1、 PAGE41 / NUMPAGES42基于工控機的CAN通信應用中文摘要 CAN是控制器局域網絡(COller Aiea Network，CAN)的簡稱，是由研發和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開發了的，并最終成為國際標準(15011898)。是國際上應用最廣泛的現場總線之一。 本文正是在己有的對CAN現場總線研究、應用基礎上，結合工程機械行業特性，從在起重機分布式控制的角度闡述CAN總線的應用。本文依托于普瑞塞特在起重機行業豐富的從業經驗，主要從CAN總線系統結構、CAN的報文與異常處理、工業控制系統的簡介以與CAN在起重機控制系統的實例應用幾個方面闡述。 本文首先介紹了CAN總

2、線概述，詳細介紹了CAN總線系統結構、CAN的報文與異常處理。隨后介紹了工業控制系統的簡介，最后以一個實際項目中CAN在起重機控制系統的實例應用為例證。關鍵詞:CAN;工控機:報文;總線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選題背景 隨著計算機硬件、軟件技術與集成電路技術的迅速發展，工業控制系統已成為計算機技術應用領域中最具活力的

5、一個分支，并取得了巨大進步。由于對系統可靠性和靈活性的高要求，工業控制系統的發展主要表現為:控制面向多元化，系統面向分散化，即負載分散、功能分散、危險分散和地域分散。 分散式工業控制系統就是為適應這種需要而發展起來的。這類系統是以微型機為核心，將SC技術一COMPUTER(計算機技術)、CONTROL(自動控制技術)、COMMUNICATION(通信技術)、CRT(顯示技術)和CHANGE(轉換技術)緊密結合的產物。它在適應圍、可擴展性、可維護性以與抗故障能力等方面，較之分散型儀表控制系統和集中型計算機控制系統都具有明顯的優越性。 典型的分散式控制系統由現場設備、接口與計算設備以與通信設備組成

6、。現場總(FieldBus)能同時滿足過程控制和制造業自動化的需要，因而現場總線已成為工業數據總線領域中最為活躍的一個領域。現場總線的研究與應用己成為工業數據總線領域的熱點。盡管目前對現場總線的研究尚未能提出一個完善的標準，但現場總線的高性能價格比將吸引眾多工業控制系統采用。同時，正由于現場總線的標準尚未統一，也使得現場總線的應用得以不拘一格地發揮，并將為現場總線的完善提供更加豐富的依據。控制器局部網 CAN(ControflerAreaNetwork)正是在這種背景下應運而生的。 工業控制機是指對工業生產過程與其機電設備、工藝裝備進行測量與控制用的計算機簡稱工控機。隨著計算機技術的發展與其應

7、用的普與，工業控制計算機在各行各業的自動化生產中發揮著越來越大的作用。 早期的工控機就是一個質量更好的PC。但是隨著時間的推移，工控機架構有了本質上的變化，根據用戶使用環境的變化，演變成了現在流行的底板加插卡的架構。這種架構有維護時間少的優點。 隨著工控機被大量用于工業現場，基于母板的系統是不靈活的，為了修復或更新系統需要更換整個母板。更換母板需要在母板拿走之前把所有的插卡和電纜都拔掉。這就導致修復或更新時系統停機時間增加，這在工控現場是不可接受的。因此工程師們想到另外一個方法，取消母板架構，而把核心的CPU處理單元做在一插卡上，其它的擴展界面則做在底板上，底板是由一些連接器和無源器件組成的。

8、這種結構使得系統更新和修復簡單而且停機時間最少。而插卡之間的通信則通過現場總線，特別是CAN總線系統來解決。CAN總線技術的引入徹底改變了工程機械控制領域的面貌，分布式控制系統完全取代了集中式控制系統，在眾多具有CAN功能的控制器、傳感器和執行器的支持下，繁瑣的現場連線被單一、簡潔的現場總線網絡所替代，系統設計更加靈活、信號傳輸質量也大幅提高。 本文正是在已有的對CAN研究、應用基礎上，從工控機的角度來闡述CAN在實際工程的應用。本課題依托于工業控制項目經驗，希望通過吸收和繼承已有的項目應用成果，借鑒國外目前關于CAN的研究和應用，探討如何更好利用CAN進行工控機的通信應用。1.2主要工作本文

9、在己有的以N研究應用基礎上，結合實際項目經驗，借鑒國外相關技術和研究成果，進一步探討工控機中CAN的應用。研究主要圍繞以下幾點展開:闡述系統總體方案結構的選擇與實現。包含CAN總線通信接口適配卡，智能傳感器節點以與最小系統節點的架構。2.探討系統軟件設計的方案，包含上位機軟件設計以與CAN總線通信接口軟件設計。3.闡述底層模塊的設計與實現。1.3應用前景 基于CAN總線的分布式過程控制系統，是采用現場總線控制系統(FCS)的特點，把信息處理過程放到現場進行，而通過操作站集中管理。運用CAN總線技術，極大提高了系統的可靠性和實時性，系統開發成本低廉、性能價格比高，測控節點安裝維護簡單。 從本課題

10、在惡劣現場環境下的運行情況和實驗結果來看，能夠經受住現場的考驗，通信速率高，出錯率極低，運行效果良好，體現了CAN總線高性能、高可靠性的優點。具有廣闊的應用前景，體現了工業控制領域發展的重要方向，將有效的促進更大圍的CAN應用。第2章CAN總線概述2.1 CAN總線簡介 CAN起源1986年2月，RobertBosch公司在SAE(汽車工程協會)大會上介紹了一種新型的串行總線CAN控制器局域網，那是CAN誕生的時刻。今天，在歐洲幾乎每一輛新客車均裝配有以N局域網。同樣，CAN也用于其他類型的交通工具，從火車到輪船或者用于工業控制。CAN已經成為全球圍最重要的總線之一甚至領導著串行總線。 由于C

