【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 串行總線以及廣播通信的特點(diǎn)。 CAN 總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)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(shí)現(xiàn)自由通信。 CAN 總線協(xié)議 已被國(guó)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(jià)比高，特別適用于分布式測(cè)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(jiǎn)單 只有 2 根線與外部相連，并且內(nèi)部集成了錯(cuò)誤探測(cè)和管理模塊。 CAN總線技術(shù)介紹 要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(gè)站同時(shí)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí) ,要求快速地進(jìn)行總線分配。實(shí)時(shí)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(gè)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(duì)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(shí)。 CAN 總線以報(bào)文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送 ,報(bào)文的優(yōu)先級(jí)結(jié)合在 11 位標(biāo)識(shí)符中 ,具有最低二進(jìn)制數(shù)的標(biāo)識(shí)符有最高的優(yōu)先級(jí)。這種優(yōu)先級(jí)一旦在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(dāng)幾個(gè)站同時(shí)發(fā)送報(bào)文時(shí) ,站 1 的報(bào)文標(biāo)識(shí)符為 011111。站 2 的報(bào)文標(biāo)識(shí)符為 0100110。站 3的報(bào)文標(biāo)識(shí)符為 0100111。所有標(biāo)識(shí)符都有相同的兩位 01,直到第 3 位進(jìn)行比較時(shí) ,站 1 的報(bào)文被丟掉 ,因?yàn)樗牡?3 位為高 ,而其它兩個(gè)站的報(bào)文第 3 位為低。站 2和站 3報(bào)文的 6 位相同 ,直到第 7位時(shí) ,站 3的報(bào)文才被丟失。注意 ,總線中的信號(hào)持續(xù)跟蹤最后獲得總線讀取權(quán)的站的報(bào)文。在此例中 ,站 2的報(bào)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(gè)站的報(bào)文被傳送以前 ,報(bào)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(bào)文的接收站 ,并且不會(huì)在總線再次空閑前發(fā)送報(bào)文。 CAN 具有較高的效率是因?yàn)榭偩€僅僅被那些請(qǐng)求總線懸而未決的站利用 ,這些請(qǐng)求是根據(jù)報(bào)文在整個(gè)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(shí)有很多優(yōu)點(diǎn) ,因?yàn)榭?線讀取的優(yōu)先級(jí)已被按順序放在每個(gè)報(bào)文中了 ,這可以保證在 實(shí)時(shí)系統(tǒng) 中較低的個(gè)體隱伏時(shí)間。 對(duì)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(shí)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(shí)踐中 ,有兩種重要的總線分配方法 :按時(shí)間表分配和按需要分配。在第一種方法中 ,不管每個(gè)節(jié)點(diǎn)是否申請(qǐng) 總線 ,都對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)按最大期間分配。由此 ,總線可被分配給每個(gè)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(shí)間進(jìn)行總線存取。這將保證在總線存取時(shí)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(gè)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(gè)站同時(shí)請(qǐng)求總線存取時(shí) ,總線將終止所有站的請(qǐng)求 ,這時(shí)將不會(huì)有任何一個(gè)站獲得總線 分配。為了分配總線 ,多于一個(gè)總線存取是必要的。 CAN 實(shí)現(xiàn)總線分配的方法 ,可保證當(dāng)不同的站申請(qǐng)總線存取時(shí) ,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(gè)站同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)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(shí)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(qǐng)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(huì)發(fā)生。 CAN的報(bào)文格式 在總線中傳送的報(bào)文 ,每幀由 7部分組成。 CAN 協(xié)議支持兩種報(bào)文格式 ,其唯一的不同是標(biāo)識(shí)符 (ID)長(zhǎng)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(bào)文的起始位稱為幀起始 (SOF),然后是由 11 位標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位 (RTR)組成的仲裁場(chǎng)。 RTR 位標(biāo)明是數(shù)據(jù)幀還是請(qǐng)求幀 ,在請(qǐng)求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)。 控制場(chǎng)包括標(biāo)識(shí)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(gè)保留位 (ro),為將來擴(kuò)展使用。它的最后四個(gè)字節(jié)用來指明數(shù)據(jù) 場(chǎng)中數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度 (DLC)。數(shù)據(jù)場(chǎng)范圍為 0～ 8 個(gè)字節(jié) ,其后有一個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的 循環(huán)冗余檢查(CRC)。 應(yīng)答場(chǎng) (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(shí)正確接收?qǐng)?bào)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(gè)站能正確接收到報(bào)文。 報(bào)文的尾部由幀結(jié)束標(biāo)出。在相鄰的兩條報(bào)文間有一很短的間隔位 ,如果這時(shí)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(cuò)誤而對(duì)司機(jī)造成危險(xiǎn) ,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(cuò)誤足夠低的話 ,這一目標(biāo)不難實(shí)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(duì)傳輸過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的識(shí)別能力。 殘余數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的概率可以通過對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可靠性的統(tǒng)計(jì)測(cè)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(cè)出來的概率。殘余數(shù)據(jù)錯(cuò)誤概率必須非常小 ,使其在系統(tǒng)整個(gè)壽命周期內(nèi) ,按平均統(tǒng)計(jì)時(shí)幾乎檢測(cè)不到。 計(jì)算殘余錯(cuò)誤概率要求能夠?qū)?shù)據(jù)錯(cuò)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(cuò)誤概率 ,我們可將殘留錯(cuò)誤的概率作為具有 80～ 90位的報(bào)文傳送時(shí)位錯(cuò)誤概率的函數(shù) ,并假定這個(gè)系統(tǒng)中有 5～ 10個(gè)站 ,并且錯(cuò)誤率為 1/1000,那么最大位錯(cuò)誤概率為 10— 13 數(shù)量級(jí)。