计算机总线技术2现场总线

帧格式
CAN的2.0A标准规定4种帧格式: 数据帧由发送器传送数据至接收器； 远程帧通过某总线节点发送，以请求其它节点发
送具有一样标识符的数据帧； 出错帧由通过检测发现总线错误的任何节点发送，
向全网络通报出错信息； 超载帧用于在多帧数据之间提供附加延迟。
(1)数据帧
帧起 始
仲裁 场
控制场
数据 场
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几种流行的现场总线
德国Bosch公司的CAN网络〔Controller Area Network〕, 美国Echelon公司LonWorks网络〔Local Operation Network〕， 德国标准的Profibus(Profess FieldBus)总线， Rosemount公司的Hart〔Highway Addressable Remote Transducer〕总线， 罗克韦尔自动化公司的DeviceNet 和ControlNet 等。
〔2〕现场总线使测控设备具备了数字计算和数字 通信能力，提高了信号的测量、传输和控制精度， 提高了系统与设备的功能、性能。
〔3〕现场总线可采用多种介质〔多种有线和无线方式〕 传送数字信号。在两根导线上可挂接多至几十个自控设 备，能节省大量线缆、槽架、连接件。
〔4〕现场总线形成真正分散在现场的完整控制系统， 提高了控制系统运行的可靠性。丰富了控制设备的信息 内容。如阀门动作次数、故障诊断等信息。
CAN总线时一种有效支持分布式控制或实时 控制的串行通信网络。CAN可实现全分布式多机 系统，且无主、从机之分；CAN可以用点对点、 一点对多点以及全局播送几种方式传送和接收数 据；CAN直接通信距离最远可达19km〔传输率 为55kb/s〕，通信速率最高可达1Mb/S〔传输 距离为40km〕；CAN总线上节点数可达110个。
发动机 683xx 变速器 HC08AZx/HC12
（节气门） HC08AZx
ABS HC12
动力系统：>250kbps
中央模块 HC12/683xx
仪表板 HC08AZx
车身：>125k bps
收音机 HC08AZx
空调 HC08AZx
车门 HC08AZx
顶棚 HC08AZx
方向盘 HC08AZx
(3)逐位仲裁规那 么
(a)假设同时有两个或更多的节点发送报文，总线 运用对标识符的逐位仲裁规那么解决各节点内冲突。 (b)标识符和RTR位对应二进制数位越低的报文优 先级越高。这种仲裁规那么使信息和时间均无损失。
(c)仲裁期间，每个节点都监视总线电平，并与自己 发送位电平相比较。假设该节点发送的一个隐性位 被显性位改写，说明有较高优先权报文在发送，那 么节点自动转变为接收器。当一个具有一样标识符 的远程帧和一个数据帧被仲裁时，远程帧RTR位的 隐性电平被数据帧RTR位显性电平改写，所以数据 帧比远程帧优先级高。
(b)MAC子层功能之发送功 能
送数据封装：接收 LLC 帧和接口控制信息 ，构造 MAC帧。
送媒体访问管理：检查总线状态，串行化MAC帧， 插入填充位，开场发送，丧失仲裁时转入接收方式， 应答校验，错误超载检测，发送超载帧或数据帧等。
(c)MAC子层功能之接收功 能
接收媒体访问管理：由物理层接收串行位流，重 新构筑帧构造，解除位填充，错误检测，发送应 答，构造发送错误帧或超载帧。
〔5〕为控制信息进入公用数据网络创造了条件，沟通 了现场设备之间及其与更高理层网络之间的联系。
〔6〕控制网络与数据网络的结合，便于实现信号的远 程传送与异地远程自动控制。
减少了接线与安装
4-20 mA
IS
IS
IS
IS
IS
Fieldbus
传统的 4-20 mA 仪表接线方式 , 对每一设备，均需配置一个本安栅，一对接线
二 基于SJA1000的CAN总线接口设计
