计算机总线技术2现场总线.ppt

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1、微微处处理理器器嵌嵌入入各各种种仪仪表表仪仪器器和和检检测测系系统统，导导致致智智能能化的趋势。对工业过程控制系统的进一步要求化的趋势。对工业过程控制系统的进一步要求 现场总线控制系统现场总线控制系统（Fieldbus Control System，缩写为缩写为FCS）4 现场总线现场总线4.1 4.1 现场现场总线总线概述概述n现场总线的定义现场总线的定义 国际组织现场总线基金会国际组织现场总线基金会(Fieldbus Foundation)定义定义:现场总线是一种全数字的双向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多站点通信系统，适用于仪器仪表和其它工厂自动化

2、设备。它将代替老式的电缆系统。化设备。它将代替老式的电缆系统。(1)现现场场通通信信网网络络:用用于于过过程程以以及及制制造造自自动动化化的的现现场场设备或现场仪表互联的通信网络。设备或现场仪表互联的通信网络。(2)现现场场设设备备互互联联:现现场场设设备备通通过过一一对对传传感感线线互互联联，传传输输线线可可以以使使用用双双绞绞线线、同同轴轴电电缆缆、光光纤纤和和电电源源线线等。等。(3)互互操操作作性性:现现场场设设备备或或现现场场仪仪表表种种类类繁繁多多，可可对对不同品牌的现场设备统一组态。不同品牌的现场设备统一组态。(4)(4)分分散散功功能能块块:FCSFCS把把DSCDSC控控制制

3、站站的的功功能能分分配配给给现现场场仪仪表表，从从而而构构成成虚虚拟拟控控制制站站。因因此此可可灵灵活活选选用用各各种种功能，构成所需控制系统，实现完全的分散控制。功能，构成所需控制系统，实现完全的分散控制。(5)(5)通通信信线线供供电电:通通信信线线供供电电允允许许现现场场仪仪表表直直接接从从通通信线上摄取能量，适合于本安型低功能现场仪表。信线上摄取能量，适合于本安型低功能现场仪表。(6)(6)开开放放式式互互联联网网络络:现现场场总总线线为为开开放放式式互互联联网网络络，它它既既可可以以于于同同层层网网络络互互联联，也也可可与与不不同同层层网网络络，还还可以实现网络数据库的共享。可以实现

4、网络数据库的共享。（1 1）现场总线作为现场控制网络技术，被视为公）现场总线作为现场控制网络技术，被视为公用数据网络在用数据网络在测控领域的延伸，它的兴起为测控领域的延伸，它的兴起为自控技自控技术本身的发展提供了新的机遇术本身的发展提供了新的机遇（2 2）现场总线）现场总线使测控设备具备了数字计算和数字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，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。提高了系统与设备的功能、性能。n现场总线的优点现场总线的优点（3 3）现场总线）现场总线可采用多种介质（多种有线和无线方式）可采用多种介质（多种有线

5、和无线方式）传送数字信号传送数字信号。在两根导线上可挂接多至几十个自控设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、连接件备，能节省大量线缆、槽架、连接件。（4 4）现）现场总线场总线形成真正分散在现场的完整控制系统，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。内容。如阀门动作次数、故障诊断等信息。（5 5）为控制信息进入公用数据网络创造了条件，沟通）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。了现场设备之间及其与

6、更高理层网络之间的联系。（6 6）控制网络与数据网络的结合，）控制网络与数据网络的结合，便于便于实现信号的远实现信号的远程传送与异地远程自动控制程传送与异地远程自动控制。减少了接线与安装减少了接线与安装传统的传统的4-20 mA仪表接线方式仪表接线方式,对每一设备，均需配置一个本安栅，一对接线对每一设备，均需配置一个本安栅，一对接线4-20 mAISISISIS多台设备可以共用一个本安栅，一对接线多台设备可以共用一个本安栅，一对接线ISFieldbus全分布、网络集成式控制系统现场总线系统是企业的底层网络企业网络的功能层次n几种流行的现场总线几种流行的现场总线德国德国Bosch公司的公司的CA