11、AN為愈來愈多不同領域采用和推廣，導致要求各種應用領域通信報文的標準化。為此，1991年9月 PHILIPSSEMICONDUCTORS規 (Version2.0)。該技術規包括，A和B兩部分規版本。2.OA給出了曾在CAN技術規版本1.2中定義的CAN報文格式，而2.0B給出了標準的和擴展的兩種報文格式。此后，1993年11月IS0正式頒布了道路交通運載工具一數字信息交換一高速通信控制器局部網(CAN)國際標準(IS011898)，為控制器局部網標準化、規化推廣鋪平了道路。 CAN總線是一種串行數據通信協議，它是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率可達IMBPs。

12、CAN總線通信接口中集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環冗余檢驗、優先級判別等項工作。CAN協議的一個最大特點是廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進行編碼。采用這種方法的優點可使網絡的節點個數在理論上不受限制，數據塊的標識碼可由n位或29位二進制數組成，因此可以定義211或229個不同的數據塊，這種按數據塊編碼的方式，還可使不同的節點同時接收到一樣的數據，這一點在分布式控制系統中非常有用。數據段長度最多為8個字節，可滿足通常工業領域中控制命令、工作狀態與測試數據的一般要求。同時，8個字節不會占用總線時間過長，從而保證了通信

13、的實時性。CAN協議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設計，特別適合工業過程監控設備的互連，因此，越來越受到工業界的重視，并已公認為最有前途的現場總線之一。另外，CAN總線采用了多主競爭式總線結構，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以與廣播通信的特點。CAN總線上任意節點可在任意時刻主動地向網絡上其它節點發送信息而不分主次，因此可在各節點之間實現自由通信。CAN總線協議已被國際標準化組織認證，技術比較成熟，控制的芯片已經商品化，性價比高，特別適用于分布式測控系統之間的數通訊。CAN總線插卡可以任意插在 PCATXT兼容機上，

14、方便地構成分布式監控系統。2.2 CAN的應用和前景展望2.2.1CAN的應用 盡管當初研究CAN的起點是應用于客車系統，但以N的第一個市場應用卻來自于其他領域。特別是在北歐，CAN早已得到非常普遍的應用。在荷蘭，電梯廠商Kone使用CAN總線。瑞士工程辦公室Kvaser己將以N應用至一些紡織機械廠(LindauerDornier和Sulzer)，并由他們提供機器的通訊協議。在荷蘭，Philis醫療系統使用CAN構成X光機的部網絡，成為CAN的工業用戶。從1992年起，Meroedes一Benz(奔馳)開始在他們的高級客車中使用CAN技術。第一步使用電子控制器通過CAN對發動機進行管理;第二步

15、使用控制器接收人們的操作信號。這就使用了2個物理上獨立的CAN總線系統，它們通過網關連接。其他的客車廠商也紛紛趕來斯圖加特學習，在他們的客車上也使用2套CAN總線系統。現在，繼Volvo、Saab、Volkswagen、BMW之后，Renault和Fiat也開始在他們的汽車上使用CAN總線。2.2.2 CAN前景展望 盡管CAN協議已經有20余年的歷史，但它仍處在改進之中。從2000年開始，一個由數家公司組成的150任務組織定義了一種時間觸發CAN報文傳輸的協議。BerndMueller博士、 ThomasFuehrer、BosCh公司人員和半導體工業專家、學術研究專家將此協議定義為“時間觸發

16、通訊的CAN(TTCAN)”，計劃在將來標準化為工5011898一4。這個CAN的擴展已在硅片上實現，不僅可實現閉環控制下支持報文的時間觸發傳輸，而且可以實現CAN的x一by-wire應用。因為CAN協議并未改變，所以，在同一個的物理層上，既可以實現傳輸時間觸發的報文，也可以實現傳輸事件觸發的報文。TTCAN將為CAN延長5一10年的生命期。現在，CAN在全球市場上仍然處于起始點，當得到重視時，誰也無法預料CAN總線系統在下一個10一15年的發展趨勢。這里需要強調一個現實:近幾年，美國和遠東的汽車廠商將會在他們所生產汽車的串行部件上使用CAN。另外，大量潛在的新應用(例如:娛樂)正在呈現不僅可

17、用于客車，也可用于家庭消費。同時，結合高層協議應用的特殊保安系統對CAN的需求也正在穩健增長。隨著電子技術和大規模集成電路的迅速發展，網絡控制芯片性能逐步提高，體積逐步減小，價格進一步降低，為工程機械局域網技術的普與推廣創造了良好的條件們。智能芯片價格的下降使得工程機械局域網的成本相差無幾，性能成為影響網絡選擇的主要因素。CAN以其優異的品質具有明顯的優勢，越發受到業界的歡迎。以N總線在工程機械上的廣泛應用將使工程機械的控制性能、動力性、操縱穩定性、安全性、燃油經濟性都上升到一個新的高度，給工程機械技術的發展注入新的活力。2.3幾種現場總線的介紹與其性能的比較2.3.1現場總線所謂現場總線，是

