给厂商的特定功能使用。对象字典中描述通讯参数部分对所有CANopen设备（例如在OD中的对象是相同的，对象值不必一定相同）都是一样的。对象字典中设备相关部分对于不同类的设备是不同的。,现场总线及其应用CAN总线应用层协议CANOPEN,现场总线及其应用CAN总线应用层协议CANOPEN,4、通信模型,包括CANOPEN网络上的消息帧，以及其内容和功能4种消息帧管理消息服务数据对象SDO（ServiceDataObject）过程数据对象PDO（ProcessDataObject）预定义的消息或特殊功能对象（1）管理消息层管理，网络管理和ID分配服务：如初始化，配置和网络管理（包括：节点保护）。,现场总线及其应用CAN总线应用层协议CANOPEN,BOOTUP消息网络管理NMT对象：HEARTBEAT协议NMT消息BOOTUP消息：主从概念。即设备发出BOOTUP消息通知NMT主节点己经进入就绪状态。注：其标识符与HEARTBEAT消息相同，只是数据内容为0,现场总线及其应用CAN总线应用层协议CANOPEN,现场总线及其应用CAN总线应用层协议CANOPEN,现场总线及其应用CAN总线应用层协议CANOPEN,现场总线及其应用CAN总线应用层协议CANOPEN,现场总线及其应用CAN总线应用层协议CANOPEN,现场总线及其应用CAN总线应用层协议CANOPEN,现场总线及其应用CAN总线应用层协议CANOPEN,通过使用索引和子索引（在CAN报文的前几个字节），SDO使客户机能够访问设备（服务器）对象字典中的项（对象）。SDO通过CAL中多元域的CMS对象来实现，允许传送任何长度的数据（当数据超过8个字节时分拆成几个报文）。协议是确认服务类型：为每个消息生成一个应答（一个SDO需要两个ID）。SDO请求和应答报文总是包含8个字节（没有意义的数据长度在第一个字节中表示，第一个字节携带协议信息）。SDO通讯有较多的协议规定。,现场总线及其应用CAN总线应用层协议CANOPEN,（3）过程数据对象（ProcessDataObjectPDO）,现场总线及其应用CAN总线应用层协议CANOPEN,现场总线及其应用CAN总线应用层协议CANOPEN,(1)周期模式：通过对SYNC计数（等待周期），达到某个值（1240之间）时即发送PDO数据。特点是等待周期是固定的(2)非周期模式：事件发生后的下一个SYNC消息时发送PDO数据。由于事件是随机产生的，因此，等待周期是变化的。,现场总线及其应用CAN总线应用层协议CANOPEN,现场总线及其应用CAN总线应用层协议CANOPEN,PDO映射：定义应用对象在PDO帧中的位置，可以进行动态的PDO映射（在就绪态，或运行态）。OD中为每个PDO描述了应用对象的缺省映射和所支持的传输模式。,现场总线及其应用CAN总线应用层协议CANOPEN,现场总线及其应用CAN总线应用层协议CANOPEN,时间戳（Timestampobject，Timestamp)为设备提供共同的时间基准。提供时间、日期、采用生产者/消费者模型。其标识符为256，占用6字节数据。紧急事件（Emergencyobject，Emergency)由设备的内部错误触发，每次错误事件只发送一次5、预定义的连接设置减轻网络设置工作量，定义了强制性的CAN标识符分配方案。在就绪态可以使用，允许动态分配修改。,现场总线及其应用CAN总线应用层协议CANOPEN,现场总线及其应用CAN总线应用层协议CANOPEN,5、设备模型,DeviceNet是美国RockWell公司提出的一种总线结构的设备级网络，为简单工业设备（传感器、阀门、开关、条形码阅读器以及电机等）和高端设备（控制器）提供了确定、可靠的网络连接和通信。多通信层次及消息优先级队列主从或点对点结构总线供电1、特点定义了应用和物理层规范，数据链路层用CAN协议仅使用CAN2.0A开放式的网络标准，少量复制成本从ODVA获得DeviceNet规范,现场总线及其应用CAN总线应用层协议DeviceNet,现场总线及其应用CAN总线应用层协议DeviceNet,现场总线及其应用CAN总线应用层协议DeviceNet,2、物理层规范：采用主干总线/分支拓扑结构，分别为信号和电路提供独立的双绞线总线（粗/细电缆）。