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网络通信与现场总线.pdf

网络通信与现场总线.pdf

上传者: jbsin99 2012-01-14 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《网络通信与现场总线pdf》,可适用于人文社科领域,主题内容包含第章网络通信与现场总线网络与现场总线计算机网络是计算机技术与通信技术紧密结合的产物是社会向信息化迈进的必要条件它为大范围的信息交流和资源共享提供了良符等。

第章网络通信与现场总线网络与现场总线计算机网络是计算机技术与通信技术紧密结合的产物是社会向信息化迈进的必要条件它为大范围的信息交流和资源共享提供了良好的条件已成为当今全球信息产业的基石。近年来计算机技术与通信技术都获得了突飞猛进的发展计算机技术渗透到通信技术领域中大大地提高了通信系统的性能促进了通信由模拟向数字化并最终向综合业务的方向发展。同时通信技术又为多个计算机之间的数据传输、资源共享和协调合作提供了必要的手段促进了计算机技术的发展。计算机网络综合了这两方面的新技术涉及面更宽应用范围更广对信息技术的发展产生了深远的影响。计算机网络概述网络与计算机一样都经历了从简单到复杂的发展过程。从最初的计算机与多个终端之间的数据通信发展到现在的复杂的网际互联计算机网络技术发展的势头十分迅猛各种各样的网络技术更是五花八门那么究竟计算机网络的概念是什么呢?对计算机网络的定义有多种广义上来讲计算机网络就是在协议控制下由一台或多台计算机、若干台终端设备、数据传输设备以及便于终端和计算机之间或者若干台计算机之间数据流动的通信控制处理机等所组成的系统集合。这表明计算机网络是在协议控制下通过通信系统来实现计算机之间的连接与数据传输的。计算机网络与一般的计算机互连的本质区别就在于有无协议作用。.网络发展的三个阶段()第一代计算机网络(以单个计算机为中心的远程连机系统)系统构成如图所示。调制解调器调制解调器调制解调器调制解调器主机前端机终端控制集中线终端控制终端终端终端终端图第一代面向终端的计算机网络可编程计算机控制器技术在这种系统中主要存在的是终端与中心计算机之间的通信其中只有中心计算机具备自主处理的功能。这与后来出现的多个计算机互连的网络相比只能称其为面向终端的计算机网络。其中前端处理机专门负责通信的工作减轻了中心计算机通信与数据处理的双重任务提高了其工作效率终端控制器通常是在终端较集中的地点设置的它首先通过低速线路将附近各终端连接起来再通过高速通信线路与远程中心计算机的前端机相连终端控制器能够在一些终端的空闲时间内传送其他处于工作状态的终端的数据提高了远程线路的利用率降低了通信费用调制解调器则是利用模拟通信线路远程传输数字信号所必需的设备。()第二代计算机网络系统结构如图所示。HHIMPIMPIMPIMPIMPIMPHHHHH注:图中H为主机IMP为分组交换节点图以IMP进行通信的第二代计算机可以将这一代计算机系统称为目前所说的计算机网络因为它是由多个具有自主处理能力的计算机通过通信线路连接起来的。计算机间不存在主从的关系。这种网络采用“存储转发”的方式来传输数据。各个计算机之间不是直接通过通信线路相连而是要通过一个称为接口报文处理机IMP(InterfaceMessageProcessor)的装置转接后互连的。“存储转发”方式比起第一代计算机的通信方式来讲具有一个明显的优点:通信线路不被某对通信实体所独占线路的利用率大大地提高。在该系统中拥有通信资源的IMP和它们之间互连的通信线路一起负责完成主机之间的通信任务构成了通信子网。通过通信子网互连的主机负责运行用户的应用程序并向网络用户提供可以共享的软硬件资源它们组成了资源子网。IMP也称为分组交换节点该网络中存储转发的信息基本单元称为分组。比较图和两图可看出第一代与第二代的区别之一就是:第一代以被各终端享用的单个计算机为中心而第二代则是以通信子网为中心用户共享的资源子网在通信子网的外围。