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1、,9.2 现场总线,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,上一页,下一页,返 回,现场总线控制系统 （Fieldbus Control System，缩写为FCS）,现场总线,国际组织现场总线基金会(Fieldbus Foundation) 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。 具体化地讲： 现场总线是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化的、智能、双向、多变量、多点、多站的通信系统，按ISO的OSI标准提供了网络服务，可靠性高，稳定性好，抗干扰能力强，
2、通信速率快，造价低，维护成本低。,上一页,下一页,返 回,现场总线的优点,可大大节约连接导线、维护和安装费用，可以用低廉的造价组成一个系统。一个传统的4mA20mA控制回路通常只能传输代表过程变量的一个信号。 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，具有监视与控制能力强、可靠性与故障容限高、实时响应性好和对环境要求低等优点。 数字信号的精确性：数字信息可排除模拟信息传输和转换中所产生的误差。 由于现场总线是双向的，因此能够从中心控制室对现场智能仪表进行控制，使远程调整、诊断和维护成为可能，甚至能够在故障发生前进行预测。,上一页,下一页,返 回,现场总线技术的
3、发展,过去十年，现场总线技术得到了迅速的发展， 但是，却未能形成一种统一的国际标准。 两方面原因： 一是技术方面的原因，由于现场总线是应用于现场过程控制的通信网络，涉及到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连的协议制定； 另一方面是商业利益，各厂家都希望自己的技术在标准中占有更大份额，以便使国际标准给自己带来更大利益，互不相让，导致了目前多种现场总线共存的局面。,上一页,下一页,返 回,世界上流行的几种现场总线,LONWORKS、CAN、PROFIBUS、HART和FF CAN(Control Area Network)总线是德国Bosch公司从80年代初为解决现代汽
4、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， 受到广泛重视，公认为最有前途的现场总线之一。,上一页,下一页,返 回,CAN总线,9.2.1 CAN总线概述 9.2.2 基于SJA1000的CAN总线接口设计,上一页,下一页,返 回,921 CAN总线概述,一种多主总线，采用OSI底层的三层网络结构 物理层、数据链路层和应用层。,上一页,下一页,返 回,物理层,划分为三部分： 物理信令实现与位表示、定时和同步相关的
5、功能。 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。 媒体相关接口实现与物理媒体之间的机械和电气接口。,上一页,下一页,返 回,数据链路层,逻辑链路控制(LLC) 媒体访问控制（MAC）,上一页,下一页,返 回,LLC子层提供的功能：,(1)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。 (2)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。 (3)恢复管理：发送期间，对于丢失仲裁或
6、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。,上一页,下一页,返 回,MAC子层,功能由IEEE802.3中规定的功能模型描述,上一页,下一页,返 回,MAC子层具有两部分功能：,发送部分功能包括： 发送数据封装，接收LLC帧和接口控制信息，构造MAC帧。 发送媒体访问管理，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。 接收部分功能包括： 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
7、去除MAC特定信息，输出LLC帧和接口控制信息至LLC子层。,上一页,下一页,返 回,CAN在物理总线上的数字化信息,由差分电平表示：,上一页,下一页,返 回,差分电平,显性电平(dominant level) 以大于最小阈值的差分电压表示，表示逻辑“0”； 隐性电平(recessive level)时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。,上一页,下一页,返 回,CAN的通信介质可以是双绞线。以位速率表示的数据传输速度在不同系统中是不同的
8、，然而在一个给定系统中，此速率是唯一的，并且是固定的。其通信速率可达1Mbps。 总线上各节点对总线上的数据位的检测需要同步的原因是显而易见的。当总线上没有任何节点发送信息时总线的状态称为“空闲”，总线上的电平为“隐性电平”。一旦有发送产生时，最先发送的那个节点的帧起始(一个单“显性”位)，使所有的节点产生硬同步。另外在通信进行过程中，所有的节点还要根据总线上位信号沿的电平变化而进行重同步。,上一页,下一页,返 回,帧格式,当总线开放时，任何连接的节点均可开始发送一个新报文。这些报文按不同的帧格式组成。 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
