现场总线技术分析

1、2.8 2.8 现场总线技术现场总线技术知识与能力目标知识与能力目标了解现场总线技术的优点了解现场总线技术的优点1 了解典型现场总线方式了解典型现场总线方式2 了解了解CAN总线技术的应用总线技术的应用3任务一任务一 了解现场总线技术的优点了解现场总线技术的优点 现场总线技术现场总线技术是用于解决工业是用于解决工业现场的智能化仪表、控制器、执行机现场的智能化仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。信息传递问题。任务一任务一 了解现场总线技术的优点了解现场总线技术的优点节省硬

2、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性提高系统的准确性与可靠性传感器总线传感器总线设备总线设备总线现场总线现场总线任务二任务二 典型现场总线简介典型现场总线简介现场总线现场总线abc 1. 基金会现场总线 2. LonWorks 3. Profibus 4. CAN 5. HART 任务任务二二 典型典型现场总线简介现场总线简介任务任务三三 CAN总线技术应用总线技术应用 1、CAN总线的起源总线的起源 2、CAN总线的特点总线的特点 3、CAN总线的优势总线的优势 4、CAN总线的基本工作原理总线的基本工作原理 5、CAN总线的数据帧总线的数据帧 6、CAN总线的位

3、仲裁技术总线的位仲裁技术 7、CAN总线的应用实例总线的应用实例 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。 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。1. CAN总线的起源总线的起源CAN总线的起源总线的起源汽车发展的同时也带来了诸多的问题：汽车发展的同时也带来了诸多的问题：（1）汽

4、车电子技术的发展）汽车电子技术的发展汽车上电子装置越来汽车上电子装置越来越多汽车的整体布置空间缩小越多汽车的整体布置空间缩小 （2）传统电器设备多为点到点通信）传统电器设备多为点到点通信导致了庞大导致了庞大的线束的线束 （3）大量的连接器导致可靠性降低。粗大的线束）大量的连接器导致可靠性降低。粗大的线束与汽车中有限的可用空间之间的矛盾越与汽车中有限的可用空间之间的矛盾越 来越尖来越尖锐，电缆的体积、可靠性和重量成为越来越突出锐，电缆的体积、可靠性和重量成为越来越突出的问题，而且也成为汽车轻量化和进一步电子化的问题，而且也成为汽车轻量化和进一步电子化的最大障碍，汽车的制造和安装也变得非常困难。的

5、最大障碍，汽车的制造和安装也变得非常困难。（4）存在冗余的传感器。）存在冗余的传感器。Vo l v o 汽车近三十年来线束增长的情况CAN总线的起源总线的起源于是人们就想通过总线将汽车上的各种电子装置与设备连成一个网络，实现相互之间的信息共享，既减少了线束，又可更好地控制和协调汽车的各个系统，使汽车性能达到最佳。这样CAN总线就顺其自然产生了。CAN总线的起源总线的起源1、实时性、实时性2、所、所传递过程传递过程数据较简单数据较简单（每个帧最多含（每个帧最多含8个字节的数据）个字节的数据）总线长度：总线长度：40m至至1km3、传输速率：、传输速率：最大最大1Mbd(总线长度为总线长度为40m

6、)，5Kbd(总线长总线长度至度至1km)4、节点数：、节点数：最多最多200个个CAN节点节点，每个节点上可连有多个，每个节点上可连有多个传感器和执行元件传感器和执行元件5、传输媒介：、传输媒介：双绞线双绞线6、拓扑结构：总线型、拓扑结构：总线型7、通过多种错误检测机制，保证较高的传输安全性、通过多种错误检测机制，保证较高的传输安全性8、总线访问方式：多主结构、总线访问方式：多主结构/CSMA/CA9、与别的网络不同，、与别的网络不同，CAN-Bus上的工作站没有具体的地址，上的工作站没有具体的地址，而是而是通过标识符确定各自的身份通过标识符确定各自的身份，同时标识符还决定了各，同时标识符还

7、决定了各工作站的优先级工作站的优先级2. CAN总线的总线的特点特点对比下面两张图，就能很清晰的明白采用CAN总线的优势。3. CAN总线的优势总线的优势用线少、重量轻、空间小、接口简单、维修诊断方便等。4. CAN总线的基本工作原理总线的基本工作原理Controller控制器控制器Area局域局域Network网网 CAN CANCAN 是一种世界标准的串行通讯协议，为数据高速公路确定统一的“交通”规则。跟其他总线一样，CAN总线的通信也是通过一种类似于“会议”的机制实现的，只不过会议的过程并不是由一方（节点）主导，而是，每一个会议参加人员都可以自由的提出会议议题（多主通信模式），二者对应关

