基于.工控机的CAN通信应用

1、 PAGE41 / NUMPAGES42基于工控机的CAN通信应用中文摘要 CAN是控制器局域网络(COller Aiea Network，CAN)的简称，是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发了的，并最终成为国际标准(15011898)。是国际上应用最广泛的现场总线之一。 本文正是在己有的对CAN现场总线研究、应用基础上，结合工程机械行业特性，从在起重机分布式控制的角度阐述CAN总线的应用。本文依托于普瑞塞特在起重机行业丰富的从业经验，主要从CAN总线系统结构、CAN的报文与异常处理、工业控制系统的简介以与CAN在起重机控制系统的实例应用几个方面阐述。 本文首先介绍了CAN总

2、线概述，详细介绍了CAN总线系统结构、CAN的报文与异常处理。随后介绍了工业控制系统的简介，最后以一个实际项目中CAN在起重机控制系统的实例应用为例证。关键词:CAN;工控机:报文;总线AbstractCAN (Coniroller Area Network，CAN) is develped by BOSCH，its a worldwidestandard(IS011898)，and it is a poplar bus system as well.UPon the current researeh and imPlementation，this Paper deseribes how to

3、 use the CAN bus in the Industrial Projects.According to the experiences of Beijing PTC company in the crane area，this paper describes the details of the CAN bus implemeniation in CAN bus arehiteeture，message and exception handlings. First，this paper introduces the architeeture of CAN Bus，and then d

4、escribes the three layers and message proeessing. After that introduces what industrial project is，at last this paper uses a crane Project to introduce how to use those technologies in the Project development.KeyWords:CAN;IPC;Message;Bus第一章 引言1.1选题背景 随着计算机硬件、软件技术与集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的

5、一个分支，并取得了巨大进步。由于对系统可靠性和灵活性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为:控制面向多元化，系统面向分散化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。 分散式工业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的。这类系统是以微型机为核心，将SC技术一COMPUTER(计算机技术)、CONTROL(自动控制技术)、COMMUNICATION(通信技术)、CRT(显示技术)和CHANGE(转换技术)紧密结合的产物。它在适应围、可扩展性、可维护性以与抗故障能力等方面，较之分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统都具有明显的优越性。 典型的分散式控制系统由现场设备、接口与计算设备以与通信设备组成

6、。现场总(FieldBus)能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，因而现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域。现场总线的研究与应用己成为工业数据总线领域的热点。尽管目前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的标准，但现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统采用。同时，正由于现场总线的标准尚未统一，也使得现场总线的应用得以不拘一格地发挥，并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据。控制器局部网 CAN(ControflerAreaNetwork)正是在这种背景下应运而生的。 工业控制机是指对工业生产过程与其机电设备、工艺装备进行测量与控制用的计算机简称工控机。随着计算机技术的发展与其应

7、用的普与，工业控制计算机在各行各业的自动化生产中发挥着越来越大的作用。 早期的工控机就是一个质量更好的PC。但是随着时间的推移，工控机架构有了本质上的变化，根据用户使用环境的变化，演变成了现在流行的底板加插卡的架构。这种架构有维护时间少的优点。 随着工控机被大量用于工业现场，基于母板的系统是不灵活的，为了修复或更新系统需要更换整个母板。更换母板需要在母板拿走之前把所有的插卡和电缆都拔掉。这就导致修复或更新时系统停机时间增加，这在工控现场是不可接受的。因此工程师们想到另外一个方法，取消母板架构，而把核心的CPU处理单元做在一插卡上，其它的扩展界面则做在底板上，底板是由一些连接器和无源器件组成的。

8、这种结构使得系统更新和修复简单而且停机时间最少。而插卡之间的通信则通过现场总线，特别是CAN总线系统来解决。CAN总线技术的引入彻底改变了工程机械控制领域的面貌，分布式控制系统完全取代了集中式控制系统，在众多具有CAN功能的控制器、传感器和执行器的支持下，繁琐的现场连线被单一、简洁的现场总线网络所替代，系统设计更加灵活、信号传输质量也大幅提高。 本文正是在已有的对CAN研究、应用基础上，从工控机的角度来阐述CAN在实际工程的应用。本课题依托于工业控制项目经验，希望通过吸收和继承已有的项目应用成果，借鉴国外目前关于CAN的研究和应用，探讨如何更好利用CAN进行工控机的通信应用。1.2主要工作本文

