計網(wǎng)(城軌供電)第6講現(xiàn)場總線技術(shù)

1、n概述nCAN 總線第第6 6講講 現(xiàn)場總線技術(shù)現(xiàn)場總線技術(shù) 隨著控制、計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)隨著控制、計算機、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展，信息交換溝通的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從工廠的展，信息交換溝通的領(lǐng)域正在迅速覆蓋從工廠的現(xiàn)場設(shè)備層到控制、管理的各個層次，覆蓋從工現(xiàn)場設(shè)備層到控制、管理的各個層次，覆蓋從工段、車間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場。信段、車間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，逐步形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企革，逐步形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)。業(yè)信息系統(tǒng)。 現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線

2、(fieldbus)(fieldbus)就是順應(yīng)這一形勢發(fā)展起就是順應(yīng)這一形勢發(fā)展起來的新技術(shù)。來的新技術(shù)。6.1 概述n 現(xiàn)場總線技術(shù)是將專用的處理器植入傳統(tǒng)的各種電氣設(shè)備，使他們各自具有了數(shù)字計算能力與通信能力。n 采用簡單的物理總線，把多個設(shè)備連接成為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并按照規(guī)范的通信協(xié)議，實現(xiàn)信息的交換。分布式控制系統(tǒng)（分布式控制系統(tǒng)（DCSDCS）I/O4-20 mAAnalyzerPLC4-20 mA控制站控制站操作站操作站LAN基于現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)（基于現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)（FCSFCS）FCS 對于 DCS的改進 FCS的信號傳輸實現(xiàn)了全數(shù)字化 FCS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是全分散式，

3、它廢棄了DCS的輸入輸出單元和控制站，由現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表取而代之 FCS的現(xiàn)場設(shè)備具有互操作性 FCS的通信網(wǎng)絡(luò)為開放式互連網(wǎng)絡(luò)，既可同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互連，用戶可極方便地共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫 FCS的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)了全開放，無專利許可要求，可供任何人使用 現(xiàn)場總線的定義現(xiàn)場總線的定義根據(jù)根據(jù)IEC的標(biāo)準(zhǔn)定義的標(biāo)準(zhǔn)定義：“安裝在制造和過程區(qū)域的安裝在制造和過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、雙向串行傳輸、多線通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)式、雙向串行傳輸、多線通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。場總線。目前國際上是目前國際上是多種多種現(xiàn)場總線

4、現(xiàn)場總線并存并存，IECIEC現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)(IEC(IEC6 61158)1158)是迄今為止制定時間最長、投票次數(shù)最多、意見分歧最大的國際是迄今為止制定時間最長、投票次數(shù)最多、意見分歧最大的國際標(biāo)準(zhǔn)之一。標(biāo)準(zhǔn)之一。IECIEC于于20002000年年1 1月月4 4日公布投票結(jié)果。日公布投票結(jié)果。 IEC61158IEC61158采用以下采用以下8 8種種現(xiàn)場總線：現(xiàn)場總線：類型類型1 1：IEC61158IEC61158技術(shù)報告技術(shù)報告 ( (即即FF H1)FF H1)類型類型2 2：ControlNet (ControlNet (美國美國Rockwell)Rockwell)

5、類型類型3 3：PROFIBUS (PROFIBUS (德國德國Siemens)Siemens)類型類型4 4：P-NET (P-NET (丹麥丹麥Process Data)Process Data)類型類型5 5：FF (FF (美國美國Fisher-Rosemount)Fisher-Rosemount)類型類型6 6：Swift Net (Swift Net (美國美國Boyin)Boyin)類型類型7 7：World FIP (World FIP (法國法國Alston)Alston)類型類型8 8：Interbus (Interbus (德國德國Phoenix Contact)Phoe

6、nix Contact)注：注：IECIEC現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的8 8種類型都是平等的，并要求類型種類型都是平等的，并要求類型2 28 8對對類型類型1 1提供接口，但不要求類型提供接口，但不要求類型2 28 8之間提供接口。之間提供接口。制定一個統(tǒng)一的現(xiàn)場總線一直沒能實現(xiàn)的原因：制定一個統(tǒng)一的現(xiàn)場總線一直沒能實現(xiàn)的原因： 每種總線的產(chǎn)生都有其一定的應(yīng)用背景，如每種總線的產(chǎn)生都有其一定的應(yīng)用背景，如Profibus在制造業(yè)，在制造業(yè)，WorldFIP、FF在過程控制行業(yè)，在過程控制行業(yè)，P_Net在農(nóng)業(yè)自動化領(lǐng)域。在農(nóng)業(yè)自動化領(lǐng)域。 每種總線都有一個或多個大公司，且多是大型跨國公司為背

