基于can总线的测控网络数据采集与监视控制（scada）系统

本科毕业设计（论文）基于CAN的工业监控通讯THESUPERVISECONTROLANDCOMMUNICATIONBASEDONCAN毕业设计（论文）任务书班级2005级机械1班学生姓名某某某学号发题日期2009年2月23日完成日期6月12日题目基于CAN的工业监控通讯1、本论文的目的、意义数据采集与监视控制（SCADA）系统，是以计算机为基础的生产过程监控与调度自动化系统。SCADA系统的监控中心和远动终端（RTU）需要进行数据传输和信息交换，CAN总线作为国际标准现场总线之一，也越来越多地应用在工业控制领域。利用CAN接口可以向CAN总线接收/发送数据，实现对CAN智能节点的监测与控制。2、学生应完成的任务（1）了解CAN总线的工作原理和相关的技术和协议。自行查阅有关资料，查阅的参考文献不少于30篇，其中外文期刊资料不少于5篇。（2）熟悉并运用ICAN实验教学开发平台，实现单节点数据自发自收和双方数据收发等相关通讯实验。（3）基于CAN总线技术，选用合适的ICAN功能模块，构建CAN现场总线系统。（4）用VC程序设计语言编制上位机程序，连接CAN总线并实现控制功能；调试、测试程序，以验证其功能。（5）撰写毕业设计说明书（论文）不少于二万八千字。毕业论文要介绍CAN技术规范及协议、构成ICAN网络各部件、上位机软件的开发、原理及流程图、开发技巧和难点的解决等。3、论文各部分内容及时间分配（共15周）第一部分查询参考文献，资料，翻译外文资料。2周第二部分毕业实习、调研。1周第三部分根据ICAN实验，了解和熟悉ICAN通信机理。3周第四部分编写程序源代码，完成通信方案的详细设计。5周第五部分调试、测试程序，整理文档资料，对关键程序行的注释。2周第六部分撰写毕业论文（设计说明书）。1周评阅及答辩1周备注指导教师年月日审批人年月日摘要数据采集与监视控制（SCADA）系统，是以计算机为基础的生产过程监控与调度自动化系统。SCADA系统的监控中心和远动终端（RTU）需要进行数据传输和信息交换，CAN总线作为国际标准现场总线之一，并且逐渐占据总线领导地位，由于具有可靠性高、成本低、容易实现、协议完全透明、可扩展性强、组建系统非常灵活等优点，在现场总线的实际工程应用中占据了较大的份额，并且CAN总线已经广泛应用于汽车电子、工业控制、小区智能监控等领域。利用CAN接口可以向CAN总线接收/发送数据，实现对CAN智能节点的监测与控制。ICAN系列功能模块具有CANBUS通信接口，符合CAN20B协议规范。ICAN功能模块用在基于CAN总线的DCS/SCADA中，采集工业现场的信号并传送到主机或者控制远端设备，实现对数据的发送和接收。本文通过ICAN实验教学平台，对CAN现场总线网络的构成和通信协议进行分析研究，根据CAN总线的技术规范和相关协议，并结合设计系统的要求制定了基于CAN20B协议的面向应用层的CAN总线网络通信协议，该通信协议采用标准帧格式；基于ICAN实验教学平台，研究了单节点数据自发自收和双方数据收发的通信实验，并实现其通讯的功能；为了使CAN系统更好地为客户和技术人员所用，增强其可用性，本文将计算机PC作为主节点，选用数字量与模拟量输入输出模块，开发了基于VC上位机节点界面控制程序，该界面人机交互能力强，方便用户对底层运行设备的监测与控制。总之，本文提出的ICAN现场总线控制网络功能完备，可以根据实际的控制功能需要选用相应的执行器件来进行扩展，同时兼容性强、实时性好、抗干扰能力强以及通信灵活。利用该网络实现的基于CAN总线的测控网络既适用于数据采集，又适用于控制场合，可方便的构成现场总线多主从分散型测控网络系统。关键词CAN总线远程监测与控制MFC主节点程序通信协议ICAN模块ABSTRACTSUPERVISORYCONTROLANDDATAACQUISITIONSCADASYSTEMISACOMPUTERBASEDPRODUCTIONPROCESSMONITORINGANDAUTOMATICDISPATCHINGSYSTEMTHESUPERVISORYCENTERANDREMOTETERMINALUNITRTUOFSCADASYSTEMNEEDFORDATATRANSFERANDINFORMATIONEXCHANGECANBUSISRECOGNIZEDTOBEONEOFTHEMOSTDEVELOPMENTALFIELDBUSINTHEWORLDANDISBECOMINGTHELEADERPATTERNWITHTHEFEATURESOFHIGHRELIABILITY,LOWCOST，EASYREALIZATION，THOROUGHTRANSPARENCYPROTOCOL,STRONGEXPANSIBILITYANDFLEXIBILITYOFSYSTEMSETTINGUP,ITHASOCCUPIEDTHELEADINGPOSITIONINTHEMARKETANDISWIDELYUSEDINAUTOMOTIVEELECTRONINDUSTRYCONTROL，ANDINTELLECTUALIZEDCOMMUNITYANDSOONCANINTERFACECANBEUSEDTOTHECANBUSTORECEIVE/SENDDATATOMONITORANDCONTROLTHECANINTELLIGENTNODEICANSERIESOFMODULESACCORDINGWITHCAN20BPROTOCOLNORMPOSSESSCANBUSCOMMUNICATIONINTERFACEICANFUNCTIONMODULEISUSEDINTHEDCS/SCADABASEDONCANBUS,COLLECTINGTHESIGNALOFINDUSTRIALSCENEANDSENDINGITTOTHEHOSTORREMOTECONTROLEQUIPMENTTOACHIEVETHEFUNCTIONOFSENDINGANDRECEIVINGDATATHROUGHTHEICANEXPERIMENTALTEACHINGPLATFORM，THEPAPERANALYSESTHESTRUCTUREOFTHECANBUSNETWORKOFSCENEANDTHECOMMUNICATIONPROTOCOLTHENACCORDINGTOTHEREQUIRINGOFTHESYSTEMDESIGN,THEAUTHORCONSTITUTEDTHECOMMUNICATIONPROTOCOLOFCANBUSWHICHISBASEDONCAN20BORIENTEDAPPLICATIONLAYERASTANDARDFRAMEFORMATBASINGONTHEICANEXPERIMENTALTEACHINGPLATFORM,THEPAPERANALYSESTHEDATACOMMUNICATIONEXPERIMENTTHATTHEDATAOFSINGLENODETOSENDANDRECEIVEBYITSELFANDTHETWOSIDESTOSENDANDRECEIVE,ANDACHIEVEDTHEIRCOMMUNICATIONFUNCTIONSINORDERTOMAKECANSYSTEMBETTERUSEDFORTHECUSTOMERSANDTHETECHNICALSTAFFANDENHANCEITSAVAILABILITY,THEAUTHORCHOOSESDIGITALANDANALOGINPUTANDOUTPUTMODULEANDSEESTHEPCASTHEMAINNODE,ANDTHENEMPOLDERSTHECONTROLPROCEDURESBASEDONVCWHICHISBETTERINHUMANCOMPUTERINTERACTIONCAPABILITY,MORECONVENIENCETOMONITORANDCONTROLTHEBOTTOMEQUIPMENTSINSHORT,THEICANFIELDBUSNETWORKINTHISPAPEROWNSAFULLYFUNCTIONALCONTROLNETWORK,STRONGEXPANSIONACCORDINGTOTHEACTUALLYFUNCTIONNEEDTOCHOOSETHECORRESPONDINGIMPLEMENTATIONOFDEVICESTOCARRYOUTEXPANSION,STRONGCOMPATIBILITY,HIGHREALTIME,STRONGANTIINTERFERENCECAPABILITYANDFLEXIBLECOMMUNICATIONSTHENETWORKISSUITABLEFORBOTHDATAACQUISITIONANDCONTROLSITUATION,ASARESULT,THEDISTRIBUTEDCONTROLNETWORKWITHMULTIMASTENODESANDMULTISLAVENODESCANBEEASILYREALIZEDKEYWORDSCANBUSREMOTESUPERVISEANDCONTROLPCNODEPROCEDURESCOMMUNICATIONPROTOCOLICANMODULE目录第1章绪论111课题背景112现场总线控制系统的特点2121现场总线技术特点2122现场总线的几种类型213CAN总线历史的发展及国内外的现状414本文研究的主要内容和意义6第2章CAN局域网技术及其规范821CAN总线的特点及与其它总线的比较822CAN技术规范9221CAN的基本概念9222CAN的报文传送与通信帧结构10223位定时与同步13224CAN报文滤波技术15225CAN通信错误及处理1523通信协议的编制17231CAN20B协议17232应用层通信协议18233自定义应用层协议19第3章基于CAN监控系统的整体设计2131监控网络的结构21311远程监控系统的层次结构21312远程监控系统的监控模式2132远程监控中的器件介绍22321USBCANII/I智能CAN接口卡22322CANBUS总线24323模拟量输出模块ICAN440025324数字量输入输出模块25325执行器件的介绍28326以太网的介绍2933CAN协议控制器和收发器的研究30331SJA1000基本结构和原理30332CAN收发器PHILIPSPCA82C25130333CAN网络抗干扰性设计3134搭建远程监视控制网络31331如何搭建ICAN网络31332网络拓扑的结构31第4章上位机程序的编制3441PC机与CAN总线适配卡DS89C420的通信编程34411通信方式34412PCICAN卡接口库函数3442编制基于MFC上位机控制程序35421界面框架设计36422界面程序设计37423模块对话框的界面设计4343模块对话框的调用问题46431模态对话框和非模态对话框的区别46432非模态模块对话框的调用4744MFC编程总结48结论51致谢53参考文献54附录56第1章绪论本课题是基于计算机网络技术的普及和人们对控制（精度和规模）要求的不断提高的背景下，提出利用国际标准的CAN现场总线来实现数据和信息的发送/接收。