18、指安裝在制造或過程區域的現場裝置之間、以與現場裝置與控制室的自動控制裝置之間的開放式、數字化、串行和多點通信的數據總線。不同的機構和不同的人可能對現場總線有著不同的定義，不過通常情況下，大家公認現場總線的本質體現在以下六個方面:現場通信網絡:用于過程自動化和制造自動化的現場設備或現場儀表互連的現場通信網絡。 現場設備互聯:依據實際需要使用不同的傳輸介質把不同的現場設備或者現場儀表相互關聯。 互操作性:用戶可以根據自身的需求選擇不同廠家或不同型號的產品構成所需的控制回路，從而可以自由地集成FCS。分散功能塊:FCS廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站，把DCS控制站的功能塊分散地分配給現場儀表，

19、從而構成虛擬控制站，徹底地實現了分散控制。通信線供電:通信線供電方式允許現場儀表直接從通信線上攝取能量，這種方式提供用于本質安全環境的低功耗現場儀表，與其配套的還有安全柵。二愁開放式互聯網絡:現場總線為 開放式互聯網絡，既可以與同層網絡互聯，也可與不同層網絡互聯，還可以實現網絡數據庫的共享。由于現場總線的以上特點，特別是現場總線系統結構的簡化，使控制系統從設計、安裝、投運到正常生產運行與檢修維護，都體現出優越性。現場總線技術引入我國雖然只有短短的十幾年，卻早已融入了工業控制領域的方方面面。2.3.2 當前主流現場總線概況 由于市場的驅動，世界各大控制系統廠家都相繼開發了各自的現場總線產品，現場

20、總線標準繁多。要想達到開放、兼容、互操作和各總線間互聯的目的，就必須實行大家都遵守的國際標準。國際工EC/TC65標準化組織為統一現場總線通信協議，在10多年工作中，通過爭論與妥協，于1999年12月底通過了8種總線標準的折中方案。這8種總線的類型是:Foundati。 nFieldBuS(簡稱FF)、CONTROLNET、PROFIBUS、P一NET、FFHSE、SWIFTNET、WOLDFIP、INTERBUS，再加上IECTC17B通過的3種現場總線國際標準，即SnS、ASI與 neviCeNe七，還有15011898的CAN，共有12種之多6J。下面就其它幾種主流非CAN的現場總線做一

21、簡單介紹。FoundationFieldBus 這是以美國Fisher一Rousemount公司為首的聯合了橫河、ABB、西門子、英維斯等80家公司制定的工SP協議和以Honeywen公司為首的聯合歐洲等地150余家公司制定的WorldFIP協議于1994年9月合并的。 FF總線采用國際標準化組織工S0的開放化系統互聯051的簡化模型(l，2，7層)，即物理層、數據鏈路層、應用層，另外增加了用戶層。FF分低速H1和高速HZ兩種通信速率，前者傳輸速率為31.25Kbit/秒，通信距離可達1900m，可支持總線供電和本質安全防爆環境。后者傳輸速率為 IMbit/秒和2.SMbit/秒，通信距離為7

22、5Om和50Om，支持雙絞線、光纜和無線發射，協議符號IECll58一2標準。FF的物理媒介的傳輸信號采用曼切斯特編碼。 PROFIBUS PROFIBUS是德國標準(DIN19245)和歐洲標準(EN50170)的現場總線標準。由PROFIBUSDP、PROFIBUS一FMS、PROFIBUS一PA系列組成。DP用于分散外設間高速數據傳輸，適用于加工自動化領域。FMS適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等。PA用于過程自動化的總線類型，服從工 EC1158一2標準。PROFIBUS支持主一從系統、純主站系統、多主多從混合系統等幾種傳輸方式。PROFIBUS的傳輸速率為9.6Kbit

23、/s至12Mbit/s，最大傳輸距離在9.6Kbit/s下為1200m，在12Mbit/s小為200m，可采用中繼器延長至10km，傳輸介質為雙絞線或者光纜，最多可掛接127個站點。 DevieeNet DeviCeNet是一種低成本的通信連接也是一種簡單的網絡解決方案，有著開放的網絡標準。DeviceNet具有的直接互聯性不僅改善了設備間的通信而且提供了相當重要的設備級陣地功能。DebiceNet基于CAN技術，傳輸率為125Kbit/s至50OKbit/s，每個網絡的最大節點為64個，其通信模式為:生產者/客戶(Pr。dueer/Consumer)，采用多信道廣播信息發送方式。位于Devi

24、eeNet網絡上的設備可以自由連接或斷開，不影響網上的其他設備，而且其設備的安裝布線成本也較低。INTERBUSINTERBUS是德國Phoenix公司推出的較早的現場總線，2000年2月成為國際標準IEC61158。INTERBUS采用國際標準化組織150的開放化系統互聯051的簡化模型(1，2，7層)，即物理層、數據鏈路層、應用層，具有強大的可靠性、可診斷性和易維護性。其采用集總幀型的數據環通信，具有低速度、高效率的特點，并嚴格保證了數據傳輸的同步性和周期性;該總線的實時性、抗干擾性和可維護性也非常出色。此外較有影響的現場總線還有丹麥公司Process一DataA/S提出的P一Net，該總

25、線主要應用于農業、林業、水利、食品等行業 ;SWIFTNET現場總線主要使用在航空航天等領域，還有一些其他的現場總線這里就不再贅述了。2.3.3 CAN總線的優點 現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現為分布式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支持。 CAN(ControllerAreaNetwork)屬于現場總線的疇，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。較之目前許多基于其他總線構建的分布式控制系統而言，基于CAN總線的分布式控制系統在以下方面具有明顯的優越性: 首先，以N控制器工作于多主方式，網絡中的各節