9、在己有的以N研究应用基础上，结合实际项目经验，借鉴国外相关技术和研究成果，进一步探讨工控机中CAN的应用。研究主要围绕以下几点展开:阐述系统总体方案结构的选择与实现。包含CAN总线通信接口适配卡，智能传感器节点以与最小系统节点的架构。2.探讨系统软件设计的方案，包含上位机软件设计以与CAN总线通信接口软件设计。3.阐述底层模块的设计与实现。1.3应用前景 基于CAN总线的分布式过程控制系统，是采用现场总线控制系统(FCS)的特点，把信息处理过程放到现场进行，而通过操作站集中管理。运用CAN总线技术，极大提高了系统的可靠性和实时性，系统开发成本低廉、性能价格比高，测控节点安装维护简单。 从本课题

10、在恶劣现场环境下的运行情况和实验结果来看，能够经受住现场的考验，通信速率高，出错率极低，运行效果良好，体现了CAN总线高性能、高可靠性的优点。具有广阔的应用前景，体现了工业控制领域发展的重要方向，将有效的促进更大围的CAN应用。第2章CAN总线概述2.1 CAN总线简介 CAN起源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控制器局域网，那是CAN诞生的时刻。今天，在欧洲几乎每一辆新客车均装配有以N局域网。同样，CAN也用于其他类型的交通工具，从火车到轮船或者用于工业控制。CAN已经成为全球围最重要的总线之一甚至领导着串行总线。 由于C

11、AN为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。为此，1991年9月 PHILIPSSEMICONDUCTORS规 (Version2.0)。该技术规包括，A和B两部分规版本。2.OA给出了曾在CAN技术规版本1.2中定义的CAN报文格式，而2.0B给出了标准的和扩展的两种报文格式。此后，1993年11月IS0正式颁布了道路交通运载工具一数字信息交换一高速通信控制器局部网(CAN)国际标准(IS011898)，为控制器局部网标准化、规化推广铺平了道路。 CAN总线是一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达IMBPs。

12、CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由n位或29位二进制数组成，因此可以定义211或229个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到一样的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态与测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信

13、的实时性。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。另外，CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以与广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数通讯。CAN总线插卡可以任意插在 PCATXT兼容机上，

14、方便地构成分布式监控系统。2.2 CAN的应用和前景展望2.2.1CAN的应用 尽管当初研究CAN的起点是应用于客车系统，但以N的第一个市场应用却来自于其他领域。特别是在北欧，CAN早已得到非常普遍的应用。在荷兰，电梯厂商Kone使用CAN总线。瑞士工程办公室Kvaser己将以N应用至一些纺织机械厂(LindauerDornier和Sulzer)，并由他们提供机器的通讯协议。在荷兰，Philis医疗系统使用CAN构成X光机的部网络，成为CAN的工业用户。从1992年起，Meroedes一Benz(奔驰)开始在他们的高级客车中使用CAN技术。第一步使用电子控制器通过CAN对发动机进行管理;第二步

15、使用控制器接收人们的操作信号。这就使用了2个物理上独立的CAN总线系统，它们通过网关连接。其他的客车厂商也纷纷赶来斯图加特学习，在他们的客车上也使用2套CAN总线系统。现在，继Volvo、Saab、Volkswagen、BMW之后，Renault和Fiat也开始在他们的汽车上使用CAN总线。2.2.2 CAN前景展望 尽管CAN协议已经有20余年的历史，但它仍处在改进之中。从2000年开始，一个由数家公司组成的150任务组织定义了一种时间触发CAN报文传输的协议。BerndMueller博士、 ThomasFuehrer、BosCh公司人员和半导体工业专家、学术研究专家将此协议定义为“时间触发

16、通讯的CAN(TTCAN)”，计划在将来标准化为工5011898一4。这个CAN的扩展已在硅片上实现，不仅可实现闭环控制下支持报文的时间触发传输，而且可以实现CAN的x一by-wire应用。因为CAN协议并未改变，所以，在同一个的物理层上，既可以实现传输时间触发的报文，也可以实现传输事件触发的报文。TTCAN将为CAN延长5一10年的生命期。现在，CAN在全球市场上仍然处于起始点，当得到重视时，谁也无法预料CAN总线系统在下一个10一15年的发展趋势。这里需要强调一个现实:近几年，美国和远东的汽车厂商将会在他们所生产汽车的串行部件上使用CAN。另外，大量潜在的新应用(例如:娱乐)正在呈现不仅可