8、系如下：4. CAN总线的基本工作原理总线的基本工作原理仲裁发言顺序报文会议议题ID参会人员身份节点参会人员局域网会议1、多个控制单元以并联方式经收发器与总线连接。2、每个控制单元都有权向总线发送信息（多主处理器结构）。3、同一时刻只有一个控制单元向总线发送信息。其它的控制单元接收信息，其中一些控制单元对这些数据感兴趣并采用这些数据，而另一些控制单元则可能不理会这些数据。4. CAN总线的基本工作原理总线的基本工作原理4.CAN总线的基本工作原理总线的基本工作原理报文传输格式按功能分可以具体分为以下四种：数据帧（数据帧（Data Frame）：）：数据帧携带数据从发送器至接收器。远程帧（远程帧

9、（Remote Frame）：）：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。错误帧（错误帧（Error Frame）：）：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。过载帧（过载帧（Overload Frame）：）：过载帧用以在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时。5. 帧帧类型类型数据帧由 7 个不同的区域组成：帧起始（Start of Frame）、仲裁区域（Arbitration Field）、控制区域（Control Field）、数据区域（Data Field）、CRC 区域（CRC Field）、应答区域（ACK Field）、帧结尾（End of Frame）

10、。 数据帧数据帧 （1）帧起始它标志数据帧或远程帧的起始，由一个单独的“显性”位组成。只在总线空闲时，才允许节点发送信号。所有节点必须同步于首先开始发送信息的节点的帧起始前沿。数据帧数据帧（2）仲裁区域仲裁区域包括识别符（ID）和远程发送请求位（RTR）。标示符（ID）：标示符的长度为 11 位或 29 位。含有11位标示符的帧称为标准帧（标准帧（CAN2.0A）；含有29位标示符的帧称为扩展帧（扩展帧（CAN2.0B）。 数据帧数据帧标准帧（CAN2.0A）数据帧数据帧数据帧数据帧扩展帧（CAN2.0B） 标准帧与扩展帧的不同还来自于对标识符扩展（IDE）位的使用，当其位于 RTR位之后且为

11、显性时，则报文作为标准帧来发送，而当其位于 RTR 位之前且为隐性时则报文作为扩展帧来发送。 通常为：标准帧的报文总是比扩展帧的报文优先级高。支持扩展帧格式的 CAN 控制器（CAN Controller）同样也能发送和接收标准帧，当仅仅支持标准帧的 CAN 控制器被用在网络上时，则只有标准帧能在整个网络上传送，扩展帧将不能被识别，但是会被当作标准帧处理。 RTR 位：该位在数据帧里必须为“显性”，而在远程帧里必须为“隐性”。数据帧数据帧（3）控制区域控制区域由 6 位组成，包括数据长度代码和两个将来作为扩展用的保留位。所发送的保留位必须为“显性”。接收器接收所有由“显性”和“隐性”组合在一起

12、的位。数据长度代码（DLC）：数据长度代码指示了数据场中字节数量。数据长度代码由4 位构成，数据帧允许数据字节数目范围为 0 到 8。数据帧数据帧数据长度代码DLC确定数据字节的数目数据帧数据帧000181110701106101050010411003010021000100000DLC0DLC1DLC2DLC3DLC数据字节数目（4）数据区域数据区域由数据帧中的发送数据组成。它可以为 08 个字节，每字节包含了 8个位，首先发送最高有效位 。数据帧数据帧（5）CRC 区域CRC 区域包括 CRC 序列（CRC SEQUENCE），其后是 CRC 界定符（CRC DELIMITER）。CRC

13、 序列：由循环冗余码求得的帧检查序列最适用于位数低于 127 位BCH 码的帧。为进行 CRC 计算，被除的多项式系数由无填充位流给定，组成这些位流的成分是：帧起始、仲裁场、控制场、数据场（假如有），而 15 个最低位的系数是 0。数据帧数据帧将此多项式被下面的多项式发生器除（其系数以 2 为模）：X15+X14+X10+X8+X7+X4+X3+1这个多项式除法的余数就是发送到总线上的 CRC 序列（CRC SEQUENCE）。为了实现这个功能，可以使用 15 位的位移寄存器 CRC_RG（14:0）。如果用 NXTBIT 标记指示位流的下一位，它由从帧的起始到数据区域末尾都由无填充的位序列给