SJA1000由微处理器通过8位地址数据复用总线 和根本读写控制信号进展控制。SJA1000的中断请 求信号INT连至微处理器的外部中断输入端，CAN 控制器可通过中断进展数据通信。
在网络通信中所涉及的数据链路层和物理层的 操作由SJA1000芯片自动完成，无需微处理器的干 预。例如总线的定时与同步、总线的仲裁、CRC与 其它填充位的插入等均由SJA1000自动完成。
帧接收滤波：数据帧内容由标识符命名。标识符并 不能指明帧的目的地，但描述数据的含义，每个接 收器通过帧接收滤波确定此帧与其是否有关。 超载通告：如果接收器内部条件要求延迟下一个LLC 数据帧或LLC远程帧，那么通过LLC子层开场发送超 载帧，最多可产生两个超载帧，以延迟下一个数据 帧或远程帧。
恢复管理：发送期间，对于丧失仲裁或被错误干扰 的帧，LLC子层具有自动重发送功能，在发送成功完 成前，帧发送效劳不被用户认可。
4.2 CAN总线
CAN(Control Area Network)总线是德国 Bosch公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控 制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数 据通信协议，是一种有效支持分布式控制或实时控 制的串行通信网络。
特点：通信速率高，可靠性好，价格低廉等， 适用：中小规模的工业过程监控设备的互连和交通 运载工具电气系统中。
控制场：由6位构成，前2位为备用位，后4位为数 据长度，决定数据场中的字节数目。
数据场：被发送数据，第一个字节的最高位首先被 发送。
CRC 场 ： 包 括 CRC 序 列 〔15 位 〕 和 CRC 界 定 符 〔1个隐性位〕，用于帧校验。
ACK场：由应答间隙和应答界定符组成，共两位。 应答间隙期间，数据帧发送器发出一个“隐性〞 电平，而所有已正确地接收到有效报文的接收器， 此时传送一个“显性〞位，报告给发送器，说明 至少有一个接收器，已正确接收。后续的应答界 定符为一个“隐性〞电平。
CRC场 ACK场
帧结 束
帧起始：标志数据帧的起始，它由单个“显性〞位 构成，在总线上会产生同步作作用。
仲裁场：由来自LLC子层的ID和RTR位组成。标识 符 长 度 为 11 位 ， 由 高 至 低 次 序 发 送 ， 且 前 7 位 〔ID10～ID4〕不能全为隐性位，标识符用于提供 关于传送报文和总线访问的优先权的信息。在数据 帧中，RTR位数值为“0〞。
CAN在物理总线上的数字化信息
显性电平(dominant level)： 以大于最小阈值的 差分电压表示，表示逻辑“0〞；
隐性电平(recessive level)：两根物理总线均根本 固定于平均电压，表示逻辑“1〞。
如果总线上存在“显性〞位和“隐性〞位的同时发 送，总线数值将表现为“显性〞，即表示为“0〞。 这一点在判别信息的优先权而进展网络仲裁时起关 键作用。
(1)现场通信网络:用于过程以及制造自动化的现场 设备或现场仪表互联的通信网络。
(2)现场设备互联:现场设备通过一对传感线互联， 传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线 等。
(3)互操作性:现场设备或现场仪表种类繁多，可对 不同品牌的现场设备统一组态。
(4)分散功能块:FCS把DSC控制站的功能分配给现 场仪表，从而构成虚拟控制站。因此可灵活选用各 种功能，构成所需控制系统，实现完全的分散控制。
计算机总线技术2现场总线
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4.1 现场总线概述
现场总线的定义
