基于can現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)秀及文獻(xiàn)綜述(存儲(chǔ)版)

　　

【正文】 中， CAN 被用在負(fù)責(zé)交通安全和法規(guī)保障的測量設(shè)備中，現(xiàn)在已有的基于 CAN 的實(shí)現(xiàn)多種功能的智能節(jié)點(diǎn)，如紅燈監(jiān)視和速度測量。 (5) 樓宇自動(dòng)化系統(tǒng) 在樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)中 ， CAN 總線主要用于子網(wǎng)的組建中，而不是主干網(wǎng)絡(luò)。 1975 年，美國的 Honey Well 公司推出了第一套 DCS 分散控制系統(tǒng)。各節(jié)點(diǎn)分布在不同的位置，每節(jié)點(diǎn) 4 路傳感器，并以 CAN 總線連接。 結(jié) 束語中對(duì)基于 CAN 總線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。 1993 年 3 月國際 CAN 總 線用戶及制造商協(xié)會(huì)在歐洲正式成立，協(xié)會(huì)的名稱簡寫為 Cia (CAN in Automation)，其任務(wù)為制訂修改 CAN 的有關(guān)協(xié)議，解決 CAN 總線應(yīng)用中的問題，提供 CAN 總線開發(fā)工具及產(chǎn)品，推廣 CAN 總線的應(yīng)用，并定期出版刊物。因此 RS232C 驅(qū)動(dòng)器與 TTL電平連接必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。 RS485 串行接口支持半雙工通信，只需一對(duì)雙絞線即可方便地構(gòu)成主機(jī)與多個(gè)子機(jī)的分布式系統(tǒng)，接口電路簡單，系統(tǒng)成本低。 RS485總線一般以單主的工作方式設(shè)計(jì)， 若令其工作在多主方式，則其通訊的可靠性反比于通訊網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷量。 LonWorks技術(shù)所采用的 LonTalk協(xié)議被封裝在稱之為 Neuron的神經(jīng)元芯片中而得以實(shí)現(xiàn)。該項(xiàng)技術(shù)是由西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的，采用了OSI 模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。 CAN 總線的信號(hào)傳輸介質(zhì)可為雙絞線、同 軸電纜或光纖。 (3)網(wǎng)絡(luò)上任意 一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以主動(dòng)地向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，是一種多主總線。國內(nèi)外應(yīng)用CAN 技術(shù)新的研究正在蓬勃發(fā)展，并不斷有新的應(yīng)用產(chǎn)生。顯性狀態(tài)以大于最小閾值的差分電壓表示。有限狀態(tài)器串行控制發(fā)送 /接收移位寄存器， CRC 寄存器以及總線上的串行數(shù)據(jù)。標(biāo)識(shí)符并不能指明幀的目的地，但描述數(shù)據(jù)的含義。 MAC 子層特性不存在修改的靈活性。 幀起始 仲裁場 控制場 數(shù)據(jù)場 CRC場 ACK場 幀結(jié)束 圖 5 MAC標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀 (1) 幀起始 (SOF)：標(biāo)志數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的起始，它由單個(gè)顯性位構(gòu)成。 (5) CRC 場： CRC 場包括 CRC 序列，后隨 CRC 界定符。但是目標(biāo)節(jié)點(diǎn)也可以主動(dòng)向源節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求數(shù)據(jù)。 若數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀同時(shí)在總線上發(fā)送時(shí)，由于數(shù)據(jù)幀在標(biāo)識(shí)碼后一位是顯性位，而遠(yuǎn)程幀是隱性位，數(shù)據(jù)幀將贏得仲裁而優(yōu)先發(fā)送。此序列的總長度在最小值 6 位與最大值 12位之間變化。 幀間空間 數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀同前述的任何幀 (數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、出錯(cuò)幀、超載幀 )以幀間空間隔開。如果在總線空閑期間檢測到總線上顯性位將被理解為幀起始。對(duì)于接收器，若在幀結(jié)束前不存在錯(cuò)誤，則該幀有效。當(dāng)送出一個(gè)隱性電平，而監(jiān)測到的為顯性電平時(shí)，表明節(jié)點(diǎn)丟失仲裁，并且不應(yīng)再送更多位。其中例外情況是：在仲裁期間，當(dāng)送出隱性信息位或 ACK 期間送出隱性位時(shí)，而檢測到顯性位不會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)誤；送出認(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)志，而檢測到顯性位的節(jié)點(diǎn)也不會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò) 誤。 