26、點都可根據總線訪問優先權(取決于報文標識符)采用無損結構的逐位仲裁的方式競爭向總線發送數據，且CAN協議廢除了站地址編碼”，而代之以對通信數據進行編碼，這可使不同的節點同時接收到一樣的數據，這些特點使得以N總線構成的網絡各節點之間的數據通信實時性強，并且容易構成冗余結構，提高系統的可靠性和系統的靈活性。 其次，CAN總線通過以N控制器接口芯片82C250的兩個輸出端以NH和以NL與物理總線相連，而CANH端的狀態只能是高電平或懸浮狀態，CANL端只能是低電平或懸浮狀態。這就保證不會出現象在RS一485網絡中，當系統有錯誤，出現多節點同時向總線發送數據時，導致總線呈現短路，從而損壞某些節點的現象

27、。而且CAN節點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上其他節點的操作不受影響，從而保證不會出現象在網絡中，因個別節點出現問題，使得總線處于“死鎖”狀態。 最后，CAN具有的完善的通信協議可由CAN控制器芯片與其接口芯片來實現，從而大大降低系統開發難度，縮短了開發周期，另外，與其它現場總線比較而言，CAN總線是具有通信速率高、容易實現、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標準的現場總線。這些也是目前以N總線應用于眾多領域，具有強勁的市場競爭力的重要原因。第3章CAN總線系統結構3.1 CAN的三層結構為了達到設計透明度以與實現柔韌性，CAN被細分為以下不同的層次:CAN對象層(the

28、。 bjectlayer)、CAN傳輸層 (thetransferlayer)和物理層 (thephysiCallayer)(如圖3.1一CAN的層結構)。 對象層和傳輸層包括所有由工50/051模型定義的數據鏈路層的服務和功能。對象層的作用圍包括:查找被發送的報文;確定由實際要使用的傳輸層接收哪一個報文;為應用層相關硬件提供接口9。在這里，定義對象處理較為靈活。傳輸層的作用主要是傳送規則，也就是控制幀結構、執行仲裁、錯誤檢測、出錯標定、故障界定。總線上什么時候開始發送新報文以與什么時候開始接收報文，均在傳輸層里確定。位定時的一些普通功能也可以看作是傳輸層的一部分。理所當然，傳輸層的修改是受到

29、限制的。物理層的作用是在不同節點之間根據所有的電氣屬性進行位信息的實際傳輸。Figure3.1 the Layer Strueture of CAN 在CAN系統里，節點不使用任何關于系統配置的信息(比如，站地址)，CAN具有以下幾個重要的特點: 1.系統靈活性:不需要改變任何節點的應用層與相關的軟件或硬件，就可以在CAN網絡中直接添加節點。 2.報文路由:報文的容由識別符命名。識別符不指出報文的目的地，但解釋數據的含義。因此，網絡上所有的節點可以通過報文濾波確定是否應對該數據做出反應。 3.多播:由于引入了報文濾波的概念，任何數目的節點都可以接收報文，并同時對此報文做出反應。4.數據連貫性:

30、在CAN網絡，可以確保報文同時被所有的節點接收(或同時不被接收。因此，系統的數據連貫性是通過多播和錯誤處理的原理實現的。3.2 物理層 物理層是051參考模型的最低層，其任務就是為它的上一層提供一個傳輸數據的物理連接。在這一層，數據僅作為原始的比特流(bit流)進行處理。該層規定了網絡設備之間的物理接口特性與通信規則，即，規定了為建立、維護和拆除物理鏈路(通信結點之間的物理路徑)所需的機械、電氣、功能和規程特性。其作用是確保比特流在物理信道上傳輸。 物理層的媒體包括架空明線、平衡電纜、光纖、無線信道等。通信用的互連設備指DTE和DCE間的互連設備。DTE既數據終端設備，又稱物理設備，如計算機、

31、終端等都包括在。而DCE則是數據通信設備或電路連接設備，如調制解調器等。數據傳輸通常是經過DTEDCE，再經過DCE一DTE的路徑。互連設備指將DTE、DCE連接起來的裝置，如各種插頭、插座。LAN中的各種粗、細同軸電纜、T型接頭、插頭，接收器，發送器，中繼器等都屬物理層的媒體和連接器。 CAN總線的物理層包含了媒體相關子層與媒體無關子層兩部分。從圖3.2可看出，DTE包含了物理層的一部分，即媒體無關子層:而DCE中包含了物理層的另一部分，即媒體相關子層。圖3.2物理層 媒體相關子層負責處理不同傳輸媒體、不同速率的信號轉換問題。媒體無關子層與數據鏈路層相連，負責信號編碼與解碼，增加或減除前導碼

32、、定界符的工作。所以物理層的功能是用于實現現場設備與總線之間的連接，為現場設備與通信傳輸媒體的連接提供機械和電氣接口，為現場設備對總線的發送和接收提供合乎規的物理信號。CAN通信協議中物理層的作用是在不同節點之間根據所有的電氣屬性進行位信息的實際傳輸。當然，同一網絡，物理層對于所有的節點必須是一樣的。盡管如此在實現CAN協議的方案中，選擇物理層方面還是很自由的，方案設計者盡可以按照自己的需求進行物理層的實際設計。3.3對象層和傳輸層 對象層和傳輸層包括所有由150/051模型定義的數據鏈路層的服務和功能。 物理層要為終端設備間的數據通信提供傳輸媒體與其連接媒體是長期的，連接是有生存期的。在連接