（1）最大连接64个节点（CAN110）125kb/s（2）支持传输速率250kb/s500kb/s（3）主干电缆最长500m，分支6m（4）节点间相互独立，互不影响（5）内置保护电路（6）支持隔离/非隔离型网络节点协议CANx2（7）网络供电，5芯电源x2地（8）多种网络拓扑,现场总线及其应用CAN总线应用层协议DeviceNet,3、网络通信：（1）是一种面向连接的通信，也就是网络中的节点之间在进行正常通信之前必须通过一些特殊信息的交换来建立一种逻辑上的联系连接，然后才能在这个连接上通信。、在建立连接中生成（与节点ID、信息标识有关）。连接标识CID、每次通信都需要带上，表示本次通信所用逻辑信道。、同一个连接中的各端点的CID不一定相同（连接路径不同）。输入/输出连接I/O：实时性高的I/O数据报文信息或（2）连接方式隐性报文。显示连接：设备间多用途信息报文。,现场总线及其应用CAN总线应用层协议DeviceNet,、I/O连接一对多连接，或一对一连接。,现场总线及其应用CAN总线应用层协议DeviceNet,显性连接：是一对一的连接，要有应答。用来上载或者下载程序，修改设备组态、记载数据日志，作趋势分析和诊断等功能。每个节点必须解释每个显性报文，操作所请求的任务，并生成响应。,现场总线及其应用CAN总线应用层协议DeviceNet,（3）报文格式：在DeviceNet中，CAN标识符被称为连接ID。它包含报文组ID、该组中的报文ID、设备MACID（介质访问控制标识符）。源和目标地址都可作为MACID。定义取决于报文组和报文ID。系统中报文的含义由报文ID确定。CAN2.0A通过11位标识符将网络上传送的信息报文分成4组。,现场总线及其应用CAN总线应用层协议DeviceNet,报文组1：分配了1024个CAN标识符（000H3FFH），占所有可用标识符的一半。该组中每个设备最多可拥有16个不同的报文。该组报文的优先级主要由报文ID（报文的含义）决定。如果2个设备同时发送报文，报文ID号较小的设备总是先发送。以这种方式可以相对容易地建立一个16个优先级的系统。报文组1通常用于I/O报文交换应用数据。,4个报文组分别有以下用途,现场总线及其应用CAN总线应用层协议DeviceNet,报文组2：分配了512个标识符（400H5FFH）。该组的大多数报文ID可选择定义为“预定义主/从连接集”。其中1个报文ID定义为网络管理。优先级主要由设备地址（MACID）决定，其次由报文ID决定。如果要考虑各位的具体位置，那么带8位屏蔽的CAN控制器可以根据MACID滤除自身的报文组2报文。,现场总线及其应用CAN总线应用层协议DeviceNet,报文组3：分配了448个标识符（600H7BFH），具有与报文组1相似的结构。与报文组1不同的是，它主要交换低优先级的过程数据。此外，该组的主要用途是建立动态的显式连接。每个设备可有7个不同的报文，其中2个报文保留作未连接。,现场总线及其应用CAN总线应用层协议DeviceNet,报文组4：分配了48个CAN标识符（7C0H7EFH），不包含任何设备地址，只有报文ID。该组的报文只用于网络管理。通常分配4个报文ID用于“离线连接集”。其它16个CAN标识符（7F0H7FFH）在DeviceNet中被禁止。,现场总线及其应用CAN总线应用层协议DeviceNet,标准帧格式多帧格式,现场总线及其应用CAN总线应用层协议DeviceNet,4、对象模型DeviceNet使用对象（Object）的概念来描述每个节点的通信信息和服务以及节点的外部特征和行为。属性：对象特征。每个对象服务：完成一定的任务行为：对外部特定事件的响应每个节点可以认为是对象的集合，具有相同的属性集，服务和行为的对象被归纳成一类对象。即类（Class）的概念，是具有属性集、服务和行为对象的集合。而类中的某一个对象称为该类的一个实例（Instance）。（1）对象分类预定义连接对象、DeviceNet对象、信息路由自定义应用对象,现场总线及其应用CAN总线应用层协议DeviceNet,标识对象：设备属性信息：供货商标识、设备类型、产品代码、名称。路由对象：向其它对象传送显示报文。连接对象：模拟特定的设备之间的通信特征，如处理器信息类型、数据到达的速度、超时处理等。