7、N网络（网络（Controller Area Network）,美国美国Echelon公司公司LonWorks网络（网络（Local Operation Network），），德国标准的德国标准的Profibus(Profess FieldBus)总线，总线，Rosemount公司的公司的Hart（Highway Addressable Remote Transducer）总线，）总线，罗克韦尔自动化公司的罗克韦尔自动化公司的DeviceNet 和和ControlNet等。等。4.2 CAN总线总线 CAN(Control Area Network)总线是德国总线是德国Bosch公公司从司从8

8、0年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试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。通信网络。特点：特点：通信速率高，可靠性好，价格低廉等，通信速率高，可靠性好，价格低廉等，适用：适用：中小规模的工业过程监控设备的互连和交通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。运载工具电气系统中。CAN总线时一种有效支持分布式控制或实时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。控制的串行通信网络。CA

9、N可实现全分布式多机可实现全分布式多机系统，且无主、从机之分；系统，且无主、从机之分；CAN可以用点对点、可以用点对点、一点对多点以及全局广播几种方式传送和接收数一点对多点以及全局广播几种方式传送和接收数据；据；CAN直接通信距离最远可达直接通信距离最远可达19km（传输率为（传输率为55kb/s），通信速率最高可达），通信速率最高可达1Mb/S（传输距离（传输距离为为40km）；）；CAN总线上节点数可达总线上节点数可达110个。个。一种多主一种多主总线，采用总线，采用OSI底层的三底层的三层网络结构，层网络结构，包括：物理层、包括：物理层、数据链路层和数据链路层和应用层。应用层。一一 CA

10、NCAN总线概述总线概述 nCANCAN总线体系结构总线体系结构物理层的主要内容是规定了通信介质的机械、电器、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）物理信令实现与位表示、定时和同步相关的功能。功能。（b）物理媒体附属装置实现总线发送）物理媒体附属装置实现总线发送/接收的功能接收的功能电路，并可提供总线故障检测方法。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）媒体相关接口实现与物理媒体之间的机械和电气接口。电气接口。(1)物物理层功能理层功能(2

11、)数据链路层功能数据链路层功能 数数据据链链路路层层的的主主要要功功能能是是将将要要发发送送的的数数据据进进行行包包装装，即即加加上上差差错错校校验验位位、数数据据链链路路协协议议的的控控制制信信息息、头头尾尾标标记记等等附附加加信信息息组组成成数数据据帧帧，从从物物理理信信道道上上发发送送出出去去；在在接接受受到到数数据据帧帧后后，再再把把附附加加信信息息去去掉掉，得得到到通通信信数数据据。包包括括逻逻辑辑链链路路控控制制(LLC)和和媒媒体访问控制（体访问控制（MAC）。(a)LLCa)LLC子层提供的功能子层提供的功能帧接收滤波：帧接收滤波：数据帧内容由标识符命名。标识符并数据帧内容由标

12、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。收器通过帧接收滤波确定此帧与其是否有关。超超载载通通告告：如如果果接接收收器器内内部部条条件件要要求求延延迟迟下下一一个个LLC数数据据帧帧或或LLC远远程程帧帧，则则通通过过LLC子子层层开开始始发发送送超超载载帧帧，最最多多可可产产生生两两个个超超载载帧帧，以以延延迟迟下下一一个个数据帧或远程帧。数据帧或远程帧。恢恢复复管管理理：发发送送期期间间，对对于于丢丢失失仲仲裁裁或或被被错错误误干干扰扰的的帧帧，LLC子子层层具具有有自自动动重重发发送送

13、功功能能，在在发发送送成成功功完成前，帧发送服务不被用户认可。完成前，帧发送服务不被用户认可。送送数数据据封封装装：接接收收LLC帧帧和和接接口口控控制制信信息息，构构造造MAC帧。帧。送送媒媒体体访访问问管管理理：检检查查总总线线状状态态，串串行行化化MAC帧帧，插插入入填填充充位位，开开始始发发送送，丢丢失失仲仲裁裁时时转转入入接接收收方方式式，应答校验，错误超载检测，发送超载帧或数据帧等。应答校验，错误超载检测，发送超载帧或数据帧等。(b)Mb)MACAC子层功能之发送功能子层功能之发送功能接接收收媒媒体体访访问问管管理理：由由物物理理层层接接收收串串行行位位流流，重重新新构构筑筑帧帧结

