基于CANbus的伺服控制系统.ppt
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1、6.6.基于基于CANbusCANbus的的交流伺服运动控制系统交流伺服运动控制系统 6.1 6.1 现场总线现场总线 6.2 CANbus6.2 CANbus 6.3 PCCAN6.3 PCCAN6.1 6.1 现场总线现场总线1 1、工业控制网络的基本层次、工业控制网络的基本层次 信息层 通信数据量大,通信的发生较为集中,要求有高速链路支持,对实时性要求不高,通信范围从车间级到全厂级甚至因特网范围。控制层 连接不同的可编程设备、控制器、人机终端等,很多应用实时性要求较高,要求有较高的网络速率,一般要求通信是确定的、可重复的。设备层 面向大量的现场设备,通过扫描器或网关设备将数据传送到控制层
2、,速度要求不一定很高,有一定的智能和容错能力,要求网络节点设备的经济性、智能化,设备添加/删除简单方便,故障诊断和纠错容易,适应现场的不同恶劣条件。现场总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线,现场总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线,它主要解决工业现场的它主要解决工业现场的智能化智能化仪器仪表、控制器、执行机构仪器仪表、控制器、执行机构等等现场设备间的现场设备间的双向、串行、多点数字通信双向、串行、多点数字通信以及这些以及这些现场控现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递制设备和高级控制系统之间的信息传递问题,所以现场总线问题,所以现场总线既是通信网络,又是自控网络。既是通信网络,又
3、是自控网络。现场总线控制系统(现场总线控制系统(FCSFCS)的信号传输实现了)的信号传输实现了全数字化全数字化。FCSFCS的系统结构是的系统结构是全分散式全分散式,它废弃了分布式控制系统,它废弃了分布式控制系统(DCS)(DCS)的的输入输出单元和控制站输入输出单元和控制站,由,由现场设备或现场仪表现场设备或现场仪表取而代之。取而代之。FCSFCS的现场设备具有的现场设备具有互操作性互操作性。FCSFCS的通信网络为的通信网络为开放式互连网络开放式互连网络,既可同层网络互连,也可与,既可同层网络互连,也可与不同层网络互连,用户可极方便地共享网络数据库。不同层网络互连,用户可极方便地共享网络
4、数据库。FCSFCS的的技术和标准实现了全开放技术和标准实现了全开放,无专利许可要求,可供任何人,无专利许可要求,可供任何人使用。使用。2 2、FCSFCS对对DCSDCS的变革的变革 FCS FCS出现出现,突破了突破了DCSDCS从上到下的树状拓扑结构;采取总线从上到下的树状拓扑结构;采取总线互通信的拓扑结构;进入开放、分散、可开发与全数字化的体互通信的拓扑结构;进入开放、分散、可开发与全数字化的体制。制。节省硬件数量、投资、安装费用、维护开销,用户具有高节省硬件数量、投资、安装费用、维护开销,用户具有高度的系统集成主动权。度的系统集成主动权。PC+PMACPC+PMAC的的DCSDCS3
5、 3、现场总线控制系统特点、现场总线控制系统特点1)1)系统的开放性系统的开放性2)2)互操作性与通用性互操作性与通用性3)3)现场设备的智能化和功能自治性现场设备的智能化和功能自治性4)4)系统结构的高度分散性系统结构的高度分散性5)5)对现场环境的适应性对现场环境的适应性适应适应工业应用环境工业应用环境,要求,要求实时性实时性强,强,可靠性可靠性高,高,安全安全性性好。多为好。多为短帧短帧传送。通信的传送。通信的传输速率相对较低传输速率相对较低。4 4、现场总线的现状、现场总线的现状 a.CANa.CAN总线的主要特点总线的主要特点 CAN(Controller Area Networks
