计网(城轨供电)第6讲现场总线技术

1、n概述nCAN 总线第第6 6讲讲 现场总线技术现场总线技术 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。业信息系统。 现场总线现场总线

2、(fieldbus)(fieldbus)就是顺应这一形势发展起就是顺应这一形势发展起来的新技术。来的新技术。6.1 概述n 现场总线技术是将专用的处理器植入传统的各种电气设备，使他们各自具有了数字计算能力与通信能力。n 采用简单的物理总线，把多个设备连接成为网络系统，并按照规范的通信协议，实现信息的交换。分布式控制系统（分布式控制系统（DCSDCS）I/O4-20 mAAnalyzerPLC4-20 mA控制站控制站操作站操作站LAN基于现场总线的分布式控制系统（基于现场总线的分布式控制系统（FCSFCS）FCS 对于 DCS的改进 FCS的信号传输实现了全数字化 FCS的系统结构是全分散式，

3、它废弃了DCS的输入输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之 FCS的现场设备具有互操作性 FCS的通信网络为开放式互连网络，既可同层网络互连，也可与不同层网络互连，用户可极方便地共享网络数据库 FCS的技术和标准实现了全开放，无专利许可要求，可供任何人使用 现场总线的定义现场总线的定义根据根据IEC的标准定义的标准定义：“安装在制造和过程区域的安装在制造和过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、双向串行传输、多线通信的数据总线称为现式、双向串行传输、多线通信的数据总线称为现场总线。场总线。目前国际上是目前国际上是多种多种现场总线

4、现场总线并存并存，IECIEC现场总线标准现场总线标准(IEC(IEC6 61158)1158)是迄今为止制定时间最长、投票次数最多、意见分歧最大的国际是迄今为止制定时间最长、投票次数最多、意见分歧最大的国际标准之一。标准之一。IECIEC于于20002000年年1 1月月4 4日公布投票结果。日公布投票结果。 IEC61158IEC61158采用以下采用以下8 8种种现场总线：现场总线：类型类型1 1：IEC61158IEC61158技术报告技术报告 ( (即即FF H1)FF H1)类型类型2 2：ControlNet (ControlNet (美国美国Rockwell)Rockwell)

5、类型类型3 3：PROFIBUS (PROFIBUS (德国德国Siemens)Siemens)类型类型4 4：P-NET (P-NET (丹麦丹麦Process Data)Process Data)类型类型5 5：FF (FF (美国美国Fisher-Rosemount)Fisher-Rosemount)类型类型6 6：Swift Net (Swift Net (美国美国Boyin)Boyin)类型类型7 7：World FIP (World FIP (法国法国Alston)Alston)类型类型8 8：Interbus (Interbus (德国德国Phoenix Contact)Phoe

6、nix Contact)注：注：IECIEC现场总线标准的现场总线标准的8 8种类型都是平等的，并要求类型种类型都是平等的，并要求类型2 28 8对对类型类型1 1提供接口，但不要求类型提供接口，但不要求类型2 28 8之间提供接口。之间提供接口。制定一个统一的现场总线一直没能实现的原因：制定一个统一的现场总线一直没能实现的原因： 每种总线的产生都有其一定的应用背景，如每种总线的产生都有其一定的应用背景，如Profibus在制造业，在制造业，WorldFIP、FF在过程控制行业，在过程控制行业，P_Net在农业自动化领域。在农业自动化领域。 每种总线都有一个或多个大公司，且多是大型跨国公司为背

7、景。每种总线都有一个或多个大公司，且多是大型跨国公司为背景。如如WordFIP主要由主要由Alstom公司支持，公司支持，Profibus以以Siemens公司公司为主要支持，为主要支持，ControlNet则以则以Rockwell公司为主要背景。公司为主要背景。 每种总线都力图开发其应用领域，以扩张其势力范围。每种总线都力图开发其应用领域，以扩张其势力范围。 每种总线大多将自己作为国家或者地区标准，以加强自己的竞每种总线大多将自己作为国家或者地区标准，以加强自己的竞争地位，如争地位，如P-Net以成为丹麦标准，以成为丹麦标准，Profibus已成为德国标准，已成为德国标准，WorldFIP已

