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陳華明,張  剛

1  概述
在計(jì)算機(jī)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(tái)處理系統(tǒng)。主控單元與后臺(tái)處理系統(tǒng)之間通過(guò)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(chǎng)總線，如Profibus、FF、LonWork、CAN Bus等。
CAN(Controller Area Network)是一種成熟的現(xiàn)場(chǎng)總線，由德國(guó)BOSCH公司開(kāi)發(fā)，最初用在汽車(chē)內(nèi)的自動(dòng)化系統(tǒng)中，由于其性能優(yōu)異、價(jià)格低廉，很快被推廣到工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)。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(tīng)及碰撞檢測(cè)機(jī)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(jí)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(diǎn)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(diǎn)數(shù)量無(wú)特定限制。
與主從方式的現(xiàn)場(chǎng)總線不同，CAN Bus是一種對(duì)等式(Peer-to-Peer)的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)，采用CAN Bus連接主控單元與I/O單元，可以通過(guò)節(jié)點(diǎn)ID和ID掩碼的選擇，方便地實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(shí)現(xiàn)模塊的冗余和不停機(jī)拆裝；可以實(shí)現(xiàn)無(wú)集中機(jī)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(diǎn)如下：
①  各個(gè)節(jié)點(diǎn)具有相同的總線訪問(wèn)權(quán)，Peer-to-Peer方式無(wú)需主節(jié)點(diǎn)；
②  無(wú)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(diǎn)濾波實(shí)現(xiàn)向多點(diǎn)發(fā)送；
④  數(shù)據(jù)幀、數(shù)據(jù)請(qǐng)求幀、出錯(cuò)幀和超載幀等四種幀格式；
⑤  五種錯(cuò)誤檢驗(yàn)；
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(cuò)而遭破壞的幀可自動(dòng)重發(fā)；
⑨  暫時(shí)錯(cuò)誤和永久性故障節(jié)點(diǎn)的判別及故障點(diǎn)的自動(dòng)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(shí)別碼由11位擴(kuò)展到了29位，更為靈活方便。
SJA1000是一款常見(jiàn)的CAN2.0B控制器，用于汽車(chē)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(kuò)展功能主要有：① 可讀/寫(xiě)訪問(wèn)的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器。② 可編程的錯(cuò)誤報(bào)警限制。③ 最近一次錯(cuò)誤代碼寄存器。④ 對(duì)每一個(gè)CAN Bus錯(cuò)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(wú)重發(fā)）。⑦ 偵聽(tīng)模式（無(wú)應(yīng)答、無(wú)主動(dòng)的出錯(cuò)標(biāo)志）。⑧ 支持熱插拔（軟件實(shí)現(xiàn)的位速率檢測(cè)）。⑨ 驗(yàn)收濾波器擴(kuò)展（4字節(jié)代碼、4字節(jié)屏蔽）。⑩ 自身信息接收（自接收請(qǐng)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(jì)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(jì)，包含通信速率、節(jié)點(diǎn)定義、幀結(jié)構(gòu)、過(guò)濾方式、識(shí)別碼格式和優(yōu)先級(jí)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(shí)際時(shí)鐘頻率，計(jì)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(lái)設(shè)置SJA1000），I/O單元自動(dòng)偵聽(tīng)CAN Bus通信速率，并設(shè)置自身的SJA1000。
2.2  節(jié)點(diǎn)定義
主節(jié)點(diǎn)： 主CPU（主控單元）節(jié)點(diǎn)，允許單CPU、雙CPU、多CPU等配置方式。
從節(jié)點(diǎn)： I/O單元節(jié)點(diǎn)，允許單I/O、雙I/O冗余配置方式，同一CAN Bus上的從節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)度為5～13個(gè)字節(jié)，具體長(zhǎng)度視傳送內(nèi)容確定。CAN通信幀結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

表1  CAN通信幀結(jié)構(gòu)

2.4  過(guò)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(jí)仲裁機(jī)制，系統(tǒng)應(yīng)保證：
(1)  CAN Bus不同節(jié)點(diǎn)所發(fā)送的通信幀其識(shí)別碼一定不同；
(2)  對(duì)于CAN Bus上的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信幀，保證有且只有目的節(jié)點(diǎn)能接收到。
要滿足上述2個(gè)要求，在設(shè)計(jì)上應(yīng)使通信幀的識(shí)別碼與SJA1000驗(yàn)收濾波器互相配合。
SJA1000 驗(yàn)收濾波器由4 個(gè)驗(yàn)收碼寄存器ACR0、ACR1、ACR2和ACR3和4個(gè)驗(yàn)收屏蔽寄存器AMR0、AMR1、AMR2和AMR3組成。它們?cè)赟JA1000的復(fù)位模式下可由主控制器設(shè)置，從而可對(duì)接收信息構(gòu)成非常靈活的濾波。
在本系統(tǒng)中，CAN節(jié)點(diǎn)對(duì)通信幀的接收采用單過(guò)濾方式。單濾波是指只有1個(gè)由4個(gè)驗(yàn)收碼寄存器和4個(gè)驗(yàn)收屏蔽寄存器組成的驗(yàn)收濾波器，總線上的信息只有通過(guò)它的驗(yàn)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(shí)別碼的對(duì)應(yīng)位必須相同才能驗(yàn)收通過(guò)；所有AMR 為1 的位，ACR 對(duì)應(yīng)位的驗(yàn)收濾波功能則予以屏蔽，CAN 信息幀的相關(guān)位與驗(yàn)收結(jié)果無(wú)關(guān)。
節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)收碼和屏蔽碼的設(shè)置見(jiàn)表2。