这样第二代计算机网络使得终端和中心计算机间的通信发展到计算机与计算机间的通信用单台中心计算机为所有用户需求服务的模式就被大量分散而又互连在一起的多台计算机共同完成的模式所替代。然而尽管当前世界上已有大量的第二代计算机网络正在运行和提供服务但随着信息社会的日益发展第二代计算机网络出现了一个限制其向前发展的关键因素:没有统一的网络体系结构网络互连十分困难。这里涉及到网络的基本概念协议及在其基础上的体系结构所谓协议就是两个计算机间通信时对传送信第章网络通信与现场总线息内容的理解、信息表示形式以及各种情况下的应答信号都必须遵循的一个共同的约定。而如何分层以及各层中具体采用的协议的总和称为网络的体系结构。表示为如下形式:网络体系结构={系统实体层协议}。()第三代计算机网络即国际标准化的网络打破了第二代计算机网络发展的桎梏。它具有统一的网络体系结构遵循国际标准化的协议。标准化使不同的计算机能方便地互连在一起。标准化还将带来大规模生产、产品VLSI化和成本降低等一系列的好处。.OSI基本参考模型针对第二代计算机网络的不足国际标准化组织ISO(InternationalStandardOrganization)于年正式颁布了一个称为“开放系统互连基本参考模型”的国际标准ISO。这里“开放系统”是相对第二代计算机网络中各种类型网络的厂商各自封闭的系统而言的它是可以与任何其他系统(当然要遵循相同的国际标准)通信且相互开放的。需要注意的是:该模型自身并没有定义数据传输的标准而只是为发展和定义系统构造了一个框架。这个模型分为七层有时也被称为OSI七层模型。该模型结构如图所示。开放系统同层协议开放系统应用层表示层会话层传输层网络层应用层数链路层网络层传输层协议会话层协议表示层协议应用层协议网络层数据链路层表示层会话层传输层数据链路层物理层物理层物理层中继开放系统图OSI参考模型其中物理层和数据链路层定义了数据传输协议网络层到应用层则涉及到高级网络协议。当要发送数据到最底层(物理层)时信息依次通过每一层各层对该信息进行处理并增加了一些协议信息以便传输在接收方传输所需的额外信息将被去掉接收方各层进行与发送方各层相反的操作使传输的信息恢复原样。现对这几层进行简要介绍:物理层(PhysicalLayer):为数据链路上的两端实体间提供建立、维持和拆除物理连结信道(传输线路)所必需的(机械的、电气的、功能的)特性目的在于保证可靠的电信号传输即按比特为单位的同步与传输数据链路层(DataLinkLayer):构成逻辑信道的一段点到点式数据通路是在物理信道基础之上建立起来的具有它自己的数据传输格式和传输控制功能的点到点间直接信道目的是在物理层处于各种通信环境条件下都能保证其向上层提供一条无差错的、高可靠性的传输线路从而保证数据通信的正确性并为计算机网络的正常运行提供其所可编程计算机控制器技术要求的数据通信质量网络层(NetworkLayer):亦称为“通信子网层”处在用户子网与通信子网的界面上是不同传送数据单元(报文分组)进行转换的交界处。它为进网报文提供具体的逻辑信道(虚线路)并控制子网有效地运行。其中网络层的关键就是路由选择在OSI术语中称之为中继。每个通信子网的节点称为中继节点整个通信子网称为中继开放系统。对通信子网的每个转接节点如果它收到了信息则根据信息的目的地址可能会做出如下两个反应:y如果该信息的目的地址就是本节点时将信息传送给本节点所连主机y信息的目的地址不是本节点则需根据目的地址和本节点各输出线路情况采取一定的路由选择机制将该信息发送到一条最优的输出线路上。传输层(TransportLayer):高层用户可利用运输层的服务直接进行端对端也就是主机对主机的数据传输不必知道通信子网的存在即运输层为上层用户提供端对端的透明化的数据传输服务。同时运输层还要处理端到端的差错控制和流量控制会话层(SessionLayer):为两应用进程间建立起进行一次“对话”的逻辑联结关系允许不同主机上各种进程之间进行会话同时会话层还提供了在数据流中插入同步点的机制节省了数据传输时间表示层(PresentationLayer):为上层用户提供共同需要的数据或信息语法表示变换使采用不同编码方式的计算机通信后能理解双方的数据。