现场总线技术在汽车中的应用讲义

3.总线拓扑结构
总线结构是使用同一媒体或电缆连接所有端用户的一种方式,也就 是说，连接端用户的物理媒体由所有设备共享，如图5所示。使用这种结 构必须解决的一个问题是确保端用户使用媒体发送数据时不能出现冲突。 在点到点链路配置时,这是相当简单的。如果这条链路是半双工操作，只 需使用很简单的机制便可保证两个端用户轮流工作。在一点到多点方式 中,对线路的访问依靠控制端的探询来确定。然而，在LAN环境下,由于所 有数据站都是平等的,不能采取上述机制。对此，研究了一种在总线共享 型网络使用的媒体访问方法 :带有碰撞检测的载波侦听多路访问 ,英文缩 写成CSMA/CD。
现场总线技术在汽车中的应用
前 言: 1.现场总线的概述 2.应用范围 第一部分:计算机网络通讯 第二部分:CAN总线协议 第三部分:CAN接点设计 第四部分:CAN总线在汽车工业中的应用 第五部分:LIN-BUS 介绍
前言
1.现场总线概述
现场总线是应用在生产现场，在微机与测量设备之间实现双向串行多节 点数字通信的系统。它是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动 化领域的计算机局域网。它的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代 的开始，并将对该领域的发展产生重要影响。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都 具有了数字计算和数字通信能力。采用可进行简单连接的双纹线等作为总线 ，把多个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在 位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之 间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简 而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带， 把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统 。它自动化领域带来的变化，正如众多分散的计算机被网络连接在一起，使 计算机的功能、作用发生的变化。现场总线则使自控系统与设备具有了通信 能力，把它们连接成网络系统，加入到信息网络的行列。因此把现场总线技 术说成是一个控制技术新时代的开端并不过分。 Bosch 公 司最 早 在 现代 汽车 技 术 中领 先推 出 的 一种 多主 机 局 域网 CAN (Controller Area Network) 总线局域网、 Echelon 公司推出的 Lon Works总 线之后，金会总线FP、Hart总线相继出现。目前，CAN被公认为几种最有前途 的现场总线之一。其规范已被ISO 国际标准组织制订为国际标准。
2、计算机网络分层体系 1）OSI(open system interconnection model)参考模型结构 OSI参考模型是在博采众长的基础上形成的系统互连技术的产物。它 不仅促进了数据通信的发展，而且还导致了整个计算机网络的发展。OSI 参考模型提供了概念性和功能性结构。该模型将开放系统的通信功能划分 为七个层次。各层协议细节的研究是各自独立进行的。这样一旦导入新技 术或提出新的业务要求时，就可以把由通信功能扩充、变更所带来的影响 限制在直接有关的层内．而不必改动全部协议。 OSI参考模型分层的原则是将相似的功能集中在同一层内，功能差别较 大时则分层处理，每层只对相邻的上、下层定义接口。 OSI参考模型各层功能OSI参考模型是计算机网络体系结构发展的产物 它的基本内容是开放系统通信功能的分层结构。这个模型把开放系统的通 信功能划分为七个层次。从邻接物理媒体的层次开始，分别称之为物理层 、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。OSI参考模 型 如图3．1所示。