17、用于客车，也可用于家庭消费。同时，结合高层协议应用的特殊保安系统对CAN的需求也正在稳健增长。随着电子技术和大规模集成电路的迅速发展，网络控制芯片性能逐步提高，体积逐步减小，价格进一步降低，为工程机械局域网技术的普与推广创造了良好的条件们。智能芯片价格的下降使得工程机械局域网的成本相差无几，性能成为影响网络选择的主要因素。CAN以其优异的品质具有明显的优势，越发受到业界的欢迎。以N总线在工程机械上的广泛应用将使工程机械的控制性能、动力性、操纵稳定性、安全性、燃油经济性都上升到一个新的高度，给工程机械技术的发展注入新的活力。2.3几种现场总线的介绍与其性能的比较2.3.1现场总线所谓现场总线，是

18、指安装在制造或过程区域的现场装置之间、以与现场装置与控制室的自动控制装置之间的开放式、数字化、串行和多点通信的数据总线。不同的机构和不同的人可能对现场总线有着不同的定义，不过通常情况下，大家公认现场总线的本质体现在以下六个方面:现场通信网络:用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络。 现场设备互联:依据实际需要使用不同的传输介质把不同的现场设备或者现场仪表相互关联。 互操作性:用户可以根据自身的需求选择不同厂家或不同型号的产品构成所需的控制回路，从而可以自由地集成FCS。分散功能块:FCS废弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，

19、从而构成虚拟控制站，彻底地实现了分散控制。通信线供电:通信线供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量，这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表，与其配套的还有安全栅。二愁开放式互联网络:现场总线为 开放式互联网络，既可以与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可以实现网络数据库的共享。由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行与检修维护，都体现出优越性。现场总线技术引入我国虽然只有短短的十几年，却早已融入了工业控制领域的方方面面。2.3.2 当前主流现场总线概况 由于市场的驱动，世界各大控制系统厂家都相继开发了各自的现场总线产品，现场

20、总线标准繁多。要想达到开放、兼容、互操作和各总线间互联的目的，就必须实行大家都遵守的国际标准。国际工EC/TC65标准化组织为统一现场总线通信协议，在10多年工作中，通过争论与妥协，于1999年12月底通过了8种总线标准的折中方案。这8种总线的类型是:Foundati。 nFieldBuS(简称FF)、CONTROLNET、PROFIBUS、P一NET、FFHSE、SWIFTNET、WOLDFIP、INTERBUS，再加上IECTC17B通过的3种现场总线国际标准，即SnS、ASI与 neviCeNe七，还有15011898的CAN，共有12种之多6J。下面就其它几种主流非CAN的现场总线做一

21、简单介绍。FoundationFieldBus 这是以美国Fisher一Rousemount公司为首的联合了横河、ABB、西门子、英维斯等80家公司制定的工SP协议和以Honeywen公司为首的联合欧洲等地150余家公司制定的WorldFIP协议于1994年9月合并的。 FF总线采用国际标准化组织工S0的开放化系统互联051的简化模型(l，2，7层)，即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。FF分低速H1和高速HZ两种通信速率，前者传输速率为31.25Kbit/秒，通信距离可达1900m，可支持总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为 IMbit/秒和2.SMbit/秒，通信距离为7

22、5Om和50Om，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号IECll58一2标准。FF的物理媒介的传输信号采用曼切斯特编码。 PROFIBUS PROFIBUS是德国标准(DIN19245)和欧洲标准(EN50170)的现场总线标准。由PROFIBUSDP、PROFIBUS一FMS、PROFIBUS一PA系列组成。DP用于分散外设间高速数据传输，适用于加工自动化领域。FMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。PA用于过程自动化的总线类型，服从工 EC1158一2标准。PROFIBUS支持主一从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等几种传输方式。PROFIBUS的传输速率为9.6Kbit

23、/s至12Mbit/s，最大传输距离在9.6Kbit/s下为1200m，在12Mbit/s小为200m，可采用中继器延长至10km，传输介质为双绞线或者光缆，最多可挂接127个站点。 DevieeNet DeviCeNet是一种低成本的通信连接也是一种简单的网络解决方案，有着开放的网络标准。DeviceNet具有的直接互联性不仅改善了设备间的通信而且提供了相当重要的设备级阵地功能。DebiceNet基于CAN技术，传输率为125Kbit/s至50OKbit/s，每个网络的最大节点为64个，其通信模式为:生产者/客户(Pr。dueer/Consumer)，采用多信道广播信息发送方式。位于Devi

24、eeNet网络上的设备可以自由连接或断开，不影响网上的其他设备，而且其设备的安装布线成本也较低。INTERBUSINTERBUS是德国Phoenix公司推出的较早的现场总线，2000年2月成为国际标准IEC61158。INTERBUS采用国际标准化组织150的开放化系统互联051的简化模型(1，2，7层)，即物理层、数据链路层、应用层，具有强大的可靠性、可诊断性和易维护性。其采用集总帧型的数据环通信，具有低速度、高效率的特点，并严格保证了数据传输的同步性和周期性;该总线的实时性、抗干扰性和可维护性也非常出色。此外较有影响的现场总线还有丹麦公司Process一DataA/S提出的P一Net，该总

