智能测控系统设计9-基于现场总线的测控系统(东南大学)

第十章基于现场总线的智能测控系统

一、现场总线概述二、基金会现场总线三、CAN总线四、CAN总线系统设计一、现场总线概述什么是现场总线

现场总线的特点

现场总线国际标准化

什么是现场总线

IEC（国际电工技术委员会）和ISA（美国仪表协会）的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。

FCS(FieldbusControlSystem)发展背景：现场设备的高度智能化，使得用数字通信技术代替4～20mA模拟传输技术成为可能和必要。

FCS的作用和影响

FCS的作用：可将全厂范围内的最基础的现场控制设备变成网络节点连接起来，与控制系统实现全数字化通信。

FCS的影响：变革传统的信号标准、通信标准、系统标准，改变现有的智能测控系统的体系结构、产品结构，变革原有的系统设计、安装、调试、维护方法。FCS是21世纪工业控制系统的基础。

现场总线的特点

全数字化通信；开放型的互联网络；互操作性和互用性；现场设备的智能化；系统结构的高度分散性；现场设备连接的方便性。

现场总线结构示意图DCS与FCS的对比

1984年，美国仪表协会(ISA)下属的标准与实施工作组中的ISA／SP50开始制定现场总线标准；

1985年，国际电工委员会决定由ProwayWorkingGroup负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作；

1986年，德国开始制定过程现场总线（ProcessFieldbus）标准，简称为PROFIBUS，由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发的序幕。现场总线标准制定的历程

1992年，由Sienems，Rosemount，ABB，Foxboro，Yokogawa等80家公司联合，成立了ISP（InteroperableSystemProtocol）组织，着手在PROFIBUS的基础上制定现场总线标准。

1993年，以Honeywell，Bailey等公司为首，成立了WorldFIP(FactoryInstrumentationProtocol)组织，有120多个公司加盟该组织，并以法国标准FIP为基础制定现场总线标准。

1994年，ISP和WorldFIP的北美分部合并成立了现场总线基金会（FieldbusFoundation，简称FF），推动了现场总线标准的制定和产品开发，并于1996年第一季度颁布了低速总线Hl的标准，安装了示范系统，将不同厂商的符合FF规范的设备互连构成控制系统和通信网络，使H1低速总线开始步入实用阶段。现场总线标准制定的历程与此同时，在不同行业还陆续派生出一些有影响的总线标准。它们大都在某些公司标准的基础上逐渐形成，并得到其它公司、厂商、用户及国际组织的支持。如德国Bosch公司推出的CAN（ControlAreaNetwork），美国Echelon公司推出的Lonworks等。现场总线标准制定的历程现场总线国际标准化

1999年形成8个类型组成的IEC61158总线国际标准,其它有影响的现场总线:CAN,LonWorks,HART,

DeviceNet。

IEC61158：由国际电工委员会IECSC65C“测量和控制的数字数据通信”分技术委员会的WG6工作组与美国仪表学会ISA下SP50工作组组织联合制定的，84年起草，99年最后一轮投票通过，长达14年多。ControlNet：控制网国际有限公司(ControlNet

International,Ltd.)提出。该公司是1997年7月由Rockwell等22家企业发起成立，是个非赢利独立组织，主要负责向全世界推广ControlNet技术，目前已有50多个公司参加，如ABBRoboties

、HoneywellInc.、日本横河、东芝、Omron等大公司。

PROFIBUS：已经成为德国国家标准DIN19245和欧洲标准prEN50170，并在世界拥有了最多的用户数量。P-NET：由Proces-DataA／S公司研究并开发，P-NET的设想出现于1983年的丹麦，比其它总线更早。各种现场总线

FF-HSE：由Fieldbus

Foundation(FF)组织负责开发，并于1998年决定全面采用已广泛应用于IT产业的高速以太网（highspeed

ethernetHSE）标准。Swift-Net：由美国SHIPSTAR协会主持制定，得到美国波音公司的支持，主要用于航空和航天等领域。WorldFIP：由成立于1987年的WorldFIP协会制定并大力推广。其产品在法国占有60%的市场，在欧洲市场占有约25%的份额。广泛用于发电与输配电、加工自动化、铁路运输、地铁和过程自动化等领域。Interbus：由德国PhoenixContact公司开发，InterbusClub俱乐部支持。CAN：是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其高性能、高可靠性、实时性等优点现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。各种现场总线