7、景。每種總線都有一個或多個大公司，且多是大型跨國公司為背景。如如WordFIP主要由主要由Alstom公司支持，公司支持，Profibus以以Siemens公司公司為主要支持，為主要支持，ControlNet則以則以Rockwell公司為主要背景。公司為主要背景。 每種總線都力圖開發(fā)其應(yīng)用領(lǐng)域，以擴張其勢力范圍。每種總線都力圖開發(fā)其應(yīng)用領(lǐng)域，以擴張其勢力范圍。 每種總線大多將自己作為國家或者地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，以加強自己的競每種總線大多將自己作為國家或者地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，以加強自己的競爭地位，如爭地位，如P-Net以成為丹麥標(biāo)準(zhǔn)，以成為丹麥標(biāo)準(zhǔn)，Profibus已成為德國標(biāo)準(zhǔn)，已成為德國標(biāo)準(zhǔn)，WorldFIP已

8、成為法國標(biāo)準(zhǔn)。已成為法國標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場總線的原理和發(fā)展概況 現(xiàn)場總線的協(xié)議 現(xiàn)場總線一般采用國際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO的開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）協(xié)議，OSI協(xié)議是為計算機聯(lián)網(wǎng)而制定的7層參考模型，只要網(wǎng)絡(luò)中所有要處理的要素都是通過共同的路徑進行通信的，那么不管它是不是計算機網(wǎng)絡(luò)都可以使用該協(xié)議 各廠家在實際制定自己的通信協(xié)議時，往往依據(jù)側(cè)重點的不同，僅實現(xiàn)該7層協(xié)議的子集 現(xiàn)場總線系統(tǒng)組成 從物理結(jié)構(gòu)來看，現(xiàn)場總線系統(tǒng)有兩個主要組成部分：現(xiàn)場設(shè)備和傳輸介質(zhì)，其中現(xiàn)場設(shè)備由現(xiàn)場微處理芯片及外圍電路構(gòu)成，傳輸介質(zhì)可以使用雙絞線、同軸電纜、光纖等 現(xiàn)場總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種，如總線型、環(huán)型、樹型、星型等 現(xiàn)場總線

9、主要的優(yōu)點： 節(jié)省硬件數(shù)量與投資 節(jié)省安裝費用 節(jié)省維護開銷 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)6.2 CAN總線總線n 現(xiàn)代社會對汽車的要求不斷提高，這些要求包括：極高的主動安全性和被動安全性；乘坐的舒適性；駕駛與使用的便捷和人性化；尤其是低排放和低油耗的要求等。n 在汽車設(shè)計中運用微處理器及其電控技術(shù)是滿足這些要求的最好方法，而且已經(jīng)得到了廣泛的運用。目前這些系統(tǒng)有：ABS（防抱系統(tǒng)）、EBD（制動力分配系統(tǒng)）、EMS（發(fā)動機管理系統(tǒng)）、多功能數(shù)字化儀表、主動懸架、導(dǎo)航系統(tǒng)、電子防盜系統(tǒng)、自動空調(diào)和自動CD 機等。6.2. 1 CAN的發(fā)展概況n 這些系統(tǒng)由多個電控單元相互連接而成，可分為控制器

10、、傳感器、執(zhí)行器等。同時各個系統(tǒng)之間也互相連接，進行著越來越多的數(shù)據(jù)交換。這樣就需要使用大量的線束和插接器來實現(xiàn)互連，進行它們之間的數(shù)據(jù)交換。隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，這種需求的增長是驚人的（如圖）。n 由于線束和插接器的數(shù)量不斷增加，整車電子系統(tǒng)的復(fù)雜程度愈來愈高，其可靠性將難以保證，故障率會提高，維修會更加困難。n 為了滿足汽車內(nèi)部信息交換量急劇增加的要求，有必要使用一種實現(xiàn)多路傳輸方式的車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用串行總線結(jié)構(gòu)，通過總線信道共享，減少線束的數(shù)量。 n 車載網(wǎng)絡(luò)除了要求采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式外，必須具有極好的抗干擾能力；極強的差錯檢測和處理能力；滿足信息傳輸實時性要求；同

