【文章內(nèi)容簡介】 播通信的特點(diǎn)。 CAN總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點(diǎn)之間實現(xiàn)自由通信。 CAN總線協(xié)議 已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)證，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價比高，特別適用于分布式測控系統(tǒng)之間的數(shù)通訊。 CAN 總線插卡可以任意插在 PC AT XT兼容機(jī)上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。 結(jié)構(gòu)簡單 只有 2 根線與外部相連，并且內(nèi)部集成了錯誤探測和管理模塊。 CAN總線技術(shù)介紹 要對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理 ,就必須將數(shù)據(jù)快速傳送 ,這就要求數(shù)據(jù)的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個站同時需要發(fā)送數(shù)據(jù)時 ,要求快速地進(jìn)行總線分配。實時處理通過 網(wǎng)絡(luò)交換 的緊急數(shù)據(jù)有較大的不同。一個快速變化的物理量 ,如汽車引擎負(fù)載 ,將比類似汽車引擎溫度這樣 相對變化較慢的物理量更頻繁地傳送數(shù)據(jù)并要求更短的延時。 CAN 總線以報文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送 ,報文的優(yōu)先級結(jié)合在 11 位標(biāo)識符中 ,具有最低二進(jìn)制數(shù)的標(biāo)識符有最高的優(yōu)先級。這種優(yōu)先級一旦在系統(tǒng)設(shè)計時被確立后就不能再被更改。總線讀取中的沖突可通過位仲裁解決。如圖 2所示 ,當(dāng)幾個站同時發(fā)送報文時 ,站 1 的報文標(biāo)識符為 011111。站 2 的報文標(biāo)識符為 0100110。站 3的報文標(biāo)識符為 0100111。所有標(biāo)識符都有相同的兩位 01,直到第 3位進(jìn)行比較時 ,站 1 的報文被丟掉 ,因為它的第 3 位為高 ,而其它兩個站的報文第 3 位為低。站 2和站 3報文的 6 位相同 ,直到第 7 位時 ,站 3 的報文才被丟失。注意 ,總線中的信號持續(xù)跟蹤最后獲得總線讀取權(quán)的站的報文。在此例中 ,站 2的報文被跟蹤。這種非破壞性位仲裁方法的優(yōu)點(diǎn)在于 ,在網(wǎng)絡(luò)最終確定哪一個站的報文被傳送以前 ,報文的起始部分已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)上傳送了。所有未獲得總線讀取權(quán)的站都成為具有最高優(yōu)先權(quán)報文的接收站 ,并且不會在總線再次空閑前發(fā)送報文。 CAN 具有較高的效率是因為總線僅僅被那些請求總線懸而未決的站利用 ,這些請求是根據(jù)報文在整個系統(tǒng)中的重要性按順序處理的。這種方法在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時有很多優(yōu)點(diǎn) ,因為總 線讀取的優(yōu)先級已被按順序放在每個報文中了 ,這可以保證在 實時系統(tǒng) 中較低的個體隱伏時間。 對于主站的可靠性 ,由于 CAN 協(xié)議執(zhí)行非集中化總線控制 ,所有主要通信 ,包括總線讀取 (許可 )控制 ,在系統(tǒng)中分幾次完成。這是實現(xiàn)有較高可靠性的通信系統(tǒng)的唯一方法。 CAN與其它通信方案的比較 在實踐中 ,有兩種重要的總線分配方法 :按時間表分配和按需要分配。在第一種方法中 ,不管每個節(jié)點(diǎn)是否申請 總線 ,都對每個節(jié)點(diǎn)按最大期間分配。由此 ,總線可被分配給每個站并且是唯一的站 ,而不論其是立即進(jìn)行總線存取或在一特定時間進(jìn)行總線存取。這將保證在總線存取時有明確的總線分配。在第二種方法中 ,總線按傳送數(shù)據(jù)的基本要求分配給一個站 ,總線系統(tǒng)按站希望的傳送分配(如 :Ether CSMA/CD)。因此 ,當(dāng)多個站同時請求總線存取時 ,總線將終止所有站的請求 ,這時將不會有任何一個站獲得總線 分配。為了分配總線 ,多于一個總線存取是必要的。 CAN 實現(xiàn)總線分配的方法 ,可保證當(dāng)不同的站申請總線存取時 ,明確地進(jìn)行總線分配。這種位仲裁的方法可以解決當(dāng)兩個站同時發(fā)送數(shù)據(jù)時產(chǎn)生的碰撞問題。不同于 Ether 網(wǎng)絡(luò)的消息仲裁 ,CAN 的非破壞性解決總線存取沖突的方法 ,確保在不傳送有用消息時總線不被占用。甚至當(dāng)總線在重負(fù)載情況下 ,以消息內(nèi)容為優(yōu)先的總線存取也被證明是一種有效的系統(tǒng)。