當(dāng)檢測到以上這 些錯(cuò)誤之一， MAC 子層啟動(dòng)發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志。在總線脫離狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)不發(fā)送也不接收任何幀。 正常位時(shí)間是正常位速率的倒數(shù)，即：正常位時(shí)間 =1/正常位速率 正常位時(shí)間可劃分為互不重疊的時(shí)間段。為了補(bǔ)償這種不一致，每個(gè) CAN控制器必須要同步到 CAN 幀的邊緣。 [30] 圖 8 CAN 控制器結(jié)構(gòu)框圖 分布式測量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 同步段 傳播段 相伴緩存段 1 相伴緩存段 2 正常位時(shí)間 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） CAN 總線技術(shù)研究 19 由前面所述， RS485 總線和 CAN 總線都可以用于遠(yuǎn)程監(jiān)測控制。層的結(jié)構(gòu)如表 2所示。依托上位機(jī)快速數(shù)據(jù)處理運(yùn)算功能對(duì)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。 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～ 。每一個(gè)傳感器的校準(zhǔn)及其偏移數(shù)據(jù)的寫入是一件費(fèi)力的工作。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） CAN 總線技術(shù)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(zhǔn)。 圖 9 總體結(jié)構(gòu) 作為一個(gè)通用的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，為增加其通用性，各子節(jié)點(diǎn)具體采集的數(shù)據(jù)類型和控制類型并不事先完全確定好，而只是確定一個(gè)大致的方向，針對(duì)具體的應(yīng)用再配以相應(yīng)的傳感器。各子節(jié)點(diǎn)檢測到數(shù)據(jù)后通過 CAN 控制器發(fā)到 CAN 總線上，并沿 CAN 總線到達(dá)接口卡。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為分層結(jié)構(gòu)。CAN 控制器進(jìn)行通信。相位段 1 和相位段 2 這兩個(gè)相位緩沖段用于補(bǔ)償相位誤差，這兩個(gè)時(shí)間段可通過重同 步延長或縮短。 位編碼 /解 碼 位時(shí)間 Tb 被定義為一位的持續(xù)時(shí)間。錯(cuò)誤認(rèn)可節(jié)點(diǎn)在開始進(jìn)一步發(fā)送前將等待一段附加時(shí)間。其中例外是：接收器在幀結(jié)束的最后位監(jiān)測到顯性位時(shí)，不將其理解為形式錯(cuò)誤。 錯(cuò)誤檢測 MAC 子層具有下列錯(cuò)誤檢測功能：監(jiān)測、填充規(guī)則校驗(yàn)、幀校驗(yàn)、 15 位循環(huán)冗余碼校驗(yàn)和應(yīng)答校驗(yàn)。仲裁期間，每個(gè)發(fā)送器將發(fā)送位電平同總線上監(jiān)測到的電平進(jìn)行比較。對(duì)于發(fā)送器，若在幀結(jié)束前不存在錯(cuò)誤，則該幀有效?？偩€空閑時(shí)，任何節(jié)點(diǎn)均可訪問總線以便發(fā)送。由于超載標(biāo)志形式破壞了發(fā)送場的固定形式，因此， 所有其他節(jié)點(diǎn)將檢測到一個(gè)超載條件，并在其部件上開始發(fā)送一個(gè)超載標(biāo)志。這樣，所有其他節(jié)點(diǎn)將檢測到一個(gè)出錯(cuò)條件，并各自發(fā)送一個(gè)錯(cuò)誤標(biāo)志。在 MAC 數(shù)據(jù)幀中， RTR位數(shù)值為 1。 MAC 遠(yuǎn)程幀 一般來說，數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)發(fā)送方主動(dòng)發(fā)起。在定義保留位功能前，發(fā)送器只送 0 位。標(biāo)準(zhǔn)幀是 11 位標(biāo)識(shí)符，擴(kuò)展幀是 29 位標(biāo)識(shí)符。 MAC 子層可響應(yīng)報(bào)文幀、仲裁、應(yīng)答、錯(cuò)誤檢測和標(biāo)定。 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(fù)管理。 FSM 把消息按位排列。在隱性狀態(tài)下， VCANH 和 VCANL 被固定于平均電壓電平， Vdiff 近似為 0。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） CAN 總線技術(shù)研究 11 CAN 是根據(jù)復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的，具有強(qiáng)有力的檢錯(cuò)能力，且可以在臨界高噪聲干擾環(huán)境下使用，使得 CAN 總線的應(yīng)用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多種網(wǎng)絡(luò)。 