搜索
微处理器嵌入各种仪表仪器和检测系统，导致智能化的趋势。对工业过程控制系统的进一步要求现场总线控制系统（FieldbusControlSystem，缩写为FCS）4现场总线4.1现场总线概述现场总线的定义国际组织现场总线基金会(FieldbusFoundation)定义: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化设备。它将代替老式的电缆系统。(1)现场通信网络:用于过程以及制造自动化的现场设备或现场仪表互联的通信网络。(2)现场设备互联:现场设备通过一对传感线互联，传输线可以使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等。(3)互操作性:现场设备或现场仪表种类繁多，可对不同品牌的现场设备统一组态。(4)分散功能块:FCS把DSC控制站的功能分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。因此可灵活选用各种功能，构成所需控制系统，实现完全的分散控制。(5)通信线供电:通信线供电允许现场仪表直接从通信线上摄取能量，适合于本安型低功能现场仪表。(6)开放式互联网络:现场总线为开放式互联网络，它既可以于同层网络互联，也可与不同层网络，还可以实现网络数据库的共享。（1）现场总线作为现场控制网络技术，被视为公用数据网络在测控领域的延伸，它的兴起为自控技术本身的发展提供了新的机遇（2）现场总线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，提高了系统与设备的功能、性能。现场总线的优点（3）现场总线可采用多种介质（多种有线和无线方式）传送数字信号。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。（4）现场总线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内容。如阀门动作次数、故障诊断等信息。（5）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。（6）控制网络与数据网络的结合，便于实现信号的远程传送与异地远程自动控制。减少了接线与安装传统的4-20mA仪表接线方式,对每一设备，均需配置一个本安栅，一对接线4-20mAISISISIS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AIPIDAOLASPT101PV101PIC101FFFFFF现场总线系统是企业的底层网络局域网NT服务器Internet监控工作站其它工作站现场总线接口差压变送器调节阀差压变送器差压变送器温度变送器企业管理层（数据网络）过程监控层（数据网络）现场控制层（控制网络）现场总线网段企业网络的功能层次Ethernet现场控制层FCS制造执行层MESEthernet资源规划层ERPEthernet调节阀温度变送器温度变送器温度变送器调节阀Internet控制网络几种流行的现场总线德国Bosch公司的CAN网络（ControllerAreaNetwork）,美国Echelon公司LonWorks网络（LocalOperationNetwork），德国标准的Profibus(ProfessFieldBus)总线，Rosemount公司的Hart（HighwayAddressableRemoteTransducer）总线，罗克韦尔自动化公司的DeviceNet和ControlNet等。4.2CAN总线CAN(ControlAreaNetwork)总线是德国Bosch公司从80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。特点：通信速率高，可靠性好，价格低廉等，适用：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。CAN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。CAN可实现全分布式多机系统，且无主、从机之分；CAN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据；CAN直接通信距离最远可达19km（传输率为55kb/s），通信速率最高可达1Mb/S（传输距离为40km）；CAN总线上节点数可达110个。发动机683xx变速器HC08AZx/HC12（节气门）HC08AZxABSHC12中央模块HC12/683xx车门HC08AZx顶棚HC08AZx气囊HC08AZx司机座椅HC08AZx后灯HC08AZx方向盘HC08AZx空调HC08AZx收音机HC08AZx仪表板HC08AZx车门HC08AZx动力系统：250kbps车身：125kbps一种多主总线，采用OSI底层的三层网络结构，包括：物理层、数据链路层和应用层。一CAN总线概述CAN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、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、定时和同步相关的功能。（b）物理媒体附属装置实现总线发送/接收的功能电路，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电气接口。