基于CANbus的伺服控制系統(tǒng)課件

6.基于CANbus的交流伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

6.1現(xiàn)場總線

6.2CANbus

6.3PCCAN6.1現(xiàn)場總線◆信息層通信數(shù)據(jù)量大，通信的發(fā)生較為集中，要求有高速鏈路支持，對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，通信范圍從車間級(jí)到全廠級(jí)甚至因特網(wǎng)范圍?！艨刂茖舆B接不同的可編程設(shè)備、控制器、人機(jī)終端等，很多應(yīng)用實(shí)時(shí)性要求較高，要求有較高的網(wǎng)絡(luò)速率，一般要求通信是確定的、可重復(fù)的?！粼O(shè)備層面向大量的現(xiàn)場設(shè)備，通過掃描器或網(wǎng)關(guān)設(shè)備將數(shù)據(jù)傳送到控制層，速度要求不一定很高，有一定的智能和容錯(cuò)能力，要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性、智能化，設(shè)備添加/刪除簡單方便，故障診斷和糾錯(cuò)容易，適應(yīng)現(xiàn)場的不同惡劣條件?，F(xiàn)場總線是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的雙向、串行、多點(diǎn)數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題，所以現(xiàn)場總線既是通信網(wǎng)絡(luò)，又是自控網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）的信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化。

FCS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是全分散式，它廢棄了分布式控制系統(tǒng)(DCS)的輸入／輸出單元和控制站，由現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀表取而代之。

FCS的現(xiàn)場設(shè)備具有互操作性。

FCS的通信網(wǎng)絡(luò)為開放式互連網(wǎng)絡(luò)，既可同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互連，用戶可極方便地共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。

FCS的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了全開放，無專利許可要求，可供任何人使用。PC+PMAC的DCS3、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)特點(diǎn)系統(tǒng)的開放性互操作性與通用性現(xiàn)場設(shè)備的智能化和功能自治性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性對(duì)現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，要求實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，安全性好。多為短幀傳送。通信的傳輸速率相對(duì)較低。a.CAN總線的主要特點(diǎn)CAN(ControllerAreaNetworks)：1983年RobertBOSCH公司，汽車總線系統(tǒng)，1991年9月Philips半導(dǎo)體公司CANV2.0(包括A和B兩部分)。2.0A標(biāo)準(zhǔn)的CAN報(bào)文格式，2.0B標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的兩種報(bào)文格式。1993年11月ISO正式頒布了道路交通運(yùn)載工具數(shù)字信息交換高速通信控制器局部網(wǎng)(CAN)國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO11898)。

CAN廢除了站地址編碼，對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由11位或29位二進(jìn)制數(shù)組成，可定義211或229個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊。不同節(jié)點(diǎn)可收到相同數(shù)據(jù)。

6.2CANbus1、CAN總線概述

特點(diǎn)：CAN為多主方式工作，任一節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)起通信，通信方式靈活。節(jié)點(diǎn)有優(yōu)先級(jí)，滿足實(shí)時(shí)要求，高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)可在134s內(nèi)得到傳輸。采用非破壞性仲裁技術(shù)。按優(yōu)先級(jí)大小處理，網(wǎng)絡(luò)不會(huì)癱瘓，以太網(wǎng)有可能。通過報(bào)文過濾可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等方式傳輸數(shù)據(jù)，無需專門的調(diào)度。CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10Km(速率5Kbps)，通信速率最高可達(dá)1Mbps（通信距離最長40m）。CAN的節(jié)點(diǎn)數(shù)取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)。報(bào)文標(biāo)識(shí)2032種(2.0A)，擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)(2.0B)的報(bào)文標(biāo)識(shí)不受限制。采用短幀結(jié)構(gòu)(數(shù)據(jù)段長度最多為8個(gè)字節(jié))，傳輸時(shí)間短，受干擾率低，具有極好的檢錯(cuò)效果。節(jié)點(diǎn)中均設(shè)有錯(cuò)誤檢測、標(biāo)定和自檢等強(qiáng)有力措施。包括：位錯(cuò)誤檢測、CRC、位填充、報(bào)文格式檢查和應(yīng)答錯(cuò)誤檢測。通信介質(zhì)雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。器件可置于睡眠方式，相當(dāng)于未連接到總線驅(qū)動(dòng)器上。其喚醒可任何總線激活或由系統(tǒng)的內(nèi)部條件喚醒。暫時(shí)錯(cuò)誤和永久性故障節(jié)點(diǎn)的判別以及故障節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)脫離。節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出的功能，不影響總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作。CAN分層結(jié)構(gòu)按照IEEE802.2和802.3標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)鏈路層又劃分為：邏輯鏈路控制(LLC—LogicLinkContro1)；為數(shù)據(jù)傳輸提供服務(wù)。媒體訪問控制(MAC—MediumAccessControl)。規(guī)定傳輸規(guī)則物理層又劃分為：物理信令(PLS—PhysicalSignalling)物理媒體附屬裝置(PMA—PhysicalMediumAttachment)媒體相關(guān)接口(MDI—MediumDependentInterface)c.CAN總線通信硬件結(jié)構(gòu)獨(dú)立式通信模塊集成式通信模塊應(yīng)用層數(shù)據(jù)鏈路層物理層d.隱性位(1)和顯性位(0)差分電壓2V0V隱性位