33、生存期，收發兩端可以進行不等的一次或多次數據通信。每次通信都要經過建立通信聯絡和拆除通信聯絡兩過程。這種建立起來的數據收發關系就叫做數據鏈路。而在物理媒體上傳輸的數據難免受到各種不可靠因素的影響而產生差錯，為了彌補物理層上的不足，為上層提供無差錯的數據傳輸，就要能對數據進行檢錯和糾錯。數據鏈路的建立、拆除、對數據的檢錯、糾錯是對象層和傳輸層的基本任務。 傳輸層是CAN協議的核心。它把接收到的報文提供給對象層，以與接收來自對象層的報文。傳輸層負責位定時與同步、報文分幀、仲裁、應答、錯誤檢測和標定、故障界定。對象層的功能是報文濾波以與狀態和報文的處理。第4章CAN的報文與異常處理報文是網絡換與傳輸

34、的數據單元。報文包含了將要發送的完整的數據信息，其長短很不一致，可分為自由報文和數字報文。在CAN協議中總線上的信息以不同的固定報文格式發送，但長度受限。當總線空閑時任何連接的單元都可以開始發送新的報文。4.1報文傳輸 CAN協議支持兩種報文格式，其唯一的不同是標識符(ID)長度不同，標準格式為H位，擴展格式為29位。 在標準格式中，報文的起始位稱為幀起始(SOF)，然后是由n位標識符和遠程發送請求位(RTR)組成的仲裁場。RTR位標明是數據幀還是請求幀，在請求幀中沒有數據字節。 控制場包括標識符擴展位(IDE)，指出是標準格式還是擴展格式。它還包括一保留位(RO)，為將來擴展使用。它的最后四

35、個字節用來指明數據場中數據的長度(DLC)。 數據場圍為08個字節，其后有一個檢測數據錯誤的循環冗余檢查(CRC)。應答場(ACK)包括應答位和應答分隔符。發送站發送的這兩位均為隱性電平(邏輯l)，這時正確接收報文的接收站發送主控電平(邏輯0)覆蓋它。用這種方法，發送站可以保證網絡中至少有一個站能正確接收到報文。報文的尾部由幀結束標出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位，如果這時沒有站進行總線存取，總線將處于空閑狀態(參看圖4.1一數據幀格式)。圖4.1數據幀格式報文傳輸由以下4個不同的幀類型所表示和控制:1.數據幀:數據幀將數據從發送器傳輸到接收器。2.遠程幀:總線單元發出遠程幀，請求發送具

36、有同一識別符的數據幀。3.錯誤幀:任何單元檢測到總線錯誤就發出錯誤幀。4.過載幀:過載幀用以在先行的和后續的數據幀(或遠程幀)之間提供一附加的延時。 數據幀和遠程幀可以使用標準幀與擴展幀兩種格式。，。它們用一個幀間空間與前面的幀分隔。數據幀(或遠程幀)與先行幀的隔離是通過幀間空間實現的，無論此先行幀類型如何(數據幀、遠程幀、錯誤幀、過載幀)。所不同的是，過載幀與錯誤幀之前沒有幀間空間，多個過載幀之間也不是由幀間空間隔離的。 幀間空間包括間歇、總線空閑的位場。 如果“錯誤被動”的站己作為前一報文的發送器時，則其幀空間除了間歇、總線空閑外，還包括稱作掛起傳送 (SuspendTransmissio

37、n)的位場(參考圖4.2一幀的種類與用途)。幀幀用途數據幀用于發送單元向接收單元傳送數據的幀遙控幀用于接收單元向具有一樣ID的發送單元請求數據的幀錯誤幀用于當檢測出錯誤時向其它單元通知錯誤的幀過載幀用于接收單元通知尚未接收準備的幀幀間隔用于將數據幀與遙控幀Figure4.2theUsageofFrame 間歇期間，所有的站均不允許傳送數據幀或遠程幀，唯一要做的是標示一個過載條件。總線空閑的時間是任意的。只要總線被認定為空閑，任何等待發送報文的站就會訪問總線。在發送其他報文期間，有報文被掛起，對于這樣的報文，其傳送起始于間歇之后的第一個位。“錯誤被動”的站發送報文后，站就在下一報文開始傳送之前或

38、總線空閑之前發出8個“隱性”的位跟隨在間歇的后面。如果與此同時另一站開始發送報文(由另一站引起)，則此站就作為這個報文的接收器。4.1.1報文編碼 幀的部分，諸如幀起始、仲裁場、控制場、數據場以與CRC序列，均通過位填充的方法編碼8。無論何時，發送器只要檢測到位流里有5個連續識別值的位，便自動在位流里插入一補碼位。 數據幀或遠程幀(CRC界定符、應答場和幀末尾)的剩余位場形式一樣，不填充。錯誤幀和過載幀的形式也一樣，但并不通過位填充的方法進行編碼。其報文里的位流根據“不返回到零”(NRZ)之方法來編碼。這就是說，在整個位時間里，位電平要么為“顯性”，要么為“隱性。4.1.2報文校驗 報文傳輸之

39、后，對于接受到的報文，CAN發送器和接收器都需要對之進行校驗。校驗報文是否有效的時間點，發送器與接收器各不一樣。 對于發送起來說，如果直到幀的末尾位均沒有錯誤，則此報文對于發送器有效。如果報文破損，則報文會根據優先權自動重發。為了能夠和其他信息競爭總線，重新傳輸必須在總線空閑時啟動。 而對于接受器來說，如果直到一最后的位(除了幀末尾位)均沒有錯誤，則報文對于接收器有效。4.2 錯誤處理與故障界定 在CAN總線中有以下5種不同的錯誤類型，這5種錯誤不會相互排斥 1.位錯誤站單元在發送位的同時也對總線進行監視。如果所發送的位值與所監視的位值不相符合，則在此位時間里檢測到一個位錯誤 (BitErro