25、线主要应用于农业、林业、水利、食品等行业 ;SWIFTNET现场总线主要使用在航空航天等领域，还有一些其他的现场总线这里就不再赘述了。2.3.3 CAN总线的优点 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。 CAN(ControllerAreaNetwork)属于现场总线的畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。较之目前许多基于其他总线构建的分布式控制系统而言，基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性: 首先，以N控制器工作于多主方式，网络中的各节

26、点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且CAN协议废除了站地址编码”，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到一样的数据，这些特点使得以N总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。 其次，CAN总线通过以N控制器接口芯片82C250的两个输出端以NH和以NL与物理总线相连，而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会出现象在RS一485网络中，当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象

27、。而且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，从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态。 最后，CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片与其接口芯片来实现，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期，另外，与其它现场总线比较而言，CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。这些也是目前以N总线应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力的重要原因。第3章CAN总线系统结构3.1 CAN的三层结构为了达到设计透明度以与实现柔韧性，CAN被细分为以下不同的层次:CAN对象层(the

28、。 bjectlayer)、CAN传输层 (thetransferlayer)和物理层 (thephysiCallayer)(如图3.1一CAN的层结构)。 对象层和传输层包括所有由工50/051模型定义的数据链路层的服务和功能。对象层的作用围包括:查找被发送的报文;确定由实际要使用的传输层接收哪一个报文;为应用层相关硬件提供接口9。在这里，定义对象处理较为灵活。传输层的作用主要是传送规则，也就是控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定、故障界定。总线上什么时候开始发送新报文以与什么时候开始接收报文，均在传输层里确定。位定时的一些普通功能也可以看作是传输层的一部分。理所当然，传输层的修改是受到

29、限制的。物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位信息的实际传输。Figure3.1 the Layer Strueture of CAN 在CAN系统里，节点不使用任何关于系统配置的信息(比如，站地址)，CAN具有以下几个重要的特点: 1.系统灵活性:不需要改变任何节点的应用层与相关的软件或硬件，就可以在CAN网络中直接添加节点。 2.报文路由:报文的容由识别符命名。识别符不指出报文的目的地，但解释数据的含义。因此，网络上所有的节点可以通过报文滤波确定是否应对该数据做出反应。 3.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，并同时对此报文做出反应。4.数据连贯性:

30、在CAN网络，可以确保报文同时被所有的节点接收(或同时不被接收。因此，系统的数据连贯性是通过多播和错误处理的原理实现的。3.2 物理层 物理层是051参考模型的最低层，其任务就是为它的上一层提供一个传输数据的物理连接。在这一层，数据仅作为原始的比特流(bit流)进行处理。该层规定了网络设备之间的物理接口特性与通信规则，即，规定了为建立、维护和拆除物理链路(通信结点之间的物理路径)所需的机械、电气、功能和规程特性。其作用是确保比特流在物理信道上传输。 物理层的媒体包括架空明线、平衡电缆、光纤、无线信道等。通信用的互连设备指DTE和DCE间的互连设备。DTE既数据终端设备，又称物理设备，如计算机、

31、终端等都包括在。而DCE则是数据通信设备或电路连接设备，如调制解调器等。数据传输通常是经过DTEDCE，再经过DCE一DTE的路径。互连设备指将DTE、DCE连接起来的装置，如各种插头、插座。LAN中的各种粗、细同轴电缆、T型接头、插头，接收器，发送器，中继器等都属物理层的媒体和连接器。 CAN总线的物理层包含了媒体相关子层与媒体无关子层两部分。从图3.2可看出，DTE包含了物理层的一部分，即媒体无关子层:而DCE中包含了物理层的另一部分，即媒体相关子层。图3.2物理层 媒体相关子层负责处理不同传输媒体、不同速率的信号转换问题。媒体无关子层与数据链路层相连，负责信号编码与解码，增加或减除前导码

32、、定界符的工作。所以物理层的功能是用于实现现场设备与总线之间的连接，为现场设备与通信传输媒体的连接提供机械和电气接口，为现场设备对总线的发送和接收提供合乎规的物理信号。CAN通信协议中物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位信息的实际传输。当然，同一网络，物理层对于所有的节点必须是一样的。尽管如此在实现CAN协议的方案中，选择物理层方面还是很自由的，方案设计者尽可以按照自己的需求进行物理层的实际设计。3.3对象层和传输层 对象层和传输层包括所有由150/051模型定义的数据链路层的服务和功能。 物理层要为终端设备间的数据通信提供传输媒体与其连接媒体是长期的，连接是有生存期的。在连接