CAN现场总线以其可靠性高、实时性好、同时又具有价格低、容易实现的优点，逐渐被广泛用于工业控制等方面。在本章中介绍了课题研究的背景，以及CAN局域网控制器的发展历史及其状况，最后阐述课题研究的目的和意义。11课题背景随着计算机网络技术和芯片技术的发展，控制芯片的性能大幅度地提高，成本不断地降低，网络几乎深入到我们生活的每一个角落，以现场总线为代表的控制网络也在工业以及其他的控制领域中发挥着越来越重要的作用。同时随着工业规模的扩大，人们对控制系统的信息要求不断提高，工业控制系统的信息集成程度也越来越高。在人工控制阶段，谈不上信息的集成模拟控制阶段，虽然出现了集中控制室，模拟量信号的“先天”不足决定了系统的信息集成无法满足信息量、速度和精度等方面的要求集中式数字控制阶段，信息的集成程度进一步提高，不但能把一组仪表的信息集成到一起，对于有些小系统甚至能把整个系统的测控信息集中到一起，为信息的综合、改变控制方案、实现最优控制提供了有效的途径，不过，这时的信息还只能是测控信息，与管理有关的信息很少集散式控制系统实现了测控、管理信息的集成，但集成的程度仍然有限，没能实现通信的全数字化，影响了信息的交换基于网络的现场总线控制系统为信息的进一步集成提供了有效的技术保证。现场总线是应用在制造或过程区域现场装置与控制室内自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。它也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。以现场总线为核心的工业控制系统，称为现场总线控制系统FCSFIELDBUSCONTROLSYSTEM。在工业控制系统中，以现场总线作为纽带，将挂接在总线上的网络节点组成自动化系统，各种现场智能设备分别作为一个网络节点，通过现场总线实现节点之间、现场节点与过程控制管理层之间的信息传递与沟通，并实现各种复杂的综合自动化功能。21世纪，现场总线控制系统将成为控制领域的主流，CAN总线由于具有高可靠性，成本低，容易实现等优点在现场总线的工程应用中占了很大的比重。CAN广泛应用于汽车电子，工业监控，楼宇智能控制等方面，且极有发展的前景。12现场总线控制系统的特点现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式，在传统模拟控制系统中采用一对一的设备连线，按控制回路分别进行连接，位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现场的执行器、开关、马达之间均一对一的物理连接而在FCS中，由于通信能力的提高，现场总线系统可以将它们简单地串行连接在一起。现场总线控制系统的全分布特点为系统的大量信息集成提供了基础，全数字、全开放、互操作性使用户可按自己的需要和考虑将不同品牌的产品组成大小随意的系统。121现场总线技术特点（1）系统的开放性开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。一个开放系统，它可以与任何遵守相同标准的其他设备或系统相连。（2）互可操作性与互用性互可操作性是指实现互连设备间、系统间的信息传达与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。互用性则是意味着不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。（3）现场设备的智能化和功能自治性它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。（4）系统结构的高度分散性由于现场设备本身己经可以完成自动控制的基本功能，使得现场总线己构成一种新的全分布式控制的体系结构。这从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制体系，简化了系统结构，提高了可靠性。（5）对现场环境的适应性工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆，射频、红外线、电力线等。具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足安全防爆要求等。122现场总线的几种类型现场总线技术起源于欧洲，目前以欧美地区最为发达。据统计，世界上出现过近200种总线。经过十余年的发展、竞争和完善，目前有生命力的总线有十多种，下面是几种典型的现场总线（1）基金会现场总线FFFF是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。FF是符合IEC现场总线国际标准。它以ISOOSI开放系统互联模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层增加了用户层。FF开发的现场总线产品在品种与性能上都满足过程控制的要求，而且使用方便，HL低速现场总线技术，HL3125KBPS已经完成，HZ高速现场总线技术，HZIMBPS25MBPS正在开发之中。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。