基于can現場總線的分布式控制系統設計優秀及文獻綜述-wenkub

　

【正文】 [1] 現場總線系統的技術特點 (1) 系統的開放性 一個開放系統，是指它可以 與世界上任何地方遵守相同標準的其它設備或系統連接。通過現場總線構筑自動化領域的開放互連系東華理工大學長江學院畢業設計（論文） 緒論 2 統。從根本上改變了現有DCS 集中與分散相結合的集散控制系統體系，簡化了系統結構，提高了可靠性。 節省安裝費用：現場總線系統的接線十分簡單，一對雙絞線或一條電纜上通常可掛接多個設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減 少，連線設計與接頭校對的工作量也大大減少。 用戶具有高度的系統集成主動權：用戶可以自由 選擇不同廠商所提供的設備來集成系統。 [3] 此外，由于設備標準化，功能模塊化，因而還具有設計簡單，易于重構等優點。本文采用 CAN 現場總線技術，設計開發了一種分布式測量系統。 [8] CAN 模塊是一個通信控制器，執行的是 BOSCH 公司的 ，它能支持， ， 協議的舊版本和 的現行版本，此控制器模塊包含完整的 CAN 系統。 [5] CAN 模塊支持的幀類型 CAN 模塊支持的幀類型有：標準數據幀，擴張數據幀，遠程幀，出錯幀，過載幀和空閑幀。今天，歐洲大多數的汽車制造者也應用了 CAN 總線，比如奧迪、寶馬、雷諾、大眾、沃爾沃。如應用于農業和林業中的移動設施、輪椅、起重機等。 CAN 在工業控制中的典型應用有：紡織機、印刷機、打包機、壓縮機、木材處理機、半導體加工設備等。 (6) 一些特殊的應用領域 CAN 總線還應用在一些特殊的領域。 集中式控制系統在硬件構成上，將每個檢測點發送來的信號通過輸入接口與集中控制系統相連，經過計算機分析運算后，集中控制系統的輸出信號又通過輸出接口去執行機構控制工藝生產。 DCS 集計算機軟件技術、硬件技術、控制技術、通訊技術、冗余技術、故障診斷技術和圖形顯示技術為一體，靈活、易變更、易擴展。 [7] 本文研究的內容 在本研究中，利用 CAN 現場總線技術構建一個通用的分布式測量系統。 研究內容包括節點硬件、 CANPC 接口卡硬件研制；節點軟件、接口卡軟件研制。 第二章介紹了方案對比， CAN 總線技術的基本原理，并對其物理層和邏輯鏈路層協議進行了詳細的分析，同時結合實踐經驗，在網絡拓撲、數據定義選擇、錯誤預防和實現形式等方面提出了 CAN 總線組網的理論依據。汽車工程師學會 SAE (Society ofAutomotive Engineers)為加強 CAN 在汽車工業中的應用，制定了用于汽車制造業的 SAEJ1939 標準。含 CAN 控制器的單片 機有 Intel公司的 87C196CA/CB； Philips 公司的 80C592， 80CE598； Motorola 公司的 68HC05X4，68HC05X16， 68HC08； Siemens 公司的 SABC5l CLM， SABC167CRLM； Texas Instrument公司的 TMS320F243， Microchip 公司的 PIC18 系列等。 DeviceNet 和另一個基于 CAN 總線的 SDS 都已成為國際標準 IEC62026(低壓配電與控制裝置－控制器與設備接口 )所推薦的四種總線之一。它采用非平衡傳輸方式 (即單端通訊 )進行數據發送 /接收，其邏輯電平對地是對稱的，與 TTL, MOS 邏輯電平完 全不同。即便東華理工大學長江學院畢業設計（論文） CAN 總線技術研究 8 如此，該標準的信號傳輸速率也只能達到 20kb/s，而且最大距離僅 15m，要想實現遠距離傳輸，必須使用 Modem。 RS485具有很強的抑制共模干擾能力，而且接收器具有較高的靈敏度，因此，最大傳輸距離可延長到 1219 米 (速率低于 l00kb/s 時 )，在 100 米范圍內傳輸時速率高達 l0Mb/s，并允許在一條平衡總線上連接多個負載設備，負載設備可以是被動發送器、接收器或收發器。 RS485 總線網絡需要使用終接電阻進行匹配，其阻值相當于傳輸電纜的特性阻抗，一般為 120Ω 。 但是 RS485 總線畢竟只是一個簡單的沒有硬件通訊協議的物理層，其通訊協議完全依賴軟件的支持，這就增加了系統通訊軟件的負擔。 