国际组织现场总线基金会(Fieldbus Foundation) 定义: 现场总线是一种全数字的双向 多站点通信系统，适用于仪器仪表和其它工厂自动 化设备。它将代替老式的电缆系统。
帧完毕：由7位隐性位组成，此期间无位填充。
(2)CAN协议特 点
CAN总线基于以下5条根本规那么进展通信协调
(a)总线访问： CAN控制器只能在总线空闲状态开 场发送。所有CAN控制器同步于帧起始的前沿。
(b)仲裁：假设两个或更多的CAN控制器同时发送， 总线冲突通过仲裁场的位仲裁解决。
(c)编码解码： 帧起始、仲裁场、控制场、数据场 和CRC序列使用位填充技术进展编码。
多台设备可以共用一个本安栅，一对接线
FF PT PIC FF 101 101
FF PV 101
LAS
AI AO
PID
全分布、网络集成式控制系统
企业 管理 层 （数据 网络 ）
NT 服 务器
Int erne t
局域 网
过程 监控 层 （数据 网络 ）
监控 工作 站
其它 工作 站
现场 总线 接口
现场 总线 网段
气囊 HC08AZx
司机座椅 HC08AZx
车门 HC08AZx
后灯 HC08AZx
一 CAN总线概述 CAN总线体系构造
一种多主 总线，采用 OSI底层的三 层网络构造， 包括：物理层、 数据链路层和 应用层。
(1)物理层功能
物理层的主要内容是规定了通信介质的机械、电器、 功能和规程特性。包括以下三个功能 〔a〕物理信令实现与位表示、定时和同步相关的 功能。 〔b〕物理媒体附属装置实现总线发送/接收的功能 电路，并可提供总线故障检测方法。 〔c〕媒体相关接口实现与物理媒体之间的机械和 电气接口。
现场 控制 层 （控制 网络 ）
调节阀 差压变送器 差压变送器 差压变送器 温度变送器
现场总线系统是企业的底层网络
资源规划层ERP
Ethernet
制造执行层MES
Ethernet
Internet
温度变送 器
Ethernet
温度变送
现场控制层FCS 器
调 控制网络
节
调节
阀
温度变送
阀
器
企业网络的功能层次
接收数据卸装：由接收帧去除MAC特定信息，输 出LLC帧和接口控制信息至LLC子层。
CAN主要特性
⑴多主站依据优先权进展总线访问； ⑵无破坏性的基于优先权的仲裁； ⑶借助接收滤波的多地址帧传送； ⑷远程数据请求； ⑸配置灵活性；
⑹全系统数据相容性； ⑺错误检测和出错信令； ⑻发送期间假设丧失仲裁或由于出错而遭破坏的 帧可自动重发送； ⑼暂时错误和永久性故障节点的判别以及故障节 点的自动脱离。
(5)通信线供电:通信线供电允许现场仪表直接从通 信线上摄取能量，适合于本安型低功能现场仪表。
(6)开放式互联网络:现场总线为开放式互联网络， 它既可以于同层网络互联，也可与不同层网络，还 可以实现网络数据库的共享。
现场总线的优点
〔1〕现场总线作为现场控制网络技术，被视为公 用数据网络在测控领域的延伸，它的兴起为自控技 术本身的开展提供了新的机遇
(d)出错标记：当检测到位错误、填充错误、形式 错误或应答错误时，检测出错条件的CAN控制器 将发送一个出错标志。
(f)超载标注：CAN控制器发送一个多个超载帧以 延迟下一个数据帧或远程帧的发送。
采用了短帧构造，即每帧数据最多含8个字节 的数据，这样将有利于系统的实时性。
废除了传统的站地址编码，代之以标识 (identifier)对信息进展优先权的分级。任何节点 均可向全网络播送发送数据，其它节点那么根据 所接收到的标识来决定是否处理所接收到的信息。
(2)数据链路层功能
数据链路层的主要功能是将要发送的数据进展 包装，即加上过失校验位、数据链路协议的控制信 息、头尾标记等附加信息组成数据帧，从物理信道 上发送出去；在承受到数据帧后，再把附加信息去 掉，得到通信数据。包括逻辑链路控制(LLC) 和媒 体访问控制〔MAC〕。
(a)LLC子层提供的功能