LonWorks：由美国Echelon公司推出，并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。HART：HighwayAddressableRemoteTransducer，可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国Rosement公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。Devicenet：是90年代中期发展起来的一种基于CAN技术的开放型、低成本、高性能的通信网络，最初由美国Rockwell公司开发应用。

各种现场总线

FF与CAN简介FF：基金会现场总线，是目前最具发展前景、最具竞争力的现场总线之一，目前拥有120个成员。

CAN：德国Bosch公司开发，起初专门用于汽车，后来被广泛用于各行各业，如楼宇自控领域等。

二、基金会现场总线FF总线的通信模型

H1总线协议数据的构成

FF总线协议简介

网络拓扑和设备连接

FF总线的通信模型FF总线分为低速H1总线和高速以太网HSE。总线访问子层总线报文规范子层现场设备访问会话OpenSystemInterconnectionH1总线的通信模型物理层、数据链路层（DLL）、应用层、用户层组成。

物理层：用于实现现场物理设备与总线之间的连接。发送时，接受来自DLL的信息，对数据帧加上前导码与定界码，并对其实现数据编码，即曼彻斯特编码，在串行数据流中加进时钟信息，形成物理信号。接受信号时，对其去除前导码与定界码，并进行解码。

数据链路层（DLL）：规定如何在设备间共享网络和调度通信，通过链路活动调度器LAS来管理现场总线的访问。

应用层：规定了在设备间交换数据、命令、事件信息以及请求应答中的信息格式。分为两个子层：总线访问子层（FAS）和总线报文规范子层（FMS）。

用户层：用户应用程序，如规定功能块、设备描述、网络管理、系统管理等。

高速以太网HSE高速以太网HSE：采用基于EtherNet和TCP/IP的六层协议结构。充分利用低成本和成熟可用的以太网技术。

H1总线协议数据的构成FF总线协议简介物理层数据链路层总线访问子层FAS总线报文规范子层FMS用户层

FF总线物理层的曼彻斯特编码

FF总线物理层的前导码、定界码N+在整个时钟周期为高电平；N-在整个时钟周期为低电平。负跳变为1，正跳变为0H1总线上的信号波形发送设备产生的电流信号产生的电压信号数据链路层通过链路活动调度器（LAS）对总线访问的调度。

调度通信：链路活动调度器LAS根据调度时间表发送强制性数据CD，收到CD的设备将数据发布到总线，被组态为接受方的设备将接受数据。

非调度通信：在调度时间表之外，LAS按活动表发布令牌PT给一个设备，得到令牌的设备允许发送信息。

调度通信和非调度通信总线访问子层FAS分为3层

总线访问子层FAS分为三层FAS服务协议机制：将信息转换成FAS的内部协议格式，选择一个合适的应用关系协议机制。

应用关系协议机制：有三种虚拟通信关系VCR。客户/服务器VCR为一对一非调度通信，主要用于设定值改变、参数整定等。报告分发VCR是一对多非调度通信，主要用于现场设备发送报警信息给操作员站。发布方/接受方VCR为一对多调度通信，常用于周期性的输入输出信号。

DLL映射协议机制：将FAS协议格式转换成DLL服务格式。总线报文规范子层FMS该层描述了用户应用所需要的通信服务、信息格式、行为状态等。FMS提供了一组服务和标准的报文格式，用户应用可以采用这种标准的格式在总线上相互传递信息、访问应用进程对象及其描述。FMS组成部分：虚拟现场设备（VFD）、对象字典管理（OD）、联络关系管理、域管理、程序调用管理、动态参数管理、时间管理。

用户层定义了标准的基于模块的用户应用，由功能块和设备描述语言两部分组成。

功能块：FF提供一种通用结构，把分散在控制系统或现场的各种功能（模拟输入、模拟输出、PID控制、离散输出、离散输出、偏置等）封装为相应的功能块FB，使公共特征标准化，规定它们各自的输入、输出、算法条件、参数与块控制图，并把它们组成为可在某个现场设备中执行的功能块应用进程FBAP。

