基于can現場總線的分布式控制系統設計優秀及文獻綜述-閱讀頁

　　

【正文】 泛的應用。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。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。集成芯片中有 3 個 8位的 CPU，共同完成 LonTalk 的七層協議功能。 (4) PROFI BUS PROFIBUS 是納入德國國家標準 DIN19245 和歐洲標準 EN50170 的現場總線標準。 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。而隊型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從 IEC11582標準。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。最多可掛接 127 個站點。后來逐步發展到用于其它工業領域的控制。 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。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)。 CAN 的信號傳輸采用短幀結構，每一幀的有效字節數為 8 個，因而傳輸時間短，受干擾概率低。 [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。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。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。 (4)數據幀的數據字段長度最多為 8 個字節，這樣不僅可以滿足工控領域中傳送控制命令、工作狀態和測量數據的一般要求，同時， 8個字節不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性，并且受干擾概率低。 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。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。 [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。 表 1 CAN 總線系統的最大傳輸距離與位速度的關系 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構成。顯性 (Dominant)數值表示邏輯 0，而隱性 (Recessive)表示邏輯 1。在總線空閑或隱性位期間，發送隱性狀態。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。顯性位和隱性位的電壓如圖 3所示。 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)。在不同類型的幀發送或者接收時， FSM 不斷改變自己的狀態。 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。總線上信息的自動重發也是由 FSM 處理。 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)。 幀接收過濾：幀內容由標識符標出。每個接收器通過幀接收濾波確定此幀與其是否有關。 恢復管理：發送期間，對于丟失仲裁或被錯誤干擾的幀， LLC 子層具有自動重發送功能。 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。 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。 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。另外，數據幀和遠程幀以幀間空間與先前幀隔開。它們的區別在于標識符長度不一樣。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)。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。在 MAC 數據， RTR 中， RTR 位數值為 0。接收器接收 0和 1 位作為所有組合中的保留位。 (4) 數據場： MAC 數據場與 LLC 數據場格式相同。 CRC 序列后隨的 CRC 界定符由單個隱性位構成。發送節點的 ACK 場中，送出兩個隱性位；所有接收到匹配 CRC 序列的節點，以顯性位改寫發送器的隱性位送出一個應答。 (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。比如一個傳感器節點發出自己的數據幀。在這種情況下，目標節點需要向源節點發送一個遠程幀。遠程幀與數據幀有兩個地方不一樣：首先， RTR 位是隱性，其次，遠程幀沒有數據場。 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。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。 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。前者由六位連續的顯性位構成；后者由 6 位連續的隱性位構成，認可錯誤標志位可由來自其他節點的顯性位改寫。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。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。 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。 超載幀 超載幀包括兩個位場：超載標志和超載界定符。超載標志由 6 個顯性位構成。 超載界定符由 8 位隱性位構成。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。 (1) 間歇場間歇場由 3 個隱性位構成。 (2) 總線空閑場總線空閑時間可以是任意長度。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。 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。 數據幀或遠程幀的其余位場 (CRC 界定符、 ACK 場和幀結束 )為固定形式，不進行位填充，錯誤幀和超載幀也為固定格式，同樣不使用位填充方法進行編碼。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。若一幀被破壞，則進行恢復處理。 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。 當檢測到間歇場未被顯性位中斷后，認為總線被所有節點釋放，具有總線訪問權限的節點即可以訪問總線。這種解決總線訪問沖突的 機理是基于競爭的仲裁。若相等，則節點可以繼續發送。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。較高優先權的標識符具有較低的二進制數值。 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。 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。 (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。接收器以發送器相同的方法計算 CRC。 (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。 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。 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。 錯誤界定規則 網絡中的任何一個節點，根據其錯誤計數器數值，可能處于下列三種狀態之一。 (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。 (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。 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。 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；與位表示、定時和同步相關的功能。 (3) 實現機械和電氣接口。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。這些時間段如圖 7 所示。在此段內，等待一個跳變沿。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。 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。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。 (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。 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。一般 CAN 驅動芯片常選用 PCA82C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。而RS485 僅僅是一個物理層的東西，而現場總線的覆蓋內容則遠遠超過了它； (3) 在單片機的多機通信時，傳統的串行通信方式 RS485 只能采用主從方式，隨著從機數量的增加。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。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。 [13] 每個子節點和 CANPC 接口卡都有 CAN 控制器和收發器。通信終端和通信線路共同構成了 CAN 網絡。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。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。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。向接口卡發送數據也是通過它進行 CANPC 接口卡層 串口通信層 與上位機的串口通信層交換數據 CAN接口層 與 CAN總路上的其它節點通信 節點層 CAN接口層 和同一 CAN總路線上的接口卡以及其它節點通信 數據采集層 從各個傳感器采集數據 為增加系統的擴展性，設計時確定系統內最大可有 100 個子節點，以便在使用過程中可以按照自己的需求裁剪系統的規模。整個系統如圖 9所示。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。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。控制類型也只要求是輸出開關電壓信號，并不明確規定控制的是什么。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。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。并且一段時間后，傳感器又要重新校正。