基于can現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)秀及文獻(xiàn)綜述-wenkub.com

　 　

【正文】 并且一段時(shí)間后，傳感器又要重新校正。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(dāng)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。整個(gè)系統(tǒng)如圖 9所示。與此對(duì)應(yīng)的是，子節(jié)點(diǎn)的 8 個(gè)開(kāi)關(guān)輸出口由上位機(jī)通過(guò) CAN 總線控制。由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都定時(shí)檢測(cè)，即使節(jié)點(diǎn)數(shù)較多， CAN 總線上的數(shù)據(jù)量也不大，上位機(jī)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(jī)通過(guò)串口連接。 [13] 每個(gè)子節(jié)點(diǎn)和 CANPC 接口卡都有 CAN 控制器和收發(fā)器。綜合對(duì)比 CAN 總線和 RS485 總線的特點(diǎn)，最后決定系統(tǒng)使用 CAN 總線作為骨干通信協(xié)議。盡管 RS485 總線技術(shù)與 CAN 總線技術(shù)都是用于多機(jī)通信設(shè)計(jì)，但 RS485 總線技術(shù)組建的系統(tǒng)與應(yīng)用CAN 總線技術(shù)通信的系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中有許多的不同之處，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： (1) CAN 在傳輸 距離、傳輸速度、可靠性、系統(tǒng)的擴(kuò)展性都要優(yōu)于 RS485； (2) 現(xiàn)場(chǎng)總線用協(xié)議保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕鉀Q了沖突仲裁，多點(diǎn)傳輸，錯(cuò)誤檢驗(yàn)與處理，與以太網(wǎng)的連接等一系列問(wèn)題。 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(guò) CAN 驅(qū)動(dòng)芯片才能與其他。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(gè)時(shí)間內(nèi)僅允許一種同步。這些延遲時(shí)間包括總線上的信號(hào)傳播時(shí)間和 ECU 的內(nèi)部延遲時(shí)間。這些時(shí)間段如圖 7 所示。 (3) 實(shí)現(xiàn)機(jī)械和電氣接口。 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)若僅有一個(gè)節(jié)點(diǎn)在線，該節(jié)點(diǎn)發(fā)送幀就沒(méi)有其它節(jié)點(diǎn)應(yīng)答。 (2) 錯(cuò)誤認(rèn)可：發(fā)送器啟動(dòng)認(rèn)可出錯(cuò)標(biāo)志后成為錯(cuò)誤認(rèn)可節(jié)點(diǎn)。 當(dāng)任何節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到位錯(cuò)誤、填充錯(cuò)誤、形式錯(cuò)誤或應(yīng)答錯(cuò)誤時(shí)，由各自節(jié)點(diǎn)在下一位啟動(dòng)發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志。 (4) 形式錯(cuò)誤：當(dāng)固定格式位場(chǎng)有一個(gè)或更多非法位時(shí)，則檢測(cè)到形式錯(cuò)誤。 (2) 填充錯(cuò)誤：在使用位填充方法進(jìn)行編碼的幀場(chǎng)中，出現(xiàn)第六個(gè)連續(xù)相同電平位時(shí)，則檢測(cè)到填充錯(cuò)誤。 除了當(dāng)總線釋放時(shí)，可以啟動(dòng)發(fā)送這一原則外，為避免沖突，系統(tǒng)還應(yīng)做到： (1) 在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)， 每條信息必須標(biāo)以唯一的標(biāo)識(shí)符； (2) 具有給定標(biāo)識(shí)符和非零數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 (DLC)的數(shù)據(jù)幀僅可由一個(gè)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)。當(dāng)送出顯性電平，而監(jiān)測(cè)到隱性電平時(shí)，表明節(jié)點(diǎn)檢測(cè)出位錯(cuò)誤。這種解決總線訪問(wèn)沖突的 機(jī)理是基于競(jìng)爭(zhēng)的仲裁。 由于總線上有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)這些節(jié)點(diǎn)都要求發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，串行總線只能滿足其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)的要求，其它的節(jié)點(diǎn)只能等待。發(fā)送器和接?xùn)|華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） CAN 總線技術(shù)研究 16 收器一幀的有效時(shí)點(diǎn)是不同的。 MAC 幀編碼和發(fā)送 /接收 幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)和 CRC 序列幀段均以位填充方法進(jìn)行編碼。 (2) 總線空閑場(chǎng)總線空閑時(shí)間可以是任意長(zhǎng)度。但超載幀和錯(cuò)誤幀前沒(méi)有幀間空間，并且多個(gè)超載幀之間也不用幀間空間分隔。超載標(biāo)志由 6 個(gè)顯性位構(gòu)成。 由發(fā)送器啟動(dòng)的認(rèn)可出錯(cuò)標(biāo)志，當(dāng)它們?cè)谝晕惶畛浞椒ㄟM(jìn)行編碼的幀場(chǎng)中啟動(dòng)時(shí)，將在接收器中產(chǎn)生填充錯(cuò)誤。此錯(cuò)誤標(biāo)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(chǎng)。 出錯(cuò)幀 出錯(cuò)幀由兩個(gè)不同場(chǎng)構(gòu) 成，第一個(gè)場(chǎng)由來(lái)自不同節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤標(biāo)志疊加給出，第二個(gè)場(chǎng)為錯(cuò)誤界定符。 幀起始 仲裁場(chǎng) 控制場(chǎng) CRC場(chǎng) ACK場(chǎng) 幀結(jié)束 圖 6 MAC遠(yuǎn)程幀 其中，仲裁場(chǎng)由來(lái)自 LLC 子層的標(biāo)識(shí)符場(chǎng)和 RTR 位構(gòu)成。在這種情況下，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)需要向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)遠(yuǎn)程幀。 (7) 幀結(jié)束： MAC 的每個(gè)數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀均由 7個(gè)隱性位構(gòu)成的標(biāo)志序列界定。 CRC 序列后隨的 CRC 界定符由單個(gè)隱性位構(gòu)成。接收器接收 0和 1 位作為所有組合中的保留位。只有當(dāng)總線為空閑狀態(tài)時(shí)，才允許節(jié)點(diǎn)開(kāi)始發(fā)送，所有節(jié)點(diǎn)必須同步于首先開(kāi)始發(fā)送節(jié)點(diǎn)幀起始引起的上升沿。它們的區(qū)別在于標(biāo)識(shí)符長(zhǎng)度不一樣。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） CAN 總線技術(shù)研究 13 圖 4媒體訪問(wèn)控制功能 MAC 幀結(jié)構(gòu) CAN 系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)間發(fā)送和接收以四種不同類型的幀出現(xiàn)和控制。 MAC 子層是 CAN 協(xié)議的核心，它描述由LLC 子層接收到的報(bào)文和對(duì) LLC 子層發(fā)送的認(rèn)可報(bào)文。每個(gè)接收器通過(guò)幀接收濾波確定此幀與其是否有關(guān)。 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(wèn)控制 (MACMedium Access Control)。 FSM 還控制錯(cuò)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。 圖 3 總線位數(shù)值表示 時(shí)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(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） CAN 總線技術(shù)研究 12 CAN 協(xié)議的核心是有限狀態(tài)器 FSM(Finite State Machine)。由此可以看出，顯性和隱性位同時(shí)發(fā)送時(shí)，最后總線數(shù)值將為顯性。顯性 (Dominant)數(shù)值表示邏輯 0，而隱性 (Recessive)表示邏輯 1。 [18] CAN 總線系統(tǒng)內(nèi)的兩個(gè)任意節(jié)點(diǎn)之間的最大傳輸距離與位速率有關(guān)。 圖 2 CAN協(xié)議引擎流程 (6)CAN 節(jié)點(diǎn)有識(shí)別永久故障和短暫擾動(dòng)的功能，對(duì)于短暫擾動(dòng)， CAN 給予錯(cuò)誤標(biāo)定并重發(fā)，對(duì)錯(cuò)誤嚴(yán)重的故障， CAN 具有自動(dòng)關(guān)閉總線的功能，退出網(wǎng)絡(luò)通信，保證總線上的其他操作不受影響。網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)可以定義成不同的優(yōu)先級(jí)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的仲裁。 [8] 考慮到 CAN 總線卓越的特性、極高的性價(jià)比，該設(shè)計(jì)采用 CAN 總線來(lái)進(jìn)行分布式測(cè)量研究。通信速率最高可達(dá)1Mbps(距離 40m)，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá) 10km(速率 5kbps)。后來(lái)逐步發(fā)展到用于其它工業(yè)領(lǐng)域的控制。傳輸速率為 ～ 12Mbps，最大傳輸距離在 12Mbps 時(shí)為 100m， 時(shí)為 400m，可用中繼器延長(zhǎng)至 10km。 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(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用。集成芯片中有 3 個(gè) 8位的 CPU，共同完成 LonTalk 的七層協(xié)議功能。至于在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制領(lǐng)域，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)負(fù)荷量相對(duì)較重的情況下，RS485 總線系統(tǒng)有可能無(wú)法達(dá)到較好的通訊效果。特別是系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)工作在多種通訊模式下時(shí)，通訊的失誤率與重發(fā)率將隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷量的增長(zhǎng)而成倍增長(zhǎng)，最終可能導(dǎo)致整個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。目前， RS485 接口標(biāo)準(zhǔn)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。它采用差分式傳輸方式，雙絞線的長(zhǎng)度與傳輸速率成反比。 (2) RS485 串行接口 RS485是從 RS422的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的。 RS232C 由于發(fā)送器和接收器之間具有公共信號(hào)地，不可能使用雙端信號(hào)，因此共模噪聲會(huì)耦合到信號(hào)系統(tǒng)中，這就是 RS232C 使用較高傳輸電壓的主要原因。并對(duì)下列幾種總線進(jìn)行對(duì)比： [10] (1) RS232C 串行接口 RS232C 是異步串行通信中應(yīng)用廣泛的標(biāo)準(zhǔn)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。基于CAN 總線的 DeviceNet 是現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) IEC61158 Type 2 ControlNet 的設(shè)備級(jí)總線。 Microchip 公司的 MCP2510， MCP2515。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)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(guó)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)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，通信速率≤ 1Mhps)和 ISO11519(通信速率≤ 125khps），為 CAN 總線的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化應(yīng)用鋪平了道路。 第一章介紹了分布式系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展概況。各節(jié)點(diǎn)通過(guò)接口卡與上位機(jī)通訊，并可由上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制各節(jié)點(diǎn)。