8、成为法国标准。已成为法国标准。现场总线的原理和发展概况 现场总线的协议 现场总线一般采用国际标准组织ISO的开放系统互联（OSI）协议，OSI协议是为计算机联网而制定的7层参考模型，只要网络中所有要处理的要素都是通过共同的路径进行通信的，那么不管它是不是计算机网络都可以使用该协议 各厂家在实际制定自己的通信协议时，往往依据侧重点的不同，仅实现该7层协议的子集 现场总线系统组成 从物理结构来看，现场总线系统有两个主要组成部分：现场设备和传输介质，其中现场设备由现场微处理芯片及外围电路构成，传输介质可以使用双绞线、同轴电缆、光纤等 现场总线的拓扑结构有很多种，如总线型、环型、树型、星型等 现场总线

9、主要的优点： 节省硬件数量与投资 节省安装费用 节省维护开销 用户具有高度的系统集成主动权6.2 CAN总线总线n 现代社会对汽车的要求不断提高，这些要求包括：极高的主动安全性和被动安全性；乘坐的舒适性；驾驶与使用的便捷和人性化；尤其是低排放和低油耗的要求等。n 在汽车设计中运用微处理器及其电控技术是满足这些要求的最好方法，而且已经得到了广泛的运用。目前这些系统有：ABS（防抱系统）、EBD（制动力分配系统）、EMS（发动机管理系统）、多功能数字化仪表、主动悬架、导航系统、电子防盗系统、自动空调和自动CD 机等。6.2. 1 CAN的发展概况n 这些系统由多个电控单元相互连接而成，可分为控制器

10、、传感器、执行器等。同时各个系统之间也互相连接，进行着越来越多的数据交换。这样就需要使用大量的线束和插接器来实现互连，进行它们之间的数据交换。随着汽车电子技术的不断发展，这种需求的增长是惊人的（如图）。n 由于线束和插接器的数量不断增加，整车电子系统的复杂程度愈来愈高，其可靠性将难以保证，故障率会提高，维修会更加困难。n 为了满足汽车内部信息交换量急剧增加的要求，有必要使用一种实现多路传输方式的车载网络系统。这种网络系统采用串行总线结构，通过总线信道共享，减少线束的数量。 n 车载网络除了要求采用总线拓扑结构方式外，必须具有极好的抗干扰能力；极强的差错检测和处理能力；满足信息传输实时性要求；同

11、时具备故障的诊断和处理能力等。另外考虑到成本因素，要求其控制接口结构简单，易于配置。 n 20世纪80年代，Bosch的工程人员开始研究用于汽车的串行总线系统，因为当时还没有一个网络协议能完全满足汽车工程的要求。参加研究的还有Mercedes-Benz公司、Intel公司，还有德国两所大学的教授。n 1986年， Bosch在SAE（汽车工程人员协会）大会上提出了CANn 1987年，INTEL就推出了第一片CAN控制芯片82526；随后Philips半导体推出了82C200。n 1993年，CAN的国际标准ISO11898公布n从此CAN 协议被广泛的用于各类自动化控制领域。 n 1992年

12、，CIA（CAN in Automation）用户组织成立，之后制定了第一个CAN应用层“CAL”。n 1994年开始有了国际CAN学术年会（ICC）。n到今天，几乎每一辆欧洲生产的轿车上都有CAN；高级客车上有两套CAN，通过网关互联；1999年一年就有近6千万个CAN控制器投入使用；2000年销售1亿多CAN的芯片；2001年用在汽车上的CAN节点数目超过1亿个 。n 但是轿车上基于CAN的控制网络至今仍是各大公司自成系统，没有一个统一标准。n 基于CAN的应用层协议应用较通用的有两种：DeviceNet（适合于工厂底层自动化） 和 CANopen（适合于机械控制的嵌入式应用）。6.2.2