（2）LONWORKS由美国ECHELON公司和摩托罗拉，东芝公司创建。采用ISOOSI模型的七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，通信速率从300BPS到15MBPS不等。直接通信距离可达2700米支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线，电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。它适用各种不同的应用领域，据称到1996年己有2600家用户和厂家，遍及56个国家和地区，广泛应用于航空、航天、楼宇自动化、能源管理、工厂自动化、农业控制、家庭自动化等领域，在其销售额中，40用于工业控制，30用于楼宇自动化，30用于其它自控领域。（3）PROFIBUSPROFIBUS是德国国家标准DIN19254及欧洲标准EN50170，由PROFIBUSDP，PROFIBUSFMS，PROFIBUSPA组成。DP用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。FMS意为现场信息规范，适用于纺织、楼宇自动化等。PA适用于过程自动化的总线类型。后来，PROFIBUS与以太网相结合，提出了PROFINET解决方案，并逐渐取代了PROFIBUSFMS位置。PROFIBUS采用了OSI模型的物理层、数据链路层，FMS还采用了应用层，传输速率为96BPS12MBPS，传输介质是双绞线或光缆。最多可挂接127个节点。（4）CANCONTROLAREANETWORK是控制器局域网的简称。由德国BOSOH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信，它广泛用于离散控制领域。CAN协议也是建立在ISOOSI模型基础上。模型结构只有两层，即只取OSI底层的物理层和数据链路层。传输介质为双绞线。通信速率可达1MBPS/40M。可挂接110个设备。CAN总线采用短帧结构，抗干扰能力强，支持多主通信和优先级通信，并采用非破坏性总线仲裁技术。（5）DEVICENET即设备网。DEVICENET总线技术是在CAN技术上发展起来的，是一种低成本的设备网络技术。DEVICENET在CAN的物理层和数据链路层的基础上又定义了应用层，收发器和传输介质使得在通信方面更完善，并为上层的应用提供了更完善的接口。13CAN总线历史的发展及国内外的现状1CAN的历史发展1983年初，UWEKIENCKE开始研究一种新的串行总线。芯总线的主要方向是增加新的功能，减少电器连接线。使其能用于产品而非驱动技术。来自德国的MERCEDESBENZ的工程师较早制定了总线的状态说明。INTEL也准备作为半导体生产的主要产商。当时来自德国的一名大学教授WOLFHARDLAWRENZ博士，他给出了新网络方案的名字“CONTROLLERAREANETWORK”,简称CAN。1986年2月，ROBERTBOSCH公司在SAE（汽车工程协会）大会上介绍了一种新型的串行总线CAN，都是CAN诞生的时刻。今天，在欧洲几乎每一辆新型轿车均装配有CAN总线。同样，CAN现场总线也应用到别的交通工具，从火车到轮船，从车间工业监控到大型楼宇的智能控制。CAN已经成为全球范围内最重要的总线之一，甚至领导着串行总线。在1999年，接近6000万个CAN控制器投入应用。2000年，CAN器件的市场销售额超过1亿个。这种多主网络方案基于非破坏性的仲裁机制，能够确保高优先级报文的无延迟传输，并且，不需要在总线上设置主控制器。此外，BOSCH公司已经实现数种在CAN中的的错误检测机制。该错误检测也包括自动断开故障节点功能，以确保能继续进行剩余节点之间的通信。传输的报文并非根据报文发送器/接收器的节点地址识别（几乎其他的总线都是如此），而是根据报文的内容识别。同时，用于识别报文的标识符也规定了该报文在系统中的优先级。1987年中期，INTEL比计划提前两个月交付了首枚CAN控制器82526，这是CAN方案首次通过硬件实现。不久之后，PHILIPS半导体公司推出了82C200这两枚最先的CAN控制器在验收滤波和报文控制方面有许多不同。一方面，由INTEL主推的FULLCAN比由PHILIPS主推的BASICCAN占用较少的CPU载荷；另一方面，FULLCAN器件所能接收的报文数目相对受到限制，BASICCAN控制器仅需较少的硅晶体。在今天的CAN控制器中，同一模块中验收滤波和报文控制方面仍有相当的不同，制造出BASICCAN和FULLCAN两大阵营。起先研究CAN是应用于客车系统的。但它的第一市场却应用到别的领域。比如荷兰的电梯厂商使用了CAN总线，瑞士将CAN应用到纺织机械当中并提供了通信协议。到了1989年，他们已经研究出了通信的原理，并在1990年建立“CANKINGDOM”开发环境。荷兰的PHILIPS医疗系统决定使用CAN构成X光机的内部网络。1990年，开始建立一个用户组织，将不同的解决方案标准化。1992年，讨论建立一个促进CAN技术发展的中心平台，同时针对串行总线市场进行分析。1992年五月，CIACANINAUTOMATION用户集团正式成立。并推荐使用循环ISO11898的CAN收发器。CIA的首批任务是规定CAN的应用层。在制定CAN的应用规范时，CIA用于专家和学习者之间的交流。