【正文】 以及 CAN 收發(fā)器 82C250 組成 CAN 的通訊網(wǎng)絡(luò)，具有 實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)控制的功能，以及用 LabWindows/CVI 制作的友好的人機(jī)界面，能夠完全仿真現(xiàn)場工業(yè)總線監(jiān)控系統(tǒng)。它主要用來解決那些用傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題 。 CAN(控制器局域網(wǎng) )屬于現(xiàn)場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN 總線的 智能節(jié)點(diǎn)的 設(shè)計(jì) 【 摘要 】 ：現(xiàn)場總線時(shí)連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式，雙向傳輸，多分支結(jié)構(gòu)的通訊網(wǎng)絡(luò)。它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(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 .現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。智能控制是控制理論和技術(shù)發(fā)展的高級階段，是一個(gè)新興的并正在迅速發(fā)展的領(lǐng)域。 本文采用 CAN 現(xiàn)場總線技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā) 了一種分布式控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)硬件由三部分組成，分別是：數(shù)字開關(guān)量輸入輸出節(jié)點(diǎn)，模擬量采集節(jié)點(diǎn)，主機(jī)通訊節(jié)點(diǎn)。上位機(jī)采用 C語言編寫充分運(yùn)用 CVI 的 RS232 庫函數(shù)進(jìn)行串口通訊。 在通訊方面，本系統(tǒng)定義的 RS23 串口通訊協(xié)議以及 CAN 總線應(yīng)用層通訊協(xié)議，可以進(jìn)行雙向通訊和遠(yuǎn)程控制。s intelligent controller SJA1000 CAN CAN transceiver and 82 C250 CAN position of the munications work, with realtime monitoring, realtime processing, realtime, realtime control functions, and use LabWindows / CVI friendly production The manmachine interfaces, simulation can pletely control the scene industrial bus systems. System hardware consists of three parts, namely: the number of input and output switching nodes, analog collection points, host munication nodes. The crew procedures using assembly language, with AT89S51 as microcontrollers. PC using C language prepared by the full use of the CVI39。在當(dāng)前的汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。為適應(yīng)“ 減少線束的數(shù)量 ” 、 “ 通過多個(gè) LAN，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速 通信 ” 的需要， 1986 年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的 CAN 通信協(xié)議。 現(xiàn)在， CAN 的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。較之目前許多 RS485 基于 R線構(gòu)建的分布式控制系統(tǒng)而言 , 基于 CAN 總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性： 首先 ,CAN 控制器工作于多主方式 ,網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán) (取決于報(bào)文標(biāo)識符 )采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù) ,且 CAN 協(xié)議廢除了站地址編碼 ,而代之以對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼 ,這可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù) ,這些特點(diǎn)使得 CAN 總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng) ,并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu) ,提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。這就保證不會出現(xiàn)象在 RS485 網(wǎng)絡(luò)中 ,當(dāng)系統(tǒng)有錯誤 ,出現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí) ,導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路 ,從而損壞某些節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象。而且 ,CAN 具有的完善的通信協(xié)議可由 CAN控制器芯片及其接口芯片來實(shí)現(xiàn) ,從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度 ,縮短了開發(fā)周期 ,這些是只僅僅有電氣協(xié)議的 RS485所無法比擬的 另外 ,與其它現(xiàn)場總線比較而言 ,CAN 總線是具有通信速率高、容易實(shí)現(xiàn)、 且性價(jià)比高等諸多特點(diǎn)的一種已形成國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線?，F(xiàn)場總線技術(shù)將專 用微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使它們各自都具有了數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，采用雙絞線、電纜和光纖等作為通信介質(zhì)，把多個(gè)測量控制儀表連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按公開、規(guī)范的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場的多個(gè)微機(jī)化測量控制設(shè)備之間以及現(xiàn)場儀表與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成各種適應(yīng)實(shí)際需要的自動控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線是一種在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運(yùn) 行的、性能可靠、造價(jià)低廉的通信系統(tǒng)，可以完成現(xiàn)場自動化設(shè)備之間的多點(diǎn)通信，實(shí)現(xiàn)底層現(xiàn)場設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場與外界的信息交換 .