基于can現場總線的分布式控制系統設計優秀及文獻綜述-文庫吧在線文庫

　　

【正文】 國際標準，通信速率≤ 1Mhps)和 ISO11519(通信速率≤ 125khps），為 CAN 總線的標準化、規范化應用鋪平了道路。基于CAN 總線的 DeviceNet 是現場總線國際標準 IEC61158 Type 2 ControlNet 的設備級總線。 RS232C 由于發送器和接收器之間具有公共信號地，不可能使用雙端信號，因此共模噪聲會耦合到信號系統中，這就是 RS232C 使用較高傳輸電壓的主要原因。它采用差分式傳輸方式，雙絞線的長度與傳輸速率成反比。特別是系統節點工作在多種通訊模式下時，通訊的失誤率與重發率將隨著網絡負荷量的增長而成倍增長，最終可能導致整個通訊網絡的癱瘓。集成芯片中有 3 個 8位的 CPU，共同完成 LonTalk 的七層協議功能。傳輸速率為 ～ 12Mbps，最大傳輸距離在 12Mbps 時為 100m， 時為 400m，可用中繼器延長至 10km。通信速率最高可達1Mbps(距離 40m)，直接傳輸距離最遠可達 10km(速率 5kbps)。網絡上的節點可以定義成不同的優先級，實現了無破壞性的基于優先權的仲裁。 [18] CAN 總線系統內的兩個任意節點之間的最大傳輸距離與位速率有關。由此可以看出，顯性和隱性位同時發送時，最后總線數值將為顯性。 FSM 還控制錯誤管理邏輯（ EML）以及發送 /接 收移位寄存器與緩沖器之間的并行數據流。每個接收器通過幀接收濾波確定此幀與其是否有關。 東華理工大學長江學院畢業設計（論文） CAN 總線技術研究 13 圖 4媒體訪問控制功能 MAC 幀結構 CAN 系統中，數據在節點間發送和接收以四種不同類型的幀出現和控制。只有當總線為空閑狀態時，才允許節點開始發送，所有節點必須同步于首先開始發送節點幀起始引起的上升沿。 CRC 序列后隨的 CRC 界定符由單個隱性位構成。在這種情況下，目標節點需要向源節點發送一個遠程幀。 出錯幀 出錯幀由兩個不同場構 成，第一個場由來自不同節點的錯誤標志疊加給出，第二個場為錯誤界定符。 由發送器啟動的認可出錯標志，當它們在以位填充方法進行編碼的幀場中啟動時，將在接收器中產生填充錯誤。但超載幀和錯誤幀前沒有幀間空間，并且多個超載幀之間也不用幀間空間分隔。 MAC 幀編碼和發送 /接收 幀起始、仲裁場、控制場、數據場和 CRC 序列幀段均以位填充方法進行編碼。 由于總線上有多個節點，當這些節點都要求發送數據時，串行總線只能滿足其中一個節點的要求，其它的節點只能等待。當送出顯性電平，而監測到隱性電平時，表明節點檢測出位錯誤。 (2) 填充錯誤：在使用位填充方法進行編碼的幀場中，出現第六個連續相同電平位時，則檢測到填充錯誤。 當任何節點檢測到位錯誤、填充錯誤、形式錯誤或應答錯誤時，由各自節點在下一位啟動發送錯誤標志。 系統啟動時若僅有一個節點在線，該節點發送幀就沒有其它節點應答。這些時間段如圖 7 所示。同步包括硬同步和重同步兩種形式，它們必須遵從下列規則： (1) 在一個時間內僅允許一種同步。盡管 RS485 總線技術與 CAN 總線技術都是用于多機通信設計，但 RS485 總線技術組建的系統與應用CAN 總線技術通信的系統在實際應用中有許多的不同之處，主要體現在以下幾個方面： (1) CAN 在傳輸 距離、傳輸速度、可靠性、系統的擴展性都要優于 RS485； (2) 現場總線用協議保證了數據傳輸的可靠性，解決了沖突仲裁，多點傳輸，錯誤檢驗與處理，與以太網的連接等一系列問題。 [13] 每個子節點和 CANPC 接口卡都有 CAN 控制器和收發器。與此對應的是，子節點的 8 個開關輸出口由上位機通過 CAN 總線控制。當然也可以調整放大電路的電阻值調整放大倍數，從而調整輸入電壓的范圍。并且一段時間后，傳感器又要重新校正。這樣做的好處是系統非常靈活，可以搭配不同的傳感器和控制器構成各種各樣的監控系統，增加了系統的適用性。整個系統如圖 9所示。由于每個節點都定時檢測，即使節點數較多， CAN 總線上的數據量也不大，上位機串口數據傳輸速度可以匹配 CAN 網絡上的數據量，因此接口卡與上位機通過串口連接。綜合對比 CAN 總線和 RS485 總線的特點，最后決定系統使用 CAN 總線作為骨干通信協議。 CAN 控制器 CAN 控制器的結構圖如圖 8所示， CAN 控制器必須通過 CAN 驅動芯片才能與其他。這些延遲時間包括總線上的信號傳播時間和 ECU 的內部延遲時間。 (3) 實現機械和電氣接口。 (2) 錯誤認可：發送器啟動認可出錯標志后成為錯誤認可節點。 (4) 形式錯誤：當固定格式位場有一個或更多非法位時，則檢測到形式錯誤。 除了當總線釋放時，可以啟動發送這一原則外，為避免沖突，系統還應做到： (1) 在一個系統內， 每條信息必須標以唯一的標識符； (2) 具有給定標識符和非零數據長度 (DLC)的數據幀僅可由一個節點啟動。這種解決總線訪問沖突的 機理是基于競爭的仲裁。發送器和接東華理工大學長江學院畢業設計（論文） CAN 總線技術研究 16 收器一幀的有效時點是不同的。 (2) 總線空閑場總線空閑時間可以是任意長度。超載標志由 6 個顯性位構成。此錯誤標志形式違背了位填充規則或者破壞了要求 固定形式的位場。 幀起始 仲裁場 控制場 CRC場 ACK場 幀結束 圖 6 MAC遠程幀 其中，仲裁場由來自 LLC 子層的標識符場和 RTR 位構成。 (7) 幀結束： MAC 的每個數據幀和遠程幀均由 7個隱性位構成的標志序列界定。接收器接收 0和 1 位作為所有組合中的保留位。它們的區別在于標識符長度不一樣。 MAC 子層是 CAN 協議的核心，它描述由LLC 子層接收到的報文和對 LLC 子層發送的認可報文。 其中，數據鏈路層又分為： 邏輯鏈路控制 (LLCLogic Link Control)； 媒體訪問控制 (MACMedium Access Control)。 圖 3 總線位數值表示 時間 V canh V canl 顯性位 平均電壓電壓 V diff V diff 隱性位 隱性位 東華理工大學長江學院畢業設計（論文） CAN 總線技術研究 12 CAN 協議的核心是有限狀態器 FSM(Finite State Machine)。