基于can現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)秀及文獻綜述(專業(yè)版)

　　

【正文】 控制類型也只要求是輸出開關(guān)電壓信號，并不明確規(guī)定控制的是什么。通信終端和通信線路共同構(gòu)成了 CAN 網(wǎng)絡(luò)。 (3) 總線空閑期間，當存在隱性至顯性的跳變沿即完成硬同步。 物理層 物理層功能模型 物理層分為三部分： [24] (1) 物理信令實現(xiàn)；與位表示、定時和同步相關(guān)的功能。接收器以發(fā)送器相同的方法計算 CRC。 當檢測到間歇場未被顯性位中斷后，認為總線被所有節(jié)點釋放，具有總線訪問權(quán)限的節(jié)點即可以訪問總線。 (1) 間歇場間歇場由 3 個隱性位構(gòu)成。前者由六位連續(xù)的顯性位構(gòu)成；后者由 6 位連續(xù)的隱性位構(gòu)成，認可錯誤標志位可由來自其他節(jié)點的顯性位改寫。發(fā)送節(jié)點的 ACK 場中，送出兩個隱性位；所有接收到匹配 CRC 序列的節(jié)點，以顯性位改寫發(fā)送器的隱性位送出一個應(yīng)答。另外，數(shù)據(jù)幀和遠程幀以幀間空間與先前幀隔開。總線上信息的自動重發(fā)也是由 FSM 處理。 表 1 CAN 總線系統(tǒng)的最大傳輸距離與位速度的關(guān)系 位速率（ bps） 1M 500k 250k 125k 100k 50k 20k 10k 5k 最大總路線長度（ m） 40 130 270 530 620 10k CAN 總線物理上由兩根線 VCANH和 VCANL構(gòu)成。 CAN 的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為 8 個，因而傳輸時間短，受干擾概率低。 (4) PROFI BUS PROFIBUS 是納入德國國家標準 DIN19245 和歐洲標準 EN50170 的現(xiàn)場總線標準。匹配電阻接至總線電纜的兩端，但在短距離與低速率傳輸時可以不必考慮，判斷標準為 :當信號的轉(zhuǎn)換時間 (上升或下降時間 )超過電信號沿總線單向傳輸所需時間的 3 倍以上時就 可以不加匹配電阻。 [9] 方 案對比 自 80 年代末以來，有幾種現(xiàn)場總線技術(shù)逐漸在一些應(yīng)用領(lǐng)域顯示了自己的優(yōu)勢，它們具有各自的特點。東華理工大學長江學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒論 6 上位機監(jiān) 測和控制軟件的研制。近年來，幾個大的醫(yī)療設(shè)施制造者已開始使用 CAN， Siemens 已決定使用 CANopen 作為這些設(shè)施的高層協(xié)議。 CAN 總線技術(shù)在多方面的應(yīng)用 CAN 總線最初是應(yīng)用在汽車工業(yè)中的，但 CAN 總線系統(tǒng)也被廣泛應(yīng)用在其它多個領(lǐng)域中，這其中包括交通、移動設(shè)施、工業(yè)控制、樓宇自動化系統(tǒng)和一些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域。避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品而限制了其它設(shè)備的選擇范圍。通信協(xié)議公開，各不同廠家的設(shè)備之間可實現(xiàn)信息交換。 PIC single chip puter。 本文采用 CAN 現(xiàn)場總線技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了一種分布式測量控制系統(tǒng)。 關(guān)健詞： 現(xiàn)場總線 。它作為智能設(shè)備的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線上、作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的智能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并進一步構(gòu)成自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)基本控制、補償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及管理控制一體化的綜合自動化功能。 現(xiàn)場總線的優(yōu)點 由于現(xiàn)場總線的以上特點，特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使控制系統(tǒng)從設(shè)計、安裝到正常生產(chǎn)運行及其檢修維護，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。搭配不同的傳 感器，可以應(yīng)用在不同的場合。 (4) 工業(yè)控制 CAN 網(wǎng)絡(luò)大量地應(yīng)用在各種工業(yè)控制系統(tǒng)中。在技術(shù)上也由單純的分散型控制到實現(xiàn)全系統(tǒng)的管理，引入局部網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（便于多機資源共享），分散控制系統(tǒng)和 信道復(fù)用等。如 CAN 控制器有 Intel 公司的 82526，82527； Philips 公司的 82C200， SJA1000； NEC 公司的 72021； Siemens 公司的 SAB81C90/91。所以只適合本地設(shè)備單發(fā)、單收通信。例如在單幢多層住宅中構(gòu)建的智能網(wǎng)絡(luò)單元， RS485 總線技術(shù)完全能滿足網(wǎng)絡(luò)單元內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸要 求。 (5) CAN CAN 是控制器局域網(wǎng)絡(luò) (Controller Area Network)的簡稱，最早由德國的 BOSCH 公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件間的數(shù)據(jù)通信。 (5)在每 一幀中都有 CRC 校驗、總線監(jiān)測、位填充及其報文格式檢查等檢錯措施，數(shù)據(jù)差錯率低。在顯性位期間，顯性狀態(tài)改寫隱性狀態(tài)并發(fā)送。 