现场总线技术及应用课程论文

自动化学院

基于CAN总线的网络控制系统设计

CAN(控制器局域网是德国Boseh公司于1983年为汽车应用而开发的一种能有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络，属于现场总线(FieldBuS)的范畴。1993年n月，150正式颁布了控制器局域网CAN国际标准(工5011898)，CAN 总线的通讯介质可采用双绞线，同轴电缆和光导纤维。通讯距离与波特率有关，最大通讯距离可达1队m，最大通讯波特率可达IMbpS。CAN总线仲裁用11位(CAN2.OA协议)和29位(CAN2.OB协议)标识和非破坏性位仲裁总线结构机制，可以确定数据块的优先级，保证在网络节点冲突时最高优先级点不需要冲突等待。CAN结构模型取150/051模型的第1、2、7层协议，即物理层、数据链层和应用层。CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片己经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数据通讯。

3.1.2CAN总线特点

CAN总线特点如下:

(1)CAN总线插卡可以任意插在PC、AT、XT兼容机上，方便地构成分布式监

控系统。

(2)CAN可以以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻向网络

上其它节点发送信息，而不分主从，通讯方式灵活，利用这一特点也可以方便地构成(容错)系统。

(3)CAN网络上节点可分成不同的有限等级，可以满足不同的实时要求。CAN

采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点

主动停止数据发送，而优先级高的节点可以不受影响地继续传输数据，有效避免了总线冲突。

(4)CAN可以点对点、一点对多点(成组)及全局广播集中方式传送和接受数

据。

(5)CAN总线直接通讯距离最远可达10km/SKbPs，通讯速率最高可达

IMbps/4Om。

(6)CAN总线上节点数理论值为2000个，实际可达110个。

(7)CAN采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，这样短的传输时间，受

干扰的概率低，重新发送的时间短。

(8)CAN的每帧信息都有CRC效验及其他检错措施，保证了数据的出错率极低。

(9)通讯介质采用廉价的双绞线，无特殊要求。

(10)CAN节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总

线的联系，以使总线上其它操作不受影响。因此，CAN总线可以很好的满足现场总线运动控制系统对实时响应的较高要求，同时使用CAN总线还使得系统具有很好的扩展性能。当需要更多轴运动控制时，只需要简单地再增加新运动控制单元，把新的运动控制单位作为新的CAN总线节点挂接到CAN总线上就可以形成一个分布式多轴运动控制系统，而且无需在硬件上对原有的运动控制单元做任何的修改，在扩展距离上同样也不会受到限制，这样为将来向多轴或多点的分布式运动控制网络发展打下坚实的基础。在40m总线长度下位速度最高达到IMbPs，最多可连接30个节点。当然CAN总线可以最多带110个点，只是那样的话速度比较慢。

CAN技术规范（主要是1．帧格式）

CAN标准帧信息分为两部分:信息部分和数据部分，前3个字节为信息部分。

第1个字节是帧信息，FF为帧格式;RTR位为远程发送请求，为0表示发送数据帧，为1表示发送远程帧;x位为无关位;最后4位DLC是数据长度，即所发数据的实际长度，单位:字节，第2，3个字节的前n位为CAN_ID标识符(2个字节)，其余八个字节是数据部分，存有实际发送的数据。帧信息格式详见表4.2:

由于CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点，总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。系统采用CAN总线作为通信总线，通过CAN总线适配卡或转换卡，采用总线型拓扑结构，把现场总线中分散的主站和从站互连起来，并按现场总线的物理层、数据链路层、应用层协议，实现主一主、主一从、从一从节点间的通信功能〔侧。总体方案结构

图如图2.1所示:

2.1.1多电机同步控制网络系统结构

基于CAN总线网络的多电机同步控制系统，采用总线式多主多从网络拓扑结构。当系统中不仅有工程师层还包括管理层即多个主节点时，主一主通信将实现不同功能主节点的交流。整个控制系统由三部分组成:上位PC机、CAN总线、以DSP 控制系统为主的下位机。系统采用PC机(或工业PC机，IPC)作为监控主机，实现对各节点的监控和管理;CAN总线接口卡完成CAN协议的物理层和数据链路层功能，实现PC机与CAN总线之间的通信;各从节点通过DSP完成数据的收发和对交流电机的控制，网络拓扑结构图如图2.2所示〔;，‘〕。

(l)初始化CAN，总线

首先打开PCCAN接口部件，然后使PCCAN节点复位，然后初始化PCCAN节点，在主从式网络结构中，将PCCAN节点设置成主节点。

(2)初始化CAN通信接口控制器中的CAN通信接口初始化，即对节点的站地址和波特率进行设置，所有CAN通信接口的波特率必须与PCCAN中的设置一致。(3)数据传输系统上电复位后，CAN通信接口卡接收到PC机的命令后，便向总线上的各个节点传送指令命令数据。CAN总线的节点与被控对象相连，当它接收到主节点发出的数据后，对被控对象作相应的操作。当CAN总线节点有数据向总线发送时，便通过收发器把数据发到物理总线，或传送到其他的节点，或经CA 通信板卡传送到主节点。

(4)实现运动控制

通信建立后，需要电机的运动动作按要求完成，可以灵活的把一些固定不变的

运动方式固化在控制器中。在主节点中通过模块化的编程实现对电机的控制，以实现所要求的运动控制。

2.3.1cAN网络通信协议设计方案

以N总线是建立在工50/05工参考模型基础上的，不过只采用了其中最关键的三层，即物理层、目标层和传输层。CAN协议中的物理层对应150/051的物理层，CAN协议中的目标层和传输层对应150/051的数据链路层。在基于CAN的分布式系统中，仅有物理层、目标层和传输层的功能是远远不能满足要求的。比如对于传输长度超过8个字节的数据块、带有握手协议的数据传输过程、标识符分配、网络管理等功能，就不能实现。在物理层、目标层和传输层之外附加的一层来支持应用过程，这一层称为“应用层”。应用层对应150/051参考模型中的上五层