表示层还提供了数据压缩和加密功能应用层(ApplicationLayer):为特定类型的网络应用提供访问OSI环境的手段其功能直接取决于用户和网络服务目的它为两个应用系统中的一对进程之间完成信息交换及系统管理和应用管理。.协议(Protocol)可以看出网络的分层结构就是协议的分层结构。如前所述协议是两实体间控制信息交换的规则的集合那么它究竟包含什么内容呢?()协议的三个组成要素。语法:确定通信双方“如何讲”即由逻辑说明构成要对信息或报文各字段格式化说明报头(或标题)字段、命令和应答的结构语义:确定通信双方之间讲什么即由过程说明构成要对发布请求、执行动作以及返回应答予以解释并确定用于协调和差错处理的控制信息定时规则:指出事件顺序及速度匹配、排序。()协议一般具有的功能。差错检验和纠正:面向通信传输的协议常使用“应答重发”、循环冗余检验、软件检查等机制进行z差错的检验和纠正工作分块和重装:用协议控制进行传送的数据长度是有一定限度的参加交换的数据都要求有一定的格式为满足这一要求需要将实际应用中的数据进行加工处理使之符合协议交换时的格式要求。分块和重装就是这种加工处理操作。分块操作是将大块数据分成若干小块如将报文划分成几个报文分组而重装操作是将划分的小块数据重新组合复第章网络通信与现场总线原例如将报文分组还原成报文排序:对发送出的数据进行编号以标志它们的顺序通过排序可达到按序传递、信息流控制和差错控制等目的流量控制:通过限制发送的数据量或速率以防止在信道中出现堵塞现象。.计算机网络的拓扑结构计算机网络有许多种类型按跨度分类有局域网和广域网之分按用途分类有专用网和公共网之分而按拓扑类型分可以有多种形式主要有四种下面分别进行介绍。()星型网。结构如图所示。TTTTTTTTCCCTTTTT前端机主机图中:C为中心处理机T为终端图星型网结构星型网是以一台称为中心处理机的计算机为主组成的网络由于各种类型的入网机均与该中心处理机有物理链路直接相连因此所有的网上的传输信息必须通过该机转发。星型网络具有以下的特点:构造较容易适于同种机型互连通信功能简单它可以根据需要由中心处理机分时或按优先权排队处理单个节点的失效不会导致整个网络的中断中心处理机负载过重扩充困难由于每台入网机均必须与中心处理机有线路直接互连因此线路利用率不高信道容量浪费较大。()总线型网。结构如图所示。主机主机主机主机主机图总线型网络拓扑结构网络上的所有计算机都挂接在一条公共总线上多台计算机共用一条传输线信道利可编程计算机控制器技术用率较高拓扑结构简单易于扩充可以直接对所有结点进行访问(无需星型网的集中器转接)单个结点的故障不会导致网络的中断由于网络延伸距离有限网络容纳节点数受信道访问机制的影响因而网络大小总是有限的总线电缆的中断将导致整个网络瘫痪。总线型的拓扑结构特点使其适于传输距离较短地域有限的组网环境目前局域网多采用这种方式。总线型网的一个特殊问题就是信道的访问控制权的分配并由此产生一系列的处理机制其中常用的处理机制为广播方式。()环型网。结构如图所示。主机主机主机主机主机主机主机主机图环型网络拓扑结构环型网通过一个转发器将每台入网计算机接入网络每台转发器与相临两台转发器用物理链路相连所有转发器组成拓扑为环的网络系统。环型网的主要特点是:由于一次通信信息在网中传输最大时间是固定的因此实时性较高由于每个网上节点只与相临两个节点有物理链路直接互连因此传输控制机制较为简单由于一个节点出故障可能会终止全网运行因此可靠性较差由于网络扩充需对全网进行拓扑和访问控制机制的调整因此较为复杂。()分布式网。分布式网没有固定的连接形式是最一般化的网络构型。网络中的任何一个节点一般都至少有两条链路与其他节点相连由于它既没有一个自然的“中心”信息流向也没有固定的方向所以这种网络构造复杂组网较难但由于可靠性和完整性等非常适用于组织大型信息处理系统因此几乎是组织广域网的惟一拓扑选择方案。