33、生存期，收发两端可以进行不等的一次或多次数据通信。每次通信都要经过建立通信联络和拆除通信联络两过程。这种建立起来的数据收发关系就叫做数据链路。而在物理媒体上传输的数据难免受到各种不可靠因素的影响而产生差错，为了弥补物理层上的不足，为上层提供无差错的数据传输，就要能对数据进行检错和纠错。数据链路的建立、拆除、对数据的检错、纠错是对象层和传输层的基本任务。 传输层是CAN协议的核心。它把接收到的报文提供给对象层，以与接收来自对象层的报文。传输层负责位定时与同步、报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定、故障界定。对象层的功能是报文滤波以与状态和报文的处理。第4章CAN的报文与异常处理报文是网络换与传输

34、的数据单元。报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长短很不一致，可分为自由报文和数字报文。在CAN协议中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。4.1报文传输 CAN协议支持两种报文格式，其唯一的不同是标识符(ID)长度不同，标准格式为H位，扩展格式为29位。 在标准格式中，报文的起始位称为帧起始(SOF)，然后是由n位标识符和远程发送请求位(RTR)组成的仲裁场。RTR位标明是数据帧还是请求帧，在请求帧中没有数据字节。 控制场包括标识符扩展位(IDE)，指出是标准格式还是扩展格式。它还包括一保留位(RO)，为将来扩展使用。它的最后四

35、个字节用来指明数据场中数据的长度(DLC)。 数据场围为08个字节，其后有一个检测数据错误的循环冗余检查(CRC)。应答场(ACK)包括应答位和应答分隔符。发送站发送的这两位均为隐性电平(逻辑l)，这时正确接收报文的接收站发送主控电平(逻辑0)覆盖它。用这种方法，发送站可以保证网络中至少有一个站能正确接收到报文。报文的尾部由帧结束标出。在相邻的两条报文间有一很短的间隔位，如果这时没有站进行总线存取，总线将处于空闲状态(参看图4.1一数据帧格式)。图4.1数据帧格式报文传输由以下4个不同的帧类型所表示和控制:1.数据帧:数据帧将数据从发送器传输到接收器。2.远程帧:总线单元发出远程帧，请求发送具

36、有同一识别符的数据帧。3.错误帧:任何单元检测到总线错误就发出错误帧。4.过载帧: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。 数据帧和远程帧可以使用标准帧与扩展帧两种格式。，。它们用一个帧间空间与前面的帧分隔。数据帧(或远程帧)与先行帧的隔离是通过帧间空间实现的，无论此先行帧类型如何(数据帧、远程帧、错误帧、过载帧)。所不同的是，过载帧与错误帧之前没有帧间空间，多个过载帧之间也不是由帧间空间隔离的。 帧间空间包括间歇、总线空闲的位场。 如果“错误被动”的站己作为前一报文的发送器时，则其帧空间除了间歇、总线空闲外，还包括称作挂起传送 (SuspendTransmissio

37、n)的位场(参考图4.2一帧的种类与用途)。帧帧用途数据帧用于发送单元向接收单元传送数据的帧遥控帧用于接收单元向具有一样ID的发送单元请求数据的帧错误帧用于当检测出错误时向其它单元通知错误的帧过载帧用于接收单元通知尚未接收准备的帧帧间隔用于将数据帧与遥控帧Figure4.2theUsageofFrame 间歇期间，所有的站均不允许传送数据帧或远程帧，唯一要做的是标示一个过载条件。总线空闲的时间是任意的。只要总线被认定为空闲，任何等待发送报文的站就会访问总线。在发送其他报文期间，有报文被挂起，对于这样的报文，其传送起始于间歇之后的第一个位。“错误被动”的站发送报文后，站就在下一报文开始传送之前或

38、总线空闲之前发出8个“隐性”的位跟随在间歇的后面。如果与此同时另一站开始发送报文(由另一站引起)，则此站就作为这个报文的接收器。4.1.1报文编码 帧的部分，诸如帧起始、仲裁场、控制场、数据场以与CRC序列，均通过位填充的方法编码8。无论何时，发送器只要检测到位流里有5个连续识别值的位，便自动在位流里插入一补码位。 数据帧或远程帧(CRC界定符、应答场和帧末尾)的剩余位场形式一样，不填充。错误帧和过载帧的形式也一样，但并不通过位填充的方法进行编码。其报文里的位流根据“不返回到零”(NRZ)之方法来编码。这就是说，在整个位时间里，位电平要么为“显性”，要么为“隐性。4.1.2报文校验 报文传输之

