日本在线www-日本在线播放一区-日本在线不卡免费视频一区-日本在线不卡视频-成人影院久久久久久影院-成人影院一区二区三区

陳華明,張  剛

1  概述
在計算機工業(yè)控制系統(tǒng)中，一般包括智能I/O處理單元、主控單元（主CPU單元）和后臺處理系統(tǒng)。主控單元與后臺處理系統(tǒng)之間通過10/100Mbps以太網(wǎng)進(jìn)行連接；主控單元與智能I/O處理單元之間的連接采用現(xiàn)場總線，如Profibus、FF、LonWork、CAN Bus等。
CAN(Controller Area Network)是一種成熟的現(xiàn)場總線，由德國BOSCH公司開發(fā)，最初用在汽車內(nèi)的自動化系統(tǒng)中，由于其性能優(yōu)異、價格低廉，很快被推廣到工業(yè)控制現(xiàn)場。其物理層使用雙絞線，符合ISO DIS 11898標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)據(jù)鏈路層采用了載波偵聽及碰撞檢測機制(CSMA/CD)，同ETHERNET相似，不同的是CAN Bus在此基礎(chǔ)上增加了優(yōu)先級控制，使高優(yōu)先權(quán)的信息可以不受阻礙地立即傳送。CAN Bus的最大特點是其可靠性，按ISO DIS 11898標(biāo)準(zhǔn)，雙絞線中即使有一條線接地或與電源短路，甚至斷線，它都可以正常地傳輸信息。其最高傳輸速率為1Mbps，最大傳輸距離為10km，網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點數(shù)量無特定限制。
與主從方式的現(xiàn)場總線不同，CAN Bus是一種對等式(Peer-to-Peer)的現(xiàn)場總線網(wǎng)，采用CAN Bus連接主控單元與I/O單元，可以通過節(jié)點ID和ID掩碼的選擇，方便地實現(xiàn)點對點、點對多點和廣播等多種傳輸方式；可以提高主控單元與I/O單元，I/O單元之間的隔離性，便于實現(xiàn)模塊的冗余和不停機拆裝；可以實現(xiàn)無集中機柜的分散安裝方式，系統(tǒng)控制功能可進(jìn)一步向下分散。
目前使用的CAN Bus技術(shù)規(guī)范有兩部分，即CAN2.0A和CAN2.0B。CAN Bus的技術(shù)特點如下：
①  各個節(jié)點具有相同的總線訪問權(quán)，Peer-to-Peer方式無需主節(jié)點；
②  無破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁策略；
③  不需要發(fā)送目的地址，借助接收節(jié)點濾波實現(xiàn)向多點發(fā)送；
④  數(shù)據(jù)幀、數(shù)據(jù)請求幀、出錯幀和超載幀等四種幀格式；
⑤  五種錯誤檢驗；
⑥  配置靈活性；
⑦  全系統(tǒng)數(shù)據(jù)相容性；
⑧  發(fā)送期間若丟失仲裁或由于出錯而遭破壞的幀可自動重發(fā)；
⑨  暫時錯誤和永久性故障節(jié)點的判別及故障點的自動化脫離；
⑩  可程序控制的傳送速率。
CAN2.0B與CAN2.0A相比的最大區(qū)別在于CAN2.0B識別碼由11位擴展到了29位，更為靈活方便。
SJA1000是一款常見的CAN2.0B控制器，用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境中的控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）。它是PHILIPS半導(dǎo)體PCA82C200 CAN控制器（BasicCAN）的替代產(chǎn)品。而且，它增加了一種新的工作模式，即PeliCAN，這種模式支持具有很多新特性的CAN 2.0B協(xié)議。
其擴展功能主要有：① 可讀/寫訪問的錯誤計數(shù)器。② 可編程的錯誤報警限制。③ 最近一次錯誤代碼寄存器。④ 對每一個CAN Bus錯誤的中斷。⑤ 具體控制位控制的仲裁丟失中斷。⑥ 單次發(fā)送（無重發(fā)）。⑦ 偵聽模式（無應(yīng)答、無主動的出錯標(biāo)志）。⑧ 支持熱插拔（軟件實現(xiàn)的位速率檢測）。⑨ 驗收濾波器擴展（4字節(jié)代碼、4字節(jié)屏蔽）。⑩ 自身信息接收（自接收請求）。
2  總線的應(yīng)用
要提高基于CAN Bus控制系統(tǒng)的性能，必須注重主控單元與I/O單元、I/O單元之間的通信效率和可靠性，充分合理的利用CAN控制器提供的功能，設(shè)計高效而又滿足應(yīng)用的應(yīng)用層協(xié)議。
下面就以SJA1000為例，描述在工業(yè)控制系統(tǒng)中CAN Bus的應(yīng)用設(shè)計，包含通信速率、節(jié)點定義、幀結(jié)構(gòu)、過濾方式、識別碼格式和優(yōu)先級的定義等內(nèi)容。
2.1  通信速率
系統(tǒng)預(yù)設(shè)8種通信速率，根據(jù)SJA1000的實際時鐘頻率，計算出每種通信速率下SJA1000的BTR0 和BTR1寄存器的設(shè)置值。系統(tǒng)的通信速率由主控單元確定（根據(jù)組態(tài)軟件的設(shè)置來設(shè)置SJA1000），I/O單元自動偵聽CAN Bus通信速率，并設(shè)置自身的SJA1000。
2.2  節(jié)點定義
主節(jié)點： 主CPU（主控單元）節(jié)點，允許單CPU、雙CPU、多CPU等配置方式。
從節(jié)點： I/O單元節(jié)點，允許單I/O、雙I/O冗余配置方式，同一CAN Bus上的從節(jié)點數(shù)目最大為64。
2.3  CAN通信幀結(jié)構(gòu)
所有在CAN Bus上傳送的信息都以幀為基本單元，每幀的長度為5～13個字節(jié)，具體長度視傳送內(nèi)容確定。CAN通信幀結(jié)構(gòu)見表1。