40、r)。但是在仲裁場 (ArbitrationField)的填充位流期間或ACK間隙 (ACKSlot)發送一“隱性”位的情況是例外的此時，當監視到一“顯性”位時，不會發出位錯誤 (BitError)。當發送器發送一個被動錯誤標志但檢測到“顯性”位時，也不視為位錯誤。2.填充錯誤如果在使用位填充法進行編碼的信息中，出現了第6個連續一樣的位電平時，將檢測到一個填充錯誤。3.CRC錯誤CRC序列包括發送器的CRC計算結果。接收器計算CRC的方法與發送器一樣。如果計算結果與接收到CRC序列的結果不相符，則檢測到一個CRC錯誤 (CRCError)。4.形式錯誤 當一個固定形式的位場含有1個或多個非法位

41、，則檢測到一個形式錯誤 (ForlnError)。5.應答錯誤只要在ACK間隙 (ACKSlot)期間所監視的位不為“顯性”，則發送器會檢測到一個應答錯誤 (AcknowledgmeniError)。檢測到錯誤條件的站通過發送錯誤標志指示錯誤。對于“錯誤主動”的節點，錯誤信息為“主動錯誤標志”，對于“錯誤被動”的節點，錯誤信息為“被動錯誤標志”。站檢測到無論是位錯誤、填充錯誤、形式錯誤，還是應答錯誤，這個站會在下一位時發出錯誤標志信息。只要檢鋇l到的錯誤的條件是CRC錯誤，錯誤標志的發送開始于ACK界定符之后的位(其他的錯誤條件除外)。至于故障界定，單元的狀態可能為以下三種、之一:錯誤主動、錯

42、誤被動和總線關閉。“錯誤主動”的單元可以正常地參與總線通訊并在錯誤被檢測到時發出主動錯誤標志。“錯誤被動”的單元不允許發送主動錯誤標志。“錯誤被動”的單元參與總線通訊而且在錯誤被檢測到時只發出被動錯誤標志。而且，發送以后，“錯誤被動”單元將在預設下一個發送之前處于等待狀態。“總線關閉”的單元不允許在總線上有任何的影響。 在每一總線單元里實現兩種計數以便故障界定:發送錯誤計數、接收錯誤計數。這些計數按以下規則改變:1.當接收器檢測到一個錯誤，接收錯誤計數就加1。在發送主動錯誤標志或過載標志期間所檢測到的錯誤為位錯誤時，接收錯誤計數器值不加2.當錯誤標志發送以后，接收器檢測到的第一個位為“顯性”時

43、，接收錯誤計數值加8。3.當發送器發送一錯誤標志時，發送錯誤計數器值加8。4.發送主動錯誤標志或過載標志時，如果發送器檢測到位錯誤，則發送錯誤計數器值加8。5.當發送主動錯誤標志或過載標志時，如果接受器檢測到位錯誤(位錯誤)，則接收錯誤計數器值加8。6.在發送主動錯誤標志、被動錯誤標志或過載標志以后，任何節點最多容許7個連續的“顯性”位。7.報文成功傳送后(得到應答與直到幀末尾結束沒有錯誤)，發送錯誤計數器值減1，除非已經是0。8.如果接收錯誤計數值介于1和127之間，在成功地接收到報文后(直到ACK間隙接收沒有錯誤，與成功地發送了應答位)，接收錯誤計數器值減1。如果接收錯誤計數器值是O，則它

44、保持0，如果大于127，則它會設一值介于119到127之間。9.當發送錯誤計數器值等于或超過128時，或當接收錯誤計數器值等于或超過128時，節點為“錯誤被動，。讓節點成為“錯誤被動”的錯誤條件致使節點發出主動錯誤標志。10.當發送錯誤計數器值大于或等于256時，節點為“總線關閉”。11.當發送錯誤計數器值和接收錯誤計數器值都小于或等于127時，“錯誤被動”的節點重新變為“錯誤主動”。12.在總線監視到128次出現11個連續“隱性”位之后，“總線關閉”的節點可以變成“錯誤主動”(不再是“總線關閉”)，它的錯誤計數值也被設置為O。4.3位定時與位同步CAN總線的數據傳輸速率最高可達1Mbit/S

45、，通常用石英晶振作為時鐘發生器，可以獨立進行位定時的參數設置，這樣即使網絡中節點之間的時鐘周期不一樣仍可獲得一樣的位速率。但網絡中晶振的頻率不是絕對穩定的，溫度、電壓以與器件的異常都會導致微小的差別，但只要將其穩定在振蕩器容差圍之，總線上的節點會通過重同步進行彌補。CAN總線的一個位時間可以分成四個部分:同步段，傳播段t71，相位段1和相位段2，每段的時間份額的數目都是可以編程控制的，而時間份額的大小tq由系統時鐘tsys和波特率預分頻值BRP決定:tq=B即八Sys。如圖4.3:圖4.2位時間 位時間的同步段用于同步總線上不同的節點。這一段要有一個跳變沿。傳播段用于補償網絡的物理延時時間。它