14、结构构，解解除除位位填填充充，错错误误检检测测，发发送送应应答，构造发送错误帧或超载帧。答，构造发送错误帧或超载帧。接接收收数数据据卸卸装装：由由接接收收帧帧去去除除MAC特特定定信信息息，输输出出LLC帧和接口控制信息至帧和接口控制信息至LLC子层。子层。(c)MACc)MAC子层功能之接收功能子层功能之接收功能nCANCAN主要特性主要特性多主站依据优先权进行总线访问；多主站依据优先权进行总线访问；无破坏性的基于优先权的仲裁；无破坏性的基于优先权的仲裁；借助接收滤波的多地址帧传送；借助接收滤波的多地址帧传送；远程数据请求；远程数据请求；配置灵活性；配置灵活性；全系统数据相容性；全系统数据相

15、容性；错误检测和出错信令；错误检测和出错信令；发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重发送；可自动重发送；暂时错误和永久性故障节点的判别以及故障节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。点的自动脱离。nCAN在物理总线上的数字化信息在物理总线上的数字化信息显显性性电电平平(dominant level)：以以大大于于最最小小阈阈值值的的差差分分电压表示，表示逻辑电压表示，表示逻辑“0”；隐隐性性电电平平(recessive level)：两两根根物物理理总总线线均均基基本本固定于平均电压，表示逻辑固定于平均电压，表示逻辑“1”。如如

16、果果总总线线上上存存在在“显显性性”位位和和“隐隐性性”位位的的同同时时发发送送，总总线线数数值值将将表表现现为为“显显性性”，即即表表示示为为“0”。这这一一点点在在判判别别信信息息的的优优先先权权而而进进行行网网络络仲仲裁裁时时起起关关键作用。键作用。n帧格式帧格式 CAN的的2.0A标准规定标准规定4种帧格式种帧格式:n数据帧由发送器传送数据至接收器；数据帧由发送器传送数据至接收器；n远程帧通过某总线节点发送，以请求其它节远程帧通过某总线节点发送，以请求其它节点发送具有相同标识符的数据帧；点发送具有相同标识符的数据帧；n出错帧由通过检测发现总线错误的任何节点出错帧由通过检测发现总线错误的

17、任何节点发送，向全网络通报出错信息；发送，向全网络通报出错信息；n超载帧用于在多帧数据之间提供附加延迟。超载帧用于在多帧数据之间提供附加延迟。(1)数据帧数据帧帧起帧起始始仲裁仲裁场场控制场控制场数据数据场场CRC场场ACK场场帧结帧结束束帧起始：帧起始：标志数据帧的起始，它由单个标志数据帧的起始，它由单个“显性显性”位位构成，在总线上会产生同步作作用。构成，在总线上会产生同步作作用。仲仲裁裁场场：由由来来自自LLC子子层层的的ID和和RTR位位组组成成。标标识识符符长长度度为为11位位，由由高高至至低低次次序序发发送送，且且前前7位位（ID10ID4）不不能能全全为为隐隐性性位位，标标识识符

18、符用用于于提提供供关关于于传传送送报报文文和和总总线线访访问问的的优优先先权权的的信信息息。在在数数据据帧帧中中，RTR位数值为位数值为“0”。控控制制场场：由由6位位构构成成，前前2位位为为备备用用位位，后后4位位为为数数据长度，决定数据场中的字节数目。据长度，决定数据场中的字节数目。数数据据场场：被被发发送送数数据据，第第一一个个字字节节的的最最高高位位首首先先被被发送。发送。CRC场场：包包括括CRC序序列列（15位位）和和CRC界界定定符符（1个隐性位），用于帧校验。个隐性位），用于帧校验。ACK场场：由由应应答答间间隙隙和和应应答答界界定定符符组组成成，共共两两位位。应应答答间间隙隙