目前 DCS 的發(fā)展將導(dǎo)致進(jìn)一步的系統(tǒng)開(kāi)放，如使用統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)、中小及微型化操作站的功能強(qiáng)化以及 DCS 與可編程序控制器(PLC)之間的滲透。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。 分布式系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)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(guò)程控制技術(shù)緊密地結(jié)合在一起，使過(guò)程控制由原來(lái)的第三代過(guò)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(dòng)化提高到一個(gè)新的水平。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)。因?yàn)閼?yīng)用的普遍性，出現(xiàn)了各制造者為自身定制的高層協(xié)議，如 CANopen， DeviceNet， SDS。 (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(cè)單元和激勵(lì)單元。奔馳汽車是第一個(gè)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。在 CAN 總線上檢測(cè)到的任何信息都要進(jìn)行錯(cuò)誤檢查，然后與過(guò)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。 [4] CAN 模塊 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論 4 控制器局域網(wǎng)（ CAN）模塊是用于與其他外圍設(shè)備或單片機(jī)進(jìn)行通訊的模塊，這種接口協(xié)議能在較大的燥聲環(huán)境中進(jìn)行通信，具有良好的抗干擾性能。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(jiǎn)單、配置靈活、芯片資源豐富、成本低廉等特點(diǎn)。同時(shí)，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)部功能加強(qiáng)，減少了信號(hào)的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。 節(jié)省維護(hù)開(kāi)銷：由于現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理的能力，并通過(guò)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(jiǎn)化，連線簡(jiǎn)單而減少了維護(hù)工作量。 [2] 節(jié)省投資：由于現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中分散在現(xiàn)場(chǎng)的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感控制報(bào)警和計(jì)算功能，不再需要 DCS 系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)制、轉(zhuǎn)換、隔離等功能單元及其復(fù)雜接線，還可以用工控 PC 機(jī)作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，并可減少控制室的占地面積。 (4) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 現(xiàn)場(chǎng)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)。用戶可按自己的需要和考慮，把來(lái)自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)由于采用了智能現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)設(shè)備，加上現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)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(chǎng)完成，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。這是一項(xiàng)以智能傳感器、控制、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)。 [1]它是一種全數(shù)字式、全分散式、全開(kāi)放、可互操作和開(kāi)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(chǎng)和生產(chǎn)設(shè)備，用于制造自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備儀表互連的現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng) 絡(luò)。它是計(jì)算機(jī) 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(kāi)放式和分布式的新模式。 CAN。 CAN。根據(jù)其特點(diǎn)提出分布式測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。研究?jī)?nèi)容包括節(jié)點(diǎn)硬件、接口卡硬件研制；節(jié)點(diǎn)軟件、接口卡軟件研制；上位機(jī)監(jiān)測(cè)和控制軟件的研制。它在計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)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。 CAN(控制器局域網(wǎng) )屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，主要用于與其他外圍設(shè)備或單片機(jī)進(jìn)行通訊的模塊，這種接口協(xié)議能在較大的燥聲環(huán)境中進(jìn)行通信，具有良好的抗干擾性能。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。 第三章介紹基于 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式控制系統(tǒng)接口卡和節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)和芯片選用。 分布式測(cè)量系統(tǒng) 。 Distributed Measu。現(xiàn)場(chǎng)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)。使用現(xiàn)場(chǎng)總線降低了成本，提高了可靠性，實(shí)現(xiàn)了控制管理一體化的結(jié)構(gòu)體系。 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的特點(diǎn) 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)控 制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。