6、)CAN(Controller Area Networks):19831983年年 Robert BOSCH Robert BOSCH 公司,公司,汽车总线系统,汽车总线系统,19911991年年9 9月月PhilipsPhilips半导体公司半导体公司CAN V2.0(CAN V2.0(包括包括A A和和B B两部分两部分)。2.02.0A A 标准的标准的CANCAN报文格式,报文格式,2.02.0B B 标准的和扩展的两标准的和扩展的两种报文格式。种报文格式。19931993年年1111月月ISOISO正式颁布了道路交通运载工具数字正式颁布了道路交通运载工具数字信息交换高速通信控制器局部
7、网信息交换高速通信控制器局部网(CAN)CAN)国际标准国际标准(ISO 11898)ISO 11898)。CANCAN废除了站地址编码废除了站地址编码,对通信数据块进行编码,网络内的,对通信数据块进行编码,网络内的节点个数在理论上不受限制,数据块的标识码可由节点个数在理论上不受限制,数据块的标识码可由1111位或位或2929位位二进制数组成,可定义二进制数组成,可定义2 21111或或2 229 29 个不同的数据块。个不同的数据块。不同节点可不同节点可收到相同数据。收到相同数据。6.2 CANbus6.2 CANbus1 1、CANCAN总线概述总线概述 特点:特点:CANCAN为多主方式
8、工作,为多主方式工作,任一节点可在任意时刻主动向网任一节点可在任意时刻主动向网络上其他节点发起通信,通信方式灵活。络上其他节点发起通信,通信方式灵活。节点有优先级,满足实时要求节点有优先级,满足实时要求,高优先级的数据可在,高优先级的数据可在134134 s s内得到传输。内得到传输。采用非破坏性仲裁技术采用非破坏性仲裁技术。按优先级大小处理,网络不会。按优先级大小处理,网络不会瘫痪,以太网有可能。瘫痪,以太网有可能。通过报文过滤可实现点对点、一点对多点及全局广播通过报文过滤可实现点对点、一点对多点及全局广播等等方式传输数据,无需专门的调度。方式传输数据,无需专门的调度。CANCAN的直接通信
9、距离最远可达的直接通信距离最远可达10Km(10Km(速率速率5Kbps)5Kbps),通信,通信速率最高可达速率最高可达1Mbps1Mbps(通信距离最长(通信距离最长40m40m)。)。CANCAN的的节点数取决于总线驱动电路节点数取决于总线驱动电路,目前可达,目前可达110110个。个。报文标识报文标识20322032种种(2.0A)(2.0A),扩展标准,扩展标准(2.0B)(2.0B)的报文标识不受的报文标识不受限制。限制。采用短帧结构采用短帧结构(数据段长度最多为数据段长度最多为8 8 个字节个字节),传输时间短,传输时间短,受干扰率低,具有极好的检错效果。受干扰率低,具有极好的检
10、错效果。节点中均设有错误检测、标定和自检等强有力措施。包节点中均设有错误检测、标定和自检等强有力措施。包括:位错误检测、括:位错误检测、CRCCRC、位填充、报文格式检查和应答、位填充、报文格式检查和应答错误检测。错误检测。通信介质双绞线、同轴电缆或光纤,选择灵活。通信介质双绞线、同轴电缆或光纤,选择灵活。器件可置于睡眠方式,相当于未连接到总线驱动器上。器件可置于睡眠方式,相当于未连接到总线驱动器上。其唤醒可任何总线激活或由系统的内部条件唤醒。其唤醒可任何总线激活或由系统的内部条件唤醒。暂时错误和永久性故障节点的判别以及故障节点的自动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。节点在
11、错误严重的情况下具有自动关闭输出的功脱离。节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能,不影响总线上其他节点的操作。能,不影响总线上其他节点的操作。b.CANb.CAN分层结构模型分层结构模型OSIOSI模型模型CANCAN模型模型CANCAN分层结构分层结构按照按照IEEE 802.2和和802.3标准,标准,数据链路层又划分为:数据链路层又划分为:逻辑链路控制逻辑链路控制(LLCLogic Link Contro1);为数据传输提;为数据传输提供服务。供服务。媒体访问控制媒体访问控制(MACMedium Access Control)。规定。规定传输规则传输规则物理层又划分为:物理层又划分