39、后，对于接受到的报文，CAN发送器和接收器都需要对之进行校验。校验报文是否有效的时间点，发送器与接收器各不一样。 对于发送起来说，如果直到帧的末尾位均没有错误，则此报文对于发送器有效。如果报文破损，则报文会根据优先权自动重发。为了能够和其他信息竞争总线，重新传输必须在总线空闲时启动。 而对于接受器来说，如果直到一最后的位(除了帧末尾位)均没有错误，则报文对于接收器有效。4.2 错误处理与故障界定 在CAN总线中有以下5种不同的错误类型，这5种错误不会相互排斥 1.位错误站单元在发送位的同时也对总线进行监视。如果所发送的位值与所监视的位值不相符合，则在此位时间里检测到一个位错误 (BitErro

40、r)。但是在仲裁场 (ArbitrationField)的填充位流期间或ACK间隙 (ACKSlot)发送一“隐性”位的情况是例外的此时，当监视到一“显性”位时，不会发出位错误 (BitError)。当发送器发送一个被动错误标志但检测到“显性”位时，也不视为位错误。2.填充错误如果在使用位填充法进行编码的信息中，出现了第6个连续一样的位电平时，将检测到一个填充错误。3.CRC错误CRC序列包括发送器的CRC计算结果。接收器计算CRC的方法与发送器一样。如果计算结果与接收到CRC序列的结果不相符，则检测到一个CRC错误 (CRCError)。4.形式错误 当一个固定形式的位场含有1个或多个非法位

41、，则检测到一个形式错误 (ForlnError)。5.应答错误只要在ACK间隙 (ACKSlot)期间所监视的位不为“显性”，则发送器会检测到一个应答错误 (AcknowledgmeniError)。检测到错误条件的站通过发送错误标志指示错误。对于“错误主动”的节点，错误信息为“主动错误标志”，对于“错误被动”的节点，错误信息为“被动错误标志”。站检测到无论是位错误、填充错误、形式错误，还是应答错误，这个站会在下一位时发出错误标志信息。只要检钡l到的错误的条件是CRC错误，错误标志的发送开始于ACK界定符之后的位(其他的错误条件除外)。至于故障界定，单元的状态可能为以下三种、之一:错误主动、错

42、误被动和总线关闭。“错误主动”的单元可以正常地参与总线通讯并在错误被检测到时发出主动错误标志。“错误被动”的单元不允许发送主动错误标志。“错误被动”的单元参与总线通讯而且在错误被检测到时只发出被动错误标志。而且，发送以后，“错误被动”单元将在预设下一个发送之前处于等待状态。“总线关闭”的单元不允许在总线上有任何的影响。 在每一总线单元里实现两种计数以便故障界定:发送错误计数、接收错误计数。这些计数按以下规则改变:1.当接收器检测到一个错误，接收错误计数就加1。在发送主动错误标志或过载标志期间所检测到的错误为位错误时，接收错误计数器值不加2.当错误标志发送以后，接收器检测到的第一个位为“显性”时

43、，接收错误计数值加8。3.当发送器发送一错误标志时，发送错误计数器值加8。4.发送主动错误标志或过载标志时，如果发送器检测到位错误，则发送错误计数器值加8。5.当发送主动错误标志或过载标志时，如果接受器检测到位错误(位错误)，则接收错误计数器值加8。6.在发送主动错误标志、被动错误标志或过载标志以后，任何节点最多容许7个连续的“显性”位。7.报文成功传送后(得到应答与直到帧末尾结束没有错误)，发送错误计数器值减1，除非已经是0。8.如果接收错误计数值介于1和127之间，在成功地接收到报文后(直到ACK间隙接收没有错误，与成功地发送了应答位)，接收错误计数器值减1。如果接收错误计数器值是O，则它

44、保持0，如果大于127，则它会设一值介于119到127之间。9.当发送错误计数器值等于或超过128时，或当接收错误计数器值等于或超过128时，节点为“错误被动，。让节点成为“错误被动”的错误条件致使节点发出主动错误标志。10.当发送错误计数器值大于或等于256时，节点为“总线关闭”。11.当发送错误计数器值和接收错误计数器值都小于或等于127时，“错误被动”的节点重新变为“错误主动”。12.在总线监视到128次出现11个连续“隐性”位之后，“总线关闭”的节点可以变成“错误主动”(不再是“总线关闭”)，它的错误计数值也被设置为O。4.3位定时与位同步CAN总线的数据传输速率最高可达1Mbit/S