雖然總線的傳輸能力不足 ,所有未解決的傳輸請求都按重要性順序來處理。在 CSMA/CD 這樣的網(wǎng)絡(luò)中 ,如 Ether,系統(tǒng)往往由于過 載而崩潰 ,而這種情況在 CAN 中不會發(fā)生。 CAN的報文格式 在總線中傳送的報文 ,每幀由 7部分組成。 CAN協(xié)議支持兩種報文格式 ,其唯一的不同是標(biāo)識符 (ID)長度不同 ,標(biāo)準(zhǔn)格式為 11 位 ,擴(kuò)展格式為 29 位。 在標(biāo)準(zhǔn)格式中 ,報文的起始位稱為幀起始 (SOF),然后是由 11 位標(biāo)識符和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位 (RTR)組成的仲裁場。 RTR 位標(biāo)明是數(shù)據(jù)幀還是請求幀 ,在請求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)。 控制場包括標(biāo)識符擴(kuò)展位 (IDE),指出是標(biāo)準(zhǔn)格式還是擴(kuò)展格式。它還包括一個保留位 (ro),為將來擴(kuò)展使用。它的最后四個字節(jié)用來指明數(shù)據(jù) 場中數(shù)據(jù)的長度 (DLC)。數(shù)據(jù)場范圍為 0～ 8 個字節(jié) ,其后有一個檢測數(shù)據(jù)錯誤的 循環(huán)冗余檢查(CRC)。 應(yīng)答場 (ACK)包括應(yīng)答位和應(yīng)答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平(邏輯 1),這時正確接收報文的接收站發(fā)送主控電平 (邏輯 0)覆蓋它。用這種方法 ,發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡(luò)中至少有一個站能正確接收到報文。 報文的尾部由幀結(jié)束標(biāo)出。在相鄰的兩條報文間有一很短的間隔位 ,如果這時沒有 站進(jìn)行總線存取 ,總線將處于空閑狀態(tài)。 CAN總線可靠性 為防止汽車在使用壽命期內(nèi)由于數(shù)據(jù)交換錯誤而對司機(jī)造成危險 ,汽車的安全系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)傳輸具有較高的安全性。如果數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃宰銐蚋?,或者殘留下來的數(shù)據(jù)錯誤足夠低的話 ,這一目標(biāo)不難實現(xiàn)。從總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)的角度看 ,可靠性可以理解為 ,對傳輸過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯誤的識別能力。 殘余數(shù)據(jù)錯誤的概率可以通過對數(shù)據(jù)傳輸可靠性的統(tǒng)計測量獲得。它描述了傳送數(shù)據(jù)被破壞和這種破壞不能被探測出來的概率。殘余數(shù)據(jù)錯誤概率必須非常小 ,使其在系統(tǒng)整個壽命周期內(nèi) ,按平均統(tǒng)計時幾乎檢測不到。 計算殘余錯誤概率要求能夠?qū)?shù)據(jù)錯誤進(jìn)行分類 ,并且數(shù)據(jù)傳輸路徑可由一模型描述。如果要確定CAN的殘余錯誤概率 ,我們可將殘留錯誤的概率作為具有 80～ 90位的報文傳送時位錯誤概率的函數(shù) ,并假定這個系統(tǒng)中有 5～ 10個站 ,并且錯誤率為 1/1000,那么最大位錯誤概率為 10— 13數(shù)量級。例如 ,CAN 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸率最大為 1Mbps,如果數(shù)據(jù)傳輸能力僅使用 50%,那么對于一個工作壽命 4000 小時、平均報文長度為 80 位的系統(tǒng) ,所傳送的數(shù)據(jù)總量為 91010 。在系統(tǒng)運(yùn)行壽命期內(nèi) ,不可檢測的傳輸錯誤的統(tǒng)計平均小于 10— 2 量 級。換句話說 ,一個系統(tǒng)按每年 365天 ,每天工作 8 小時 ,每秒錯誤率為 0. 7 計算 ,那么按統(tǒng)計平均 ,每 1000 年才會發(fā)生一個不可檢測的錯誤。 CAN總線的優(yōu)點(diǎn) 具有實時性強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)； 采用雙線串行通信方式，檢錯能力強(qiáng)，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作； 具有優(yōu)先權(quán)和仲裁功能，多個控制模塊通過 CAN 控制器掛到 CANbus ，形成多主機(jī)局部網(wǎng)絡(luò)； 可根據(jù)報文的 ID 決定接收或屏蔽該報文； 可靠的錯誤處理和檢錯機(jī)制； 發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)； 節(jié) 點(diǎn)在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出總線的功能； 報文不包含源地址或目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來指示功能信息、優(yōu)先級信息。 