设备描述（DD）：设备描述是FF总线为实现设备间的互操作性、支持标准的功能块操作而采用的一项重要内容。类似于设备驱动程序，由设备描述语言DLL实现。只要有设备的DD，任何与FF兼容的主机就可识别和操作该设备。FF为所有标准功能块提供DD，供应商通常根据标准的DD做一些扩充，附加描述供应商特定的特性，如标定、诊断程序等。

网络拓扑和设备连接H1总线的设备连接链路活动调度器HSE设备连接总线电缆类型三、CAN总线CAN的主要特性CAN的总线数值表示

CAN的分层结构

CAN通信协议

CAN总线的主要特性多主站依据优先权进行总线访问；无破坏性的基于优先权的仲裁；借助接收滤波的多地址帧传送；远程数据请求；错误检测和出错信令；发送信息出错后可自动重发；节点错误严重情况下具有自动退出总线的功能；报文不含源地址或目标地址仅用标识符来指示功能信息和优先级信息；极高的总线利用率和高速数据传输率。CAN的总线数值表示

显性表示0隐性表示1CAN的分层结构

按照OSI基准模型，CAN结构划分为两层：数据链路层和物理层。

媒体相关接口物理媒体附属装置物理信令媒体访问控制逻辑链路控制CAN通信协议CAN系统中有四种类型的帧格式：

数据帧：用于传送数据；

远程帧：用于申请数据；

错误帧：任何节点检测到总线错误就发出错误帧；

超载帧：在前后数据帧之间提供附加延时。数据帧格式由7个位场组成

帧起始和仲裁场(1)帧起始（SOF）：标志数据帧和远程帧的起始，由单个显性位构成，用于接受方式中CAN控制器的硬同步。

(2)仲裁场：包括信息标识位和远程发送申请位。信息标识位：包括11位，提供关于传送信息和总线访问的优先权信息，按照ID.10~ID.0次序传送，前7位不能全为隐性位。CAN不区别点－点、多点、广播通信，所以标识符不指定哪个CAN控制器接受信息。远程发送申请(RTR)位：在数据帧中为0。

控制场、数据场与CRC场(3)控制场：由6位组成，2位作为备用位，4位作为数据长度码，数据长度为0~8字节。

(4)数据场：被发送数据。

(5)循环冗余码校验（CRC）场：包括CRC序列15位，CRC界定符（1个隐性位）。

应答场和帧结束(6)应答场（ACK）：包括2位，应答间隙和应答界定符（1个隐性位）。发送节点在ACK间隙内发送两个隐性位，接受到匹配CRC序列的节点以显性位改写ACK间隙中发送器的隐性位。

(7)帧结束：7位隐性位组成。

远程帧格式除RTR置1，没有数据场外，其余与数据帧相同

出错帧格式出错帧格式：两个场构成，第一个场由来自不同节点的错误标志叠加给出，第二个场为错误界定符。错误标志有两种形式，活动错误标志由六位连续显性位构成，认可错误标志由六位连续隐性位构成。错误界定符由8个隐性位构成。

为进行错误界定，每个CAN控制器均设有两个错误计数器：发送错误计数器（TEC）和接收错误计数器（REC）。CAN总线上的所有节点按其错误计数器数值情况可分为3个状态：错误活动状态、错误认可状态和总线关闭状态。超载帧格式超载帧格式：超载标志和超载界定符组成。超载标志由6个显性位组成，超载界定符由8个隐性位组成。四、CAN总线系统设计CAN总线产品CAN控制器带有在片CAN的微控制器TMS320F2812的增强型CAN接口基于CAN总线的系统示例CAN总线的应用层协议示例CAN总线产品CAN控制器PHILIPS82C200功能及引脚82C200寄存器配置82C250CAN总线收发器带有在片CAN的微控制器以80C592为例

80C592CAN控制器方框图CPU和CAN控制器接口

CAN控制器内部地址分配CPU-CAN接口功能CAN控制器内部寄存器地址写入时为DMA传输设置主RAM地址TMS320F2812的增强型CAN模块功能框图TMS320F2812CAN模块的主要特点支持兼容的CAN2.0B总线协议。最高支持1Mbps的总线通信速率。32个邮箱，每个邮箱有以下特点：接收邮箱或发送邮箱可配置；标准或扩展标志可配置；一个可编程接受滤波器屏蔽寄存器；支持数据帧和远程帧；数据长度1~8字节可编程；在接受和发送消息时，使用32位分时邮递；接受到的消息可以被保护；采用两个中断优先级的可编程中断；在接受或发送超时时，使用可编程中断。低功耗模式。可编程总线唤醒功能。自动应答远程请求消息。在仲裁或错误丢失消息时，自动重发。自测试模式：提供“空闲”应答信号，不需要其它节点提供应答信号，方便系统调试。