表2  CAN節(jié)點(diǎn)驗(yàn)收碼和屏蔽碼設(shè)置表 

對(duì)于所有類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)，驗(yàn)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(diǎn)均分配一個(gè)邏輯ID，由此確定CAN通信的物理地址，從節(jié)點(diǎn)邏輯ID及驗(yàn)收碼ACR1和屏蔽碼AMR1的分配規(guī)則為：
  從節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)收碼ACR1的8位由4個(gè)“1”和4個(gè)“0”組成；
  不同從節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)收碼ACR1均不相同；
  從節(jié)點(diǎn)邏輯ID越小，對(duì)應(yīng)的驗(yàn)收碼ACR1也越小；
  從節(jié)點(diǎn)的屏蔽碼AMR1為其驗(yàn)收碼ACR1的反碼。
根據(jù)上述規(guī)則，可分配出70個(gè)從節(jié)點(diǎn)，選取其中的64個(gè)作為系統(tǒng)的從節(jié)點(diǎn)。
2.5  CAN通信幀報(bào)文標(biāo)識(shí)碼（29位）定義

CAN通信幀報(bào)文標(biāo)識(shí)碼（29位）定義如下：

ID.28~ID.26：信息流向（MDIR），3位。具體含義見(jiàn)表3。

表3  CAN節(jié)點(diǎn)信息流向表
 

ID.25~ID.21：信息類(lèi)型（MTP），5位；
ID.20~ID.13：從節(jié)點(diǎn)號(hào)索引（SNI），8位。CPU節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)表示目的從節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)向CPU節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)表示源從節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)之間通信時(shí)表示目的從節(jié)點(diǎn)。0ffh表示是廣播幀，發(fā)送點(diǎn)對(duì)點(diǎn)幀時(shí)，SNI就是從節(jié)點(diǎn)邏輯ID號(hào)對(duì)應(yīng)的從節(jié)點(diǎn)驗(yàn)收碼ACR1。
ID.12~ID.5：信息編移（MOS），8位。對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(duì)于CPU節(jié)點(diǎn)發(fā)送的廣播幀，此信息偏移用來(lái)表示發(fā)送此廣播幀的不同的CPU節(jié)點(diǎn)，例如可以是CPU節(jié)點(diǎn)所在主控單元的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)站號(hào)。
ID.4~ID.2：保留，3位。
ID.1~ID.0：源節(jié)點(diǎn)內(nèi)部單元序號(hào)(SNMN)，2位。非冗余CPU節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)，SNMN保留，為0；冗余CPU節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)，為0和1分別表示該冗余CPU節(jié)點(diǎn)的A機(jī)和B機(jī)（為2和3保留）。非冗余I/O單元從節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)，SNMN保留，為0；冗余I/O單元從節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)，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(jí)
根據(jù)所定義的CAN通信幀報(bào)文標(biāo)識(shí)碼格式，CAN Bus上各通信幀傳送優(yōu)先級(jí)首先由MDIR決定。
按照MDIR，CAN通信幀優(yōu)先級(jí)由高到低依次為：
①  主節(jié)點(diǎn)（CPU節(jié)點(diǎn)）向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(diǎn)向所有從節(jié)點(diǎn)發(fā)送的廣播幀，如主節(jié)點(diǎn)向所有從節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求I/O單元工作狀態(tài)，或主節(jié)點(diǎn)向所有從節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求當(dāng)前數(shù)據(jù)。
③  主節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)幀。
④  主節(jié)點(diǎn)向所有主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的廣播幀。
⑤  從節(jié)點(diǎn)之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信幀。
⑥  從節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的廣播幀。
上述6類(lèi)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(jí)由MTP決定。在MDIR相同的情況下，MTP對(duì)優(yōu)先級(jí)的確定起著決定作用，從而保證重要信息類(lèi)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(jiàn)的信息類(lèi)型有網(wǎng)絡(luò)同步幀、請(qǐng)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(jì)時(shí)可根據(jù)其重要程度排定優(yōu)先級(jí)，并確定相應(yīng)的MTP數(shù)值。
在MTP后，CAN通信幀傳送優(yōu)先級(jí)由SNI決定。在MDIR和MTP都相同的情況下，CAN通信幀的優(yōu)先級(jí)取決于SNI，邏輯ID越小，其優(yōu)先級(jí)越高。
3  結(jié)語(yǔ)
本文以SJA1000為例，通過(guò)節(jié)點(diǎn)定義、幀結(jié)構(gòu)、過(guò)濾方式、識(shí)別碼定義和優(yōu)先級(jí)定義等方面的應(yīng)用設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)中多冗余的主控單元和64個(gè)可冗余I/O節(jié)點(diǎn)之間的高效可靠的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)不同流向的各種類(lèi)型的通信幀的高效傳送。通信幀優(yōu)先級(jí)由MDIR、MTP和SNI依次決定，并保證CAN Bus上不會(huì)出現(xiàn)相同的識(shí)別碼。