11、時具備故障的診斷和處理能力等。另外考慮到成本因素，要求其控制接口結(jié)構(gòu)簡單，易于配置。 n 20世紀(jì)80年代，Bosch的工程人員開始研究用于汽車的串行總線系統(tǒng)，因為當(dāng)時還沒有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能完全滿足汽車工程的要求。參加研究的還有Mercedes-Benz公司、Intel公司，還有德國兩所大學(xué)的教授。n 1986年， Bosch在SAE（汽車工程人員協(xié)會）大會上提出了CANn 1987年，INTEL就推出了第一片CAN控制芯片82526；隨后Philips半導(dǎo)體推出了82C200。n 1993年，CAN的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898公布n從此CAN 協(xié)議被廣泛的用于各類自動化控制領(lǐng)域。 n 1992年

12、，CIA（CAN in Automation）用戶組織成立，之后制定了第一個CAN應(yīng)用層“CAL”。n 1994年開始有了國際CAN學(xué)術(shù)年會（ICC）。n到今天，幾乎每一輛歐洲生產(chǎn)的轎車上都有CAN；高級客車上有兩套CAN，通過網(wǎng)關(guān)互聯(lián)；1999年一年就有近6千萬個CAN控制器投入使用；2000年銷售1億多CAN的芯片；2001年用在汽車上的CAN節(jié)點數(shù)目超過1億個 。n 但是轎車上基于CAN的控制網(wǎng)絡(luò)至今仍是各大公司自成系統(tǒng)，沒有一個統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。n 基于CAN的應(yīng)用層協(xié)議應(yīng)用較通用的有兩種：DeviceNet（適合于工廠底層自動化） 和 CANopen（適合于機械控制的嵌入式應(yīng)用）。6.2.2

13、 CAN的性能特點n有專門的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898 。n任一節(jié)點可在任一時刻主動發(fā)送。n報文以標(biāo)識符分為不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時性要求。優(yōu)先級最高的報文保證134us內(nèi)得到傳輸。n非破壞性總線仲裁技術(shù)，大大節(jié)省了總線沖突的仲裁時間。n通過對報文濾波可實現(xiàn)點對點、一點對多點和全局廣播等多種傳送方式。n速率最高可達1Mbps，最遠(yuǎn)可達10kmn節(jié)點數(shù)可達110個6.2. 2 CAN的性能特點n 短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低，適于工業(yè)環(huán)境n每幀信息都采用CRC校驗及其他檢錯措施，數(shù)據(jù)出錯率極低。n 通信介質(zhì)選擇靈活（雙絞線、同軸電纜或光纖）n錯誤嚴(yán)重情況下自動關(guān)閉輸出，保證不影響總線上

14、其他節(jié)點通信。n性價比高，器件容易購置，節(jié)點價格低。n 開發(fā)技術(shù)容易掌握，能充分利用現(xiàn)有的單片機開發(fā)工具。CAN總線上兩個節(jié)點間的最大距離速率kbps1000500250125100距離 m40130270530620速率kbps5020105距離 m130033006700100006.2. 3 CAN技術(shù)規(guī)范技術(shù)規(guī)范n1991年9月BOSCH公司發(fā)布了CAN技術(shù)規(guī)范2.0，該技術(shù)規(guī)范包括A和B兩部分。n2.0A給出了CAN報文的標(biāo)準(zhǔn)格式n2.0B給出了標(biāo)準(zhǔn)的和擴展的兩種報文格式n1993年11月ISO正式將它頒布為：道路交通工具-數(shù)據(jù)信息交換-高速通信控制器局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)ISO11898。n2