RS485通訊器件較小的收發緩沖區也不利于由它構成的網絡長期處于連續或長字串的收發狀態，這在接收和發送數據量不平衡的情況下尤其明顯。 (3) LONWORKS 東華理工大學長江學院畢業設計（論文） CAN 總線技術研究 9 局部操作網絡 (Local Operating Network)是由美國 Echelon 公司推出并由它與摩托羅拉、東芝公司共同倡導，于 1990 年正式公布而形成的。 Echelon 公司同時提供了一套開發工具平臺 LON Builder 與 Node Builder，以方便用戶利用神經元芯片、 LonTalk 協議、 LonWorks 收發器開發出適合各自領域的系統和產品。 FMS 意為現場信息規范，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等。其傳輸介質可以是雙絞線、光纜。其總線規范己被納入國際標準 ISO11898。可掛接設備數最多可達 110 個。 CAN 總線的主要特點 東華理工大學長江學院畢業設計（論文） CAN 總線技術研究 10 (1)CAN 總線具有點對點，一點對多點及全局廣 播傳送數據的功能，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜和光纖，通信距離最遠可達 l0km(速率為 5kbps 時 )，最高速率可達 1Mbps(通信距離可達 40m)； (2)CAN 總線廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊 (報文 )進行編碼，采用這種方法的優點可使網絡內的節點個數在理論上不受限制，數據塊的標識碼可由 11 位 (標準幀 )或 29 位 (擴展幀 )二進制數組成，因此可以定義 211 或 229 個不同的數據塊。當兩個節點同時向網絡發送數據時，優先級低的節點會主動停止數據發送，而優先級高的節點則不受影響地繼續傳送數據，大大節省了總線沖突裁決時間；通過報文的不同優先級，可以滿足不同的實時要求。 東華理工大學長江學院畢業設計（論文） CAN 總線技術研究 11 CAN 是根據復雜的工業環境設計的，具有強有力的檢錯能力，且可以在臨界高噪聲干擾環境下使用，使得 CAN 總線的應用范圍遍及從高速網絡到低成本的多種網絡。兩節點間的最大距離如表 1所示。在隱性狀態下， VCANH 和 VCANL 被固定于平均電壓電平， Vdiff 近似為 0。正是由于此特性， CAN 技術才能實現不同 于局域網 CSMA/CD（帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問技術）的無破壞沖突檢測。 FSM 把消息按位排列。 FSM 確定在接收數據、仲裁、傳輸以及發錯誤信號的所有過程都嚴格符合 CAN 協議。 邏輯鏈路控制 (LLC)子層 LLC 子層提供的功能包 括：幀接收過濾，超載通告和恢復管理。 超載通告：若接收器內部條件要求延遲一個 LLC 數據幀或遠程幀，則通過 LLC子層開始發送超載幀，最多可產生兩個超載幀，以延遲下一個數據幀或遠程幀。 MAC 子層可響應報文幀、仲裁、應答、錯誤檢測和標定。 [24]其中：數據幀將數據由發送器傳至接收器；遠 程幀由節點發送，以請求發送具有相同標識符的數據幀：出錯幀可由任何節點發送，以檢測總線錯誤，而超載幀用于提供先前和后續數據幀或遠程幀之間的附加延時。標準幀是 11 位標識符，擴展幀是 29 位標識符。 (2) 仲裁場：仲裁場由來自 LLC 子層的標識符和 RTR(Remote TransmissionRequest，遠程傳送請求 )位構成。在定義保留位功能前，發送器只送 0 位。 (6) ACK 場： ACK 場為兩位： ACK 隙和 ACK 界定符。 MAC 遠程幀 一般來說，數據由數據發送方主動發起。源節點收到遠程幀后，將向目標節點發送數據幀作為響應。在 MAC 數據幀中， RTR位數值為 1。 (1) 錯誤標志 有兩種錯誤標志形式：活動錯誤標志 (active error flag)和認可錯誤標志東華理工大學長江學院畢業設計（論文） CAN 總線技術研究 15 (passiveerror flag)。這樣，所有其他節點將檢測到一個出錯條件，并各自發送一個錯誤標志。 (2) 錯誤界 定符錯誤界定符由 8位隱性位構成。由于超載標志形式破壞了發送場的固定形式，因此， 所有其他節點將檢測到一個超載條件，并在其部件上開始發送一個超載標志。 幀間空間包括間歇場和總線空閑場。總線空閑時，任何節點均可訪問總線以便發送。當發送器在發送位流中檢測到 5 個數值相同的連續位 (包括填充位 )時，它在實際發送位流中，自動插入一個補碼位。對于發送器，若在幀結束前不存在錯誤，則該幀有效。決定哪一個節點可以發送數據被稱為仲裁。仲裁期間，每個發送器將發送位電平同總線上監測到的電平進行比較。 基于競爭的仲裁依靠標識符和緊隨其后的 RTR 位完成。 錯誤檢測 MAC 子層具有下列錯誤檢測功能：監測、填充規則校驗、幀校驗、 15 位循環冗余碼校驗和應答校驗。 (3) CRC 錯誤： CRC 序列由發送器的 CRC 計算結果構成。其中例外是：接收器在幀結束的最后位監測到顯性位時，不將其理解為形式錯誤。當檢測到 CRC 錯誤時，錯誤幀在緊隨 ACK 界定符后開始發送。錯誤認可節點在開始進一步發送前將等待一段附加時間。節點將檢測到錯誤并重發幀，其狀態變成為錯誤認可，但不會由此進入脫離總線狀態。 位編碼 /解 碼 位時間 Tb 被定義為一位的持續時間。 同步段用于同步總線上的各種 ECU。相位段 1 和相位段 2 這兩個相位緩沖段用于補償相位誤差，這兩個時間段可通過重同 步延長或縮短。 (2) 只有連續兩次采樣點數值不同的邊沿才被用于同步。CAN 控制器進行通信。特別是多節點應用時優勢突出。 結構設計 整個系統設計為分層結構。這些子節點通過雙絞線連接在一起，雙絞線兩端各接一個 120Ω的匹配電阻形成回路。各子節點檢測到數據后通過 CAN 控制器發到 CAN 總線上，并沿 CAN 總線到達接口卡。 [22] 東華理工大學長江學院畢業設計（論文） CAN 總線技術研究 20 表 2. 系統結構層次 層 子層 功能 上機機層 應用接口層 人機 介面，向操作者提供直觀的監控界面以及參數設置 節點類層 把節點層的節點映射為一個類，對節點的檢測和控制映射為節點類的方法調用 后臺數據庫層 保存所有檢驗信息和各節點的其它信息，用于支撐整個系統的運行 串口通信層 從串口接收和發送數據，內置了和校驗，串口數據重組等，為上層提供數據。 圖 9 總體結構 作為一個通用的數據采集和控制系統，為增加其通用性，各子節點具體采集的數據類型和控制類型并不事先完全確定好，而只是確定一個大致的方向，針對具體的應用再配以相應的傳感器。總之，子節點只要求四路輸入量是在一定范圍內的電壓信號，而各路電壓信號的具體含義留到上位機監測控制軟件處理。 東華理工大學長江學院畢業設計（論文） CAN 總線技術研究 21 一般來說，傳感器都是有漂移的，在使用之前傳感器都要先校準。為了消除這種不方便，本系統的設計上，使用上位機軟件校正的方法，從而大大提高校準的方便性。每一個傳感器的校準及其偏移數據的寫入是一件費力的工作。各被控制的輸出口具體含義由上位機軟件具體規定。 PIC16F877 的模擬輸入范圍為 0～ 5V，因此要求每一路輸入的電壓值范圍為 0～ 。這對于大部分應用都是足夠的。依托上位機快速數據處理運算功能對檢測數據進行分析處理。各子節點由定時器觸發，約 10s 進行一次 A/D 轉換檢測數據。層的結構如表 2所示。交換系統的響應時間變長，性能受到一定影響，而 CAN 總線具有優良的性能和可靠性，以多主方式工作，能使系統的各模塊實現多主通信，充分發揮各單片機 的功能； (4) CAN 的通信介質可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。 [30] 圖 8 CAN 控制器結構框圖 分布式測量系統的總體設計 同步段 傳播段 相伴緩存段 1 相伴緩存段 2 正常位時間 東華理工大學長江學院畢業設計（論文） CAN 總線技術研究 19 由前面所述， RS485 總線和 CAN 總線都可以用于遠程監測控制。 (4) 所有滿足規則的 (1)和 (2)的其它隱性至顯性的跳變沿將被用于重同步。為了補償這種不一致，每個 CAN控制器必須要同步到 CAN 幀的邊緣。傳播段用于補償網絡內的物理延遲時間。 正常位時間是正常位速率的倒數，即：正常位時間 =1/正常位速率 正常位時間可劃分為互不重疊的時間段