第5层 会话层(session layer) 会话层允许不同的机器上建立会话关系，依靠传输层以下的通信功能 使数据传送功能在开放系统间有效地进行。其主要功能是按照在应用进程 之间的约定，按照正确的顺序收、发数据、进行各种形式的对话。控制方 式可以归纳为以下两类：一是为了在会话应用中易于实现接收处理和发送 处理的逐次交替变换，设置某一时刻只有一端发送数据。因此需要有交替 改变发信端的传送控制。二是在类似文件传送等单方向传送大量数据的情 况下，为了防备应用处理中出现意外，在传送数据的过程中需要给数据定 上标记。当出现意外时，可以由定标记处重发。例如可以将长文件分页发 送，当收到上页的接收确认后，再发下页的内容。 第6层 表示层(presentaltion layer) 表示层的主要功能是把应用层提供的信息变换为能够共同理解的形式 ，提供字符代码、数据格式、控制信息格式、加密等统一表示。表示层仅 对应用层信息内容的形式进行变换，而不改变其内容本身。 第7层 应用层(opplication layer) 应用层是OSI参考模型的最高层。其功能是实现应用进程(如用户程序 、终端操作员等)之间的信息交换。同时、还具有一系列业务处理所需要的 服务功能
第一部分 计算机网络通讯 1.计算机网络拓扑结构
1)WAN和LAN WAN(Wide Area Net) 广域网WAN覆盖面积非常辽阔。传送距离长，一般可达几十公里到几 千公里。它可以通过微波，卫星把跨国、跨洲际的计算机边成网。WAN一 般使用公用通信网或由邮电部门提供的通信设备和线路。 LAN(Local Area Net) 局域网LAN可定义为在有限的距离内(几十米到25公里内)，如在一座 建筑物内或一群建筑物中，将计算机终端和各种外部设备 (如大容量硬盘 子系统、快速打印机等)，用传输线路连接起来，进行高速数据传输的通 信网。
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2.环型网络拓扑结构
图3
环型结构在LAN中使用较多。这种结构中的传输媒体从一个端用户到另 一个端用户,直到将所有端用户连成环型,如图5所示。这种结构显而易见 消除了端用户通信时对中心系统的依赖性。
图4
环行结构的特点是每个端用户都与两个相临的端用户相连 ,因而存在着 点到点链路,但总是以单向方式操作。于是,便有上游端用户和下游端用户 之称。例如图5中, 如果N+1端需将数据发送到N端，则几乎要绕环一周才能 到达N端。 环上传输的任何报文都必须穿过所有端点,因此,如果环的某一点断开,环 上所有端间的通信便会终止。为克服这种网络拓扑结构的脆弱,每个端点除 与一个环相连外，还连接到备用环上,当主环故障时,自动转到备用环上。
数据链路层所承担的任务或者说它的主要功能有： ①数据链赂的建立和拆除，包括同步、站址确认、收发关系的确定、最 终一次传输的表示等。 ②信息传输，包括信息格式、数量、顺序编号、接收认可、信息流量调 节方案等。 ③传输差错控制．包括一套防止信息丢失、重复和失序的方法。 ④异常情况处理，包括如何发现可能出现的异常情况及发现后的处理过 程。协议中对异常情况的处理主要用于发现和恢复永久性故障。IEEE 802 委员会为局域网定义了介质访问控制(MAC)层、逻辑链路控制(LLC)层介质 访问控制层与逻辑链路控制层是属于OSI参考模型中数据链路层的两个子 层。 第3层 网络层(network layer) 网络层规定了网络连接的建立、维持和拆除的协议。关系到子网的控 制,关键问题是确定分组从源端到目的端如何路由。它的主要功能是利用数 据链路层所提供的相邻节点间的无差错数据传输功能，通过路由选择和中 继功能，实现两个系统之间的连接。在计算机网络系统中，网络层还具有 多路复用的功能。 第4层 传输层(transport layer) 传输层基本功能是从会话层接受数据，并且在必要时把他分成较小的 单元，传递给网络层，并且完成开放系统之间的数据传送控制。对开放系 统之间数据的收发确认。同时，还用于弥补各种通信网络的质量差异，对 经过下三层之后仍然存在的传输差错进行恢复。进一步提高可靠性。另外 ，还通过复用、分段和组合、连接和分离、分流和合流等技术措施。提高 吞吐量和服务质量。