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(duì)于一個(gè)工作壽命 4000 小時(shí)、平均報(bào)文長(zhǎng)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(cè)的傳輸錯(cuò)誤的統(tǒng)計(jì)平均小于 10— 2 量 級(jí)。換句話說 ,一個(gè)系統(tǒng)按每年 365 天 ,每天工作 8小時(shí) ,每秒錯(cuò)誤率為 0. 7 計(jì)算 ,那么按統(tǒng)計(jì)平均 ,每 1000 年才會(huì)發(fā)生一個(gè)不可檢測(cè)的錯(cuò)誤。 CAN總線的優(yōu)點(diǎn) 具有實(shí)時(shí)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(cuò)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(gè)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(bào)文的 ID 決定接收或屏蔽該報(bào)文； 可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制； 發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā)； 節(jié) 點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出總線的功能； 報(bào)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(jí)信息。 CAN總線開發(fā)測(cè)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(cè)試階段，需要對(duì)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(cè)試，需要虛擬、半虛擬、全實(shí)物仿真測(cè)試平臺(tái)，并且必須測(cè)試各節(jié)點(diǎn)是否符合 ISO11898 中規(guī)定的錯(cuò)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(cè)試工具，并且在生產(chǎn)階段也需要一批簡(jiǎn)單易用的生產(chǎn)線測(cè)試工具。 CAN 總線開發(fā)測(cè)試工具的主要供應(yīng)商有 IHR、 Vector、 Intrepidcs等。常用的開發(fā)測(cè)試工具如 AutoCAN、 CANspider 等。 LonWorks總線 LonWorks：一種全新的現(xiàn)場(chǎng)總線 LonWorks是美國(guó) 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(dòng)化 ,但很快發(fā)展到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)。 LonWorks 技術(shù)為設(shè)計(jì)和實(shí)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(gè)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(chǎng)控制應(yīng)用。它們之間通過公用存儲(chǔ)器傳遞數(shù)據(jù)。下圖為 3 個(gè)處理器和存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的框圖。 圖 神經(jīng)元芯片處理器和存儲(chǔ)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(gè) 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(shí) /計(jì)數(shù)、間隔處理、位 I / O 等。 神經(jīng)元芯片還有一個(gè)時(shí)間計(jì)數(shù)器 ,從而能完成 Watchdog、多任務(wù)調(diào)度和定時(shí)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(shí)鐘和計(jì)數(shù)器關(guān)閉 ,但狀態(tài)信 息 (包括 RAM中的信息 ) 不會(huì)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(huì)激活。其內(nèi)部還有一個(gè)最高 M bps、獨(dú)立于介質(zhì)的收發(fā)器。由此可見 ,一個(gè)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(gè)神經(jīng)元芯片加上幾個(gè)分離元件便可成為 DCS 系統(tǒng)中一個(gè)獨(dú)立的控制單元。 完善的開發(fā)平臺(tái) 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(tái)。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的通信不僅要將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送、接收 ,更多的是數(shù)據(jù)的打包、拆包、流量處理、出錯(cuò)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(shí)間。在這個(gè)編譯器中 ,提供了對(duì) 11 個(gè) I/O 非常詳盡的庫函數(shù)。在通信方面 ,它也提出了一個(gè)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(gè)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(jí)、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(shí) ,與該輸出變量相連的輸入網(wǎng)絡(luò)變量就會(huì)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(gè)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(jiǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)性和接口的直觀、簡(jiǎn)潔等現(xiàn)場(chǎng)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(hào)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(gè)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(cè)到線路空閑后 ,不同的協(xié)議動(dòng)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(cè)到碰撞 ,采用避讓算法 ,這種方法在重負(fù)載時(shí)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(shí)間片規(guī)則去訪問介質(zhì) ,使節(jié)點(diǎn)在限制的時(shí)間片訪問介質(zhì) ,這樣可以大大減少兩個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)生碰撞的可能性。 P堅(jiān)持 CSMA和 LonTalk 的 CSMA 就是使用時(shí)間片去訪問介質(zhì)。 LonTalk 協(xié)議使用一個(gè)改進(jìn)的 CSMA 介質(zhì)訪問控制協(xié)議 ,稱為預(yù)測(cè)的 P堅(jiān)持 CSMA。LonTa lk 協(xié)議在保留 CSMA 協(xié)議優(yōu)點(diǎn)的同時(shí) ,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(huì)馬上發(fā)送報(bào)文而產(chǎn)生碰撞。它們產(chǎn)生碰撞后會(huì)后退一段時(shí)間 ,假如這段時(shí)間相同 ,就會(huì)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(cè)的 P堅(jiān)持 CSMA 中 ,所有 LonWorks 節(jié)點(diǎn)等待隨機(jī)時(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送前隨機(jī)插入1～ 16 個(gè)很小的隨機(jī)時(shí)間片。在空閑網(wǎng)絡(luò)中 ,每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送前平均插入 8 個(gè)隨機(jī)時(shí)間片。 在 P堅(jiān)持 CSMA 中 ,當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)有信息需要發(fā)送時(shí)并不立即發(fā)送 ,而是等待一個(gè)概率為 P 的隨機(jī)時(shí)間片。而 LonTalk 協(xié)議可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)整 P值。時(shí)間片的增加通過一個(gè) N值 ,插入的隨機(jī)時(shí)間片為 N 16,這個(gè) N值的取值范圍是 1～ 63。 LonTalk 稱 N 為網(wǎng)絡(luò)積壓的估計(jì)值 ,是對(duì)當(dāng)前發(fā)送周期有多少個(gè)節(jié)點(diǎn)有報(bào)文需要發(fā)送的估計(jì)。 LonTalk 協(xié)議根據(jù)網(wǎng)絡(luò)積壓動(dòng)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(shí)間片