CAN模块的寄存器下页CAN模块的控制和状态寄存器TMS320F2812的增强型CAN模块结构框图CAN协议内核接受到有效消息后，消息控制器的接受控制单元检查消息的状态、标志符和所有消息对象的滤波，确定相应邮箱的位置，接受到的消息经过接受滤波后存放到第一个邮箱，如果不能找到存放接受消息的有效邮箱，接受到的消息将会被丢弃。当需要发送消息时，消息控制器将要发送的消息传送到CPK的发送缓冲，以便在下一个总线空闲状态开始时发送该消息。当有多个消息需要发送时，根据优先级传送，如果邮箱的优先级相同，首先发送油箱编号大的邮箱的消息。

消息邮箱eCAN模块有32个消息邮箱，每个消息对象可以配制成发送或接受邮箱，每个消息目标都有自己独立的接受滤波器。消息邮箱用来存放接受到的CAN消息，或存放等待发送的CAN消息。每个邮箱都是由4个32位寄存器组成：MSGID（消息标志寄存器）：包含消息ID和其它的邮箱控制位；MSGCTRL（消息控制寄存器）：确定要发送的字节数和发送的优先级，同时还确定远程帧的操作；MDL和MDH：消息数据寄存器，数据区域共有8个字节。每个邮箱可以配制成4种消息对象类型中的一种：发送消息对象、接收消息对象、请求消息对象、应答消息对象。发送邮箱

CPU将等待发送的数据存放到发送邮箱。数据和标志符写到发送邮箱后，如果已经使能了邮箱，将TRS（发送请求置位寄存器）的相应位置位即可将消息发送出去。如果多个邮箱配制为发送邮箱，且有多个TRS的位置位，则根据邮箱的优先级递减的顺序依次发送。在标准CAN模式下，发送邮箱的优先级和邮箱编号有关，15号邮箱优先级最高。在eCAN模式下，发送邮箱的优先级与MSGCTRL中的TPL位的设置有关，TPL中设置的值越大，优先级也就越高，只有邮箱的TPL设置相同时，邮箱编号大的发送邮箱才具有较高优先级。如果由于仲裁或错误导致发送失败，将重新发送消息。接收邮箱

在CAN模块接收消息时，首先比较输入消息的标志符和接收邮箱中存放的标志符，如果相等，接收标志符、控制位和数据字节就写到相应的RAM空间。同时相应的接收消息挂起位置位。如果已经使能了中断，也会产生中断。如果两者的标志符不一致，则不存储输入的消息。当接收到消息时，消息控制器开始从邮箱编号最高的邮箱搜索标志符匹配的邮箱。标准CAN模式下，15号邮箱有最高的接收优先级，在eCAN模式下，31号邮箱有最高的接收优先级。如果同一个邮箱接收到第2个消息，且接收消息挂起位已经置位，相应的消息丢失位就会置位。这种情况下，如果覆盖保护位被清零，原有的消息就会被新接收到的消息覆盖，否则检查下一个邮箱。过载情况的处理：如果CPU的速度不能快速处理重要的消息，最好配制多个具有相同标志符的邮箱。接收滤波器

接收消息的标志符首先和邮箱的消息标志符进行比较，然后，使用适当的接收屏蔽将不需要比较的标志符屏蔽掉。在eCAN模式，每个邮箱0～31都有自己的局部接收滤波器LAM(0)～LAM(31)。任何一个输入的消息存放在标志符匹配的最高编号的邮箱中。CAN总线系统的一般组成CAN系统示例CAN总线通信接口卡插入PC机的扩展槽内，实现PC机与外部CAN节点的通信智能传感器节点的结构压力传感器，输出频率信号ASIC组成的测频电路CAN总线应用层协议示例由于CAN协议仅定义了OS