46、是總線上輸入比較器延時和輸出驅動器延時總和的兩倍。相緩沖段用于補償邊沿階段的錯誤。這兩個段可以通過重新同步加長或縮短。 總線節點在每個時間份額都會采樣總線，并與前一次采樣值進行比較，如果前一次采樣值是隱性而當前的采樣值是顯性，那么總線節點就會發生一次同步。如果跳變沿出現在同步段的前面，沿相位錯誤就是負的，反之就是正的。 同步分為硬同步和重新同步兩類。 在幀起始時，總線會進行一次硬同步。硬同步后，位時間由每個位定時邏輯單元在同步段之后重新啟動，強迫引起硬同步的邊沿處于重新啟動位時間的同步段。 當引起重新同步的沿相位錯誤幅值小于或等于同步跳轉寬度的數值時，重新同步導致位時間的延長或縮短，使采樣點處

47、于適當的位置。當沿相位誤差幅值大于重新同步跳轉寬度時，如果相位誤差為正，相位緩沖段1延長數值等于同步跳轉寬度;如果相位誤差為負，相位緩沖段2縮短數值等于同步跳轉寬度。 通過同步，總線可以有效地濾除長度小于傳播段與相位緩沖段l長度之和的噪聲。但在一個位時間里只允許一種同步發生。除了噪聲以外，絕大多數的同步都是由仲裁引起的，總線上的所有節點都要同步于最先開始發送的節點，但是由于總線延遲，節點的同步不可能達到理想的要求。 如果最先發送的節點沒有贏得總線仲裁，那么所有的接收節點都要重新同步于獲得總線仲裁的節點。應答場的情況也是如此，總線上的接收節點都要同步于最先發送顯性位的節點。但是當發送節點與接收節

48、點的時鐘周期不同并經過多次同步累加起來，振蕩器容差會導致同步在仲裁場之后出現。圖4.3列舉了沿相位誤差為正負兩種情況，說明了相位緩沖段如何彌補沿相位錯誤。圖4.3位同步同步應遵循以下規則:1.在一個位時間里只允許一個同步。2.僅當采集點之前探測到的值與緊跟沿之后的總線值不相符合時，才把沿用作于同步。3.總線空閑期間，有一“隱性”轉變到“顯性”的沿，無論何時，硬同步都會被執行。4.如果僅僅是將“隱性”轉化為“顯性”的沿用作于重新同步使用，則其他符合規則1和規則2的所有從“隱性”轉化為“顯性”的沿可以用作為重新同步。有一例外情況，即，當發送一顯性位的節點不執行重新同步而導致一“隱性”轉化為“顯性”

49、沿，此沿具有正的相位誤差，不能作為重新同步使用。第5章工業控制系統的簡介 工控機即工業控制計算機，也叫做工業個人計算機 industrial Personal computer IPC)，英文簡稱IPC。工控機通俗的說就是專門為工業現場而設計的計算機。也可以理解為產業電腦或工業電腦。5.1工控機與系統的應用與發展 工控機是一種加固的增強型個人計算機，它可以作為一個工業控制器在工業環境中可靠運行。早在80年代初期，美國AD公司就推出了類似IPC的MAC一150工控機，隨后美國IBM公司正式推出工業個人計算機IBM7532。由于IPC的性能可靠、軟件豐富、價格低廉，而在工控機中異軍突起，后來居上，

50、應用日趨廣泛。目前，IPC已被廣泛應用于通訊、工業控制現場、路橋收費、醫療、環保與人們生活的方方面面。 國外自上世紀60年代出現第一臺工業過程控制系統以來已經過三代產品的發展變化，隨著計算機技術與產品的發展，工業控制系統亦相應地不斷發展。其目前具有以下特點:1.半導體技術集成電路技術推動微處理器、微控制器的發展，1位、4位、8位、16位、32位微處理器，微控制器與單片機性能價格比不斷提高，Intel、Motorola等公司的微處理器占統治地位，各種控制器、控制裝置、PLC更新換代加快，神經元網絡芯片己問世，模擬控制器、智能控制器已初步商品化與推廣應用r，2，。2.分布式控制系統已推出第四代產品

51、，如Honeywell公司新推出的 ExperianPKS(過程知識系統)，Emerson公司的Plantweb，Foxboro公司的AZ，橫河公司的R3(PRM一工廠資源管理系統)，ABB公司的 IndustrialIT系統。3.計算機技術、通信技術、控制技術的發展，使控制系統向全數字化、全分散式、全開放可互操作和開放式互聯網絡的新一代現場總線控制系統(FCS)發展。現場總線技術近年迅速發展，目前有FF(現場總線基金會)、Profibus(過程現場總線)、Lonworks(局部操作網絡)、CAN(控制局域網絡)、以RT(可尋址遠程傳感器數據通路)等，Lonworks已經廣泛的應用，得到包括I

52、BM、Honeywen、ABB等大公司在的2500家生產廠家的支持，占領了約1/3的樓宇自動化市場，已成為美國空調暖通工程師協會ASHRAE的樓宇自動化的標準。4.PLC技術20世紀80年代走向成熟，目前己有新的突破，無論是處理速度，功能強化、通訊能力都提高到一個新水平，小型pLC向小型化、低成本、簡單、多用方向發展，大中型PLC向多功能、高速度、大容量、網絡化方向發展。5.自動控制理論與技術的發展，先進控制、模糊控制、人工神經網絡、人工智能技術和專家系統己在工業自動化中實際應用:多變量預測控制、先進控制軟件產品在國外石油、化工等流程工業已廣泛使用:人工神經網絡已制成專用芯片與自動裝置，模糊控

