《CAN总线在DCS中的应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CAN总线在DCS中的应用（184页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、CAN总线协议及CAN在工业控制中的应用,集散控制与现场总线技术指导老师：秦刚授课学生：梁涛、刘斌、马超、杨宏,CAN总线,两个部分：第一部分：CAN总线的基本概念第二部分：CAN总线的应用,引言,现场总线简述,引言,为了适应越来越多的异种计算机系统间互联的“开放式”系统的需要，人们建立了开放系统互联（OSI，Open System Interconnection）的基本参考模式，并于1983年制定了该参考模式的国际标准（ISO7498）。从此奠定了系统互联标准开放的基础，对数据通信系统产品的发展起到了重要的促进作用。ISO7498定义了OSI的7层体系结构。其中，每个层次都在信息交换的任务中
2、担当相对独立的角色、具有特定的功能。,由于微处理器的嵌入式应用，导致工业测控领域中各种仪器仪表、自动化装置和设备的智能化逐步下移。此变革适应了建立分布式测控系统的需要和实现工业过程控制系统“危险彻底分散”的要求，逐步发展为现场总线控制系统（FCS，Fieldbus Control System）.FCS采用全分散式的体系结构，现场智能仪器仪表和智能化装置具有高度的自治性。即使局部出现问题，系统中的其他问题仍然可以按既定的控制规律继续运行，从而大大提高了整个系统的可靠性。FCS的信号传输实现了全数字化，执行测控任务的节点将采集到的数据和所执行的操作等信息转化为数字信号向网上发送，执行管理,任务的
3、节点以数字形式向网上发送命令。由于通信电缆（双绞线）是所有节点之间的惟一连接，避免了模拟信号传输过程中的干扰，降低了对环境、接地等的要求，并保证数据的一致性。由于FCS在体系结构、价格、安全性和开放性等方面的优势，从21世纪起将取代DCS成为过程控制系统的主流。 现场总线是一种全数字的双向多站点通讯系统，按ISO7498标准（OSI）提供网络互联，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通讯速率高、造价低和维护成本低等特点。传统的420mA控制回路通常只能传输代表过程变量的一个信号，而现场总线能够在传送多个过程变量的同时一并传送仪表的标识符和简单的诊断信息等。由于现场总线是双向的，因此，能够从,
4、中心控制室对现场智能仪器仪表进行控制，使远程调整、诊断和维护成为可能，甚至能够在故障发生前预测。符合开放式标准的兼容性可以使用户选择不同厂家的产品来构成FCS系统，用户的权益得到了很好的维护。 在过去的十几年内，现场总线技术得到了迅速的发展，现场总线仪表已成为智能仪器的重要分支和发展方向之一。但现场总线至今未能形成统一的国际标准，造成了多种现场总线共存的局面。一方面由于现场总线是应用于现场过程控制的通讯网络，涉及许多底层设备的不同行业标准和用户习惯的继承，以及不同类型网络互联协议的制定；另一方面，各厂家都希望自己的技术标,准占有更大份额，以便使国际标准给自己带来更大利益。目前，世界上较为流行的
5、现场总线有：LONGWORKS，CAN，PROFIBUS，HART，FF等。鉴于CAN（Control Area Network）总线技术成熟、在智能仪器和其他现场智能设备中应用广泛， 在计算机测控系统发展的初期，由于计算机技术尚不发达，计算机价格昂贵，所以人们企图用一台计算机取代控制室内的所有仪表，因此出现了集中式数字测控系统。但这种测控系统可靠性差，一旦计算机出现故障，就会造成整个系统瘫痪。随着计算机可靠性的提高和价格的大幅度下降，出现了集中、分散相结合的集散控制系统(DCS)。在DCS 中，由测量传感器，变送器向,计算机传送的信号为模拟信号，下位机和上位机之间传递的信号为数字信号，所以它
6、是一种模拟、数字混合系统。,现场控制总线的特点：,1） 全数字化通信：现场总线系统是一个“纯数字”系统，而数字信号具有很强的抗干扰能力，所以，现场的噪声及其他干扰信号很难扭曲现场总线控制系统里的数字信号，数字信号的完整性使得过程控制的准确性和可靠性更高。 2 ） 一对N结构：一对传输线，N 台仪表，双向传输多个信号。这种一对N结构使得接线简单，工程周期短，安装费用低，维护容易。如果增加现场设备或现场仪表，只需并行挂接到电缆上，无须架设新的电缆。 3 ） 可靠性高：数字信号传输抗干扰强，精度高，无须采用抗干扰和提高精度的措施，从而降低了成本。,4 ） 可控状态：操作员在控制室既可以了解现场设备或
7、现场仪表的工作情况，也能对其进行参数调整，还可预测或寻找故障。整个系统始终处于操作员的远程监视和控制之中，从而提高了系统的可靠性、可控性和可维护性。 5 ） 互换性：用户可以选择不同制造商所提供的性价比最优的现场设备，并将不同品牌的仪表互联。即使某台仪表发生故障，换上其他品牌的同类仪表也能照常工作，实现了“即接即用”。 6 ） 互操作性：用户把不同制造商各种品牌的仪表集成在一起，进行统一组态，构成其所需的控制回路，而不必绞尽脑汁，为集成不同品牌的产品在硬件或软件上花费力气或增加额外投资。,7 ） 综合功能：现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制和运算功能，满足了用户需求，而且降低了成本。
8、8 ） 分散控制：控制站功能分散在现场仪表中，通过现场仪表即可构成控制回路，实现了彻底的分散控制，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。 9 ） 统一组态：由于现场设备或现场仪表都引入了功能块的概念，所有制造商都使用相同的功能块，并统一了组态方法，使组态变得非常简单，用户不需要因为现场设备或现场仪表种类不同而带来的组态方法的不同，再去学习和培训。,10 ） 开放式系统：现场总线为开放互联网络，所有技术和标准全是公开的，所有制造商必须遵循。这样，用户可以自由集成不同制造商的通信网络，既可与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可极其方便地共享网络数据库。,前言,目的：通过前言的介绍，使大家对CAN