CAN 總線的主要特點(diǎn) 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） CAN 總線技術(shù)研究 10 (1)CAN 總線具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣 播傳送數(shù)據(jù)的功能，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜和光纖，通信距離最遠(yuǎn)可達(dá) l0km(速率為 5kbps 時(shí) )，最高速率可達(dá) 1Mbps(通信距離可達(dá) 40m)； (2)CAN 總線廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊 (報(bào)文 )進(jìn)行編碼，采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由 11 位 (標(biāo)準(zhǔn)幀 )或 29 位 (擴(kuò)展幀 )二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義 211 或 229 個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊。其總線規(guī)范己被納入國際標(biāo)準(zhǔn) ISO11898。 FMS 意為現(xiàn)場信息規(guī)范，適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。 (3) LONWORKS 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） CAN 總線技術(shù)研究 9 局部操作網(wǎng)絡(luò) (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(dǎo)，于 1990 年正式公布而形成的。 但是 RS485 總線畢竟只是一個(gè)簡單的沒有硬件通訊協(xié)議的物理層，其通訊協(xié)議完全依賴軟件的支持，這就增加了系統(tǒng)通訊軟件的負(fù)擔(dān)。 RS485具有很強(qiáng)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(shí) )，在 100 米范圍內(nèi)傳輸時(shí)速率高達(dá) l0Mb/s，并允許在一條平衡總線上連接多個(gè)負(fù)載設(shè)備，負(fù)載設(shè)備可以是被動(dòng)發(fā)送器、接收器或收發(fā)器。它采用非平衡傳輸方式 (即單端通訊 )進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送 /接收，其邏輯電平對(duì)地是對(duì)稱的，與 TTL, MOS 邏輯電平完 全不同。含 CAN 控制器的單片 機(jī)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。 第二章介紹了方案對(duì)比， CAN 總線技術(shù)的基本原理，并對(duì)其物理層和邏輯鏈路層協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)的分析，同時(shí)結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?shù)據(jù)定義選擇、錯(cuò)誤預(yù)防和實(shí)現(xiàn)形式等方面提出了 CAN 總線組網(wǎng)的理論依據(jù)。 [7] 本文研究的內(nèi)容 在本研究中，利用 CAN 現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)建一個(gè)通用的分布式測量系統(tǒng)。 集中式控制系統(tǒng)在硬件構(gòu)成上，將每個(gè)檢測點(diǎn)發(fā)送來的信號(hào)通過輸入接口與集中控制系統(tǒng)相連，經(jīng)過計(jì)算機(jī)分析運(yùn)算后，集中控制系統(tǒng)的輸出信號(hào)又通過輸出接口去執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制工藝生產(chǎn)。 CAN 在工業(yè)控制中的典型應(yīng)用有：紡織機(jī)、印刷機(jī)、打包機(jī)、壓縮機(jī)、木材處理機(jī)、半導(dǎo)體加工設(shè)備等。今天，歐洲大多數(shù)的汽車制造者也應(yīng)用了 CAN 總線，比如奧迪、寶馬、雷諾、大眾、沃爾沃。 [8] CAN 模塊是一個(gè)通信控制器，執(zhí)行的是 BOSCH 公司的 ，它能支持， ， 協(xié)議的舊版本和 的現(xiàn)行版本，此控制器模塊包含完整的 CAN 系統(tǒng)。 [3] 此外，由于設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，功能模塊化，因而還具有設(shè)計(jì)簡單，易于重構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。 節(jié)省安裝費(fèi)用：現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，一對(duì)雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€(gè)設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減 少，連線設(shè)計(jì)與接頭校對(duì)的工作量也大大減少。