2）OSI功能的划分 OSI参考模型每一层的功能是独立约，它利用其下一层提供的服务并为其 上一层提供服务，而与其他层的具体实况无关。这里所谓的“服务”就是下 一层向上一层提供的通信功能和层之间的会话规定，一般用通信服务原语实 现。两个开放系统中的同等层之间的通信规则和约定称之为协议。通常，第l ～3 层功能称为低层功能 (LLF)，即通信传送功能，这是网络与终端均需具备 的功能。第4～7层功能称为高层功能(HLF)，即通信处理功能，通常需由终端 来提供。 第1层 物理层(phisical layer) 物理层并不是物理媒体本身，它只是开放系统中利用物理媒体实现物理 连接的功能描述和执行连接的规程。物理层提供用于建立、保持和断开物理 连接的机械的、电气的、功能的和过程的条件。简而言之，物理层提供有关 同步和比特流在物理媒体上的传输手段。 物理层协议是网络中最低层协议。它连接两个物理设备，为链路层提供 透明位流传输所必须遵循的规则，有时也被称为物理接口。 第2层 数据链路层(data link layer) 数据链路层用于加强物理层传输原始比特功能 ,实现无差错传输的功能。 防止高速发送方的数据把低速接受方“掩没”,因此需要有流量调节机制,使发 送方知道当前接受方有多少缓冲空间。该层对连接相邻的通路进行差错控制 、数据成帧、同步等控制。检测差错一般采用循环冗余校验(CRC)，纠正差错 采用计时器恢复和自动请求重发 (ARQ)等技术。其典型的协议有0SI标准协议 中的高级数据链路控制协议。
2)LAN的拓扑结构 网络拓扑结构是指用传输媒体互连各种设备的物理布局。将参与LAN工作 的各种设备用媒体互连在一起有多种方法 ,通常只有几种方式适合LAN的工作。 如果一个网络只连接几台设备,最简单的方法是将它们都直接相连在一起，这 种连接称为点对点连接。用这种方式形成的网络称为全互连网络 ,如图1所示。 图中有6个设备，在全互连情况下,需要15条传输线路。如果要连的设备有n个, 所需线路将达到n(n-1)/2条!显而易见,这种方式只有在涉及地理范围不大， 设备数很少的条件下才有使用的可能。即使属于这种环境,在LAN技术中也不 使用。这里所以给出这种拓扑结构，是因为当需要通过互连设备 (如路由器) 互连多个LAN时,将有可能遇到这种广域网(WAN)的互连技术。
图1 目前大多数LAN使用的拓扑结构有3种: Ø Ø Ø 星行拓扑结构 环行拓扑结构 总线型拓扑结构
1.星型拓扑结构
星型结构是最古老的一种连接方式，大家每天都使用的电话都属于 这种结构，如图2所示。 其中,图2(a)为电话网的星型结构,图2(b)为目前使用最普遍的以太 网(Ethernet)星型结构,处于中心位置的网络设备称为集线器,英文名为 Hub。
图6
这种结构具有费用低、数据端用户入网灵活、站点或某个端用户失效 影响其它站点或端用户通信的优点。 缺点是一次仅能一个端用户发送数据，其它端用户必须等待到获得发 送权。 媒体访问获取机制较复杂。尽管有上述一些缺点,但由于布线要求简单 ,扩充容易,端用户失效、增删不影响全网工作,所以是LAN技术中使用最普 遍的一种。
图2(a)
图2(b)
这种结构便于集中控制,因为端用户之间的通信必须经过中心站。由于 这一特点,也带来了易于维护和安全等优点。端用户设备因为故障而停机时 也不会影响其它端用户间的通信。但这种结构非常不利的一点是,中心系统 必须具有极高的可靠性,因为中心系统一旦损坏，整个系统便趋于瘫痪。对 此中心系统通常采用双机热备份,以提高系统的可靠性。 这种网络拓扑结构的一种扩充便是星行树 ,如图3所示。每个Hub与端用 户的连接仍为星型,Hub的级连而形成树。然而,应当指出,Hub级连的个数是 有限制的,并随厂商的不同而有变化。
应用范围
CAN总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串 行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层 控制网络。它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中 具有广泛的应用前景。在国外，尤其是欧洲及美国，CAN已经被广泛用于 汽车、火车、轮船、机器人、智能楼宁、机械制造、数控机床、纺织机 械、医疗器械、农用机械、液压传动、消防管理、传感器、自动化仪表 等领域，特别是近几年来，随着汽车电子工业的迅速发展，CAN总线在汽 车工业中日益广泛，在欧洲，几乎所有高档轿车上都或多或少地采用了 CAN总线技术。