现场总线现场总线是计算机网络适应工业现场环境的产物。在计算机数据传输领域内长期以来使用的是RS和CCITTV通信标准尽管它们被广泛地使用但却是一种低数据速率和点对点的数据传输标准无能力支持更高层次的计算机之间的功能操作。同时在复杂或大规模的工业现场或生产自动化领域中一般要使用大量的传感器、执行器和控制器等它们通常分布在非常广的范围内如果在低层次上采用传统的星型拓扑结构那么第章网络通信与现场总线安装成本和介质造价都将非常昂贵采用流行的局域网LAN(LocalAreaNetwork)组件及环型或总线型拓扑结构虽然可以减少电缆长度但是增加的LAN介质及相关硬件和软件又使其系统造价与星型系统相差无几。由此可见在最低层次上的确需要设计出一种造价低廉而又能经受住工业现场环境的通信系统现场总线就在这种背景下产生了。推进现场总线产生的是HONCYWELL公司于年提出的数字信号MA~MA输出的差分信号驱动器它在输出的MA~MA直流信号上成功地叠加了数字信号从而使现场装置与控制室控制装置之间的连接由模拟信号过渡到了数字信号。在此基础上美国的ROSEMOUNT公司配合使用了它自己的HART数字通信协议。到了年美国的FOXBORO公司发表了IA智能式自动控制系统系统中使用了全数字通信。现场总线虽然必须设计成为开放系统但其网络结构并不需要保持与OSI系统完全一致这是因为:对于面向控制的信息通常是十分有限的当要求这种信息必须快速而可靠地到达目的地时七层模式使数据转换远远慢于实时操作要求与OSI系统有关的网络接口的造价对现场总线系统来说显得过高包括OSI系统所有各层的总开销对现场总线的应用来说都显得太高了现场总线设备并不需要OSI地址现场总线网络可采用低成本的桥接器路由选择器和网间连接器等实现与其他开放式系统的连接。基于上述原因现场总线采用了三层网络结构即:物理层、数据链路层和应用层。流量控制和差错控制在数据链路层中执行。报文的可靠传输在数据链路层或应用层中执行。这种网络结构具有结构简单、执行协议直观、价格低廉等优点同时性能又令人满意。由此可见现场总线是一种具有简化网络结构的开放式的实时系统是制造过程现场和生产控制室中先进自动化控制装置之间一种有效的串行数字通信链路。现场总线体系结构模式如图所示。用户程序媒体物理层数据链路层LLC子层MAC子层应用层信息服务网络管理图现场总线的模型结构采用现场总线的系统具有如下特点:可编程计算机控制器技术在分级控制系统中采用现场总线的系统虽然可能具备足够的智能(数字计算能力)但只执行简单的节点顺序或一种控制方式等较低级的功能现场总线经常只负责发送或接收较小的数据报文并且以这种数据报文作为与较高一级的控制系统实现数据往返传送的有效手段采用现场总线的系统通常费用较低可以用廉价地组成一个系统而且与上层网络连接的费用也不高。对于工业领域来讲采用现场总线有许多优点其中最大的优点就是大大节约连接导线维护和安装费用同时能够传送多个过程变量其次是数字信号的精确性同时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标定调整及运行诊断甚至能够在故障发生前进行预测一个更为重要的方面是仪表的兼容性可以使用户大大受益。PCC的网络通信计算机网络和现场总线技术是推动PCC发展的不可缺少的因素它们提高了PCC的控制能力及控制范围可以实现其综合及协调控制把对设备级的控制提高到对生产线的控制实现计算机监控及管理等。如今几乎每个PCC生产厂家的产品都具有网络通信能力。以BR公司的系列产品为例一般的如、、PowerPanel、Provit、PanelWare等都可以进行远程IO、CANbus、Profibus、以太网等网络通信。而且由于PCC在现场自动化应用的要求在网络的基础上结合分布式控制系统(DistributeControlSystem简称DCS)与现场总线技术实现了管理层、控制层与现场总线层的网络技术旨在发展分层分布式网络结构。在分层分布式网络结构中分层是指系统的三层结构每一层都有各自的协议规范。