2CAN应用领域及前景展望由于其性能稳定、抗干扰性强、成本低等特点，其主要应用领域包括大型仪器设备，传感器技术，数据采集系统和工业现场监控系统等。目前，支持CAN协议的有INTEL、PHILIPS、SIEMENS、NEC等百家国际知名大公司。CAN总线的研究还在不断的深化和扩大，它的前景十分广阔。在工业控制系统中，CAN总线在完成现场的智能仪器仪表、控制器、执行器等底层设备间的数据通信方面正发挥着巨大的作用；CAN总线已经成功应用到数控机床、温室控制系统、储粮水分控制系统、中央空调控制系统，以及温度、压力等非电量的测量，检测系统等广阔领域。CAN网络上任一节点均可作为主节点和其他节点交换数据。给用户的系统化设计和实现智能控制提供了极大的方便，可以大大提高系统的灵活性。CAN网络节点的信息真可以分出优先级，这为实时用户提供了方便。大型仪器设备是一种按照一定的步骤对多种信息进行采集、处理、控制、输出等操作的复杂系统。CAN总线可以很好的实现。以医疗器械为例，在CT中各种复杂的功能单元，如X光发生器、X光接收器、扫描控制单元、旋转控制单元、水平垂直运动控制单元、操作台、显示器和中央计算机等，它们之间需要进行大量数据的交换，为保证可靠的工作，对数据通信有一定的要求。比如功能模块之间随意进行数据的交换，通信能以广播的形式进行，简单经济的硬件接口，强的抗干扰性，可靠性高，能自动进行故障的识别和恢复等。CAN技术的出现才提供了一个好的解决方案。CAN协议已有20多年的历史，但仍处于不断改进之中，2000年时有数家公司联合定义一种时间触发的CAN报文传输协议（TTCAN）。因为CAN协议并未改变，所以在同一物理层上，既可以实现传输时间触发的报文，也可以实现传输时间触发的报文。近几年来，美国和远东的汽车厂商将会在他们所生产的汽车串行部件上使用CAN总线技术。同时，不仅应用于汽车，还应用于家庭的消费，结合高层协议的保安系统对CAN的需求也在不断的增加。以微处理器芯片为基础的智能仪表，为现场总线的数字化以及实现复杂的应用提供条件。但是由于通信标准的不统一，严重束缚工厂底层网络的发展。所以不管用户还是制造商都希望统一标准，组成开放的互联网络，把不同厂商生产的自动化设备互连为系统。基于CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN和其它总线相比，具有较高的可靠性和性价比。其总线规范已经成为国际标准，被公认为现场总线中最具有希望的总线技术之一。目前，CAN接口芯片的生产厂家众多，协议开放，价格低廉，使用简单，正因为有如此多的优势，可以预见，CAN总线将成为今后众多领域的发展方向。为进一步满足应用的需要，完善组网设计和功能管理，CAN还有很多理论和技术方面的问题有待解决。随着通信行业的发展，CAN这种有线的通信网络也将和无线技术结合，开拓其新的应用天地。CDMAGPRS蓝牙技术的发展以将它们联系在一起。CDMAGPRS蓝牙技术是一种无线技术规范，设计的宗旨是以无线方式传播数据，使其不需电缆便可以可别的设备进行通讯，随着无线技术的发展和应用到CAN中深度的加强，CAN将无处不在。14本文研究的主要内容和意义数据采集与监视控制（SCADA）系统，是以计算机为基础的生产过程监控与调度自动化系统。SCADA系统的监控中心和远动终端（RTU）需要进行数据传输和信息交换，CAN总线作为国际标准现场总线之一，由于具有可靠性高、成本低、容易实现、协议完全透明、可扩展性强、组建系统非常灵活等优点，在现场总线的实际工程应用中占据了较大的份额。CAN总线已经广泛应用于汽车电子、工业控制、小区智能监控等领域。利用CAN接口可以向CAN总线接收/发送数据，实现对CAN智能节点的监测与控制。本文研究的主要对象是ICAN实验教学平台，利用上面的器件进行数据的发送和接收，可以实现单节点数据自发自收和双方数据收发的通信实验；同时介绍了CAN局域网控制器的技术与规范，使得读者对CAN局域网控制器的深层内在机理有一定的了解，也为深入地了解和运用CAN打下基础，并在此基础上制定了应用层的通信协议，采用标准帧格式；然后对CAN局域网控制器的核心部件SJA1000和收发器进行研究。CAN多在现场使用，数据传递到现场PC机，将该CAN网络通过CAN适配卡接入以太网，再通过网络向控制中心发送数据，来实现远程的监视与控制。最后利用基于对话框的VC编制上位机软件程序，实现对远程执行机构的各种监测与控制。由于CAN总线的其性能稳定、抗干扰性强、实时性强、成本低和线路连接简单等，很适合于底层现场的控制环节。在各种智能控制方面有非常广阔的应用前景。本论文设计中就是搭建这种控制网络来实现对各种执行器件的控制功能。为方便读者阅读，将本论文的写作思路展示如图11所示。论题提出与研究需求网络普及，芯片低成本控制要求的不断提高CAN总线CAN规范帧结构仲裁位定时位同步应用层协议搭建控制网络上位机编程总结与展望图11论文写作思路第2章CAN局域网技术及其规范CAN（CONTROLLERAREANETWORK）总线最早由德国BOSCH公司提出，主要用于汽车内部测量与控制中心之间的数据通信。CAN以其高可靠性、实时性、灵活性、低成本和便于组建网络等良好的性能，在世界范围内广泛应用于其他领域当中，如工业自动化、汽车电子、楼宇建筑、电梯网络、电力通讯和安防消防等诸多领域，并取逐渐成为这些行业的主要通讯手段。并且已经形成了国际标准，是被认为最有发展前景的总线之一。CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的通信网络，可以用点对点，一点对多点和全局广播等几种方式传输数据。CAN总线直接传输距离最远可达10KM（传输速率为5KB/S），传输速率最高可达1MB/S对应的传输距离为40M。理论上CAN总线上节点的数量是不受限制的，但实际中最多可以挂靠110各节点。CAN总线的突出特点通信方式灵活；CAN网络上的节点信息分为不同的优先级，可满足不同的实时性要求；CAN采用非破坏性仲裁技术；滤波技术；CAN通信采用短帧格式；CAN总线在错误严重的情况下可以自动关闭输出。21CAN总线的特点及与其它总线的比较1现场总线CANBUS的特点（1）国际标准的工业级现场总线，传输可靠，实时性高；（2）传输距离远（最远10KM），传输速率快（最高1MBPS）；（3）单条总线最多可接110个节点，并可方便的扩充节点数；（4）总线上各节点的地位平等，不分主从，突发数据可实时传输；（5）非破坏总线仲裁技术，可多节点同时向总线发数据，总线利用率高；（6）出错的CAN节点会自动关闭并切断和总线的联系，不影响总线的通讯；（7）报文为短帧结构并有硬件CRC校验，受干扰概率小，数据出错率极低；（8）对未成功发送的报文，硬件有自动发功能，传输可靠性很高；（9）具有硬件地址滤波功能，可简化软件的协议编制；（10）通讯介质可用普通的双绞线、同轴电缆或光纤等,同时CANBUS总线系统结构简单，性价比极高。2CAN总线和其它总线的比较（1）与LONWORKS总线的比较LONWORKS总线成本比较昂贵，虽然兼容TCP/IP协议，但是并不能取代上层局域网直接挂接到INTERNET上。另外，它的仲裁方式决定了它会因数据的无限重发而导致网络的瘫痪，这使得LONWORKS总线与CAN相比，优势并不明显。（2）与PROFIBUS总线的比较PROFIBUS总线的缺点主要有两个方面。首先，由于传送令牌时需占用一定的带宽，因此带宽的利用率较低；其次，PROFIBUS总线的参数不容易设定，在网络启动和增加删除节点时需要进行逻辑环重构。本系统之所以选择CAN总线的原因CAN总线具有许多优良的传输特性和仲裁机制，支持多主站方式，数据传输的可靠性高，成本低廉。现场总线的多样性，为总线设备的用户提供了更多产品选择的同时，也为总线用户带来了总线设备间兼容性的问题。现在许多设备带有PROFIBUS总线接口，但是有些设备，特别是自主开发的设备没有PROFIBUS接口，为了实现所有设备的优势互补，所以本系统采用CAN现场总线。22CAN技术规范随着CAN应用领域的扩大，在应用中对通信格式的标准化提出了要求。原先的地址范围由11个标识符定义，如果将地址范围扩大，则这些应用就可以更好地由CAN实现。1991年PHILIPS半导体公司制定并发布了CAN技术规范（20版本），该技术规范包括A和B两种格式。1993年ISO正式颁布了道路交通工具数据信息交换高速通讯控制器局域网（CAN）的国际标准ISO11898，为控制器局域网的标准化和规范化铺平了道路。由于引入扩展格式的规范，其定义的地址范围更宽，由29位组成定义，系统设计者将从考虑定义良好的结构命名方案中得到解放。为区分标准格式和扩展格式，使用了CAN报文格式的第一个保留位。CAN12定义的信息格式相当于标准格式，是有效的。此外，由于定义了扩展格式，网络中会共存标准格式和扩展格式的报文。同时，只要没有用到扩展格式，那么，根据A部分或CAN旧版本设计的仪器就可以与根据B部分设计的仪器相互间进行通信。221CAN的基本概念（1）报文总线上的信息以不同的固定报文格式发送，但长度受限。当总线空闲时，任何连接的单元都可以开始发送新的报文。（2）信息路由系统灵活性不用改变各节点的应用层及相关的软硬件，就可以在CAN网络中添加新的节点。报文路由报文的内容由标识符命名。网络中的节点通过报文滤波来确定是否对该数据做出反应。多播由于引入了报文滤波的概念，任何数目的节点都可以接收报文，并同时对该报文做出反应。数据连贯性在CAN网络中，可以确保报文同时被所有的节点接收（或同时不被接收）。（3）位速率不同的系统中，CAN的速度不同。在给定的系统中，位速率是唯一和固定的。（4）优先权在总线访问期间，标识符定义了报文发送的优先权。（5）远程数据请求通过发送远程帧，需要数据的节点可以请求另一节点发送相应的数据帧。数据帧和远程帧有相应的标识符命名（ID）。（6）多主机总线空闲时，任何单元可以开始发送报文。具有较高优先权报文的单元可以优先获得总线的访问权。（7）仲裁只要总线空闲，任何单元都可以开始发送报文。如果两个及以上的单元同时开始传送报文，就会发生总线的访问冲突。通过对识别符进行逐位仲裁可以解决该问题。仲裁机制确保信息和时间均不会损失。当具有相同标识符的数据帧和远程帧同时初始化时，数据帧优先于远程帧。在仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较，如果电平相同，则继续发送和接收。如果发送的是“隐性”电平，而总线上检测到的是“显性”，那么该单元失去了仲裁，必须退出发送状态。（8）安全性为获得最安全的数据发送，CAN的每一个节点均采用了强有力的措施来进行错误检测、错误标定和错误自检。222CAN的报文传送与通信帧结构在数据传输中，发出报文的节点称为该报文的发送器，节点在报文进入空闲状态前或丢失仲裁前恒为发送器。如果一个节点不是报文发送器，并且总线不处于空闲状态，则该节点为接收器。