CAN總線開發(fā)測試工具 CAN 總線多用于工控和汽車領(lǐng)域，在 CAN總線的開發(fā)測試階段，需要對其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)功能，網(wǎng)路整合等進(jìn)行開發(fā)測試，需要虛擬、半虛擬、全實物仿真測試平臺，并且必須測試各節(jié)點(diǎn)是否符合 ISO11898 中規(guī)定的錯誤響應(yīng)機(jī)制等，所以CAN 總線的開發(fā)需要專業(yè)的開發(fā)測試工具，并且在生產(chǎn)階段也需要一批簡單易用的生產(chǎn)線測試工具。 CAN 總線開發(fā)測試工具的主要供應(yīng)商有 IHR、 Vector、 Intrepidcs等。常用的開發(fā)測試工具如 AutoCAN、 CANspider 等。 LonWorks總線 LonWorks：一種全新的現(xiàn)場總線 LonWorks是美國 Echelon公司 1992年推出的局部操作網(wǎng)絡(luò) ,最初主要用于樓宇自動化 ,但很快發(fā)展到工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)。 LonWorks 技術(shù)為設(shè)計和實現(xiàn)可互操作的控制網(wǎng)絡(luò)提供了一套完整、開放、成品化的解決途徑。 LonWorks 的神經(jīng)元芯片 LonWorks 技術(shù)的核心是神經(jīng)元芯片 (Neuron Chip)。該芯片內(nèi)部裝有 3 個微處理器 :MAC 處理器完成介質(zhì)訪問控 制 。網(wǎng)絡(luò)處理器完成 OSI 的 3～ 6層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 。應(yīng)用處理器完成用戶現(xiàn)場控制應(yīng)用。它們之間通過公用存儲器傳遞數(shù)據(jù)。下圖為 3個處理器和存儲器結(jié)構(gòu)的框圖。 圖 神經(jīng)元芯片處理器和存儲器 在控制單元中需要采集和控制功能 ,為此 ,神經(jīng)元芯片特設(shè)置 11個 I/O 口。這些 I/O口可根據(jù)需求不同來靈活配置與外圍設(shè)備的接口 ,如 RS23并口、定時 /計數(shù)、間隔處理、位 I / O 等。 神經(jīng)元芯片還有一個時間計數(shù)器 ,從而能完成 Watchdog、多任務(wù)調(diào)度和定時功能。神經(jīng)元芯片支持節(jié)電方式 ,在節(jié)電方式下系統(tǒng)時鐘和計數(shù)器關(guān)閉 ,但狀態(tài)信 息 (包括 RAM中的信息 ) 不會改變。一旦 I/O 狀態(tài)變化或網(wǎng)線上信息有變 ,系統(tǒng)便會激活。其內(nèi)部還有一個最高 M bps、獨(dú)立于介質(zhì)的收發(fā)器。由此可見 ,一個小小的神經(jīng)元芯片不僅具有強(qiáng)大的通信功能 , 更集采集、控制于一體。在理想情況下 ,一個神經(jīng)元芯片加上幾個分離元件便可成為 DCS 系統(tǒng)中一個獨(dú)立的控制單元。 完善的開發(fā)平臺 LonWorks 提供的不僅僅是一套高性能的神經(jīng)元芯片 ,更重要的是 ,它提供了一套完整的開發(fā)平臺。工業(yè)現(xiàn)場中的通信不僅要將數(shù)據(jù)實時發(fā)送、接收 ,更多的是數(shù)據(jù)的打包、拆包、流量處理、出錯處理 。這使控制工程師不得不在數(shù)據(jù)通信上投入大量精力。LonWorks 在這方面提供了非常友好的服務(wù) ,提供了一套完整的建網(wǎng)工具 —— LonBuild。 首先 ,它提供了一套 C 語言的編譯器 ,從而大大減少了開發(fā)時間。在這個編譯器中 ,提供了對 11 個 I/O非常詳盡的庫函數(shù)。在通信方面 ,它也提出了一個全新的概念 —— 網(wǎng)絡(luò)變量。通過網(wǎng)絡(luò)變量 ,網(wǎng)絡(luò)上的通信只需將相關(guān)節(jié)點(diǎn)上的網(wǎng)絡(luò)變量連接一下即可。網(wǎng)絡(luò)變量是應(yīng)用程序定義的一個特殊靜態(tài)變量 ,可以是 ANSI C 所定義的各種類型 ,也可以是自定義類型 ,還可以規(guī)定優(yōu)先級、響應(yīng)方式等。網(wǎng)絡(luò)變量被定 義為輸入或輸出 ,當(dāng)定義為輸出的網(wǎng)絡(luò)變量被賦予新值時 ,與該輸出變量相連的輸入網(wǎng)絡(luò)變量就會被立刻賦予同樣的新值。 另外 ,LonBuild 還集成開發(fā)環(huán)境和編譯于一體 ,具備 C調(diào)試器 ,可在多個仿真器上調(diào)試應(yīng)用程序 ,并具備網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析和通信分析的功能。 