顯性 (Dominant)數值表示邏輯 0，而隱性 (Recessive)表示邏輯 1。 圖 2 CAN協議引擎流程 (6)CAN 節點有識別永久故障和短暫擾動的功能，對于短暫擾動， CAN 給予錯誤標定并重發，對錯誤嚴重的故障， CAN 具有自動關閉總線的功能，退出網絡通信，保證總線上的其他操作不受影響。 [8] 考慮到 CAN 總線卓越的特性、極高的性價比，該設計采用 CAN 總線來進行分布式測量研究。后來逐步發展到用于其它工業領域的控制。 DP 型用于分散外設間的高速數據傳輸，適合于加工自動化領域的應用。至于在遠程監測控制領域，在網絡數據負荷量相對較重的情況下，RS485 總線系統有可能無法達到較好的通訊效果。目前， RS485 接口標準已被廣泛應用于工業控制、儀器儀表、多媒體網絡等諸多領域。 (2) RS485 串行接口 RS485是從 RS422的基礎上發展而來的。并對下列幾種總線進行對比： [10] (1) RS232C 串行接口 RS232C 是異步串行通信中應用廣泛的標準總線接口，適用于數據終端設備 (DTE)和數據通信設備 (DCE)之間的接口。 Microchip 公司的 MCP2510， MCP2515。 第一章介紹了分布式系統和現場總線技術的發展概況。目前 DCS 的發展將導致進一步的系統開放，如使用統一的通信標準、中小及微型化操作站的功能強化以及 DCS 與可編程序控制器(PLC)之間的滲透。 分布式系統及現場總線的發展 分布式控制系統 DCS（ Distribution Controlling system）將數字技術、微電子技術、通信技術、屏幕顯示技術與過程控制技術緊密地結合在一起，使過程控制由原來的第三代過程控制體系 —— 集中式控制 CCS(Concentric Control System)跨越到第四代控制體系的分布式控制，將流程工業自動化提高到一個新的水平。因為應用的普遍性，出現了各制造者為自身定制的高層協議，如 CANopen， DeviceNet， SDS。奔馳汽車是第一個將CAN 總線應用在汽車引擎管理中的， CAN 總線在系統中的位速率為 500kbit/s。 [4] CAN 模塊 東華理工大學長江學院畢業設計（論文） 緒論 4 控制器局域網（ CAN）模塊是用于與其他外圍設備或單片機進行通訊的模塊，這種接口協議能在較大的燥聲環境中進行通信，具有良好的抗干擾性能。同時，由于系統的結構簡化，設備與連線減少，現場儀表內部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統的工作可靠性。 [2] 節省投資：由于現場總線系統中分散在現場的智能設備能直接執行多種傳感控制報警和計算功能，不再需要 DCS 系統的信號調制、轉換、隔離等功能單元及其復雜接線，還可以用工控 PC 機作為操作站，從而節省了一大筆硬件投資，并可減少控制室的占地面積。用戶可按自己的需要和考慮，把來自不同供應商的產品組成大小隨意的系統。這是一項以智能傳感器、控制、計算機、數字通信、網絡為主要內容的綜合技術。它是計算機 技術、通信技術和控制技術高度綜合與集成的產物，是一種開放式和分布式的新模式。 CAN。研究內容包括節點硬件、接口卡硬件研制；節點軟件、接口卡軟件研制；上位機監測和控制軟件的研制。 CAN(控制器局域網 )屬于現場總線的范疇，主要用于與其他外圍設備或單片機進行通訊的模塊，這種接口協議能在較大的燥聲環境中進行通信，具有良好的抗干擾性能。 第三章介紹基于 CAN 現場總線的分布式控制系統接口卡和節點的電路設計和芯片選用。 Distributed Measu。使用現場總線降低了成本，提高了可靠性，實現了控制管理一體化的結構體系。 [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。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。 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。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。 [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。如應用于農業和林業中的移動設施、輪椅、起重機等。 (6) 一些特殊的應用領域 CAN 總線還應用在一些特殊的領域。 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。 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。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。 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。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 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 。 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。 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。其傳輸介質可以是雙絞線、光纜。可掛接設備數最多可達 110 個。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。兩節點間的最大距離如表 1所示。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 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。 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