分布式则是指每一层采用的拓扑结构为分布式各层功能介绍如下:管理层:这是整个网络的最高层次。整个系统的图文显示、管理决策制定与实施、各子系统间或与外系统间的信息互换与交流以及数据库管理等职能都属于这个网络层次的范畴它同时又是广域网的节点。以太网的TCPIP是管理层最常用和值得推荐的通信协议控制层:这个层次的各个子站都是控制或监控功能的集成节点。开放式、标准的现场总线是构成此层面的手段。Profibus是此层面值得推荐的网络现场层:这个层面上的各个子站都紧靠现场的传感器和执行机构。传感器或现场信号能及时被采集系统对执行机构的指令能迅速得以贯彻。同样开放式、标准的现场总线如Profibus和CANbus也是构成此层面的手段。由于控制层和现场层是控制系统的灵魂。因此这两层网络应具有以下特点:()标准化的现场总线模式:所用的现场总线不能是某一家的标准。它必须是标准的现场总线并具备总线式和树状灵活的拓扑结构。同时它必须有开放式的现场总线支持(OpenFieldbusSupport)。其信息传输率不能低于kbps()智能分布式拓扑结构:为使整个系统具备高度的安全可靠性控制层和现场层的现场总线网络要具备智能分布式的拓扑结构其特点如下:设备既可通过当地人机界面控制又可以通过主站控制当主站出现问题时其他从站能照常工作而当从站出现问题时主站与其他从站照常工作当某一站出现问题时有错误记录功能待重新恢复时能够进行错误分析第章网络通信与现场总线主站的计算机可接入控制层的任意一子站。控制系统的结构如图所示。管理层管理层管理层图分层分布式结构通信技术、网络技术、PCC技术在各自的飞速发展中有机地结合起来极大地推动了PCC网络通信技术在自动化生产、管理等各方面的发展与应用且其功能变得越来越强大。PCC互联网络通信的前景不言而喻是十分广阔。本地IO扩展和远程IOIO扩展是为增加控制IO点数而提出的。它是在基本配置的基础上又增加了扩展机架从而增加IO点数。IO扩展可充分利用CPU、内存、外设资源使PCC的单点费用降低。经过扩展还可实现远程安装、简化接线、便于维护同时降低安装和使用费用。IO扩展的主要类型是本地IO和远程IO扩展。本地IO扩展本地扩展比较容易只需按所要增加的IO点数加接相应的扩展机架。由于一个主机架可加接什么样的扩展机架以及可加接多少个扩展机架是有限制的也是与主机架访问IO的能力相适应的因此也决定了一种型号的PCC最多可配置的IO点数。下面就BR的本地扩展进行介绍。.的本地扩展主站是一个带本地扩展的主站接口的CPU或插入电源空槽上的本地扩展主站模块从站上要有带扩展从站接口的电源。PCC可按控制柜的可用空间理想放置连接电缆有米和米两种规格总线上总共可挂接个从站个模块。的本地扩展如图所示。.本地扩展的操作在硬件配置中选中本地扩展主站模块在软件配置表中有Expansion属性页。在Expansion中可插入本地扩展从站模块而从站上IO模块的变量定义与主站上IO模块变可编程计算机控制器技术量定义的方法一致如图和图所示。第章网络通信与现场总线电源带扩展主站接口的CPU扩展距离最长为mIO模块带扩展从站接口的电源最多可有个扩展站图的本地扩展图本地扩展从站模块的插入可编程计算机控制器技术图本地扩展从站IO模块的变量定义远程IO扩展如果IO点并不在CPU附近那么有两种方法可以实现CPU对IO的控制:远程IO扩展和建网。建网必须在每个站点装置一个CPU在仅需要IO模块时网络的硬件成本增加了而远程IO扩展可使用户访问公里的IO模块(带中继器可扩展得更远)但成本仅稍稍有些增加。远程IO系统可以通过一台PCC完成远处设备的集散控制即只在一台PCC机上编程通过操作IO点从而实现遥控远处的大型设备。可见在进行IO通信时远程IO扩展是比较经济且相对容易的方案。远程扩展部分当然安装在远处它与主体部分通过RS双绞线通信实现数据交换其拓扑结构一般是总线型。远程扩展与本地IO扩展相比能够更多地增加所控制的IO点数还可使PCC之间实现主从控制扩展部分可以是下位PCC使其受主机控制。远程扩展使对地域分布较广的系统进行综合控制成为可能而且实现时既简单又可靠。