LonTalk:面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 LonTalk 是 LonWorks 的通信協(xié)議 ,固化在神經(jīng)元芯片內(nèi)。 LonTalk 局部操作網(wǎng)協(xié)議是為 LonWo r ks 中通信所設(shè)的框架 ,支持 ISO 組織制定的 OSI 參考模型的 7 層協(xié)議 ,并可使簡短的控制信息在各種介質(zhì)中非?？煽康貍?輸。表 1概括了 LonTalk 在 OSI 參考模型中每層所提供的服務(wù)。 LonTalk 協(xié)議是直接面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議 ,具體實現(xiàn)即采用網(wǎng)絡(luò)變量的形式。又由于硬件芯片的支持 ,使它實現(xiàn)了實時性和接口的直觀、簡潔等現(xiàn)場總線的應(yīng)用要求。 MAC 的特點(diǎn) 介質(zhì)訪問控制 (MAC)子層是 OSI 參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層的一部分。目前在不同的網(wǎng)絡(luò)中存在多種介質(zhì)訪問控制協(xié)議 ,其中之一就是大家熟悉的 CSMA(載波信號多路偵聽 )。LonTalk 正是使用該協(xié)議 ,但具有自己的特色。 CSMA 協(xié)議要求一個節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)前偵聽 網(wǎng)絡(luò)是否空閑。一旦監(jiān)測到線路空閑后 ,不同的協(xié)議動作不同。這樣在重負(fù)載的情況下 ,不同協(xié)議的執(zhí)行結(jié)果不同。例如 ,Ether 采用 CSM A /CD 協(xié)議 ,一旦檢測到碰撞 ,采用避讓算法 ,這種方法在重負(fù)載時導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)傳輸率變得極低。另一些 CSMA 協(xié)議使用時間片規(guī)則去訪問介質(zhì) ,使節(jié)點(diǎn)在限制的時間片訪問介質(zhì) ,這樣可以大大減少兩個數(shù)據(jù)報發(fā)生碰撞的可能性。 P堅持 CSMA和 LonTalk 的 CSMA 就是使用時間片去訪問介質(zhì)。 LonTalk 協(xié)議使用一個改進(jìn)的 CSMA 介質(zhì)訪問控制協(xié)議 ,稱為預(yù)測的 P堅持 CSMA。LonTa lk 協(xié)議在保留 CSMA 協(xié)議優(yōu)點(diǎn)的同時 ,注意克服它在控制中的不足。目前存在的MAC 協(xié)議 (如 IEEE 、 、 、 )都不能在重負(fù)載下很好地保持網(wǎng)絡(luò)高效率、支持大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和多通信介質(zhì)。 如果有很多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等待網(wǎng)絡(luò)空閑 ,一旦網(wǎng)絡(luò)空閑 ,這些節(jié)點(diǎn)都會馬上發(fā)送報文而產(chǎn)生碰撞。它們產(chǎn)生碰撞后會后退一段時間 ,假如這段時間相同 ,就會發(fā)生重復(fù)碰撞 ,這將使網(wǎng)絡(luò)效率大大降低。在預(yù)測的 P堅持 CSMA 中 ,所有 LonWorks 節(jié)點(diǎn)等待隨機(jī)時間片間隔訪問介質(zhì) , 這就避免了以上情況的發(fā)生。在 LonWorks中 ,每個節(jié)點(diǎn)發(fā)送前隨機(jī)插入1～ 16 個很小的隨機(jī)時間片。在空閑網(wǎng)絡(luò)中 ,每個節(jié)點(diǎn)發(fā)送前平均插入 8個隨機(jī)時間片。 在 P堅持 CSMA 中 ,當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)有信息需要發(fā)送時并不立即發(fā)送 ,而是等待一個概率為 P的隨機(jī)時間片。而 LonTalk 協(xié)議可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載動態(tài)調(diào)整 P 值。時間片的增加通過一個 N 值 ,插入的隨機(jī)時間片為 N 16,這個 N 值的取值范圍是 1～ 63。 LonTalk 稱 N為網(wǎng)絡(luò)積壓的估計值 ,是對當(dāng)前發(fā)送周期有多少個節(jié)點(diǎn)有報文需要發(fā)送的估計。 LonTalk 協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)積壓動態(tài)地調(diào)整介質(zhì)訪問 ,允許網(wǎng)絡(luò)在輕負(fù)載情況下用較短 的時間片 ,在重負(fù)載情況下用較長的