9、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。,上一页,下一页,返 回,数据帧,由帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场和帧结束等7个不同的位场组成，,表中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。,上一页,下一页,返 回,仲裁场 由来自LLC子层的ID和RTR(Remote Transmission Request,远程发送请求)位组成。标识符长度为11位（ID10ID0），由高至低次序发送，且前7位（ID10ID4）不能全为隐性位，标识
10、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位为数据长度码，决定数据场中的字节数目，可由0至8变化。 数据场 由被发送数据组成，数目为控制场中决定的08个字节，第一个字节的最高位首先被发送。,上一页,下一页,返 回,CRC场 包括CRC(循环冗余码校验)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（发送器发出的“隐性”电平被改写为“显性
11、电平”），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。,上一页,下一页,返 回,CAN协议特点,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。,上一页,下一页,返 回,逐位仲裁规则,若同时有两个或更多的节点开始发送报文，总线运用对标识符的逐位仲裁规则巧妙地在各节点内解决冲突。 仲裁期间，每个节点都监视总线电平，并与自己发送位电
12、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。 标识符和RTR位对应二进制数位越低的报文优先级越高。这种仲裁规则可以使信息和时间均无损失。,上一页,下一页,返 回,CAN主要特性：,多主站依据优先权进行总线访问； 无破坏性的基于优先权的仲裁； 借助接收滤波的多地址帧传送； 远程数据请求； 配置灵活性； 全系统数据相容性； 错误检测和出错信令； 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； 暂时错误和永
13、久性故障节点的判别以及故障节点的自动脱离。,上一页,下一页,返 回,9.2.2 基于SJA1000的CAN总线接口设计,SJA1000是适用于汽车和一般工业环境控制器局域网的高集成度独立控制器,上一页,下一页,返 回,1、SJA1000 的基本构成,接口管理逻辑(IML)：接收来自微处理器的命令，分配控制信息缓存器（发送缓存器，接收缓存器0和1），并为微控制器提供中断和状态信息。 发送缓存器(TXB)：由10个字节存贮单元组成，存贮由微处理器写入，将被发送至CAN网络的报文。 接收缓存器0和1(RXB、RXFIFO)：均由10个字节组成，交替存贮由总线接收到的报文，当一个缓存器被分配给CPU，
14、位流处理器可以对另一个进行写操作。 接收过滤器(ACF): 将接收到的标识符与接收过滤寄存器中的内容比较，并决定是否接受该条消息。如果该条消息通过接收测试，则将其存入接收缓冲器。,上一页,下一页,返 回,位流处理器(BSP)：控制发送缓存器与CAN总线之间数据流的序列发生器。同时还执行CAN总线上的出错检测、仲裁、填充和出错处理。 位定时逻辑(BTL)：监测串行的CAN总线，并处理总线上的位定时。BTL在一条消息开始时，由总线上的“隐性-显性”转换同步(硬同步)。并在消息接收过程中与总线上的转换再同步(软同步)。BTL还提供可编程的时间分段，用以补偿传输延迟和相位偏差，并确定在一个位时间内的采
15、样位置和采样数。 (7)出错误管理逻辑(EML)：按照CAN协议进行传输层出错界定。,上一页,下一页,返 回,地址分配表,SJA1000内部配备42个字节的寄存器，使用了32个地址，其地址分配如表9.2.2所示。 (1)SJA1000可在复位和运行两种模式下被访问。一些用于初始化的寄存器只能在复位模式下访问； (2)以“-”标注的栏表示该操作是无意义的； (3)以“*”标注的栏表示其读出总是为0； (4)地址域可分为控制段、发送缓冲段和接收缓冲段。,上一页,下一页,返 回,2、SJA1000的工作原理与硬件接口电路,发送缓冲区用于存贮由微处理器至SJA1000的发送报文，它可分为描述符和数据场
16、，发送缓存器可借助微控制器写入或读出。描述符为两个字节：包括标识符、远程发送请求位（RTR）和数据长度码（DLC）。数据场为8个字节空间，存贮08个数据。 接收缓冲区0和1，是微处理器与位流处理器的接口，交替存贮由总线接收到的报文，一旦被位流处理器填满，并被接口处理逻辑分配给CPU，则缓冲区不能用于存贮接收到的报文，直到CPU释放该缓存器，两个接收缓冲区地址一样，当一个缓冲区被分配给CPU，位流处理器可以对另一个进行写操作，它的结构与发送缓冲区一样。 时钟分频寄存器控制SJA1000向CPU输出CLKOUT频率。,上一页,下一页,返 回,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