現(xiàn)場總線作為過程自動化、制造自動化、樓宇和交通等領(lǐng)域現(xiàn)場智能設(shè)備之間的互連通信網(wǎng)絡(luò)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系，為徹底打破自動化系統(tǒng)的信息孤島創(chuàng)造了條件。 IEC ( International Electrotechnical Commission國際電工技術(shù)委員會 )定義現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu)模型為 3 層，分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。為此，美國儀表學(xué)會制定的 ISA/SPSO 現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)模型規(guī)定，增加新的用戶層。 6 現(xiàn)場總線模型 4個(gè)層次的任務(wù)概況如下 : 1．物理層 (Physical layer ):規(guī)定了銅導(dǎo)線、無線通信和光纖 2．?dāng)?shù)據(jù)鏈路層 (Data link layer):規(guī)定了物理層與應(yīng)用層之間的接口，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從總線上傳送數(shù)據(jù)的規(guī)則，傳輸差錯識別處理，噪音檢測、多主站使用規(guī)范等。概括的講，其主要任務(wù)是解決通信過程中數(shù)據(jù)的鏈接任務(wù)，具體表現(xiàn)在確定總線存取規(guī)則、令牌傳送、申請立即響應(yīng)，總線時(shí)間調(diào)度等規(guī)則 . 3．應(yīng)用層 (Application layer):提供設(shè)備之間及網(wǎng)絡(luò)要求的數(shù)據(jù)服務(wù)，以對現(xiàn)場控制進(jìn)行支持。通過出錯統(tǒng)計(jì)，控制網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行并檢查有無新站掛網(wǎng)或老站退出，系統(tǒng)連續(xù)詢問各可能的站地址以尋找新站。簡言之，用戶層的主要任務(wù)是對現(xiàn)場總線設(shè)備中數(shù)據(jù)庫信息的互相存取制定統(tǒng)一的規(guī)則，定義功能塊，提供用戶對系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)的語言。其任務(wù)是將上述網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議中的 4 個(gè)層次有機(jī)的結(jié)合在一起，協(xié)調(diào)的工作，使各 層準(zhǔn)確的完成通信和數(shù)據(jù)交換所賦予的任務(wù)。 7 開放系統(tǒng)是指世界上任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備或系統(tǒng)之間都可以互連 .通信協(xié)議一致公開，各不同廠家的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)信息交換。現(xiàn)場設(shè)備的智能化與自治性 :現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用將傳感測量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控 制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。從根本上改變了原有 DCS 系統(tǒng)集中與分散相結(jié)合的控制體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性 。 1 .4. 2 現(xiàn)場總線的優(yōu) 點(diǎn) 節(jié)省硬件資源與投資 :由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在現(xiàn)場的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報(bào)替和計(jì)算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨(dú)的調(diào)節(jié)器、計(jì)算單元等。 節(jié)省安裝費(fèi)用 :現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，一對雙紋線或一條電纜上通?？蓲於鄠€(gè)設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設(shè)計(jì)與接頭校對的工作量也大大減少。 節(jié)省維護(hù)開銷 :由于現(xiàn)場控制設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數(shù)字通信將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運(yùn)行，診斷維護(hù)信息，以便早期分析故障原因并快速排除，縮短了維護(hù)停工時(shí)間，同時(shí)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單化，連線簡單而減少了維護(hù)工作量。 8 第二章 控制器局域網(wǎng)總線 (CAN ) 2. 1 CAN 總線技術(shù)特點(diǎn) CAN 總線 (Control Area Network，控制局域網(wǎng)絡(luò) )最初是由德國 Bosch 公司為汽車內(nèi)部的監(jiān)控系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，具有物理層，數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層三層協(xié)議。 CAN 總線播的形式進(jìn)行通信。 CAN 現(xiàn)已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn)，并已被公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場總線之一。 2. CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息可分為不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求，高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)最多可在 134}s 內(nèi)得到傳輸。尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況。 5. CAN 的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá) l 0km(速率 5kbps 以下 )，通信速率最高可達(dá) 1 Mbps(通信距離最長為 40m )。