媒體訪問控制 (MAC)子層 MAC 子層功能由如圖 4 所示的功能模型描述，在此模型中將 MAC 子層劃分為完全獨立工作 的兩部分，即發(fā)送部分和接收部分。 對物理接口訪問 對 LLC 子層訪問 接收數(shù)據(jù)封裝 發(fā)送數(shù)據(jù)封裝 發(fā)送媒體訪問管理 接收媒體訪問管理 接收數(shù)據(jù)解碼 發(fā)送數(shù)據(jù)解碼 LLC 子層 東華理工大學長江學院畢業(yè)設(shè)計（論文） CAN 總線技術(shù)研究 14 (3) 控制場：控制場由六位構(gòu) 成，包括兩位用于擴展的保留位。一個遠程幀由 6 個不同位場構(gòu)成：幀起始 (SOF)、仲裁場、控制場 (兩位保留位 +DLC 場 )、CRC 場、 ACK 場、幀結(jié)束 (EOF)，如圖 6 所示。超載幀與出錯幀類似。 一幀由 SOF 場開始逐個位場進行發(fā)送，在一場內(nèi)應(yīng)首先發(fā) 送最高位。若具有相同標識符的數(shù)據(jù)幀和遠程幀同時發(fā)送，數(shù)據(jù)幀比遠程幀有較高優(yōu)先權(quán)。 (1) 錯誤激活：正常總線通信的節(jié)點檢測到錯誤時，發(fā)出一個活動錯誤標志，中斷當前總線傳輸。傳播段用于補償網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的物理延遲時間。交換系統(tǒng)的響應(yīng)時間變長，性能受到一定影響，而 CAN 總線具有優(yōu)良的性能和可靠性，以多主方式工作，能使系統(tǒng)的各模塊實現(xiàn)多主通信，充分發(fā)揮各單片機 的功能； (4) CAN 的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。這對于大部分應(yīng)用都是足夠的。為了消除這種不方便，本系統(tǒng)的設(shè)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。 [22] 東華理工大學長江學院畢業(yè)設(shè)計（論文） CAN 總線技術(shù)研究 20 表 2. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次 層 子層 功能 上機機層 應(yīng)用接口層 人機 介面，向操作者提供直觀的監(jiān)控界面以及參數(shù)設(shè)置 節(jié)點類層 把節(jié)點層的節(jié)點映射為一個類，對節(jié)點的檢測和控制映射為節(jié)點類的方法調(diào)用 后臺數(shù)據(jù)庫層 保存所有檢驗信息和各節(jié)點的其它信息，用于支撐整個系統(tǒng)的運行 串口通信層 從串口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，內(nèi)置了和校驗，串口數(shù)據(jù)重組等，為上層提供數(shù)據(jù)。特別是多節(jié)點應(yīng)用時優(yōu)勢突出。 同步段用于同步總線上的各種 ECU。當檢測到 CRC 錯誤時，錯誤幀在緊隨 ACK 界定符后開始發(fā)送。 基于競爭的仲裁依靠標識符和緊隨其后的 RTR 位完成。當發(fā)送器在發(fā)送位流中檢測到 5 個數(shù)值相同的連續(xù)位 (包括填充位 )時，它在實際發(fā)送位流中，自動插入一個補碼位。 (2) 錯誤界 定符錯誤界定符由 8位隱性位構(gòu)成。源節(jié)點收到遠程幀后，將向目標節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀作為響應(yīng)。 (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(gòu)成。 超載通告：若接收器內(nèi)部條件要求延遲一個 LLC 數(shù)據(jù)幀或遠程幀，則通過 LLC子層開始發(fā)送超載幀，最多可產(chǎn)生兩個超載幀，以延遲下一個數(shù)據(jù)幀或遠程幀。正是由于此特性， CAN 技術(shù)才能實現(xiàn)不同 于局域網(wǎng) CSMA/CD（帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問技術(shù)）的無破壞沖突檢測。當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點會主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點則不受影響地繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，大大節(jié)省了總線沖突裁決時間；通過報文的不同優(yōu)先級，可以滿足不同的實時要求。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線、光纜。 RS485通訊器件較小的收發(fā)緩沖區(qū)也不利于由它構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)長期處于連續(xù)或長字串的收發(fā)狀態(tài)，這在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)量不平衡的情況下尤其明顯。即便東華理工大學長江學院畢業(yè)設(shè)計（論文） CAN 總線技術(shù)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(xiàn)遠距離傳輸，必須使用 Modem。汽車工程師學會 SAE (Society ofAutomotive Engineers)為加強 CAN 在汽車工業(yè)中的應(yīng)用，制定了用于汽車制造業(yè)的 SAEJ1939 標準。 DCS 集計算機軟件技術(shù)、硬件技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)、冗余技術(shù)、故障診斷技術(shù)和圖形顯示技術(shù)為一體，靈活、易變更、易擴展。如應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和林業(yè)中的移動設(shè)施、輪椅、起重機等。本文采用 CAN 現(xiàn)場總線技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了一種分布式測量系統(tǒng)。