【文章內容簡介】 播通信的特點。 CAN總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡上其它節(jié)點發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信。 CAN總線協(xié)議 已被國際標準化組織認證，技術比較成熟，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兼容機上，方便地構成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。 結構簡單 只有 2 根線與外部相連，并且內部集成了錯誤探測和管理模塊。 CAN總線技術介紹 要對數(shù)據(jù)進行實時處理 ,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 ,要求快速地進行總線分配。實時處理通過 網(wǎng)絡交換 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行數(shù)據(jù)傳送 ,報文的優(yōu)先級結合在 11 位標識符中 ,具有最低二進制數(shù)的標識符有最高的優(yōu)先級。這種優(yōu)先級一旦在系統(tǒng)設計時被確立后就不能再被更改?？偩€讀取中的沖突可通過位仲裁解決。如圖 2所示 ,當幾個站同時發(fā)送報文時 ,站 1 的報文標識符為 011111。站 2 的報文標識符為 0100110。站 3的報文標識符為 0100111。所有標識符都有相同的兩位 01,直到第 3位進行比較時 ,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)點在于 ,在網(wǎng)絡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)絡上傳送了。所有未獲得總線讀取權的站都成為具有最高優(yōu)先權報文的接收站 ,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)絡負載較重時有很多優(yōu)點 ,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)點是否申請 總線 ,都對每個節(jié)點按最大期間分配。由此 ,總線可被分配給每個站并且是唯一的站 ,而不論其是立即進行總線存取或在一特定時間進行總線存取。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 ,可保證當不同的站申請總線存取時 ,明確地進行總線分配。這種位仲裁的方法可以解決當兩個站同時發(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。甚至當總線在重負載情況下 ,以消息內容為優(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 ,其唯一的不同是標識符 (ID)長度不同 ,標準格式為 11 位 ,擴展格式為 29 位。 在標準格式中 ,報文的起始位稱為幀起始 (SOF),然后是由 11 位標識符和遠程發(fā)送請求位 (RTR)組成的仲裁場。 RTR 位標明是數(shù)據(jù)幀還是請求幀 ,在請求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)。 控制場包括標識符擴展位 (IDE),指出是標準格式還是擴展格式。它還包括一個保留位 (ro),為將來擴展使用。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)。 應答場 (ACK)包括應答位和應答分隔符。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)絡中至少有一個站能正確接收到報文。 報文的尾部由幀結束標出。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由于數(shù)據(jù)交換錯誤而對司機造成危險 ,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 ,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對數(shù)據(jù)錯誤進行分類 ,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)運行壽命期內 ,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 具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優(yōu)點； 采用雙線串行通信方式，檢錯能力強，可在高噪聲干擾環(huán)境中工作； 具有優(yōu)先權和仲裁功能，多個控制模塊通過 CAN 控制器掛到 CANbus ，形成多主機局部網(wǎng)絡； 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制； 發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)； 節(jié) 點在錯誤嚴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地址，僅用標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域，在 CAN總線的開發(fā)測試階段，需要對其拓撲結構，節(jié)點功能，網(wǎng)路整合等進行開發(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)點是否符合 ISO11898 中規(guī)定的錯誤響應機制等，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 ,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 技術為設計和實現(xiàn)可互操作的控制網(wǎng)絡提供了一套完整、開放、成品化的解決途徑。 LonWorks 的神經(jīng)元芯片 LonWorks 技術的核心是神經(jīng)元芯片 (Neuron Chip)。該芯片內部裝有 3 個微處理器 :MAC 處理器完成介質訪問控 制 。網(wǎng)絡處理器完成 OSI 的 3～ 6層網(wǎng)絡協(xié)議 。應用處理器完成用戶現(xiàn)場控制應用。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構的框圖。 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、多任務調度和定時功能。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。其內部還有一個最高 M bps、獨立于介質的收發(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 ,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)絡變量。通過網(wǎng)絡變量 ,網(wǎng)絡上的通信只需將相關節(jié)點上的網(wǎng)絡變量連接一下即可。網(wǎng)絡變量是應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、響應方式等。網(wǎng)絡變量被定 義為輸入或輸出 ,當定義為輸出的網(wǎng)絡變量被賦予新值時 ,與該輸出變量相連的輸入網(wǎng)絡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調試器 ,可在多個仿真器上調試應用程序 ,并具備網(wǎng)絡協(xié)議分析和通信分析的功能。 LonTalk:面向對象的網(wǎng)絡通信協(xié)議 LonTalk 是 LonWorks 的通信協(xié)議 ,固化在神經(jīng)元芯片內。 LonTalk 局部操作網(wǎng)協(xié)議是為 LonWo r ks 中通信所設的框架 ,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。 LonTalk 協(xié)議是直接面向對象的網(wǎng)絡協(xié)議 ,具體實現(xiàn)即采用網(wǎng)絡變量的形式。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)場總線的應用要求。 MAC 的特點 介質訪問控制 (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)絡中存在多種介質訪問控制協(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)點在發(fā)送數(shù)據(jù)前偵聽 網(wǎng)絡是否空閑。一旦監(jiān)測到線路空閑后 ,不同的協(xié)議動作不同。這樣在重負載的情況下 ,不同協(xié)議的執(zhí)行結果不同。例如 ,Ether 采用 CSM A /CD 協(xié)議 ,一旦檢測到碰撞 ,采用避讓算法 ,這種方法在重負載時導致網(wǎng)絡介質傳輸率變得極低。另一些 CSMA 協(xié)議使用時間片規(guī)則去訪問介質 ,使節(jié)點在限制的時間片訪問介質 ,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。 LonTalk 協(xié)議使用一個改進的 CSMA 介質訪問控制協(xié)議 ,稱為預測的 P堅持 CSMA。LonTa lk 協(xié)議在保留 CSMA 協(xié)議優(yōu)點的同時 ,注意克服它在控制中的不足。目前存在的MAC 協(xié)議 (如 IEEE 、 、 、 )都不能在重負載下很好地保持網(wǎng)絡高效率、支持大網(wǎng)絡系統(tǒng)和多通信介質。 如果有很多網(wǎng)絡節(jié)點等待網(wǎng)絡空閑 ,一旦網(wǎng)絡空閑 ,這些節(jié)點都會馬上發(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)生重復碰撞 ,這將使網(wǎng)絡效率大大降低。在預測的 P堅持 CSMA 中 ,所有 LonWorks 節(jié)點等待隨機時間片間隔訪問介質 , 這就避免了以上情況的發(fā)生。在 LonWorks中 ,每個節(jié)點發(fā)送前隨機插入1～ 16 個很小的隨機時間片。在空閑網(wǎng)絡中 ,每個節(jié)點發(fā)送前平均插入 8個隨機時間片。 在 P堅持 CSMA 中 ,當一個節(jié)點有信息需要發(fā)送時并不立即發(fā)送 ,而是等待一個概率為 P的隨機時間片。而 LonTalk 協(xié)議可根據(jù)網(wǎng)絡負載動態(tài)調整 P 值。時間片的增加通過一個 N 值 ,插入的隨機時間片為 N 16,這個 N 值的取值范圍是 1～ 63。 LonTalk 稱 N為網(wǎng)絡積壓的估計值 ,是對當前發(fā)送周期有多少個節(jié)點有報文需要發(fā)送的估計。 LonTalk 協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡積壓動態(tài)地調整介質訪問 ,允許網(wǎng)絡在輕負載情況下用較短 的時間片 ,在重負載情況下用較長的