報(bào)文標(biāo)識符口可達(dá) 2032 種()，而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn) (CAN2. 0B)的報(bào)文標(biāo)識符幾乎不受限制。 8. CAN 的每幀信息都有 CRC 校驗(yàn)及其它檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低 9. CAN 的通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。 2. 2 CAN 總線技術(shù)規(guī)范 由于 CAN 總線在不同領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用和推廣， 故要求對其通信格式標(biāo)準(zhǔn)化。該技術(shù)規(guī)范包括 A 和 B 兩部分， 2. OA 給出了 CAN 報(bào)文標(biāo)準(zhǔn)格式， 2. 0B 給出了標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的兩種格式。 2. 2. 1 CAN 總線的電氣特性 CAN 總線的通信線路由兩根導(dǎo)線組成，分別為 CANH和 CANL，這兩根導(dǎo)線也就是 CAN網(wǎng)絡(luò)中的總 線。 總線上某一時(shí)刻顯現(xiàn)的數(shù)值山兩根導(dǎo)線上電壓 CAN LV ? 和 CAN HV ? 的差值表示。如圖 所示。在 CAN 總線標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議中規(guī)定“顯性”表示邏輯 0，而“隱性”則表示邏輯“ 1 “ 0 當(dāng)在總線上存在“顯性”位和“隱性”位同時(shí)發(fā)送時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)送驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)使得總線數(shù)值表現(xiàn)為“顯性”。 CAN 總線上的數(shù)據(jù)按位串行傳輸，其傳輸速率可高達(dá) 1Mbps，在速率為 5Kbps 時(shí)傳輸距離可為達(dá) l0km，在速率為 1 Mbps 時(shí)的傳輸距離為 40m。 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)。 10 2. 2. 2 CAN 總線的分層結(jié)構(gòu) CAN 按照開放系統(tǒng)互連 (OSI)基本參考模式 (IS07498 )實(shí)現(xiàn)了一種簡化的 OSI 模型，它只具有 OSI 七個(gè)層次中的兩層 :數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。 CAN 總線系統(tǒng)的開發(fā)者在軟件上主要進(jìn)行應(yīng)用層的工作。 數(shù)據(jù)鏈路層 按照 IEEE 802. 2 和 802. 3 標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)鏈路層又劃分為 : 邏輯鏈路控制 (LLCLogic LinkControl) 媒體訪問控制 (MAC Medium Access Control) 在 CAN 技術(shù)規(guī)范 2. OA 版本中， LLC 和 MAC 子層的服務(wù)和功能被描述為 “目標(biāo)層”和“傳送層”。 1) 幀接收濾波 :在 LLC 子層仁開始的幀躍變是獨(dú)立的，其自身操作與先前的幀躍變無關(guān)。標(biāo)識符并不能指明幀的目的地 ，但描述數(shù)據(jù)的含義，每個(gè)接收器通過接收濾波確定此幀與其是否有關(guān)。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。 (MAC)子層 按照 IEEE 802. 3 標(biāo)準(zhǔn)， sac 子層劃分為完全獨(dú)立工作的兩個(gè)部分 :發(fā)送部分和接收部分，如圖 2. 3 所示。 (MDIMedium Dependent Interface)，實(shí)現(xiàn)物理媒體與媒體訪問單元 11 (MAUMedium Access Unit )之間機(jī)械和電氣接 口。 (PLSPhysical Signalling )，實(shí)現(xiàn)與位表示、定時(shí)和同步相關(guān)的功能。同步段對應(yīng)一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。時(shí)間段 2 提供采樣點(diǎn)上的附加時(shí)間以計(jì)算后續(xù)位電平以及采樣點(diǎn)后的直接同 步緩沖段。 CAN 總線的同步也是由物理信令完成的，它將到來沿同其實(shí)際位定時(shí)進(jìn)行比較，并通過同步適配位定時(shí)。 硬同步僅發(fā)生在報(bào)文的開始。因此，硬同步強(qiáng)迫引起硬同步的邊沿處于重新啟動位時(shí)間的同步段內(nèi)。重同步的結(jié)果是時(shí)間段 1 被延長或時(shí)間段 2被縮短，這兩個(gè)時(shí) 間段的延長或縮短的總和上限由重同步跳轉(zhuǎn)寬度給定。 硬同步和重同步是同步的兩種形式，它們遵從下列規(guī)則 : 1) 在一個(gè)位時(shí)間內(nèi)僅允許一種同步。 3) 在 總線空閑期間，當(dāng)存在一個(gè)“隱性”至“顯性”的跳變沿時(shí)，則執(zhí)行一次硬同步。例外情況是，對于具有正相位誤差的“隱性”至“顯性”的跳變沿，只要“隱性”至“顯性”的跳變沿被用于重同步，發(fā)送顯性位的節(jié)點(diǎn)將不執(zhí)行重同步。如果一個(gè)單元不是報(bào)文發(fā)送器，且總線不處于 空閑狀態(tài)，則該單元為接收器。對于發(fā)送器而言，如果直到幀結(jié)束一直未出錯，則對于發(fā)送器報(bào)文有效。為了能同其它報(bào)文進(jìn)行總線訪問競爭，總線一旦空閑， 12 重發(fā)送立即開始。 在 CAN 中報(bào)文是以幀為單位進(jìn)行傳送的，在 CAN 技術(shù)規(guī)范中，規(guī)定了總線上傳輸?shù)乃姆N幀類型 : 1. 攜帶數(shù)據(jù)由發(fā)送器至接收器 。 3. 由檢測出總線錯誤的任何單元發(fā)送 。 數(shù)據(jù)幀由 7 個(gè)不同的位場組成，即幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、 CRC 場、 ACK場和幀結(jié)束。 在 CAN 技術(shù)規(guī)范 2. OA 中規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的格式 。 1) 幀起始 (SOF)標(biāo)志數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的起始，它僅由一個(gè)“顯性”位構(gòu)成。 2) 仲裁 場仲裁場在標(biāo)準(zhǔn)格式和擴(kuò)展格式中是不同的。在擴(kuò)展格式中，仲裁場由 29 位標(biāo)識符、替代遠(yuǎn)程請求位 (SRR)、標(biāo)識位和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位 (RTR)組成。在標(biāo)準(zhǔn)格式中，一幀包括數(shù)據(jù)長度碼，發(fā)送“顯性”電平的 IDE 位和保留位 R0。數(shù)據(jù)長度碼指明數(shù)據(jù)場的字