53、制器亦已商品化，廣泛用于工業生產過程控制和電冰箱洗衣機等家用電器控制中，專家系統己在電站控制、冶金過程與石化裝置自動控制中應用，國外制造自動化向CIMS精良生產、敏捷制造方向發展，流程工業亦向集成生產系統CIPS發展。 隨著計算機技術與應用的發展，工業控制機不斷向數字化、微型化、分散化、個性化、專用化發展，工業控制機系統向網絡化、集成化、綜合化、智能化方向發展，隨著信息化帶動工業化，工業化促進信息化的進展，企業信息化、社區信息化、家庭信息化的發展，工業控制機的市場不斷擴大，前景寬廣。5.2典型PC總線工控機組成 早期的工控機就是一個質量更好的PC，隨著工控機被大量用于工業現場，基于母板的系統是

54、不靈活的，為了修復或更新系統需要更換整個母板。更換母板需要在母板拿走之前把所有的插卡和電纜都拔掉。這就導致修復或更新時系統停機時間增加，這在工控現場是不可接受的。 因此工程師們想到另外一個方法，取消母板架構，而把核心的CPU處理單元做在一插卡上，其它的擴展界面則做在底板上，底板是由一些連接器和無源器件組成的。這種結構使得系統更新和修復簡單而且停機時間最少。 就這樣慢慢隨著用戶使用環境的變化，工控機架構演變成了現在流行的底板加插卡的架構(如圖5.1一工控機架構)。典型的工控機主要結構如下: 1.全鋼機箱。IPC的全鋼機箱是按標準設計的，抗沖擊、抗振動、抗電磁干擾，部可安裝同PC一bus兼容的無源

55、底板。 2.無源底板。無源底板的插槽由ISA和PCI總線的多個插槽組成，IsA或PCI插槽的數量和位置根據需要有一定選擇，該板分為四層結構，中間兩層分別為地層和電源層，這種結構方式可以減弱板上邏輯信號的相互干擾和降低電源阻抗。底板可插接各種板卡，包括CPU卡、顯示卡、控制卡、FO卡等。 3.工業電源。工控機電源多為AT開關電源，平均無故障運行時間達到250，000小時。 4.CPU卡。工控機的CPU卡有多種，根據尺寸可分為長卡和半長卡，根據處理器可分為386、486、586、Pll、Plll主板，用戶可視自己的需要任意選配。其主要特點是:工作溫度0一600C;裝有“看門狗”計時器;低功耗，最大

56、時為 SV/2.SA。 5.其他配件。工控機的其他配件基本上都與PC機兼容，主要有存、顯卡、硬盤、軟驅、鍵盤、鼠標、光驅、顯示器等。圖5.1工控機架構5.3工控機系統總線通信技術5.3.1 RS一232/484串口通信協議的應用 RS一232總線是在工控機系統中最早應用的一種總線通信技術，后來又逐漸使用了RS一422與RS一485。 RS一232、RS一422與RS一485都是串行數據接口標準，最初都是由電子工業協會(EIA)制訂并發布的匯18)，RS一232在1%2年發布，命名為EIA一232一E，作為工業標準，以保證不同廠家產品之間的兼容。RS一422由RS一232發展而來，它是為彌補RS

57、一232之不足而提出的。為改進RS一232通信距離短、速率低的缺點，RS一422定義了一種平衡通信接口，將傳輸速率提高到IOMb/s，傳輸距離延長到4000英尺(速率低于IO0kb/s時)，并允許在一條平衡總線上連接最多10個接收器。RS一422是一種單機發送、多機接收的單向、平衡傳輸規，被命名為TIA了EIA一422一A標準。為擴展應用圍，EIA又于1983年在 RS一422基礎上制定了RS一485標準，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發送器連接到同一條總線上，同時增加了發送器的驅動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模圍，后命名為TIA/EIA一485一A標準。由于EIA提出的建議標準都是

58、以嘆s作為前綴，所以在通訊工業領域，仍習慣將上述標準以RS作前綴稱謂。 RS一232、RS一422與RS一485標準只對接口的電氣特性做出規定，而不涉與接插件、電纜或協議，在此基礎上用戶可以建立自己的高層通信協議。 目前RS一232是工控機與通信工業中應用最廣泛的一種串行接口。RS一232被定義為一種在低速率串行通訊中增加通訊距離的單端標準。RS一232采取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。 收、發端的數據信號是相對于信號地，如從DTE設備發出的數據在使用DB25連接器時是2腳相對7腳(信號地)的電平。典型的RS一2犯信號在正負電平之間擺動，在發送數據時，發送端驅動器輸出正電平在+5一 +lsv

59、，負電平在一5一15V電平。當無數據傳輸時，線上為TTL，從開始傳送數據到結束，線上電平從TTL電平到RS一232電平再返回TTL電平。接收器典型的工作電平在+3一 +lZV與一3一一12V。由于發送電平與接收電平的差僅為ZV至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大為約巧米，最高速率為20kb/s。RS一232是為點對點(即只用一對收、發設備)通訊而設計的，其驅動器負載為3一7k。所以RS一232適合本地設備之間的通信。 針對RS一232的不足，于是就不斷出現了一些新的接口標準，RS一485就是其中之一，它具有以下特點: 1.RS一485的電氣特性:邏輯“1”

60、以兩線間的電壓差為十(2一6)V表示;邏輯“O”以兩線間的電壓差為一(2一6)V表示l7。接口信號電平比RS一232一C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。 2.Rs一455的數據最高傳輸速率為10Mbps，日，。 3.RS一485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強，即抗噪聲干擾性好。 4.RS一485接口的最大傳輸距離標準值為4000英尺，實際上可達3000米，另外RS一232接口在總線上只允許連接1個收發器，即單站能力。而RS一485接口在總線上是允許連接多達 128個收發器，即具有多站能力。5.3.2 CAN總線的應用