45、，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一样的位速率。但网络中晶振的频率不是绝对稳定的，温度、电压以与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围之，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t71，相位段1和相位段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:tq=B即八Sys。如图4.3:图4.2位时间 位时间的同步段用于同步总线上不同的节点。这一段要有一个跳变沿。传播段用于补偿网络的物理延时时间。它

46、是总线上输入比较器延时和输出驱动器延时总和的两倍。相缓冲段用于补偿边沿阶段的错误。这两个段可以通过重新同步加长或缩短。 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。 同步分为硬同步和重新同步两类。 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。 当引起重新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，重新同步导致位时间的延长或缩短，使采样点处

47、于适当的位置。当沿相位误差幅值大于重新同步跳转宽度时，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l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

48、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。图4.3列举了沿相位误差为正负两种情况，说明了相位缓冲段如何弥补沿相位错误。图4.3位同步同步应遵循以下规则:1.在一个位时间里只允许一个同步。2.仅当采集点之前探测到的值与紧跟沿之后的总线值不相符合时，才把沿用作于同步。3.总线空闲期间，有一“隐性”转变到“显性”的沿，无论何时，硬同步都会被执行。4.如果仅仅是将“隐性”转化为“显性”的沿用作于重新同步使用，则其他符合规则1和规则2的所有从“隐性”转化为“显性”的沿可以用作为重新同步。有一例外情况，即，当发送一显性位的节点不执行重新同步而导致一“隐性”转化为“显性”

49、沿，此沿具有正的相位误差，不能作为重新同步使用。第5章工业控制系统的简介 工控机即工业控制计算机，也叫做工业个人计算机 industrial Personal computer IPC)，英文简称IPC。工控机通俗的说就是专门为工业现场而设计的计算机。也可以理解为产业电脑或工业电脑。5.1工控机与系统的应用与发展 工控机是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。早在80年代初期，美国AD公司就推出了类似IPC的MAC一150工控机，随后美国IBM公司正式推出工业个人计算机IBM7532。由于IPC的性能可靠、软件丰富、价格低廉，而在工控机中异军突起，后来居上，

50、应用日趋广泛。目前，IPC已被广泛应用于通讯、工业控制现场、路桥收费、医疗、环保与人们生活的方方面面。 国外自上世纪60年代出现第一台工业过程控制系统以来已经过三代产品的发展变化，随着计算机技术与产品的发展，工业控制系统亦相应地不断发展。其目前具有以下特点:1.半导体技术集成电路技术推动微处理器、微控制器的发展，1位、4位、8位、16位、32位微处理器，微控制器与单片机性能价格比不断提高，Intel、Motorola等公司的微处理器占统治地位，各种控制器、控制装置、PLC更新换代加快，神经元网络芯片己问世，模拟控制器、智能控制器已初步商品化与推广应用r，2，。2.分布式控制系统已推出第四代产品

51、，如Honeywell公司新推出的 ExperianPKS(过程知识系统)，Emerson公司的Plantweb，Foxboro公司的AZ，横河公司的R3(PRM一工厂资源管理系统)，ABB公司的 IndustrialIT系统。3.计算机技术、通信技术、控制技术的发展，使控制系统向全数字化、全分散式、全开放可互操作和开放式互联网络的新一代现场总线控制系统(FCS)发展。现场总线技术近年迅速发展，目前有FF(现场总线基金会)、Profibus(过程现场总线)、Lonworks(局部操作网络)、CAN(控制局域网络)、以RT(可寻址远程传感器数据通路)等，Lonworks已经广泛的应用，得到包括I

52、BM、Honeywen、ABB等大公司在的2500家生产厂家的支持，占领了约1/3的楼宇自动化市场，已成为美国空调暖通工程师协会ASHRAE的楼宇自动化的标准。4.PLC技术20世纪80年代走向成熟，目前己有新的突破，无论是处理速度，功能强化、通讯能力都提高到一个新水平，小型pLC向小型化、低成本、简单、多用方向发展，大中型PLC向多功能、高速度、大容量、网络化方向发展。5.自动控制理论与技术的发展，先进控制、模糊控制、人工神经网络、人工智能技术和专家系统己在工业自动化中实际应用:多变量预测控制、先进控制软件产品在国外石油、化工等流程工业已广泛使用:人工神经网络已制成专用芯片与自动装置，模糊控

