嵌入式can应用层协议控制器分析与实现

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1、西南交通大学硕士研究生学位论文第2页图1-1控制网络类型及其相互关系目前，现场总线控制网络发展很快。现场总线从技术上较好地解决了物理层与数据链路层中媒体访问控制予层以及设备的接入问题。现在使用广泛的现场总线有：基金会现场总线FF，Lonworks，WorldFIP，Profibus，CAN和HART等。按照IECIl58标准，现场总线是一种互联现场自动化设备及其控制系统的双向数字通信协议。即现场总线是控制系统中底层的通信网络，具有双向数字传输功能，在控制系统中允许智能现场装置全数字化、多变量、双向、多节点，并通过一条物理媒体互相交换信息。现场总线的结构遵循国际标准化组织的开

2、放系统互联模型ISO--OSI，而不同的现场总线的结构有所不同[21。1，现场总线的技术特点1)系统的开放性。通信协议公开，不同厂家的设备之间可以进行互联并实现信息交换。2)可互操作性与互用性。3)现场设备的智能化与功能自治性。将系统的传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，现场设备可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行情况。4)系统结构的高度分散性。现场总线构成了一种新的分布式控制系统的体系结构，简化了系统结构，提高可靠性。51对现场环境的适应性。现场总线专为现场环境工作而设计，能采用两西南交通大学硕士研究生学位论文第3页线制实现送电与通

3、信，并可满足本质安全防爆要求等。2，现场总线的优点1)现场总线系统结构的简化，使控制系统的设计、安装、投入到正常生产运行及其检修维护工作简便。2)节省硬件数量与投资。3)节省安装费用。4)节省维护开销。5)用户具有高度的系统集成主动权。6)提高了系统的准确性与可靠性．7)设计简单，易于重构。3，以太控制网络系统组成以太控制网络系统以交换式集线器或网络交换机为中心，采用星型结构t6]。1)以网络交换机为中心的以太控制网络，包括数据库服务器、文件服务器。以太网络交换机有lOMbps，25Mbps和lOOMbps等带宽端口，一般通过lOOMbps网络交换机端口连到服务器，以满足工

4、业PC、PLC、嵌入式控制器、工作站等频繁访问服务器时对网络带宽的要求。2)监视工作站用于监视控制网络工作状态，如要求监视工作站具有多媒体功能，可接入25Mbps端口。3)一般工业控制计算机系统通过以太网卡接入网络交换机或交换式集线器；现场总线控制网络通过数据网关与以太控制网络互联：嵌入式控制系统可通过嵌入式控制器内嵌的以太网卡接入网络交换机或交换式集线器。4)控制设备可以接入网络交换机，也可通过交换式集线器接入。高速控制设备可以通过25Mbps端口接入，一般控制设备，数量较多，可以接入lOMbps交换式集线器端口。5)当控制网络规模较大时，可采用分段结构组建网络，每一个交

5、换式集线器及控制设备构成相对独立的控制子网，若干控制子网互联组成大型控西南交通大学硕士研究生学位论文第4页制网。4，现场总线与以太网发展趋势n，随着网络技术的发展，以太网和TCP／IP协议逐渐向工业控制渗透，有代替现场总线之势，现场总线与以太网代表的计算机网络之间仍然存在一定的区别。特别是在成本和实时性上区别较大。现场总线一般使用总线式的菊花链连接，用一根总线连接多个节点．采用T型连接可以实现总线式以太网。但是T型网连接的可靠性较差，不适合于工业现场环境。总线型以太网是属于共享介质型，但其碰撞概率高，延时不可预测，不利于实时控制。使用星型连接成本高，在远距离通信中需要铺设光

6、纤，整体造价高。在工业控制中，多数通信协议采用主从方式，可以将现场总线协议封装在TCP／IP包中通过以太网传输，所有的从节点均与主站通信，采用交换式以太网也不适合底层控制网。因此可以认为当前技术条件下，在底层控制网上，以太网暂不能代替现场总线。对于现场总线的未来，应该是多种总线并存，底层使用使用开放应用端口，并可以在以太网上用TcP／IP实现工业数据的传输与共享。s，现场总线应用层协议CANOpen在现场总线系统中，节点间通过公共传输介质传输数据，因而数据链路层是总线的核心部分．CAN总线数据链路层的通信介质访问控制方式为事件触发，采用带优先级的随机载波侦听方式(CSMA／

7、cD)。只要总线空闲，任何节点都可以主动向网络上其它节点发送数据。规定CAN报文具有最小二进制数值的标识符优先级别最高。当发生冲突时，采用“非破坏性总线优先逐位仲裁”技术，当多个节点开始传送它们各自的报文时，标识符的每一个位都被写到总线上(高位在先，低位在后)，而且能够被每一个节点读回。如果一个节点写进了隐性位“l”而读回显性位“0”，它会知道另一个较低标识符号码的(高优先权)节点正在访问总线，于是停止传送报文(丢失仲裁)并继续接收更重要的报文。这种非破坏性的逐位仲裁与每一个节点都可以监控自己发送的能力联合使用嘲。