DeviceNet对象：提供配置和状态信息，如节点标识、传送波特率、总线脱离的处理过程等。组合对象：主要负责I/O信息的格式定义和I/O数据的映射等。参数对象：为配置工具访问所有参数提供标准的方法。应用对象：指与特定应用相关的对象，它模拟应用设备的特性。,现场总线及其应用CAN总线应用层协议DeviceNet,现场总线及其应用CAN总线应用层协议DeviceNet,（2）DeviceNet对象寻址定位：由一系列数据标识ID来实现。媒体访问控制标识：MACID唯一的ID，063用来区别不同的节点类标识（ClassID）：对象类，065535实例标识（InstanceID）：对象类中对象实例唯一065535属性标识（AttributeID）：唯一标识每个类或对象中的具体属性。0255服务代码（ServiceCode）：唯一标识每个类或对象所提供的具体服务。02555、设备描述（Profile）和EDS为保证DeviceNet设备的互换性、互操作性和功能的一致性，定义了设备描述。设备对象模型：表格列出设备特性设备I/O数据格式：I/O打包和含义设备组态格式：特有属性和参数,现场总线及其应用CAN总线应用层协议DeviceNet,从车辆工程角度上看，CAN的速率、可靠性和成本指标在汽车的动力系统总成中应用是最为适宜的。但对于安全等级需求更高的系统,如转向控制和制动系统及安全气囊的网络互联问题则应制定一个新的标准，这就是FlexRay。CAN的成功应用及FlexRay的标准开发推动了新的X-by-wire车辆系统设计思想的完善，也导致了车辆系统对信息传送速度尤其是对故障容错与时间确定性的需求的不断增加。FlexRay通过在确定的时间槽中传递信息，以及在两个通道上的故障容错和冗余信息的传送，满足了这些新增加的要求。,现场总线及其应用FlexRay总线,FlexRay作为下一代汽车网络协议，提供了充足的带宽、可靠性和实时响应能力，以实现线控应用，如节流阀、制动、转向和动态稳定性控制。该标准已开始被越来越多的汽车制造商采用。FlexRay是一种用于汽车的高速可确定性的，具备故障容错的总线系统，它的基础源于戴姆勒克莱斯勒公司（奔驰公司）的典型应用以及BMW公司（宝马公司）byteflight通信系统开发的成功经验。,现场总线及其应用FlexRay总线,Byteflight是BMW公司专门为被动安全系统（气囊）而开发的，为了同时能够满足主动安全系统的需要，在Byteflight协议基础之上，被FlexRay协会进一步开发成了一个与确定性和故障容错有密切关系的，更可靠的高速汽车网络系统。今天，BMW，DaimlerChrysler，GeneralMotors，Ford，Volkswagen和一些半导体公司如Bosch，Freescale，Philips等组成了FlexRay联盟。2006年应用FlexRay技术的汽车将进入市场。,现场总线及其应用FlexRay总线,如今，大多数汽车中的控制器件、传感器和执行器之间的数据交换，主要是通过CAN网络进行的。然而新的x-by-wire系统设计思想的出现，导致了车辆系统对信息传送速度尤其是故障容错与时间确定性的需求的不断增加。FlexRay通过在确定的时间槽中传递信息，以及在两个通道上的故障容错和冗余信息的传送，满足了这些新增加的要求。,现场总线及其应用FlexRay总线,FlexRay符合TDMA（TimeDivisionMultipleAccess）的原则，部件和信息都被分配了确定的时间槽，在这期间它们可以唯一的访问总线。时间槽是经固定的周期而重复的。信息在总线上的时间是可以完全预测出来的，因而对总线的访问是确定性的。不过，通过为部件和信息分配时间槽的方法来固定的分配总线带宽，其不利因素是导致总线的带宽没有被完全的利用。出于这个考虑，FlexRay把周期分成了静态段和动态段，确定的时间槽适用于位于信息开始的静态段。,现场总线及其应用FlexRay总线,在动态段，时间槽是动态分配的。每种情况下都只有一小段时间是允许唯一的总线访问的（这段时间称为“mini-slots”），如果在mini-slot中出现了总线访问，时间槽就会按照需要的时间来扩展。因此总线带宽是动态可变的。FlexRay在物理上通过两条分开的总线通信，每一条的数据速率是10MBit/s。