現(xiàn)場總線技術(shù)及應(yīng)用課程論文

1、 自動化學(xué)院 基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計CAN(控制器局域網(wǎng)是德國Boseh公司于1983年為汽車應(yīng)用而開發(fā)的一種能有效支持分布式控制和實時控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，屬于現(xiàn)場總線(FieldBuS)的范疇。1993年n月，150正式公布了控制器局域網(wǎng)CAN國際標(biāo)準(zhǔn)(工 5011898)，CAN總線的通訊介質(zhì)可采用雙絞線，同軸電纜和光導(dǎo)纖維。通訊距離與波特率有關(guān)，最大通訊距離可達1隊m，最大通訊波特率可達IMbpS。CAN總線仲裁用11位(CAN2.OA協(xié)議)和29位(CAN2.OB協(xié)議)標(biāo)識和非破壞性位仲裁總線結(jié)構(gòu)機制，可以確定數(shù)據(jù)塊的優(yōu)先級，保證在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點沖突時最高優(yōu)先級點不需要沖突等待。C

2、AN結(jié)構(gòu)模型取150/051模型的第1、2、7層協(xié)議，即物理層、數(shù)據(jù)鏈層和應(yīng)用層。CAN總線采用了多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及播送通信的特點。CAN總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信。CAN總線協(xié)議已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)證，技術(shù)比擬成熟，控制的芯片己經(jīng)商品化，性價比高，特別適用于分布式測控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊。個人收集整理 勿做商業(yè)用途CAN總線特點CAN總線特點如下: (1)CAN總線插卡可以任意插在PC、AT、XT兼容機上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。 (2)CAN可以以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任意一個節(jié)點

3、均可以在任意時刻向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通訊方式靈活，利用這一特點也可以方便地構(gòu)成(容錯)系統(tǒng)。(3)CAN網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點可分成不同的有限等級，可以滿足不同的實時要求。CAN采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可以不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效防止了總線沖突。 (4)CAN可以點對點、一點對多點(成組)及全局播送集中方式傳送和接受數(shù)據(jù)。(5)CAN總線直接通訊距離最遠可達10km/SKbPs，通訊速率最高可達IMbps/4Om。(6)CAN總線上節(jié)點數(shù)理論值為2000個，實際可達110個。(7)CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，每一

4、幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，這樣短的傳輸時間，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時間短。(8)CAN的每幀信息都有CRC效驗及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)的出錯率極低。(9)通訊介質(zhì)采用廉價的雙絞線，無特殊要求。(10)CAN節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其它操作不受影響。因此，CAN總線可以很好的滿足現(xiàn)場總線運動控制系統(tǒng)對實時響應(yīng)的較高要求，同時使用CAN總線還使得系統(tǒng)具有很好的擴展性能。當(dāng)需要更多軸運動控制時，只需要簡單地再增加新運動控制單元，把新的運動控制單位作為新的CAN總線節(jié)點掛接到CAN總線上就可以形成一個分布式多軸運動控制系統(tǒng)，而且無需在硬件上對原有

5、的運動控制單元做任何的修改，在擴展距離上同樣也不會受到限制，這樣為將來向多軸或多點的分布式運動控制網(wǎng)絡(luò)開展打下堅實的根底。在40m總線長度下位速度最高到達IMbPs，最多可連接30個節(jié)點。當(dāng)然CAN總線可以最多帶110個點，只是那樣的話速度比擬慢。CAN技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要是1幀格式CAN標(biāo)準(zhǔn)幀信息分為兩局部:信息局部和數(shù)據(jù)局部，前3個字節(jié)為信息局部。第1個字節(jié)是幀信息，F(xiàn)F為幀格式;RTR位為遠程發(fā)送請求，為0表示發(fā)送數(shù)據(jù)幀，為1表示發(fā)送遠程幀;x位為無關(guān)位;最后4位DLC是數(shù)據(jù)長度，即所發(fā)數(shù)據(jù)的實際長度，單位:字節(jié)，第2，3個字節(jié)的前n位為CAN_ID標(biāo)識符(2個字節(jié))，其余八個字節(jié)是數(shù)據(jù)局部，存

6、有實際發(fā)送的數(shù)據(jù)。幀信息格式詳見表4.2:由于CAN總線采用了多主競爭式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及播送通信的特點，總線上任意節(jié)點可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信。系統(tǒng)采用CAN總線作為通信總線，通過CAN總線適配卡或轉(zhuǎn)換卡，采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，把現(xiàn)場總線中分散的主站和從站互連起來，并按現(xiàn)場總線的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層協(xié)議，實現(xiàn)主一主、主一從、從一從節(jié)點間的通信功能側(cè)。總體方案結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示:多電機同步控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)的多電機同步控制系統(tǒng)，采用總線式多主多從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)系統(tǒng)中不僅有工程師層還

7、包括管理層即多個主節(jié)點時，主一主通信將實現(xiàn)不同功能主節(jié)點的交流。整個控制系統(tǒng)由三局部組成:上位PC機、CAN總線、以DSP控制系統(tǒng)為主的下位機。系統(tǒng)采用PC機(或工業(yè)PC機，IPC)作為監(jiān)控主機，實現(xiàn)對各節(jié)點的監(jiān)控和管理;CAN總線接口卡完成CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，實現(xiàn)PC機與CAN總線之間的通信;各從節(jié)點通過DSP完成數(shù)據(jù)的收發(fā)和對交流電機的控制，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2.2所示;，。(l)初始化CAN，總線首先翻開PCCAN接口部件，然后使PCCAN節(jié)點復(fù)位，然后初始化PCCAN節(jié)點，在主從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，將PCCAN節(jié)點設(shè)置成主節(jié)點。(2)初始化CAN通信接口控制器中的CAN通信接