9、总线的概念,能够有基本认识。,什么是CAN？,CAN:是Controller Area Network 的缩写（以下称为CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986 年德国电气商博世博世公司开发出面向汽车的CAN 通信协议。此后，CAN 通过ISO11898 及ISO11519 进行了标准化，现在在
10、欧洲已是汽车网络的标准协议。,CAN总线优势,CAN属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。较之目前许多RS485基于R线构建的分布式控制系统而言, 基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：1.网络各节点之间的数据通信实时性强首先,CAN控制器工作于多主方式,网络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据,且CAN协议废除了站地址编码,而代之以对通信数据进行编码,这可使不同的节点同时接收到相同的数据,这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强,并且容易构成冗余结构,提高系
11、统的可靠性和系统的灵活性。而利用RS-485只能构成主从式结构系统,通信方式也只能以主站轮询的方式进行,系统的实时性、可靠性较差;,CAN总线优势,2.缩短了开发周期CAN总线通过CAN收发器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连,而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态,CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会在出现在RS-485网络中的现象,即当系统有错误,出现多节点同时向总线发送数据时,导致总线呈现短路,从而损坏某些节点的现象。而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点的操作不受影响,从而保证不会出现象在网络中,因个别节点出现
12、问题,使得总线处于“死锁”状态。而且,CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现,从而大大降低系统开发难度,缩短了开发周期,这些是仅有电气协议的RS-485所无法比拟的。,CAN总线优势,3.已形成国际标准的现场总线另外,与其它现场总线比较而言,CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。这些也是目前 CAN总线应用于众多领域,具有强劲的市场竞争力的重要原因。 4.最有前途的现场总线之一CAN 即控制器局域网络,属于工业现场总线的范畴。与一般的通信总线相比,CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能
13、及独特的设计,CAN总线越来越受到人们的重视。它在汽车领域上的应用是最广泛的,世界上一些著名的汽车制造厂商,如BENZ(奔驰)、BMW(宝马)、PORSCHE(保时捷)、ROLLS-ROYCE(劳斯莱斯)和JAGUAR(美洲豹)等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。同时,由于CAN总线本身的特点,其应用范围目前已不再局限于汽车行业,而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN已经形成国际标准,并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。其典型的应用协议有： SAE J1939/ISO1
14、1783、CANOpen、CANaerospace、DeviceNet、NMEA 2000等。,第一部分CAN总线协议,CAN总线中的基本概念CAN总线的基本工作原理CAN总线的特点CAN总线协议内容CAN协议的主要构成CAN协议状态分类及变换CAN应用技术CAN总线有关器件介绍典型的应用协议,1. CAN总线中的基本概念,1.报文2.信息路由 3.位速率4.优先权5.远程数据请求 6.多主站7.仲裁8.安全性,9.出错标注和恢复时间10.故障界定11.连接 12.应答,基本概念,1.报文:总线上的信息以不同格式的报文发送,但长度有限当总线开放时,任何连接的单元均可开始发送一个新报文2.信息路
15、由:在CAN系统中,一个CAN节点不使用有关系统结构的任何信息,这里包含一些重要的概念:系统灵活性节点可以在不要求所有节点及其应用层改变任何软件或硬件的情况下,被接于CAN网络报文通信一个报文的内容由其标示符ID命名,ID并不指出报文的目的,但描述数据的含义,以便网络中的所有节点有可能借助报文滤波决定该数据是否使它们激活成组由于采用了报文滤波,所有节点均可接受报文,并同时被相同的报文激活数据相容性在CAN网络中,可以确保报文同时被所有的节点或者没有节点接受,因此,系统的数据相容性是借助于成组和出错处理达到的,基本概念,7.仲裁:当总线开放时,任何单元均可以开始发送报文,若同时有两个或者更多的单
16、元开始发送,总线访问冲突运用逐位仲裁规则,借助标示符ID解决,这种仲裁规则可以使信息和时间均无损失,若具有相同标示符的一个数据帧和一个远程帧同时发送,数据帧优先于远程帧,仲裁期间,每个发送器都对发送位电平与总线上检测到的电平进行比较,若相同则该单元可以继续发送,当发送一个隐性电平,而在总线上检测为显性电平时,该单元退出仲裁,并不再传送后继位了,基本概念,8.安全性:CAN总线协议为了获得尽可能高的数据传输安全性,在每个CAN节点中均设有错误检测,标定和自检的强有力措施检测措施包括:发送自检,循环冗余校验,位填充,和报文格式检查9.出错标注和恢复时间:已损坏的报文由检验出错的节点进行标注这样的报文将失效,并自动进行重发送如果不存在新的错误,从检出错误到下一个报文开始发送的恢复实践最多为29个位时间10.故障界定:CAN节点又能力识别永久性的故障和暂时扰动,可自动关闭故障节点,基本概念,11.连接:CAN串行通信链路是一条众多单元均可被连接的总线,理论上单元数目是无限的,实际上,单元总数受限于延迟时间和总线的电器负载12.应答:所有接收器均对接收报文的相容性进行检查,回答一个相容的报文,并标注一个不相容的报文,