(1)隱性位

(1)顯性位

(0)時(shí)間電壓3.5V2.5V1.5VU_CAN_H時(shí)間U_CAN_L電壓3.5V2.5V1.5V時(shí)間a.LLC子層功能

LLC子層提供的功能包括：幀接收濾波、超載通告和恢復(fù)管理。幀接收濾波：幀內(nèi)容由標(biāo)識(shí)符命名。標(biāo)識(shí)符并不能指明幀的目的地。但描述數(shù)據(jù)的含義。每個(gè)接收器通過幀接收濾波確定此幀與其是否有關(guān)。超載通告：如果接收器內(nèi)部條件要求延遲下一個(gè)LLC數(shù)據(jù)幀或LLC遠(yuǎn)程幀，則通過LLC子層開始發(fā)送超載幀。最多可產(chǎn)生兩個(gè)超載幀，以延遲下一個(gè)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀?；謴?fù)管理：發(fā)送期間，對(duì)于丟失仲裁或被錯(cuò)誤干擾的幀，LLC子層具有自動(dòng)重發(fā)送功能。2、數(shù)據(jù)鏈路層功能b.LLC數(shù)據(jù)幀LLC數(shù)據(jù)幀由三個(gè)位場，即標(biāo)識(shí)符場、數(shù)據(jù)長度碼(DLC-DataLengthCode)場和LLC數(shù)據(jù)場組成。標(biāo)識(shí)符：標(biāo)識(shí)符長度為11位。DLC場：DLC指出數(shù)據(jù)場字節(jié)個(gè)數(shù)。DLC由4位構(gòu)成，數(shù)據(jù)幀允許數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)目范圍為0-8。數(shù)據(jù)場：數(shù)據(jù)場由數(shù)據(jù)幀內(nèi)被發(fā)送數(shù)據(jù)組成，它可包括0-8個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)包括8位。c.

LLC遠(yuǎn)程幀

LLC遠(yuǎn)程幀由標(biāo)識(shí)符場和DLC場組成。

LLC遠(yuǎn)程幀標(biāo)識(shí)符格式與LLC數(shù)據(jù)幀標(biāo)識(shí)符格式相同，只是不存在數(shù)據(jù)場。DLC的數(shù)值是獨(dú)立的，此數(shù)據(jù)為對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)長度碼。d.MAC子層發(fā)送功能：(1)發(fā)送數(shù)據(jù)封裝：接收LLC幀及控制信息；CRC循環(huán)計(jì)算；通過向LLC幀附加SOF、RTRR位、保留位、CRC、ACK和EOF構(gòu)造MAC(2)發(fā)送媒體訪問管理：確認(rèn)總線空閑后，開始發(fā)送過程(通過幀間空閑應(yīng)答)MAC幀串行化；插入境充位(位填充)；在丟失仲裁情況下，退出仲裁并轉(zhuǎn)入接收方式；錯(cuò)誤檢測(監(jiān)控，格式校驗(yàn))；應(yīng)答校檢；確認(rèn)超載條件；構(gòu)造超載幀并開始發(fā)送；構(gòu)造出錯(cuò)幀并開始發(fā)送；輸出串行位流至物理層準(zhǔn)備發(fā)送。MAC子層幀結(jié)構(gòu)CAN系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)間發(fā)送和接收以四種不同類型的幀出現(xiàn)和控制，其中：數(shù)據(jù)幀將數(shù)據(jù)由發(fā)送器傳至接收器；遠(yuǎn)程幀由節(jié)點(diǎn)發(fā)送，以請(qǐng)求發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀；出錯(cuò)幀可由任何節(jié)點(diǎn)發(fā)送，以檢測總線錯(cuò)誤；而超載幀用于提供先前和后續(xù)數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀之間的附加延時(shí)。另外，數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀以幀間空間隔同先前幀隔開。3、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議數(shù)據(jù)幀:DataFrame“Helloeveryone,here'ssomedatalabeledX,hopeyoulikeit!”遠(yuǎn)程幀:RemoteFrame“Helloeveryone,cansomebodypleaseproducethedatalabeledX?”出錯(cuò)幀:ErrorFrame(everyone,aloud)“OHDEAR,LET'STRYAGAIN”超載幀:OverloadFrame“I'maverybusylittleguy,couldyoupleasewaitforamoment?”幀結(jié)構(gòu)關(guān)系MAC子層幀結(jié)構(gòu)-數(shù)據(jù)幀仲裁場(2)仲裁場：確定報(bào)文的優(yōu)先級(jí)。

2.0A仲裁場由來自LLC子層的11位標(biāo)識(shí)符和RTR(RemoteTransmissionRequest)位構(gòu)成。在MAC數(shù)據(jù)幀中，RTR位數(shù)值為“0”(顯性)。

