基于can現場總線的分布式控制系統設計優秀及文獻綜述(已改無錯字)

　　

【正文】 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。 (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。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。 LonWorks技術所采用的 LonTalk協議被封裝在稱之為 Neuron的神經元芯片中而得以實現。集成芯片中有 3 個 8位的 CPU，共同完成 LonTalk 的七層協議功能。 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。 (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。由 DP， FMS， PA 組成了 PROFIBUS 系列。 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。 FMS 意為現場信息規范，適用于紡織、樓宇自動化、可編程控制器、低壓開關等。而隊型則是用于過程自動化的總線類型，它遵從 IEC11582標準。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。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。其傳輸介質可以是雙絞線、光纜。最多可掛接 127 個站點。 (5) CAN CAN 是控制器局域網絡 (Controller Area Network)的簡稱，最早由德國的 BOSCH 公司推出，用于汽車內部測量與執行部件間的數據通信。后來逐步發展到用于其它工業領域的控制。其總線規范己被納入國際標準 ISO11898。 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。 CAN 總線的信號傳輸介質可為雙絞線、同 軸電纜或光纖。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)。可掛接設備數最多可達 110 個。 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。當節點嚴重錯誤時，具有自動關閉功能，以切斷該節點與總線的聯系，使總線上的其他節點及其通信不受影響，具有較強的抗干擾能力。 [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。 CAN 總線的主要特點 東華理工大學長江學院畢業設計（論文） CAN 總線技術研究 10 (1)CAN 總線具有點對點，一點對多點及全局廣 播傳送數據的功能，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜和光纖，通信距離最遠可達 l0km(速率為 5kbps 時 )，最高速率可達 1Mbps(通信距離可達 40m)； (2)CAN 總線廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據塊 (報文 )進行編碼，采用這種方法的優點可使網絡內的節點個數在理論上不受限制，數據塊的標識碼可由 11 位 (標準幀 )或 29 位 (擴展幀 )二進制數組成，因此可以定義 211 或 229 個不同的數據塊。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。 (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。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。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。 (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。 (5)在每 一幀中都有 CRC 校驗、總線監測、位填充及其報文格式檢查等檢錯措施，數據差錯率低。 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。 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。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。國內外應用CAN 技術新的研究正在蓬勃發展，并不斷有新的應用產生。 [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。兩節點間的最大距離如表 1所示。 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。 CAN 上的總線數值為兩種互補邏輯數值之一：顯性或隱性。顯性 (Dominant)數值表示邏輯 0，而隱性 (Recessive)表示邏輯 1。在隱性狀態下， VCANH 和 VCANL 被固定于平均電壓電平， Vdiff 近似為 0。在總線空閑或隱性位期間，發送隱性狀態。顯性狀態以大于最小閾值的差分電壓表示。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。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。顯性位和隱性位的電壓如圖 3所示。在顯性位期間，顯性狀態改寫隱性狀態并發送。 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)。 FSM 把消息按位排列。在不同類型的幀發送或者接收時， FSM 不斷改變自己的狀態。有限狀態器串行控制發送 /接收移位寄存器， CRC 寄存器以及總線上的串行數據。 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。 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。總線上信息的自動重發也是由 FSM 處理。 CAN 總線的分層結構 CAN 遵從 OSI 模型，按照 OSI 基準模型， CAN 結構劃分為兩層 [23][31]：數據鏈路層和物理層。 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)。 邏輯鏈路控制 (LLC)子層 LLC 子層提供的功能包 括：幀接收過濾，超載通告和恢復管理。 幀接收過濾：幀內容由標識符標出。標識符并不能指明幀的目的地，但描述數據的含義。每個接收器通過幀接收濾波確定此幀與其是否有關。 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，以延遲下一個數據幀或遠程幀。 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。 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，即發送部分和接收部分。 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 子層可響應報文幀、仲裁、應答、錯誤檢測和標定。 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。 MAC 子層特性不存在修改的靈活性。 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。 [24]其中：數據幀將數據由發送器傳至接收器；遠 程幀由節點發送，以請求發送具有相同標識符的數據幀：出錯幀可由任何節點發送，以檢測總線錯誤，而超載幀用于提供先前和后續數據幀或遠程幀之間的附加延時。另外，數據幀和遠程幀以幀間空間與先前幀隔開。 MAC 數據幀 有兩種類型的數據幀：標準幀和擴展幀。它們的區別在于標識符長度不一樣。標準幀是 11 位標識符，擴展幀是 29 位標識符。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)。 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。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。 (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 )位構成。在 MAC 數據， RTR 中， RTR 位數值為 0。 對物理接口訪問 對 LLC 子層訪問 接收數據封裝 發送數據封裝 發送媒體訪問管理 接收媒體訪問管理 接收數據解碼 發送數據解碼 LLC 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 14 (3) 控制場：控制場由六位構 成，包括兩位用于擴展的保留位。接收器接收 0和 1 位作為所有組合中的保留位。在定義保留位功能前，發送器只送 0 位。 (4) 數據場： MAC 數據場與 LLC 數據場格式相同。 (5) CRC 場： CRC 場包括 CRC 序列，后隨 CRC 界定符。 CRC 序列后隨的 CRC 界定符由單個隱性位構成。 (6) ACK 場： ACK 場為兩位： ACK 隙和 ACK 界定符。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。 ACK 界定符為 ACK 場的第二位，必須是隱性位，因此， ACK 隙被兩個 隱性位(ACK 界定符和 CRC 界定符 )所包圍。 (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。 MAC 遠程幀 一般來說，數據由數據發送方主動發起。比如一個傳感器節點發出自己的數據幀。但是目標節點也可以主動向源節點請求數據。在這種情況下，目標節點需要向源節點發送一個遠程幀。源節點收到遠程幀后，將向目標節點發送數據幀作為響應。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。一個遠程幀由 6 個不同位場構成：幀起始 (SOF)、仲裁場、控制場 (兩位保留位 +DLC 場 )、CRC 場、 ACK 場、幀結束 (EOF)，如圖 6 所示。 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。在 MAC 數據幀中， RTR位數值為 1。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。 若數據幀和遠程幀同時在總線上發送時，由于數據幀在標識碼后一位是顯性位，而遠程幀是隱性位，數據幀將贏得仲裁而優先發送。 出錯幀 出錯幀由兩個不同場構