CAN协议中使用两种逻辑位表达方式，当总线上的CAN控制器发送的都是隐性位时，此时总线状态是隐性位逻辑1，如果总线上有显性位出现，隐性位总是让位于强位，即总线上是显性位逻辑0。报文传输有4个不同类型的帧数据帧，远程帧，错误帧，过载帧。数据帧和远程帧可以使用标准帧及扩展帧2种格式。（1）数据帧帧间空间数据帧帧间空间或超载帧仲裁域场帧起始控制域数据域CRC域ACK场帧尾图21CAN20A数据帧结构数据帧从发送节点传送数据到一个或多个接收节点。它由七种不同的位域组成帧的起始域，仲裁域，控制域，数据域长度可为08个字节，CRC域，应答域，帧的结束域。CAN20A数据帧的组成如图21所示。仲裁域控制域数据域SOF11标识符RTRIDER0DLC图22CAN20B标准帧数据结构SOF仲裁域控制域数据域11位标识符SRRIDE18位标识符RTRR1R0DLC图23CAN20B扩展帧数据结构在CAN20B中存在两种不同的帧格式，其主要区别在于标识符的长度，具有11位标识符的帧称为标准帧，而包括29位标识符的帧称为扩展帧。CAN20B的报文滤波以整个标识符为基准。标准帧格式和扩展帧格式的数据帧结构如图22所示。数据帧的主要结构有帧起始标注数据帧的起始位，它由单个“显性”位构成，在总线空闲时发送，在总线上会产生同步作用。仲裁场标准格式帧与扩展格式帧的仲裁域格式不同对于CAN20A标准，标识符的长度为11位，这些位以从高位到低位顺序传送。对于CAN20B，在标准格式里，由11位标识符ID28ID18和远程发送请求位RTR组成，RTR位为显性位表示数据帧，隐性位表示远程帧。标识符由高至低次序发送，且前7位ID28D22不能全为隐性位。在标准帧里，标识符其后是RTR位。在扩展帧格式里，仲裁域包括29位标识符、SRR位、IDE位、RTR位。其标识符由ID28ID10组成。在扩展帧里，基本ID首先发送，随后是IDE位和SRR位，扩展ID的发送位于SRR位之后。标识符用于提供关于传送报文和总线访问的优先权信息，其数值越小，表示优先权越高，发生冲突时优先发送。SRR位是一隐性位，它是在扩展帧中标准帧的RTR位的位置被发送，因而替代标准帧的RTR位。当标准帧与扩展帧发生冲突，而扩展帧的基本ID同标准帧的标识符一样时，标准帧优先于扩展帧。控制场标准帧格式的控制域结构和扩展帧格式的不同，在标准帧里有6位构成，前2位为保留位，为显性，后4位为数据长度码DLC，表示数据场中数据的字节数，必须在08范围内变化。数据场由被发送数据组成，数目为控制场中决定的08个字节，首先发送最高有效位MSB。CRC场包括CRC循环冗余码校验序列15位和CRC界定符1个隐性位，用于帧校验。ACK场由应答间隙和应答界定符组成，共两位。帧结束有7位隐性位组成，此期间无位填充。（2）远程帧作为某数据接收器的站，通过发送远程帧可以启动其资源节点传送他们各自的数据。远程帧也有标准帧和扩展帧格式。其RTR位是隐性的。（3）错误帧错误帧有错误标志表和错误界定符组成。接收站在发现总线上的报文出错时，将自动发出“活动错误标志”，它为6个连续的主控位。由于各个接收站发现错误的时间可能不同，总线上的实际错误标志可能由612位主控位所组成。在错误标志后为8个隐性位组成的错误分隔符。每个站发送错误标志后，开始发送隐性电平，并监视总线，在检测到出错条件时，将发送“认可错误标志”，它为6个连续的隐性位。223位定时与同步CAN总线中，位定时有一点小错误将使总线的性能严重下降，所以位定时和位同步的作用不可小觑。（1）位定时与同步的概念CAN总线的数据传输速率最高可达1MBIT/S，通常用石英晶振作为时钟发生器，可以独立进行位定时的参数设置，这样即使网络中节点之间的时钟周期不一样仍可获得相同的位速率。但网络中晶振的频率不是绝对稳定的，温度、电压以及器件的异常都会导致微小的差别，但只要将其稳定在振荡器容差范围之内，总线上的节点会通过重同步进行弥补。CAN总线的一个位时间可以分成四个部分同步段，传播段，相位段缓冲段1和相位缓冲段2，每段的时间份额的数目都是可以编程控制的，而时间份额的大小TQ由系统时钟TSYS和波特率预分频值BRP决定TQBRP/TSYS。位时间的组成部分如图24所示。同步段相位缓冲段1相位缓冲段2位时间传播时间段图24位时间的组成部分同步段用于同步总线上的各个节点,在此段内期望有一个跳变沿出现。如果跳变沿出现在同步段之外，那么沿与同步段之间的长度叫做沿相位误差。采样点位于相位缓冲段1的末尾和相位缓冲段2开始处。传播时间段用于补偿总线上信号传播时间和电子控制设备内部的延迟时间。因此，要实现与位流发送节点的同步，接收节点必须移相。CAN总线非破坏性仲裁规定，发送位流的总线节点必须能够收到同步于位流的CAN总线节点发送的显性位。相位缓冲段和同步跳转宽度规定了重同步发生时采样点在相位缓冲段内移动的距离。相位缓冲段和同步跳转宽度用来补偿振荡器容差，发生重同步时相位缓冲段会被加长或缩短。当总线发生从隐性到显性跳变时，会产生同步，其作用是控制沿与采样点之间的距离。总线节点在每个时间份额都会采样总线，并与前一次采样值进行比较，如果前一次采样值是隐性而当前的采样值是显性，那么总线节点就会发生一次同步。如果跳变沿出现在同步段的前面，沿相位错误就是负的，反之就是正的。位时间各组成部分比较如表21所示。