19、期期间间，数数据据帧帧发发送送器器发发出出一一个个“隐隐性性”电电平平，而而所所有有已已正正确确地地接接收收到到有有效效报报文文的的接接收收器器，此此时时传传送送一一个个“显显性性”位位，报报告告给给发发送送器器，表表明明至至少少有有一一个个接接收收器器，已已正正确确接接收收。后后续续的的应应答答界界定符为一个定符为一个“隐性隐性”电平。电平。帧结束：帧结束：由由7位隐性位组成，此期间无位填充。位隐性位组成，此期间无位填充。CAN总线基于下列总线基于下列5条基本规则进行通信协调条基本规则进行通信协调(a)总总线线访访问问：CAN控控制制器器只只能能在在总总线线空空闲闲状状态态开开始发送。所有始

20、发送。所有CAN控制器同步于帧起始的前沿。控制器同步于帧起始的前沿。(b)仲仲裁裁：若若两两个个或或更更多多的的CAN控控制制器器同同时时发发送送，总线冲突通过仲裁场的位仲裁解决。总线冲突通过仲裁场的位仲裁解决。(c)编编码码解解码码：帧帧起起始始、仲仲裁裁场场、控控制制场场、数数据据场场和和CRC序列使用位填充技术进行编码。序列使用位填充技术进行编码。(2)CAN(2)CAN协议特点协议特点(d)出错标记：出错标记：当检测到位错误、填充错误、形式当检测到位错误、填充错误、形式错误或应答错误时，检测出错条件的错误或应答错误时，检测出错条件的CAN控制器将控制器将发送一个出错标志。发送一个出错标

21、志。(f)超载标注：超载标注：CAN控制器发送一个多个超载帧以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。延迟下一个数据帧或远程帧的发送。采采用用了了短短帧帧结结构构，即即每每帧帧数数据据最最多多含含8个个字字节节的的数据，这样将有利于系统的实时性。数据，这样将有利于系统的实时性。废废 除除 了了 传传 统统 的的 站站 地地 址址 编编 码码，代代 之之 以以 标标 识识(identifier)对对信信息息进进行行优优先先权权的的分分级级。任任何何节节点点均均可可向向全全网网络络广广播播发发送送数数据据，其其它它节节点点则则根根据据所接收到的标识来决定是否处理所接收到的信息。所

22、接收到的标识来决定是否处理所接收到的信息。(3)(3)逐逐位仲裁规则位仲裁规则(a)(a)若同时有两个或更多的节点发送报文，总线运若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则解决各节点内冲突。用对标识符的逐位仲裁规则解决各节点内冲突。(b)(b)标识符和标识符和RTR位对应二进制数位越低的报文优位对应二进制数位越低的报文优先级越高。这种仲裁规则使信息和时间均无损失。先级越高。这种仲裁规则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。若该节点发送的一个隐性位己发送位电平相比较。若该节点发送的一个

23、隐性位被显性位改写，说明有较高优先权报文在发送，则被显性位改写，说明有较高优先权报文在发送，则节点自动转变为接收器。当一个具有相同标识符的节点自动转变为接收器。当一个具有相同标识符的远程帧和一个数据帧被仲裁时，远程帧远程帧和一个数据帧被仲裁时，远程帧RTR位的隐位的隐性电平被数据帧性电平被数据帧RTR位显性电平改写，所以数据帧位显性电平改写，所以数据帧比远程帧优先级高。比远程帧优先级高。二二 基于基于SJA1000的的CAN总线接口设计总线接口设计 SJA1000由由微微处处理理器器通通过过8位位地地址址数数据据复复用用总总线线和和基基本本读读写写控控制制信信号号进进行行控控制制。SJA1000的的中中断断请请求求信信号号INT连连至至微微处处理理器器的的外外部部中中断断输输入入端端，CAN控制器可通过中断进行数据通信。控制器可通过中断进行数据通信。在在网网络络通通信信中中所所涉涉及及的的数数据据链链路路层层和和物物理理层层的的操操作作由由SJA1000芯芯片片自自动动完完成成，无无需需微微处处理理器器的的干干预预。例例如如总总线线的的定定时时与与同同步步、总总线线的的仲仲裁裁、CRC与与其其它它填充位的插入等均由填充位的插入等均由SJA1000自动完成。自动完成。