这两条线主要是用于冗余和故障容错的信息传输，但也可以传递不同的信息，后者的数据吞吐量是翻倍的。FlexRay也可以在2.5和5MBits/s低数据率下工作，并且为数据传输定义了主动星型、被动星型或是两者混合的总线拓扑结构。为了实现功能的同步和通过两条信息间的短距离来优化带宽，该通信网络中的分布组件都要有一个共同的时基。,现场总线及其应用FlexRay总线,现场总线及其应用FlexRay总线,现场总线及其应用PROFIBUS,9.PROFIBUS家族构成及各自应用方面?10.PROFIBUS总线存取协议及传输特点?11.PROFIBUS总线的工作流程及内容?12.PA设备应用举例?13.DP设备类型及各自作用?14.PROFIBUS总线报文结构及服务内容15.PROFIBUS总线系统集成技术16.PROFIBUS总线协议芯片的分类及作用?17.PROFInet的作用及意义?18.PROFINET三种通讯方式?,现场总线及其应用思考题2,PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化。(2)PROFIBUS由三个兼容部分组成：PROFIBUS-DP（DecentralizedPeriphery分布式外围设备）PROFIBUS-PA(ProcessAutomation过程自动化)PROFIBUS-FMS(FieldbusMessageSpecification现场总线报文规范),现场总线及其应用PROFIBUS,(1)PROFIBUS-DP：定义了第一、二层和用户接口。第三到七层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为。(2)PROFIBUS-FMS：定义了第一、二、七层，应用层包括现场总线信息规范（FieldbusMessageSpecification-FMS）和低层接口（LowerLayerInterfaceLLI）。FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。,现场总线及其应用PROFIBUS基本特性,(3)PROFIBUS-PA：PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议。另外，PA还描述了现场设备行为的PA行规。根据IEC1158-2标准，PA的传输技术可确保其本征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP上扩展PA网络。,现场总线及其应用PROFIBUS基本特性,PROFIBUS提供了三种数据传输类型：用于DP和FMS的RS485传输用于PA的IEC1158-2传输光纤,现场总线及其应用PROFIBUS传输技术,DP/FMS的RS485传输技术,由于DP与FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而，这两套系统可在同一根电缆上同时操作。RS-485传输是PROFIBUS最常用的一种传输技术。这种技术通常称之为H2。采用的电缆是屏蔽双绞铜线。,现场总线及其应用PROFIBUS传输技术,DP/FMS的RS485传输技术,RS-485传输技术基本特征：网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻。传输速率：9.6Kbit/s12Mbit/s介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件（EMC）。站点数：每分段32个站（不带中继），可多到127个站（带中继）。插头连接：最好使用9针D型插头。,现场总线及其应用PROFIBUS传输技术,RS-485传输设备安装要点,(1)全部设备均与总线连接。(2)每个分段上最多可接32个站（主站或从站）。(3)每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作运行不发生误差。两个总线终端电阻必须永远有电源。见图2-2所示。(4)当分段站超过32个时，必须使用中继器用以连接各总线段。串联的中继器一般不超过3个。,现场总线及其应用PROFIBUS安装要点,现场总线及其应用PROFIBUS安装要点,现场总线及