8、口初始化，即對節(jié)點的站地址和波特率進行設(shè)置，所有CAN通信接口的波特率必須與PCCAN中的設(shè)置一致。(3)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)上電復(fù)位后，CAN通信接口卡接收到PC機的命令后，便向總線上的各個節(jié)點傳送指令命令數(shù)據(jù)。CAN總線的節(jié)點與被控對象相連，當(dāng)它接收到主節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)后，對被控對象作相應(yīng)的操作。當(dāng)CAN總線節(jié)點有數(shù)據(jù)向總線發(fā)送時，便通過收發(fā)器把數(shù)據(jù)發(fā)到物理總線，或傳送到其他的節(jié)點，或經(jīng)CA通信板卡傳送到主節(jié)點。(4)實現(xiàn)運動控制通信建立后，需要電機的運動動作按要求完成，可以靈活的把一些固定不變的運動方式固化在控制器中。在主節(jié)點中通過模塊化的編程實現(xiàn)對電機的控制，以實現(xiàn)所要求的運動控制。cAN網(wǎng)絡(luò)通

9、信協(xié)議設(shè)計方案以N總線是建立在工50/05工參考模型根底上的，不過只采用了其中最關(guān)鍵的三層，即物理層、目標(biāo)層和傳輸層。CAN協(xié)議中的物理層對應(yīng)150/051的物理層，CAN協(xié)議中的目標(biāo)層和傳輸層對應(yīng)150/051的數(shù)據(jù)鏈路層。在基于CAN的分布式系統(tǒng)中，僅有物理層、目標(biāo)層和傳輸層的功能是遠遠不能滿足要求的。比方對于傳輸長度超過8個字節(jié)的數(shù)據(jù)塊、帶有握手協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸過程、標(biāo)識符分配、網(wǎng)絡(luò)管理等功能，就不能實現(xiàn)。在物理層、目標(biāo)層和傳輸層之外附加的一層來支持應(yīng)用過程，這一層稱為“應(yīng)用層。應(yīng)用層對應(yīng)150/051參考模型中的上五層物理層的主要內(nèi)容是規(guī)定通信介質(zhì)的機械、電氣、功能和規(guī)程特性。數(shù)據(jù)鏈路層

10、的主要功能是將要發(fā)送的數(shù)據(jù)進行包裝，即加上過失校驗位、數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的控制信息、頭尾標(biāo)記等附加信息組成數(shù)據(jù)幀，從物理信道上發(fā)送出去，在接收道數(shù)據(jù)幀后，再把附加信息去掉，得到通信數(shù)據(jù)。其中媒體訪問控制子層MAC:傳輸規(guī)那么，邏輯控制子層LLC:報文的濾波和報文的處理。應(yīng)用層的主要完成網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的工作，實現(xiàn)應(yīng)用進程之間的信息交換，同時具有一系列業(yè)務(wù)處理所需的效勞功能、并且提供接口，使得通信模塊和具體應(yīng)用模塊別離。CAN的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議在CAN相關(guān)器件中已經(jīng)根本實現(xiàn)了，而應(yīng)用層協(xié)議至今仍然沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。目前存在著多種CAN應(yīng)用層協(xié)議，例如VLSA、CAL和CAN0pen，它們都是為工業(yè)控

11、制系統(tǒng)開展起來的。用戶·在應(yīng)用CAN協(xié)議時，必須自行定義應(yīng)用層協(xié)議。根據(jù)CAN總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)CAN2.OA、CAN2.OB，本文設(shè)計了用戶通信協(xié)議，該協(xié)議基于多主多從式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，支持播送和點對點傳送命令數(shù)據(jù)。各個節(jié)點都按此協(xié)議實現(xiàn)通信。主節(jié)點軟件設(shè)計方案作為上位機的主節(jié)點，主要完成主節(jié)點和主節(jié)點通信(主一主通信)以及主節(jié)點與從節(jié)點(主一從通信)通信。主一主通信主要用于各主節(jié)點間的信息交互與信息共享。主一從通信用來完成控制算法的實現(xiàn)、控制命令的發(fā)送和各電機狀態(tài)信息的接收等功能。VisualC+是當(dāng)今流行的面向?qū)ο蟮木幊坦ぞ撸刂葡到y(tǒng)人機界面采用VC基于對話框模式的編程，操作界面簡單易懂，方便控制命令的發(fā)送與電機狀態(tài)的讀取，響應(yīng)及時。從節(jié)點軟件設(shè)計方案做為下位機的從節(jié)點主要完成主節(jié)點和從節(jié)點通信(主一從通信)以及從節(jié)點和從節(jié)點通信(從一從通信)。主一從用來完成接收主節(jié)點發(fā)送的命令，根據(jù)命令控制電機運行狀態(tài)，并將電機的狀態(tài)信息反應(yīng)發(fā)送給主節(jié)點。從一從通信有助于完成下位機之間的速度同步。軟件設(shè)計DSP程序的編寫可以用匯編語言，也可以使用C語言。一般來說，采用C語言設(shè)計的開發(fā)周期短，效率較高，并且移植