表21位时间各组成部分比较参数范围说明分频值1,2,，32规定时间份额的长度同步段1TQ固定长度，同步总线节点传播时间段1,2,8TQ补偿总线物理延迟时间相位缓冲段11,2,8TQ重同步时可以暂时延长相位缓冲段21,2,8TQ重同步时可以暂时缩短同步跳转宽度1,2,4TQ长度小于相位缓冲段在帧起始时，总线会进行一次硬同步。硬同步后,位时间由每个位定时逻辑单元在同步段之后重新启动，强迫引起硬同步的边沿处于重新启动位时间的同步段内。当引起重同步的沿相位错误幅值小于或等于同步跳转宽度的数值时，重同步导致位时间的延长或缩短，使采样点处于适当的位置。当沿相位误差幅值大于重同步跳转宽度时，如果相位误差为正，相位缓冲段1延长数值等于同步跳转宽度；如果相位误差为负，相位缓冲段2缩短数值等于同步跳转宽度。通过同步，总线可以有效地滤除长度小于传播段与相位缓冲段1长度之和的噪声。但在一个位时间里只允许一种同步发生。除了噪声以外，绝大多数的同步都是由仲裁引起的，总线上的所有节点都要同步于最先开始发送的节点，但是由于总线延迟，节点的同步不可能达到理想的要求。如果最先发送的节点没有赢得总线仲裁，那么所有的接收节点都要重新同步于获得总线仲裁的节点。应答场的情况也是如此，总线上的接收节点都要同步于最先发送显性位的节点。但是当发送节点与接收节点的时钟周期不同并经过多次同步累加起来,振荡器容差会导致同步在仲裁场之后出现。沿相位误差分为为正负两种情况，相位缓冲段可以弥补沿相位误差。如果同步段末端出现了一个隐性到显性的跳变沿，那么相位缓冲段1将加长，使得跳变沿到采样点之间的长度与没有跳变沿出现时同步段到采样点之间的长度相等。由于沿相位误差小于同步跳转宽度，因此重同步补偿了沿相位误差，在下一个正常位时间到来时，显性到隐性的跳变沿就出现在同步段。如果一个隐性到显性的跳变沿出现在相位缓冲段2，因此相位缓冲段2会缩短,并且同步段会被省略,这是因为当节点同步于边沿时，节点无法确定处于相位缓冲段2的同步段的起始位置。由于沿相位误差的幅值小于同步跳转宽度,所以重同步取得的效果与第一种假设情况是一样的。需要注意的是，相位缓冲段只是暂时的被加长或者缩短，在下一个位时间，缓冲段又会恢复预设值。同步可以消除显性噪声的干扰。噪声都是在传播段的末尾开始，长度为传播时间段与相位缓冲段1的和。在第一种假设里，同步跳转宽度大于或者等于噪声跳变沿的相位误差，因此采样点适当移动，采样值为隐性位，消除了噪声。在第二种假设中，同步跳转宽度小于沿相位误差，采样点移动的长度不够，显性值被当作总线的真实值采样。（2）位定时和位同步的作用在CAN总线中,位定时有一点小错误就会导致总线性能严重下降。虽然在许多情况下，位同步会修补由于位定时设置不当而产生的错误，但不能完全避免出错情况，并且在遇到两个或多个CAN节点同时发送的情况时，错误的采样点会使节点启动错误认可标志，使节点不能赢得总线上的任何活动。同步跳转宽度规定了重同步发生时采样点在相位缓冲段内移动的距离。相位缓冲段和同步跳转宽度用来补偿振荡器容差，发生重同步时相位缓冲段被加长或是缩短。如果总线发生从隐性到显性的转换时，会发生同步，它的作用是控制沿和采样点之间的距离。总线节点在每个时间份额都会采样总线，并与前一次采样值进行比较，如果采样值由隐性转换为显性，则总线节点发生同步。假如跳变沿发生在同步段的前面，沿相位误差就是负的，否则为正。在帧起始时，总线进行一次硬同步。位时间由每个位定时逻辑单元在同步段之后重新启动。当引起重同步的沿相位错误幅值小于或等于同步跳转宽度时，重同步导致位时间的改变，使采样点处于适当的位置。当引起重同步的沿相位错误幅值大于同步跳转宽度时，若相位误差为正，相位缓冲段1延长的数值等于同步跳转宽度。若相位误差为负，相位缓冲段2缩短的数值等于同步跳转宽度。同步后可以使得总线有效地滤除长度小于传播时间段与相位缓冲段1长度之和的噪声。在一个位时间里只允许一种同步发生。除了噪声，大多数的同步都是由仲裁引起的。总线上的所有节点都要同步于最先开始发送的节点，但是由于总线的延迟，节点的同步不可能达到理想的要求。若最先发送的节点没有赢得总线仲裁，则所有的接收节点都要重新同步于赢得总线仲裁的节点。但是当发送节点与接收节点的时钟周期不同并经过多次同步同步累加，振荡器的容差会导致同步在仲裁场之后出现。224CAN报文滤波技术CAN总线中，有很多种的数据发送和接收方式，如点对点、一点对多点及全局广播等几种方式。以上几种方式的选择和转换就是通过CAN总线中的报文滤波技术实现得以的。有两种不同的过滤模式可在模式寄存器中选择（1）单滤波器模式。（2）双滤波器模式。225CAN通信错误及处理（1）CAN总线通信错误的原因CAN总线有五种错误类型，以下是错误类型的区别以及产生的原因。位错误某个节点在向总线发送一位数据的同时也在监视总线。当监视到总线位数值与送出的位数值不同时，则在该位时刻检测到一个错误。但也有例外的情况在仲裁场的填充位流期间或应答间隙某节点送出隐性位而检测到显性位时，不视为位错误。送出认可错误标注的发送器，在检测到显位时，不视为位错误。填充错误在应使用位填充方法进行编码的报文中，出现了第六个连续相同的位电平时，将检出一个位填充错误。CRC错误CRC序列是由发送器CRC计算的结果组成的。接收器以与发送器相同的方法计算CRC。如果计算结果与接收到的CRC序列不相同，则检出一个CRC错误。形式错误当固定形式的位场中出现一个或多个非法位时，则检出一个形式错误。应答错误在应答间隙，发送器未检测到显位时，则由它检出一个应答错误。（2）错误的检测与处理如果其中一个站检测到出错条件后，它将发送错误标识进行标定。任何站检出位错误、填