15、.0B完全兼容2.0A。所以我們介紹2.0B。依據(jù)OSI模型的CAN的分層結(jié)構(gòu) 位編碼/解碼 位定時 同步 驅(qū)動器接收器特性邏輯鏈路子層LLC 接收濾波 超載通知 恢復(fù)管理介質(zhì)訪問控制子層MAC 數(shù)據(jù)包裝/解包 幀編碼 介質(zhì)訪問管理 錯誤監(jiān)測 出錯標(biāo)定 應(yīng)答 串并轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)鏈路層物理層故障界定總線故障管理監(jiān)控器位數(shù)值表示n“顯性”位0和“隱性”位1n若總線上有兩個以上驅(qū)動器同時分別發(fā)送“0”和“1”，其結(jié)果是總線數(shù)值為顯性“0” 。 VCAN-H VCAN-L 隱隱性性位位 隱隱性性位位 顯顯性性位位 典型情況：（邏輯典型情況：（邏輯0）顯性 can_h 3.5v, can_L 1.5v（邏輯1

16、）隱性 can_h 2.5v, can_L 2.5v五條基本的通信規(guī)則：五條基本的通信規(guī)則：1 1）仲裁）仲裁n 當(dāng)總線開放時任何單元均可開始發(fā)送報文，運用非破壞性逐位仲裁規(guī)則解決潛在沖突：在標(biāo)識符（仲裁區(qū)）發(fā)送期間，每個發(fā)送器都監(jiān)視總線上當(dāng)前的電平，并與它發(fā)送的電平進行比較，如果相等則繼續(xù)發(fā)送，如果發(fā)送一個隱性位（1）而檢測到的是一個顯位（0），那么此節(jié)點失去仲裁，立即停止后續(xù)位的發(fā)送。優(yōu)先級最高的競爭者將贏得仲裁。標(biāo)識符的逐位仲裁01Arbi t rati on LostM odul e 1M odul e 2Bus Line顯性隱性失去仲裁節(jié)點1節(jié)點2線上可見n 2）總線訪問：采用CSM

17、A， 網(wǎng)絡(luò)上至少有3個空閑位（隱性位），才開始發(fā)送。n3） 出錯標(biāo)注n4） 超載標(biāo)注五條基本的通信規(guī)則續(xù)：五條基本的通信規(guī)則續(xù)：5 5）編碼規(guī)則）編碼規(guī)則1位填充：發(fā)送器監(jiān)視發(fā)送位流，連續(xù)5個相同位便自動插入一個補碼位。（錯誤幀和過載幀以及幀結(jié)束標(biāo)志不執(zhí)行位填充）2采用不歸零（NRZ）編碼6.2. 4 報文傳送及其幀結(jié)構(gòu)n標(biāo)準(zhǔn)幀標(biāo)準(zhǔn)幀 11位標(biāo)識符n擴展幀擴展幀 29位標(biāo)識符n幀類型幀類型 數(shù)據(jù)幀, 發(fā)送數(shù)據(jù)。 遠(yuǎn)程幀, 請求數(shù)據(jù)。 錯誤幀, 出錯時產(chǎn)生。 過載幀, 用于擴展序列。數(shù)據(jù)幀n由7個不同的位場組成。數(shù)據(jù)場長度可為0nCAN2.0B存在標(biāo)準(zhǔn)和擴展兩種幀格式n為了設(shè)計簡單，可以對標(biāo)準(zhǔn)格

18、式執(zhí)行部分?jǐn)U展，不一定要完全擴展n可以用整個標(biāo)識符進行報文濾波，也可以把標(biāo)識符屏蔽一部分進行報文濾波仲裁場控制場數(shù)據(jù)場CRC場幀間空間幀結(jié)束幀起始ACK場幀間空間數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀的標(biāo)準(zhǔn)格式和擴展格式n標(biāo)準(zhǔn)格式n擴展格式仲裁場控制場數(shù)據(jù)場11位標(biāo)識符SOF 0RTRIDE 0r0DLC仲裁場控制場數(shù)據(jù)場11位標(biāo)識符SOF 0RTRIDE 1DLC18位標(biāo)識符 r1 r0SRRn幀起始（幀起始（SOFSOF）僅由一顯位構(gòu)成。所有站都必須同步于首先發(fā)送的那個幀起始前沿。n仲裁場（標(biāo)準(zhǔn)格式）仲裁場（標(biāo)準(zhǔn)格式）由11位標(biāo)識符ID28 ID18、遠(yuǎn)程發(fā)送請求位RTR組成，其中ID高七位不可全為1（隱性）。n仲