表1  CAN通信幀結(jié)構(gòu)

2.4  過濾方式
為提高CAN Bus上通信效率和可靠性，并充分利用CAN Bus的優(yōu)先級仲裁機制，系統(tǒng)應(yīng)保證：
(1)  CAN Bus不同節(jié)點所發(fā)送的通信幀其識別碼一定不同；
(2)  對于CAN Bus上的點對點通信幀，保證有且只有目的節(jié)點能接收到。
要滿足上述2個要求，在設(shè)計上應(yīng)使通信幀的識別碼與SJA1000驗收濾波器互相配合。
SJA1000 驗收濾波器由4 個驗收碼寄存器ACR0、ACR1、ACR2和ACR3和4個驗收屏蔽寄存器AMR0、AMR1、AMR2和AMR3組成。它們在SJA1000的復(fù)位模式下可由主控制器設(shè)置，從而可對接收信息構(gòu)成非常靈活的濾波。
在本系統(tǒng)中，CAN節(jié)點對通信幀的接收采用單過濾方式。單濾波是指只有1個由4個驗收碼寄存器和4個驗收屏蔽寄存器組成的驗收濾波器，總線上的信息只有通過它的驗收濾波才予以接收。ACR和AMR是配合在一起工作的，所有AMR 為0 的位，ACR和CAN通信幀識別碼的對應(yīng)位必須相同才能驗收通過；所有AMR 為1 的位，ACR 對應(yīng)位的驗收濾波功能則予以屏蔽，CAN 信息幀的相關(guān)位與驗收結(jié)果無關(guān)。
節(jié)點的驗收碼和屏蔽碼的設(shè)置見表2。

表2  CAN節(jié)點驗收碼和屏蔽碼設(shè)置表 

對于所有類型的節(jié)點，驗收碼ACR0.4-ACR0.0、ACR2和ACR3的所有位均為0，屏蔽碼AMR0.4-AMR0.0、AMR2和AMR3的所有位均為1。
I/O單元各節(jié)點均分配一個邏輯ID，由此確定CAN通信的物理地址，從節(jié)點邏輯ID及驗收碼ACR1和屏蔽碼AMR1的分配規(guī)則為：
  從節(jié)點的驗收碼ACR1的8位由4個“1”和4個“0”組成；
  不同從節(jié)點的驗收碼ACR1均不相同；
  從節(jié)點邏輯ID越小，對應(yīng)的驗收碼ACR1也越小；
  從節(jié)點的屏蔽碼AMR1為其驗收碼ACR1的反碼。
根據(jù)上述規(guī)則，可分配出70個從節(jié)點，選取其中的64個作為系統(tǒng)的從節(jié)點。
2.5  CAN通信幀報文標(biāo)識碼（29位）定義