2.0B仲裁場由來自LLC子層的29位標(biāo)識(shí)符(包括兩個(gè)隱性位SRR和IDE)和RTR位構(gòu)成。在MAC數(shù)據(jù)幀中，RTR位數(shù)值為“0”(顯性)。CRCFieldStartOfFrameRTRControlFieldArbitrationFieldDataFieldACKSlotCRCDelimiterACKDelimiterEndOfFrameIdentifierMAC子層幀結(jié)構(gòu)-數(shù)據(jù)幀控制場(3)控制場：控制場由六位構(gòu)成，包括兩位用于未來DLC擴(kuò)展的保留位(r0和r1)

。接收器接收“0”和“l(fā)”位作為所有組合中的保留位。在定義保留位功能前，發(fā)送器只送“0”位。4位數(shù)據(jù)長度碼DLC，說明數(shù)據(jù)場長度的字節(jié)數(shù)。IdentifierCRCFieldStartOfFrameRTRControlFieldArbitrationFieldDataFieldACKSlotCRCDelimiterACKDelimiterEndOfFrameMAC子層幀結(jié)構(gòu)-數(shù)據(jù)幀控制場續(xù)MAC子層幀結(jié)構(gòu)-數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)場(4)數(shù)據(jù)場：MAC數(shù)據(jù)場與LLC數(shù)據(jù)場格式相同。數(shù)據(jù)場由數(shù)據(jù)幀內(nèi)被發(fā)送數(shù)據(jù)組成，它可包括0-8個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)包括8位。IdentifierCRCFieldStartOfFrameRTRControlFieldArbitrationFieldDataFieldACKSlotCRCDelimiterACKDelimiterEndOfFrameMAC子層幀結(jié)構(gòu)-數(shù)據(jù)幀CRC(5)CRC場：包括CRC序列，后隨CRC界定符。用于幀校驗(yàn)的CRC序列由CRC(BCH碼)驅(qū)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)CRC計(jì)算，被除的多項(xiàng)式定義為：其系數(shù)由幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場(如果存在)和15位最低系數(shù)為0組成的解除填充的位流給定。1個(gè)隱性位作界定符

G(x)=x15+x14+x10+x8+x7+x4+x3+1IdentifierCRCFieldStartOfFrameRTRControlFieldArbitrationFieldDataFieldACKSlotCRCDelimiterACKDelimiterEndOfFrameMAC子層幀結(jié)構(gòu)-數(shù)據(jù)幀應(yīng)答場(6)ACK場：兩位，ACK隙和ACK界定符。發(fā)送節(jié)點(diǎn)的ACK場中，選出兩個(gè)“隱性”位。在ACK隙內(nèi)，所有接收到匹配CRC序列的節(jié)點(diǎn)，以“顯性”位改寫發(fā)送器的“隱性”位送出一個(gè)應(yīng)答。ACK界定符為ACK場的第二位，其必須是“隱性”位，因此，ACK隙被兩個(gè)“隱性”位(ACK界定符和CRC界定符)所包圍。IdentifierCRCFieldStartOfFrameRTRControlFieldArbitrationFieldDataFieldACKSlotCRCDelimiterACKDelimiterEndOfFrameMAC子層幀結(jié)構(gòu)-數(shù)據(jù)幀幀結(jié)束(7)幀結(jié)束：MAC的每個(gè)數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀均由7個(gè)“隱性”位構(gòu)成的標(biāo)志序列界定。IdentifierCRCFieldStartOfFrameRTRControlFieldArbitrationFieldDataFieldACKSlotCRCDelimiterACKDelimiterEndOfFrameCAN高層協(xié)議即應(yīng)用層協(xié)議，是一種在現(xiàn)有的CAN底層協(xié)議（物理層和數(shù)據(jù)鏈路層）之上實(shí)現(xiàn)的協(xié)議。高層協(xié)議是在CAN規(guī)范的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的應(yīng)用層。許多系統(tǒng)（像汽車工業(yè)）中，可以特別制定一個(gè)合適的應(yīng)用層，但對(duì)于許多的行業(yè)來說，這種方法是不經(jīng)濟(jì)的。

DeviceNet協(xié)議和CANopen協(xié)議是真正占領(lǐng)市場的兩個(gè)應(yīng)用層協(xié)議。它們定位于不同市場。DeviceNet協(xié)議適合于工廠自動(dòng)化控制；CANopen協(xié)議適合于所有機(jī)械的嵌入式網(wǎng)絡(luò)。因此，CANOpen協(xié)議占領(lǐng)著歐洲市場的汽車電子領(lǐng)域；而DeviceNet協(xié)議已成為美洲、亞洲地區(qū)工業(yè)控制領(lǐng)域中的領(lǐng)導(dǎo)者。CAN高層協(xié)議●CAN控制器采用PHILIPS的SJA1000，可直接與INTEL的80C51核MCU或Motorola的MCU接口?！馛AN收發(fā)器采用P