13、 CAN的性能特点n有专门的国际标准ISO11898 。n任一节点可在任一时刻主动发送。n报文以标识符分为不同的优先级，可满足不同的实时性要求。优先级最高的报文保证134us内得到传输。n非破坏性总线仲裁技术，大大节省了总线冲突的仲裁时间。n通过对报文滤波可实现点对点、一点对多点和全局广播等多种传送方式。n速率最高可达1Mbps，最远可达10kmn节点数可达110个6.2. 2 CAN的性能特点n 短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，适于工业环境n每帧信息都采用CRC校验及其他检错措施，数据出错率极低。n 通信介质选择灵活（双绞线、同轴电缆或光纤）n错误严重情况下自动关闭输出，保证不影响总线上

14、其他节点通信。n性价比高，器件容易购置，节点价格低。n 开发技术容易掌握，能充分利用现有的单片机开发工具。CAN总线上两个节点间的最大距离速率kbps1000500250125100距离 m40130270530620速率kbps5020105距离 m130033006700100006.2. 3 CAN技术规范技术规范n1991年9月BOSCH公司发布了CAN技术规范2.0，该技术规范包括A和B两部分。n2.0A给出了CAN报文的标准格式n2.0B给出了标准的和扩展的两种报文格式n1993年11月ISO正式将它颁布为：道路交通工具-数据信息交换-高速通信控制器局域网标准ISO11898。n2

15、.0B完全兼容2.0A。所以我们介绍2.0B。依据OSI模型的CAN的分层结构 位编码/解码 位定时 同步 驱动器接收器特性逻辑链路子层LLC 接收滤波 超载通知 恢复管理介质访问控制子层MAC 数据包装/解包 帧编码 介质访问管理 错误监测 出错标定 应答 串并转换数据链路层物理层故障界定总线故障管理监控器位数值表示n“显性”位0和“隐性”位1n若总线上有两个以上驱动器同时分别发送“0”和“1”，其结果是总线数值为显性“0” 。 VCAN-H VCAN-L 隐隐性性位位 隐隐性性位位 显显性性位位 典型情况：（逻辑典型情况：（逻辑0）显性 can_h 3.5v, can_L 1.5v（逻辑1

16、）隐性 can_h 2.5v, can_L 2.5v五条基本的通信规则：五条基本的通信规则：1 1）仲裁）仲裁n 当总线开放时任何单元均可开始发送报文，运用非破坏性逐位仲裁规则解决潜在冲突：在标识符（仲裁区）发送期间，每个发送器都监视总线上当前的电平，并与它发送的电平进行比较，如果相等则继续发送，如果发送一个隐性位（1）而检测到的是一个显位（0），那么此节点失去仲裁，立即停止后续位的发送。优先级最高的竞争者将赢得仲裁。标识符的逐位仲裁01Arbi t rati on LostM odul e 1M odul e 2Bus Line显性隐性失去仲裁节点1节点2线上可见n 2）总线访问：采用CSM

17、A， 网络上至少有3个空闲位（隐性位），才开始发送。n3） 出错标注n4） 超载标注五条基本的通信规则续：五条基本的通信规则续：5 5）编码规则）编码规则1位填充：发送器监视发送位流，连续5个相同位便自动插入一个补码位。（错误帧和过载帧以及帧结束标志不执行位填充）2采用不归零（NRZ）编码6.2. 4 报文传送及其帧结构n标准帧标准帧 11位标识符n扩展帧扩展帧 29位标识符n帧类型帧类型 数据帧, 发送数据。 远程帧, 请求数据。 错误帧, 出错时产生。 过载帧, 用于扩展序列。数据帧n由7个不同的位场组成。数据场长度可为0nCAN2.0B存在标准和扩展两种帧格式n为了设计简单，可以对标准格

