基于can現場總線的分布式控制系統設計優秀及文獻綜述(留存版)

　　

【正文】 輸方式，雙絞線的長度與傳輸速率成反比?；贑AN 總線的 DeviceNet 是現場總線國際標準 IEC61158 Type 2 ControlNet 的設備級總線。各節點通過接口卡與上位機通訊，并可由上位機實時監測和控制各節點。典型的應用有：電梯控制系統、窗簾控制系統、空調控制系統、溫度控制系統、房間中央控制系統、舞臺控制系統。在 CAN 總線上檢測到的任何信息都要進行錯誤檢查，然后與過濾器進行比較，判斷是否被接收和存儲到兩個接受寄存器之一。 節省維護開銷：由于現場控制設備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數字通訊將相關的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除，縮短了維護停工時間，同時由于系統結構簡化，連線簡單而減少了維護工作量。 現場總線系統由于采用了智能現場設備，能夠把原先 DCS 系統中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入現場設備，加上現場設備具有通信能力，現場的測量變送儀表可以與閥門等執行機構直接傳送信號，因而控制系統功能可以不依賴控制室的計算機或控制儀表，直接在現場完成，實現了徹底的分散控制。 CAN。它在計算機和現場設備之間架起一座通信橋梁 ,它是全球數字化、雙向、多點的通信總線 ,具有開放式、全分布、互操作性的特點 ,是當今自動化領域技術發展的熱點之一。 分布式測量系統 。 現場總線系統的特點 現場總線系統的結構特點 現場總線系統打破了傳統控 制系統的結構形式。 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。 [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。 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。 [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。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。 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。 (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。其總線規范己被納入國際標準 ISO11898。 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。 FSM 把消息按位排列。 MAC 子層可響應報文幀、仲裁、應答、錯誤檢測和標定。在定義保留位功能前，發送器只送 0 位。在 MAC 數據幀中， RTR位數值為 1。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。對于發送器，若在幀結束前不存在錯誤，則該幀有效。 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。錯誤認可節點在開始進一步發送前將等待一段附加時間。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。 結構設計 整個系統設計為分層結構。 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。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。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。 [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。 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。 當檢測到以上這 些錯誤之一， MAC 子層啟動發送錯誤標志。當送出一個隱性電平，而監測到的為顯性電平時，表明節點丟失仲裁，并且不應再送更多位。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。此序列的總長度在最小值 6 位與最大值 12位之間變化。但是目標節點也可以主動向源節點請求數據。 幀起始 仲裁場 控制場 數據場 CRC場 ACK場 幀結束 圖 5 MAC標準數據幀 (1) 幀起始 (SOF)：標志數據幀和遠程幀的起始，它由單個顯性位構成。標識符并不能指明幀的目的地，但描述數據的含義。顯性狀態以大于最小閾值的差分電壓表示。 (3)網絡上任意 一個節點均可以主動地向其它節點發送數據，是一種多主總線。該項技術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、數據鏈路層和應用層。 RS485總線一般以單主的工作方式設計， 若令其工作在多主方式，則其通訊的可靠性反比于通訊網絡的負荷量。因此 RS232C 驅動器與 TTL電平連接必須經過電平轉換。 結 束語中對基于 CAN 總線技術的網絡系統在未來的發展進行了展望。 1975 年，美國的 Honey Well 公司推出了第一套 DCS 分散控制系統。在道路管理中， CAN 被用在負責交通安全和法規保障的測量設備中，現在已有的基于 CAN 的實現多種功能的智能節點，如紅燈監視和速度測量。 CAN 的通信速率為 5kbps～ 1Mbps，最大傳輸距離可達 10km(通信速率為 5kbps 時 )，節點數可達 110，傳輸介質為雙絞線。 (3) 現場設備的智能化與功能自治性 它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中完成，僅靠現場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態。 