CAN通信幀報文標(biāo)識碼（29位）定義如下：

ID.28~ID.26：信息流向（MDIR），3位。具體含義見表3。

表3  CAN節(jié)點信息流向表
 

ID.25~ID.21：信息類型（MTP），5位；
ID.20~ID.13：從節(jié)點號索引（SNI），8位。CPU節(jié)點發(fā)送時表示目的從節(jié)點，從節(jié)點向CPU節(jié)點發(fā)送時表示源從節(jié)點，從節(jié)點之間通信時表示目的從節(jié)點。0ffh表示是廣播幀，發(fā)送點對點幀時，SNI就是從節(jié)點邏輯ID號對應(yīng)的從節(jié)點驗收碼ACR1。
ID.12~ID.5：信息編移（MOS），8位。對于點對點的CAN通信幀，此信息偏移表示該通信幀內(nèi)數(shù)據(jù)的偏移。對于CPU節(jié)點發(fā)送的廣播幀，此信息偏移用來表示發(fā)送此廣播幀的不同的CPU節(jié)點，例如可以是CPU節(jié)點所在主控單元的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)站號。
ID.4~ID.2：保留，3位。
ID.1~ID.0：源節(jié)點內(nèi)部單元序號(SNMN)，2位。非冗余CPU節(jié)點發(fā)送時，SNMN保留，為0；冗余CPU節(jié)點發(fā)送時，為0和1分別表示該冗余CPU節(jié)點的A機和B機（為2和3保留）。非冗余I/O單元從節(jié)點發(fā)送時，SNMN保留，為0；冗余I/O單元從節(jié)點發(fā)送時，為0和1分別表示該冗余I/O單元的A單元和B單元（為2和3保留）。
2.6  CAN通信幀傳送優(yōu)先級
根據(jù)所定義的CAN通信幀報文標(biāo)識碼格式，CAN Bus上各通信幀傳送優(yōu)先級首先由MDIR決定。
按照MDIR，CAN通信幀優(yōu)先級由高到低依次為：
①  主節(jié)點（CPU節(jié)點）向從節(jié)點發(fā)送的點對點幀，如主控單元向某一I/O單元發(fā)送配置數(shù)據(jù)。
②  主節(jié)點向所有從節(jié)點發(fā)送的廣播幀，如主節(jié)點向所有從節(jié)點請求I/O單元工作狀態(tài)，或主節(jié)點向所有從節(jié)點請求當(dāng)前數(shù)據(jù)。
③  主節(jié)點向主節(jié)點發(fā)送的點對點幀。
④  主節(jié)點向所有主節(jié)點發(fā)送的廣播幀。
⑤  從節(jié)點之間點對點通信幀。
⑥  從節(jié)點向主節(jié)點發(fā)送的廣播幀。
上述6類通信幀中，常用到的有①、②和⑥這三種，能滿足數(shù)據(jù)采集與控制的基本應(yīng)用要求。
在MDIR后，CAN通信幀傳送優(yōu)先級由MTP決定。在MDIR相同的情況下，MTP對優(yōu)先級的確定起著決定作用，從而保證重要信息類型數(shù)據(jù)的優(yōu)先傳送。例如SOE（事件順序記錄）信息就可以比普通的巡檢數(shù)據(jù)優(yōu)先傳送。
常見的信息類型有網(wǎng)絡(luò)同步幀、請求配置、配置數(shù)據(jù)、SOE數(shù)據(jù)、巡檢數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)等，在系統(tǒng)設(shè)計時可根據(jù)其重要程度排定優(yōu)先級，并確定相應(yīng)的MTP數(shù)值。
在MTP后，CAN通信幀傳送優(yōu)先級由SNI決定。在MDIR和MTP都相同的情況下，CAN通信幀的優(yōu)先級取決于SNI，邏輯ID越小，其優(yōu)先級越高。
3  結(jié)語
本文以SJA1000為例，通過節(jié)點定義、幀結(jié)構(gòu)、過濾方式、識別碼定義和優(yōu)先級定義等方面的應(yīng)用設(shè)計，可以實現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)中多冗余的主控單元和64個可冗余I/O節(jié)點之間的高效可靠的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)不同流向的各種類型的通信幀的高效傳送。通信幀優(yōu)先級由MDIR、MTP和SNI依次決定，并保證CAN Bus上不會出現(xiàn)相同的識別碼。