【正文】 控制類型也只要求是輸出開關(guān)電壓信號(hào)，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(dāng)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(shí)現(xiàn)；與位表示、定時(shí)和同步相關(guān)的功能。接收器以發(fā)送器相同的方法計(jì)算 CRC。 當(dāng)檢測(cè)到間歇場(chǎng)未被顯性位中斷后，認(rèn)為總線被所有節(jié)點(diǎn)釋放，具有總線訪問權(quán)限的節(jié)點(diǎn)即可以訪問總線。 (1) 間歇場(chǎng)間歇場(chǎng)由 3 個(gè)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(rèn)可錯(cuò)誤標(biāo)志位可由來自其他節(jié)點(diǎn)的顯性位改寫。發(fā)送節(jié)點(diǎn)的 ACK 場(chǎng)中，送出兩個(gè)隱性位；所有接收到匹配 CRC 序列的節(jié)點(diǎn)，以顯性位改寫發(fā)送器的隱性位送出一個(gè)應(yīng)答。另外，數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀以幀間空間與先前幀隔開?？偩€上信息的自動(dòng)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(zhǎng)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(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為 8 個(gè)，因而傳輸時(shí)間短，受干擾概率低。 (4) PROFI BUS PROFIBUS 是納入德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) DIN19245 和歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN50170 的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。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(shí)可以不必考慮，判斷標(biāo)準(zhǔn)為 :當(dāng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間 (上升或下降時(shí)間 )超過電信號(hào)沿總線單向傳輸所需時(shí)間的 3 倍以上時(shí)就 可以不加匹配電阻。 [9] 方 案對(duì)比 自 80 年代末以來，有幾種現(xiàn)場(chǎng)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(shì)，它們具有各自的特點(diǎn)。東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論 6 上位機(jī)監(jiān) 測(cè)和控制軟件的研制。近年來，幾個(gè)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(gè)領(lǐng)域中，這其中包括交通、移動(dòng)設(shè)施、工業(yè)控制、樓宇自動(dòng)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(shí)現(xiàn)信息交換。 PIC single chip puter。 本文采用 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種分布式測(cè)量控制系統(tǒng)。 關(guān)健詞： 現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)的智能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并進(jìn)一步構(gòu)成自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基本控制、補(bǔ)償計(jì)算、參數(shù)修改、報(bào)警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及管理控制一體化的綜合自動(dòng)化功能。 現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn) 由于現(xiàn)場(chǎng)總線的以上特點(diǎn)，特別是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，使控制系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、安裝到正常生產(chǎn)運(yùn)行及其檢修維護(hù)，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(chǎng)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(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的管理，引入局部網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（便于多機(jī)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(jiǎn)稱，最早由德國(guó)的 BOSCH 公司推出，用于汽車內(nèi)部測(cè)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(yàn)、總線監(jiān)測(cè)、位填充及其報(bào)文格式檢查等檢錯(cuò)措施，數(shù)據(jù)差錯(cuò)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(dú)立工作 的兩部分，即發(fā)送部分和接收部分。 對(duì)物理接口訪問 對(duì) 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(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） CAN 總線技術(shù)研究 14 (3) 控制場(chǎng)：控制場(chǎng)由六位構(gòu) 成，包括兩位用于擴(kuò)展的保留位。一個(gè)遠(yuǎn)程幀由 6 個(gè)不同位場(chǎng)構(gòu)成：幀起始 (SOF)、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng) (兩位保留位 +DLC 場(chǎng) )、CRC 場(chǎng)、 ACK 場(chǎng)、幀結(jié)束 (EOF)，如圖 6 所示。超載幀與出錯(cuò)幀類似。 一幀由 SOF 場(chǎng)開始逐個(gè)位場(chǎng)進(jìn)行發(fā)送，在一場(chǎng)內(nèi)應(yīng)首先發(fā) 送最高位。若具有相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀同時(shí)發(fā)送，數(shù)據(jù)幀比遠(yuǎn)程幀有較高優(yōu)先權(quán)。 (1) 錯(cuò)誤激活：正常總線通信的節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)，發(fā)出一個(gè)活動(dòng)錯(cuò)誤標(biāo)志，中斷當(dāng)前總線傳輸。傳播段用于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的物理延遲時(shí)間。交換系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，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(shí)現(xiàn)多主通信，充分發(fā)揮各單片機(jī) 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(duì)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(jì)上，使用上位機(jī)軟件校正的方法，從而大大提高校準(zhǔn)的方便性。 [22] 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 20 表 2. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次 層 子層 功能 上機(jī)機(jī)層 應(yīng)用接口層 人機(jī) 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(diǎn)類層 把節(jié)點(diǎn)層的節(jié)點(diǎn)映射為一個(gè)類，對(duì)節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)和控制映射為節(jié)點(diǎn)類的方法調(diào)用 后臺(tái)數(shù)據(jù)庫層 保存所有檢驗(yàn)信息和各節(jié)點(diǎn)的其它信息，用于支撐整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)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(yàn)，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(diǎn)應(yīng)用時(shí)優(yōu)勢(shì)突出。 同步段用于同步總線上的各種 ECU。當(dāng)檢測(cè)到 CRC 錯(cuò)誤時(shí)，錯(cuò)誤幀在緊隨 ACK 界定符后開始發(fā)送。 基于競(jìng)爭(zhēng)的仲裁依靠標(biāo)識(shí)符和緊隨其后的 RTR 位完成。當(dāng)發(fā)送器在發(fā)送位流中檢測(cè)到 5 個(gè)數(shù)值相同的連續(xù)位 (包括填充位 )時(shí)，它在實(shí)際發(fā)送位流中，自動(dòng)插入一個(gè)補(bǔ)碼位。 (2) 錯(cuò)誤界 定符錯(cuò)誤界定符由 8位隱性位構(gòu)成。源節(jié)點(diǎn)收到遠(yuǎn)程幀后，將向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀作為響應(yīng)。 (2) 仲裁場(chǎng)：仲裁場(chǎng)由來自 LLC 子層的標(biāo)識(shí)符和 RTR(Remote TransmissionRequest，遠(yuǎn)程傳送請(qǐng)求 )位構(gòu)成。 超載通告：若接收器內(nèi)部條件要求延遲一個(gè) LLC 數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀，則通過 LLC子層開始發(fā)送超載幀，最多可產(chǎn)生兩個(gè)超載幀，以延遲下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀。正是由于此特性， CAN 技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)不同 于局域網(wǎng) CSMA/CD（帶沖突檢測(cè)的載波偵聽多路訪問技術(shù)）的無破壞沖突檢測(cè)。當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)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(shí)間；通過報(bào)文的不同優(yōu)先級(jí)，可以滿足不同的實(shí)時(shí)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(zhǎng)期處于連續(xù)或長(zhǎng)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(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） CAN 總線技術(shù)研究 8 如此，該標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)傳輸速率也只能達(dá)到 20kb/s，而且最大距離僅 15m，要想實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，必須使用 Modem。汽車工程師學(xué)會(huì) SAE (Society ofAutomotive Engineers)為加強(qiáng) 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(biāo)準(zhǔn)。 DCS 集計(jì)算機(jī)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(kuò)展。如應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和林業(yè)中的移動(dòng)設(shè)施、輪椅、起重機(jī)等。本文采用 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種分布式測(cè)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(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。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。 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。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(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。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。 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(dòng)化提高到一個(gè)新的水平。 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。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。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。 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。 [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 總線來進(jìn)行分布式測(cè)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(biāo)識(shí)符長(zhǎng)度不一樣。 (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。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)。 (2) 總線空閑場(chǎng)總線空閑時(shí)間可以是任意長(zhǎng)度。這種解決總線訪問沖突的 機(jī)理是基于競(jìng)爭(zhēng)的仲裁。 (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。 (3) 實(shí)現(xiàn)機(jī)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(dòng)芯片才能與其他。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(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。 [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。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。 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)送幀就沒有其它節(jié)點(diǎn)應(yīng)答。 (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。 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。但超載幀和錯(cuò)誤幀前沒有幀間空間，并且多個(gè)超載幀之間也不用幀間空間分隔。 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。 CRC 序列后隨的 CRC 界定符由單個(gè)隱性位構(gòu)成。 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。 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。 [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)。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)。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。它采用差分式傳