18、式执行部分扩展，不一定要完全扩展n可以用整个标识符进行报文滤波，也可以把标识符屏蔽一部分进行报文滤波仲裁场控制场数据场CRC场帧间空间帧结束帧起始ACK场帧间空间数据帧数据帧的标准格式和扩展格式n标准格式n扩展格式仲裁场控制场数据场11位标识符SOF 0RTRIDE 0r0DLC仲裁场控制场数据场11位标识符SOF 0RTRIDE 1DLC18位标识符 r1 r0SRRn帧起始（帧起始（SOFSOF）仅由一显位构成。所有站都必须同步于首先发送的那个帧起始前沿。n仲裁场（标准格式）仲裁场（标准格式）由11位标识符ID28 ID18、远程发送请求位RTR组成，其中ID高七位不可全为1（隐性）。n仲

19、裁场（扩展格式）仲裁场（扩展格式）由29位标识符ID28 ID0、SRR位、IDE位、RTR位（远程发送请求）组成nSRR是隐性位，它用于替代标准格式的RTR位。nIDE=1（隐性）代表扩展格式。IDE位在扩展格式中位于仲裁场而在标准格式中位于控制场。数据帧的标准格式和扩展格式n控制场控制场由6个位组成n数据长度码数据长度码DLC3DLC0指示数据场的字节数，08，其他数值不允许使用。n保留位保留位r1和r0必须为0，IDE(标准格式)=0n数据场：数据场：08个字节，8位/字节nCRCCRC场场由15位CRC序列和1位CRC界定符组成。CRC界定符为一隐性位。保留位控制场数据场或CRC场数据

20、长度码仲裁场IDE/r1r0DLC3DLC2DLC1DLC0数据帧的标准格式和扩展格式n应答场应答场为2位，包括应答间隙和应答界定符，不进行位填充。在应答间歇内，发送一个显性位。n帧结束：帧结束：由7个隐位组成，不进行位填充。帧结束ACK场帧间空间 需要数据的节点可以发送远程帧请求另一节点发送相应数据帧。 远程帧的RTR位是隐性的，它没有数据场，所以数据长度码没有意义。远程帧仲裁场控制场CRC场帧间空间帧结束帧起始ACK场帧间空间远程帧错误帧n错误帧由两个不同的场组成，第一个场是不同站提供的错误标志的叠加，第二个场是错误界定符。n检测到错误条件的“错误主动”站发送主动错误标志，这样一来所有其他

21、站都会检测到错误条件并开始发送错误标志。错误标志的重叠错误界定符帧间空间或过载帧错误帧数据帧错误标志过载帧n过载帧包括两个场：过载标志（6个显位及其叠加）和过载界定符（8个隐位）n导致发送过载标志的条件：导致发送过载标志的条件：接收器内部要求延迟下一个数据帧或远程帧，过载标志过载标志的形式与主动错误标志一样n一个站发出过载标志，其他站都将检测到过载条件并发出过载标志。过载标志的重叠过载界定符帧间空间或过载帧过载帧帧结束或错误界定符或过载界定符过载标志帧间空间n对于数据帧或远程帧，无论它前面是什么帧，都用帧间空间来分开；但是对于过载帧或错误帧，没有帧间空间与前面帧分开n间歇场由3个隐位组成。间歇场期间不允许启动发送数据帧或远程帧。n总线空闲周期可为任意长度。此时，总线是开放的，任何站可随时发送。间歇场总线空闲帧帧间空间帧报文滤波n实现点对点，多对多以及全局广播的方式。n单滤波器模式和双滤波器模式nACR 验收代码寄存器 nAMR 验收屏蔽寄存器SJA1000接收标准帧报文的单滤波器配置标识符数据字节12报文滤波工作原理SJA1000接收扩展帧报文的单滤波器配置29位标识符SJA1000接收标准帧报文的双滤波器配置SJA1000接收扩展帧报文的双滤波器配置错误类型和界定n5种错误类型：n位错误：发送器监