(1)物理层功能(2)数据链路层功能数据链路层的主要功能是将要发送的数据进行包装，即加上差错校验位、数据链路协议的控制信息、头尾标记等附加信息组成数据帧，从物理信道上发送出去；在接受到数据帧后，再把附加信息去掉，得到通信数据。包括逻辑链路控制(LLC)和媒体访问控制（MAC）。(a)LLC子层提供的功能帧接收滤波：数据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确定此帧与其是否有关。超载通告：如果接收器内部条件要求延迟下一个LLC数据帧或LLC远程帧，则通过LLC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。恢复管理：发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的帧，LLC子层具有自动重发送功能，在发送成功完成前，帧发送服务不被用户认可。送数据封装：接收LLC帧和接口控制信息，构造MAC帧。送媒体访问管理：检查总线状态，串行化MAC帧，插入填充位，开始发送，丢失仲裁时转入接收方式，应答校验，错误超载检测，发送超载帧或数据帧等。(b)MAC子层功能之发送功能接收媒体访问管理：由物理层接收串行位流，重新构筑帧结构，解除位填充，错误检测，发送应答，构造发送错误帧或超载帧。接收数据卸装：由接收帧去除MAC特定信息，输出LLC帧和接口控制信息至LLC子层。(c)MAC子层功能之接收功能CAN主要特性⑴多主站依据优先权进行总线访问；⑵无破坏性的基于优先权的仲裁；⑶借助接收滤波的多地址帧传送；⑷远程数据请求；⑸配置灵活性；⑹全系统数据相容性；⑺错误检测和出错信令；⑻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；⑼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。CAN在物理总线上的数字化信息显性电平(dominantlevel)：以大于最小阈值的差分电压表示，表示逻辑“0”；隐性电平(recessivelevel)：两根物理总线均基本固定于平均电压，表示逻辑“1”。如果总线上存在“显性”位和“隐性”位的同时发送，总线数值将表现为“显性”，即表示为“0”。这一点在判别信息的优先权而进行网络仲裁时起关键作用。帧格式CAN的2.0A标准规定4种帧格式:数据帧由发送器传送数据至接收器；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；出错帧由通过检测发现总线错误的任何节点发送，向全网络通报出错信息；超载帧用于在多帧数据之间提供附加延迟。(1)数据帧帧起始仲裁场控制场数据场CRC场ACK场帧结束帧起始：标志数据帧的起始，它由单个“显性”位构成，在总线上会产生同步作作用。仲裁场：由来自LLC子层的ID和RTR位组成。标识符长度为11位，由高至低次序发送，且前7位（ID10～ID4）不能全为隐性位，标识符用于提供关于传送报文和总线访问的优先权的信息。在数据帧中，RTR位数值为“0”。控制场：由6位构成，前2位为备用位，后4位为数据长度，决定数据场中的字节数目。数据场：被发送数据，第一个字节的最高位首先被发送。CRC场：包括CRC序列（15位）和CRC界定符（1个隐性位），用于帧校验。ACK场：由应答间隙和应答界定符组成，共两位。应答间隙期间，数据帧发送器发出一个“隐性”电平，而所有已正确地接收到有效报文的接收器，此时传送一个“显性”位，报告给发送器，表明至少有一个接收器，已正确接收。后续的应答界定符为一个“隐性”电平。帧结束：由7位隐性位组成，此期间无位填充。CAN总线基于下列5条基本规则进行通信协调(a)总线访问：CAN控制器只能在总线空闲状态开始发送。所有CAN控制器同步于帧起始的前沿。(b)仲裁：若两个或更多的CAN控制器同时发送，总线冲突通过仲裁场的位仲裁解决。(c)编码解码：帧起始、仲裁场、控制场、数据场和CRC序列使用位填充技术进行编码。(2)CAN协议特点(d)出错标记：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CAN控制器将发送一个出错标志。(f)超载标注：CAN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。采用了短帧结构，即每帧数据最多含8个字节的数据，这样将有利于系统的实时性。废除了传统的站地址编码，代之以标识(identifier)对信息进行优先权的分级。任何节点均可向全网络广播发送数据，其它节点则根据所接收到的标识来决定是否处理所接收到的信息。(3)逐位仲裁规则(a)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。(b)标识符和RTR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。(c)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远程帧和一个数据帧被仲裁时，远程帧RTR位的隐性电平被数据帧RTR位显性电平改写，所以数据帧比远程帧优先级高。二基于SJA1000的CAN总线接口设计SJA1000由微处理器通过8位地址数据复用总线和基本读写控制信号进行控制。SJA1000的中断请求信号INT连至微处理器的外部中断输入端，CAN控制器可通过中断进行数据通信。在网络通信中所涉及的数据链路层和物理层的操作由SJA1000芯片自动完成，无需微处理器的干预。例如总线的定时与同步、总线的仲裁、CRC与其它填充位的插入等均由SJA1000自动完成。