通過現(xiàn)場總線構(gòu)筑自動(dòng)化領(lǐng)域的開放互連系東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論 2 統(tǒng)。 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的特點(diǎn) 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 現(xiàn)場總線系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)控 制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式?，F(xiàn)場總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。 分布式測量系統(tǒng) 。研究的具體任務(wù)是電源電路、復(fù)位電路、晶振電路、串口通信接口電路、 CAN 總線通訊電路節(jié)點(diǎn)、硬件設(shè)計(jì)圖和總體系統(tǒng)圖。它在計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場設(shè)備之間架起一座通信橋梁 ,它是全球數(shù)字化、雙向、多點(diǎn)的通信總線 ,具有開放式、全分布、互操作性的特點(diǎn) ,是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。根據(jù)其特點(diǎn)提出分布式測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。 CAN。 [1]它是一種全數(shù)字式、全分散式、全開放、可互操作和開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的新一代控制系統(tǒng)；是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的綜合與集成；它將通信線一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場和生產(chǎn)設(shè)備，用于制造自動(dòng)化的現(xiàn)場設(shè)備儀表互連的現(xiàn)場通信網(wǎng) 絡(luò)。 現(xiàn)場總線系統(tǒng)由于采用了智能現(xiàn)場設(shè)備，能夠把原先 DCS 系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入現(xiàn)場設(shè)備，加上現(xiàn)場設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)場的測量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接傳送信號(hào)，因而控制系統(tǒng)功能可以不依賴控制室的計(jì)算機(jī)或控制儀表，直接在現(xiàn)場完成，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。 (4) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。 節(jié)省維護(hù)開銷：由于現(xiàn)場控制設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運(yùn)行，診斷維護(hù)信息，以便早期分析故障原因并快速排除，縮短了維護(hù)停工時(shí)間，同時(shí)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，連線簡單而減少了維護(hù)工作量。CAN 具有可靠性高、支持多主處理、支持優(yōu)先級(jí)仲裁、鏈路簡單、配置靈活、芯片資源豐富、成本低廉等特點(diǎn)。在 CAN 總線上檢測到的任何信息都要進(jìn)行錯(cuò)誤檢查，然后與過濾器進(jìn)行比較，判斷是否被接收和存儲(chǔ)到兩個(gè)接受寄存器之一。 (3) 移動(dòng)設(shè)施 在一些移 動(dòng)設(shè)施中， CAN 除連接電子控制單元外，還連接探測單元和激勵(lì)單元。典型的應(yīng)用有：電梯控制系統(tǒng)、窗簾控制系統(tǒng)、空調(diào)控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、房間中央控制系統(tǒng)、舞臺(tái)控制系統(tǒng)。它的基本思想就是控制分散、功能分散、危險(xiǎn)分散，而操作集中、管理集中，加強(qiáng)了使用者的安全感和信任感。各節(jié)點(diǎn)通過接口卡與上位機(jī)通訊，并可由上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制各節(jié)點(diǎn)。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） CAN 總線技術(shù)研究 7 2. CAN 總線技術(shù)研究 1991 年 9 月 Philips 公司制定并頒布了 CAN 技術(shù)規(guī)范 ， 給出了曾在 CAN 技術(shù)規(guī)范版本 中定義的 CAN 報(bào)文格式， 定義了標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展的兩種報(bào)文格式； 1993年 11 月國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO/TC22技術(shù)委員會(huì)正式頒布了關(guān)于 CAN總線的 ISO11898 標(biāo)準(zhǔn) (道路交通運(yùn)載工具 數(shù)字信息交換 高速通信控制器局部網(wǎng)(CAN)