現場總線技術的發展 現場總線是 90 年代初期興起的一種先進的工業控制技術。 第二章介紹 CAN 技術的分層結構、幀結構及通信原理。 本文主要從以下幾個方面闡述： 第一章介紹分布式系統、現場總線的概念和特點，并介紹了傳統的 RS232 和RS485 串行通信標準。它越來越廣泛的應用于工業控制、智能建筑和交通等諸多領域。 圖 1 FCS典型體系結構 (2) 互可操作性與互用性 可操作性，是指實現互連設備之間、系統間的信息傳送與溝通；而互用則意味著不同生產廠家的性能類似的設備可實現相互替換。 現場總線的分類 類型１ IEC 技術報告（即 FF H1） 類型 2 Control Net(美 國 Rockwell 公司支持） 類型 3 Profibus(德國 Siemens 公司支持） 類型 4 PNet(丹麥 Prpcess Data 公司支持） 類型 5 FF HSE(即原 FF H2,美國 FisherRosemount 公司支持） 類型 6 Swiff Net(美國 Boeing 公司支持） 類型 7 World FIP(法國 Alstom 公司支持） 類型 8 Interbus(德國 Phoenix Contact 公司支持） [32] CAN 總線 CAN (Controller Area Network控制器局域 網 )屬于現場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網絡。 (2) 交通 在某些火車和長途汽車中，應用 CAN 連接剎車控制單元，或者通過 CAN 連接子系統。在控制功能上，它把生產過程信息和生產管理信息匯集起來，既完成生產控制功能，又 完成一定的管理功能。 第三章提出了基于 CAN 總線技術分布式測量系統的總體結構。邏輯 0 電平規定為 +5V～ +15V 之間，邏輯 1 電平為 5V～ 15V 之間。并且，在幾乎沒有可靠的總線競爭仲裁與幀重發機制的情況下，數據的丟失率正比于總線數據的流通量。而隊型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從 IEC11582標準。這種按數據塊編碼的方式，還可以使不同的節點同時接收到相同的數據，這一點在分布式控制系統中非常有用。在總線空閑或隱性位期間，發送隱性狀態。 幀接收過濾：幀內容由標識符標出。一個 MAC 數據幀由七個不同位場構成，如圖 5 所示，它們是：幀起始 (SOFStart Of Frame)、仲裁場、控制場 (兩位保留位+DLC 場 )、數據場、 CRC 場、 ACK 場和幀結束 (EOFEnd Of Frame)。比如一個傳感器節點發出自己的數據幀。因此，實際上總線上監控到的顯性位序列是由各個節點發送的不同錯誤標志疊加而成。其他幀發送期 間，等待發送的幀在緊隨間歇場后的第一位啟動。若相等，則節點可以繼續發送。 東華理工大學長江學院畢業設計（論文） CAN 總線技術研究 17 (5) 應答錯誤：在發送器 ACK 期間未監測到顯性位時，則檢測到一個應答錯誤。在位時間框架內執行的總線管理功能諸如同步狀態，網絡發送延遲補償和采樣點定位均由 CAN 協議集成電路的可編程位定時邏輯確定。一般 CAN 驅動芯片常選用 PCA82C接口卡接收到 CAN 數據后，把數據打包后通過串口發送到上位機。由于每個傳感器的漂移都 是不一樣的，校準后的偏移數據常常需要存放在各節點的非易失存儲器中。本設計中，每一個節點最多有四路數據采集，每一路輸入都由運算放大器 LM324 放大 10 倍。從頂層控制臺到底層數據采集部分共三層，每一層又細分為幾個子層。 東華理工大學長江學院畢業設計（論文） CAN 總線技術研究 18 圖 7 位時間的組成 同步 總線上各節點的振蕩器頻率不可能完全一致。 (3) 總 線脫離：當節點發生嚴重錯誤請求故障界定隔離，從而對總線處于關閉狀態時處于總線脫離狀態。 錯誤類型 (1) 位錯誤：正在向總線送出一位的節點同時監測總線，當監測到的位數值與送出的位數值不同時，則檢測到位錯誤。若一幀被破壞，則進行恢復處理。 超載界定符由 8 位隱性位構成。幀起始 (SOF)、控制場、 CRC 場、 ACK 場和幀結束 (EOF)等位場均與 MAC數據幀的相應位場相同。 (4) 數據場： MAC 數據場與 LLC 數據場格式相同。 MAC 子層由被稱為故障界定的一個管理實體監控，它具有永久識別故障或短暫擾動的自檢機制。在不同類型的幀發送或者接收時， FSM 不斷改變自己的狀態。在國外，尤其是在美國及歐洲， CAN 總線已被廣泛應用于高檔汽車、火 車、船舶、醫療器械、建筑管理、樓宇自動化、機械制造、數控機床、紡織機械、農用機械、液壓傳動、消防管理、傳感器、自動化儀表、環境控制、機器人技術等領域。 CAN 協議建立在 ISO/OSI 七層網絡模型基礎之上，不過其模型結構只取了 OSI 底層的物理層、數據鏈路層和頂層的應用層三層。它采用了 ISO/OSI 模型的全部七層協議，應用面向對象的設計方法，通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數設置，其通信速率從 300bps至 ，直接通信距離可達 62700m(78kbps，雙絞線 )；支持雙 絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等多種介質，被譽為通用控制網絡。其接口標準是一種多發送器的電路標準，具有多點、雙向通 信能力，便于實現多機通信，同時增加了發送器的驅動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍。其它如 Bosch， National semiconductor； SGSThomphson， Toshiba 等公司也提供集成有 CAN 協議的芯片。所謂通用即連接不同的傳感器即可用于不同的應用場合。同時，東華理工大學長江學院畢業設計（論文） 緒論 5 還存在一個重要的工業控制領域 —— 機器人控制。 CAN 模塊由協議驅動和信息緩沖及控制組