14、定。在传送或接收完数据区域的最后一位以后，CRC_RG 包含有 CRC 序列。CRC 序列之后是 CRC 界定符，它包含一个单独的“隐性”位 。数据帧数据帧（6）应答区域应答区域长度为 2 个位，包含应答间隙（ACK SLOT）和应答界定符（ACK DELIMITER）。在应答场里，发送节点发送两个“隐性”位。当接收器正确地接收到有效的报文，接收器就会在应答间隙（ACK SLOT）期间（发送 ACK 信号）向发送器发送一“显性”的位以示应答。数据帧数据帧应答间隙：所有接收到匹配 CRC 序列（CRC SEQUENCE）的节点会在应答间隙（ACK SLOT）期间用一“显性”的位写入发送器的“隐性

15、”位来作出回答。ACK 界定符：ACK 界定符是 ACK 区域的第二个位，并且是一个必须为“隐性”的位。因此，应答间隙（ACK SLOT）被两个“隐性”的位所包围，也就是 CRC 界定符（CRC DELIMITER）和 ACK 界定符（ACK DELIMITER）。数据帧数据帧（7）帧结尾每一个数据帧或远程帧均可由一标志序列界定。这个标志序列由 7 个“隐性”位组成。数据帧数据帧远程帧远程帧标识符格式与数据帧标识符格式基本相同，只是不存在数据区域。并且远程帧的 RTR 位是“隐性”的。因为它没有数据区域，所以数据长度代码的数值是不受制约的（可以标注为容许范围里 0 到 8 的任何数值），此数值

16、对应于数据帧的数据长度代码。 远程帧远程帧 错误帧错误帧由两个不同的区域组成。第一个区域用不同节点提供的错误标志（ERRORFLAG）叠加而成。第二个区域是错误界定符。 有两种形式的错误标志，主动错误标志（Active error flag）和被动错误标志（Passive error flag）。 主动错误标志由 6 个连续的“显性”位组成。被动错误标志由 6 个连续的“隐性”的位组成，错误标志的形式破坏了从帧起始到 CRC 界定符的位填充规则，或者破坏了应答区域的固定形式。所有其他的节点由此检测到错误条件并与此同时开始发送错误标志。错误帧错误帧过载帧过载帧包括两个位域：过载标志和过载界定符。

17、 有三种过载的情况，这三种情况都会引发过载标志的传送：1. 接收器的内部情况（此接收器对于下一数据帧或远程帧需要有一延时）。2. 在间歇的第一和第二字节检测到一个“显性”位。3. 如果 CAN 节点在错误界定符或过载界定符的第 8 位（最后一位）采样到一个显性位，节点会发送一个过载帧（不是错误帧）。错误计数器不会增加。过载帧过载帧5 位仲裁技术位仲裁技术 CAN总线使用的是一种叫做总线使用的是一种叫做“载波监测，多主掌控载波监测，多主掌控/冲冲突避免突避免”的通信模式。的通信模式。 这就允许在总线上的任一设备有一定的机会取得总线这就允许在总线上的任一设备有一定的机会取得总线的控制权来向外发送信

18、息。如果在同一时刻有两个以上的的控制权来向外发送信息。如果在同一时刻有两个以上的设备欲发送信息，就会发生数据冲突，设备欲发送信息，就会发生数据冲突，CAN总线能够实时总线能够实时地检测这些冲突情况并做出相应的仲裁，而使得获得仲裁地检测这些冲突情况并做出相应的仲裁，而使得获得仲裁的信息帧不受任何损坏的继续传送。的信息帧不受任何损坏的继续传送。5 位仲裁技术位仲裁技术 CAN总线当总线空闲时呈隐性电平，此时任何一个节总线当总线空闲时呈隐性电平，此时任何一个节点都可以向总线发送一个显性电平作为一个帧的开始。如点都可以向总线发送一个显性电平作为一个帧的开始。如果有两个或两个以上的节点同时发送，就会产生竞争。果有两个或两个以上的节点同时发送，就会产生竞争。 CAN做了改进，是按做了改进，是按位位对标识符进行仲裁。各发送节对标识符进行仲裁。各发送节点在向总线发送电平的同时，也对总线上的电平进行读取，点在向总线发送电平的同时，也对总线上的电平进行读取，并与自身发送的电平进行比较，如果电平相同则继续发送并与自身发送的电平进行比较，如果电平相同则继续发送下一位，不同则停止发送，退出总线竞争。剩余的节点则下一位，不同则停止发送，退出总线竞争。剩余的节点则继续