53、制器亦已商品化，广泛用于工业生产过程控制和电冰箱洗衣机等家用电器控制中，专家系统己在电站控制、冶金过程与石化装置自动控制中应用，国外制造自动化向CIMS精良生产、敏捷制造方向发展，流程工业亦向集成生产系统CIPS发展。 随着计算机技术与应用的发展，工业控制机不断向数字化、微型化、分散化、个性化、专用化发展，工业控制机系统向网络化、集成化、综合化、智能化方向发展，随着信息化带动工业化，工业化促进信息化的进展，企业信息化、社区信息化、家庭信息化的发展，工业控制机的市场不断扩大，前景宽广。5.2典型PC总线工控机组成 早期的工控机就是一个质量更好的PC，随着工控机被大量用于工业现场，基于母板的系统是

54、不灵活的，为了修复或更新系统需要更换整个母板。更换母板需要在母板拿走之前把所有的插卡和电缆都拔掉。这就导致修复或更新时系统停机时间增加，这在工控现场是不可接受的。 因此工程师们想到另外一个方法，取消母板架构，而把核心的CPU处理单元做在一插卡上，其它的扩展界面则做在底板上，底板是由一些连接器和无源器件组成的。这种结构使得系统更新和修复简单而且停机时间最少。 就这样慢慢随着用户使用环境的变化，工控机架构演变成了现在流行的底板加插卡的架构(如图5.1一工控机架构)。典型的工控机主要结构如下: 1.全钢机箱。IPC的全钢机箱是按标准设计的，抗冲击、抗振动、抗电磁干扰，部可安装同PC一bus兼容的无源

55、底板。 2.无源底板。无源底板的插槽由ISA和PCI总线的多个插槽组成，IsA或PCI插槽的数量和位置根据需要有一定选择，该板分为四层结构，中间两层分别为地层和电源层，这种结构方式可以减弱板上逻辑信号的相互干扰和降低电源阻抗。底板可插接各种板卡，包括CPU卡、显示卡、控制卡、FO卡等。 3.工业电源。工控机电源多为AT开关电源，平均无故障运行时间达到250，000小时。 4.CPU卡。工控机的CPU卡有多种，根据尺寸可分为长卡和半长卡，根据处理器可分为386、486、586、Pll、Plll主板，用户可视自己的需要任意选配。其主要特点是:工作温度0一600C;装有“看门狗”计时器;低功耗，最大

56、时为 SV/2.SA。 5.其他配件。工控机的其他配件基本上都与PC机兼容，主要有存、显卡、硬盘、软驱、键盘、鼠标、光驱、显示器等。图5.1工控机架构5.3工控机系统总线通信技术5.3.1 RS一232/484串口通信协议的应用 RS一232总线是在工控机系统中最早应用的一种总线通信技术，后来又逐渐使用了RS一422与RS一485。 RS一232、RS一422与RS一485都是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会(EIA)制订并发布的汇18)，RS一232在1%2年发布，命名为EIA一232一E，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。RS一422由RS一232发展而来，它是为弥补RS

57、一232之不足而提出的。为改进RS一232通信距离短、速率低的缺点，RS一422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到IOMb/s，传输距离延长到4000英尺(速率低于IO0kb/s时)，并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS一422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规，被命名为TIA了EIA一422一A标准。为扩展应用围，EIA又于1983年在 RS一422基础上制定了RS一485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模围，后命名为TIA/EIA一485一A标准。由于EIA提出的建议标准都是

58、以叹s作为前缀，所以在通讯工业领域，仍习惯将上述标准以RS作前缀称谓。 RS一232、RS一422与RS一485标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉与接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。 目前RS一232是工控机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS一232被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS一232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。 收、发端的数据信号是相对于信号地，如从DTE设备发出的数据在使用DB25连接器时是2脚相对7脚(信号地)的电平。典型的RS一2犯信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5一 +lsv

59、，负电平在一5一15V电平。当无数据传输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS一232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3一 +lZV与一3一一12V。由于发送电平与接收电平的差仅为ZV至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大为约巧米，最高速率为20kb/s。RS一232是为点对点(即只用一对收、发设备)通讯而设计的，其驱动器负载为3一7k。所以RS一232适合本地设备之间的通信。 针对RS一232的不足，于是就不断出现了一些新的接口标准，RS一485就是其中之一，它具有以下特点: 1.RS一485的电气特性:逻辑“1”

60、以两线间的电压差为十(2一6)V表示;逻辑“O”以两线间的电压差为一(2一6)V表示l7。接口信号电平比RS一232一C降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。 2.Rs一455的数据最高传输速率为10Mbps，日，。 3.RS一485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好。 4.RS一485接口的最大传输距离标准值为4000英尺，实际上可达3000米，另外RS一232接口在总线上只允许连接1个收发器，即单站能力。而RS一485接口在总线上是允许连接多达 128个收发器，即具有多站能力。5.3.2 CAN总线的应用