19、裁場（擴展格式）仲裁場（擴展格式）由29位標(biāo)識符ID28 ID0、SRR位、IDE位、RTR位（遠(yuǎn)程發(fā)送請求）組成nSRR是隱性位，它用于替代標(biāo)準(zhǔn)格式的RTR位。nIDE=1（隱性）代表擴展格式。IDE位在擴展格式中位于仲裁場而在標(biāo)準(zhǔn)格式中位于控制場。數(shù)據(jù)幀的標(biāo)準(zhǔn)格式和擴展格式n控制場控制場由6個位組成n數(shù)據(jù)長度碼數(shù)據(jù)長度碼DLC3DLC0指示數(shù)據(jù)場的字節(jié)數(shù)，08，其他數(shù)值不允許使用。n保留位保留位r1和r0必須為0，IDE(標(biāo)準(zhǔn)格式)=0n數(shù)據(jù)場：數(shù)據(jù)場：08個字節(jié)，8位/字節(jié)nCRCCRC場場由15位CRC序列和1位CRC界定符組成。CRC界定符為一隱性位。保留位控制場數(shù)據(jù)場或CRC場數(shù)據(jù)

20、長度碼仲裁場IDE/r1r0DLC3DLC2DLC1DLC0數(shù)據(jù)幀的標(biāo)準(zhǔn)格式和擴展格式n應(yīng)答場應(yīng)答場為2位，包括應(yīng)答間隙和應(yīng)答界定符，不進行位填充。在應(yīng)答間歇內(nèi)，發(fā)送一個顯性位。n幀結(jié)束：幀結(jié)束：由7個隱位組成，不進行位填充。幀結(jié)束ACK場幀間空間 需要數(shù)據(jù)的節(jié)點可以發(fā)送遠(yuǎn)程幀請求另一節(jié)點發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)幀。 遠(yuǎn)程幀的RTR位是隱性的，它沒有數(shù)據(jù)場，所以數(shù)據(jù)長度碼沒有意義。遠(yuǎn)程幀仲裁場控制場CRC場幀間空間幀結(jié)束幀起始ACK場幀間空間遠(yuǎn)程幀錯誤幀n錯誤幀由兩個不同的場組成，第一個場是不同站提供的錯誤標(biāo)志的疊加，第二個場是錯誤界定符。n檢測到錯誤條件的“錯誤主動”站發(fā)送主動錯誤標(biāo)志，這樣一來所有其他

21、站都會檢測到錯誤條件并開始發(fā)送錯誤標(biāo)志。錯誤標(biāo)志的重疊錯誤界定符幀間空間或過載幀錯誤幀數(shù)據(jù)幀錯誤標(biāo)志過載幀n過載幀包括兩個場：過載標(biāo)志（6個顯位及其疊加）和過載界定符（8個隱位）n導(dǎo)致發(fā)送過載標(biāo)志的條件：導(dǎo)致發(fā)送過載標(biāo)志的條件：接收器內(nèi)部要求延遲下一個數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀，過載標(biāo)志過載標(biāo)志的形式與主動錯誤標(biāo)志一樣n一個站發(fā)出過載標(biāo)志，其他站都將檢測到過載條件并發(fā)出過載標(biāo)志。過載標(biāo)志的重疊過載界定符幀間空間或過載幀過載幀幀結(jié)束或錯誤界定符或過載界定符過載標(biāo)志幀間空間n對于數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀，無論它前面是什么幀，都用幀間空間來分開；但是對于過載幀或錯誤幀，沒有幀間空間與前面幀分開n間歇場由3個隱位組成。間歇場期間不允許啟動發(fā)送數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀。n總線空閑周期可為任意長度。此時，總線是開放的，任何站可隨時發(fā)送。間歇場總線空閑幀幀間空間幀報文濾波n實現(xiàn)點對點，多對多以及全局廣播的方式。n單濾波器模式和雙濾波器模式nACR 驗收代碼寄存器 nAMR 驗收屏蔽寄存器SJA1000接收標(biāo)準(zhǔn)幀報文的單濾波器配置標(biāo)識符數(shù)據(jù)字節(jié)12報文濾波工作原理SJA1000接收擴展幀報文的單濾波器配置29位標(biāo)識符SJA1000接收標(biāo)準(zhǔn)幀報文的雙濾波器配置SJA1000接收擴展幀報文的雙濾波器配置錯誤類型和界定n5種錯誤類型：n位錯誤：發(fā)送器監(jiān)