12、为:物理信令物理信令(PLSPhysical Signalling)物理媒体附属装置物理媒体附属装置(PMAPhysical Medium Attachment)媒体相关接口媒体相关接口(MDIMedium Dependent Interface)c.CANc.CAN总线通信硬件结构总线通信硬件结构独立式通信模块 集成式通信模块应用层数据链路层物理层d.d.隐性位隐性位(1)(1)和显性位和显性位(0)(0)差分电压2 V0 V隐性位(1 1)隐性位(1 1)显性位(0 0)时间电压3.5 V2.5 V1.5 VU_CAN_HU_CAN_H时间U_CAN_LU_CAN_L电压3.5 V2.5
13、V1.5 V时间 站1的报文标识符为011111;站2 的报文标识符为010110;站3的报文标识符为010111。0 01 11 11 11 11 10 01 10 01 11 10 00 01 10 01 11 11 1显显隐隐显显隐隐隐隐显显同步时钟同步时钟站站1 1标识标识站站2 2标识标识站站3 3标识标识总线差分电压总线差分电压1 12 23 34 45 56 67 78 89 9显显隐隐f.f.非破坏性仲裁技术(非破坏性仲裁技术(仲裁场的值小的节点优先仲裁场的值小的节点优先)a.LLCa.LLC子层功能子层功能 LLCLLC子层提供的功能包括:子层提供的功能包括:帧接收滤波、超载
14、通告和恢复管帧接收滤波、超载通告和恢复管理理。帧接收滤波帧接收滤波:帧内容由标识符命名。标识符并不能指明帧: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。确定此帧与其是否有关。超载通告超载通告:如果接收器内部条件要求延迟下一个:如果接收器内部条件要求延迟下一个LLCLLC数据帧数据帧或或LLCLLC远程帧,则通过远程帧,则通过LLCLLC子层开始发送超载帧。最多可产生子层开始发送超载帧。最多可产生两个超载帧,以延迟下一个数据帧或远程帧。两个超载帧,以延迟下一个数据帧或远程帧。恢
15、复管理:恢复管理:发送期间,对于丢失仲裁或被错误干扰的帧,发送期间,对于丢失仲裁或被错误干扰的帧,LLCLLC子层具有自动重发送功能。子层具有自动重发送功能。2 2、数据链路层功能、数据链路层功能b.LLCb.LLC数据帧数据帧LLCLLC数据帧由三个位场,即标识符场、数据长度码数据帧由三个位场,即标识符场、数据长度码(DLC-(DLC-Data Length Code)Data Length Code)场和场和LLCLLC数据场组成。数据场组成。1)1)标识符:标识符长度为标识符:标识符长度为1111位。位。2)2)DLCDLC场:场:DLCDLC指出数据场字节个数。指出数据场字节个数。DL
16、CDLC由由4 4位构成,数据位构成,数据帧允许数据字节数目范围为帧允许数据字节数目范围为0-80-8。3)3)数据场:数据场由数据帧内被发送数据组成,它可包括数据场:数据场由数据帧内被发送数据组成,它可包括0-80-8个字节,每个字节包括个字节,每个字节包括8 8位。位。c.c.LLCLLC远程帧远程帧 LLCLLC远程帧由远程帧由标识符场和标识符场和DLCDLC场场组成。组成。LLCLLC远程帧标识符格式与远程帧标识符格式与LLCLLC数据帧标识符格式相同,只是数据帧标识符格式相同,只是不存在数据场。不存在数据场。DLCDLC的数值是独立的,此数据为对应数据帧的的数值是独立的,此数据为对应
17、数据帧的数据长度码。数据长度码。d.MACd.MAC子层发送功能:子层发送功能:(1)(1)发送数据封装:发送数据封装:接收接收LLCLLC帧及控制信息;帧及控制信息;CRCCRC循环计算;循环计算;通过向通过向LLCLLC帧附加帧附加SOFSOF、RTRRRTRR位、保留位、位、保留位、CRCCRC、ACKACK和和EOFEOF构造构造MACMAC(2)(2)发送媒体访问管理:发送媒体访问管理:确认总线空闲后,开始发送过程确认总线空闲后,开始发送过程(通通过帧间空闲应答过帧间空闲应答)MAC)MAC帧串行化;插入境充位帧串行化;插入境充位(位填充位填充);在;在丢失仲裁情况下,退出仲裁并转入
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