從根本上改變了現(xiàn)有DCS 集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。使用現(xiàn)場總線降低了成本，提高了可靠性，實現(xiàn)了控制管理一體化的結(jié)構(gòu)體系。 第三章介紹基于 CAN 現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)接口卡和節(jié)點的電路設(shè)計和芯片選用。研究內(nèi)容包括節(jié)點硬件、接口卡硬件研制；節(jié)點軟件、接口卡軟件研制；上位機監(jiān)測和控制軟件的研制。它是計算機 技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)高度綜合與集成的產(chǎn)物，是一種開放式和分布式的新模式。用戶可按自己的需要和考慮，把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。同時，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。奔馳汽車是第一個將CAN 總線應(yīng)用在汽車引擎管理中的， CAN 總線在系統(tǒng)中的位速率為 500kbit/s。 分布式系統(tǒng)及現(xiàn)場總線的發(fā)展 分布式控制系統(tǒng) DCS（ Distribution Controlling system）將數(shù)字技術(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)、屏幕顯示技術(shù)與過程控制技術(shù)緊密地結(jié)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(yè)自動化提高到一個新的水平。 第一章介紹了分布式系統(tǒng)和現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展概況。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(yīng)用廣泛的標準總線接口，適用于數(shù)據(jù)終端設(shè)備 (DTE)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備 (DCE)之間的接口。目前， RS485 接口標準已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器儀表、多媒體網(wǎng)絡(luò)等諸多領(lǐng)域。 DP 型用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動化領(lǐng)域的應(yīng)用。 [8] 考慮到 CAN 總線卓越的特性、極高的性價比，該設(shè)計采用 CAN 總線來進行分布式測量研究。顯性 (Dominant)數(shù)值表示邏輯 0，而隱性 (Recessive)表示邏輯 1。 其中，數(shù)據(jù)鏈路層又分為： 邏輯鏈路控制 (LLCLogic Link Control)； 媒體訪問控制 (MACMedium Access Control)。它們的區(qū)別在于標識符長度不一樣。 (7) 幀結(jié)束： MAC 的每個數(shù)據(jù)幀和遠程幀均由 7個隱性位構(gòu)成的標志序列界定。此錯誤標志形式違背了位填充規(guī)則或者破壞了要求 固定形式的位場。 (2) 總線空閑場總線空閑時間可以是任意長度。這種解決總線訪問沖突的 機理是基于競爭的仲裁。 (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。 (3) 實現(xiàn)機械和電氣接口。 CAN 控制器 CAN 控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖 8所示， CAN 控制器必須通過 CAN 驅(qū)動芯片才能與其他。由于每個節(jié)點都定時檢測，即使節(jié)點數(shù)較多， CAN 總線上的數(shù)據(jù)量也不大，上位機串口數(shù)據(jù)傳輸速度可以匹配 CAN 網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)量，因此接口卡與上位機通過串口連接。這樣做的好處是系統(tǒng)非常靈活，可以搭配不同的傳感器和控制器構(gòu)成各種各樣的監(jiān)控系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的適用性。當然也可以調(diào)整放大電路的電阻值調(diào)整放大倍數(shù)，從而調(diào)整輸入電壓的范圍。 [13] 每個子節(jié)點和 CANPC 接口卡都有 CAN 控制器和收發(fā)器。同步包括硬同步和重同步兩種形式，它們必須遵從下列規(guī)則： (1) 在一個時間內(nèi)僅允許一種同步。 系統(tǒng)啟動時若僅有一個節(jié)點在線，該節(jié)點發(fā)送幀就沒有其它節(jié)點應(yīng)答。 (2) 填充錯誤：在使用位填充方法進行編碼的幀場中，出現(xiàn)第六個連續(xù)相同電平位時，則檢測到填充錯誤。 由于總線上有多個節(jié)點，當這些節(jié)點都要求發(fā)送數(shù)據(jù)時，串行總線只能滿足其中一個節(jié)點的要求，其它的節(jié)點只能等待。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。 出錯幀 出錯幀由兩個不同場構(gòu) 成，第一個場由來自不同節(jié)點的錯誤標志疊加給出，第二個場為錯誤界定符。 CRC 序列后隨的 CRC 界定符由單個隱性位構(gòu)成。 東華理工大學長江學院畢業(yè)設(shè)計（論文） CAN 總線技術(shù)研究 13 圖 4媒體訪問控制功能 MAC 幀結(jié)構(gòu) CAN 系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)在節(jié)點間發(fā)送和接收以四種不同類型的幀出現(xiàn)和控制。 FSM 還控制錯誤管理邏輯（ EML）以及發(fā)送 /接 收移位寄存器與緩沖器之間的并行數(shù)據(jù)流。 [18] CAN 總線系統(tǒng)內(nèi)的兩個任意節(jié)點之間的最大傳輸距離與位速率有關(guān)。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)。集成芯片中有 3 個 8位的 CPU，共同完成 LonTalk 的七層協(xié)議功能。它采用差分式傳