下面以BR系列产品为例说明远程IO通信。远程IO总线作为远程IO模块的耦合通常具有如图所示的连接形式。主站Master从站Slave从站Slave从站Slave图RIO通信拓扑结构第章网络通信与现场总线.远程扩展的软硬件要求对主站的硬件要求:底板(有几种不同类型包括远程IO专用的)、CPU模块、电源模块、远程IO主站模块EX对从站的硬件要求:底板(有几种不同类型但从站并不需要特殊的模块)、电源模块、远程IO从站模块EX、IO模块。当使用主从扩展时用户甚至可以在远程IO从站上安装扩展单元。.远程扩展BR远程扩展:扩展站可达个最大长度为米带个中继器则可达个第一个到最后一个站的最远距离能够扩展到米。根据远程系统的扩展传送速率在kBaud至MBaud之间。远程扩展主站模块是一块系统模块结合IO模块安装在主基板上。每个远程从站包含电源供电和远程从站接口。各站之间通过屏蔽双绞线连接。远程IO扩展如图所示。电源带扩展主站接口的CPU远程IO主站模块带扩展从站接口的电源REMOTEIOBUSREMOTEIOBUSIO模块带扩展从站接口的电源IO模块最多可有个远程从站带中继器则可带个图远程IO扩展可编程计算机控制器技术.远程IO操作AutomationStudio对RIO的操作非常方便在硬件配置中选中RIO主站模块例如BR的EX在软件配置表中选择RIO属性页即可插入从站模块如图所示。图远程IO设置定义从站的站号应与实际连接的硬件站号设置一致从站上IO模块的变量定义与主站上IO模块变量定义的方法一致。局域网CAN控制器局域网CAN(ControlAreaNetwork)属于现场总线的范畴它是一种在自动化领域广泛使用的多线路协议和有效地支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN的应用范围遍及工厂自动化、机床、医疗设备、建筑环境控制从高速网络到低成本的多线路网络。该协议之所以得到人们的青睐其主要原因:强有力的错误检测能力及差分驱动的功能在强噪声的十分苛刻的环境中仍运行良好在媒体传输和线路设计方面CAN总线也是十分灵活的而且通常很容易适应大多数应用场合。CAN具有下列主要特性: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第章网络通信与现场总线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久性故障节点的判别以及故障节点的自动脱离。CAN总线物理层采用双线差动形式两条线上的暂态电压由CAN控制器的输入比较器进行监测。如果CAN总线上的电平被认为是隐性的则输入比较器的输出结果为反之如果是显性的则输入比较器的输出结果为。隐性状态和显性状态并不相同不能将其混淆。设置成双线差动方式可以抑制输入共模噪声的影响有利于CAN总线在噪声强度大的场合工作。当然不仅如此CAN的安全可靠运行还得益于一种称为故障界定实体(FaultyConfinementEntity)的管理实体。故障界定是使判别短暂干扰和永久性故障成为可能的一种自检机制。物理层可借助检测和管理物理媒体故障实体进行监控(例如总线短路或中断总线故障管理等)。CAN总线的分层结构CAN总线只包括OSI基准模型的最低两层即数据链路层和物理层这是符合现场总线在工业现场环境中使用的要求的。CAN的两层结构如图所示。数据链路层LLC(逻辑链路控制)接收滤波超载通知恢复管理MAC(媒体访问控制)数据封装拆装帧编码(填充解除填充)媒体访问管理错误检测出错标定应答串行化解除串行化物理层PLS(物理信令)位编码解码位定时同步PMA(物理媒体附属装置)驱动器接收器特性MDI(媒体相关接口)连接器图CAN的分层结构可编程计算机控制器技术数据链路层中包括LLC(LogicLinkControl)子层和MAC(MediaAccessControl)子层它们是两个同等的协议实体通过交换帧来相互通信。这两层的数据传输是依靠OSI模型中的服务进行的。在N层和N层的接口处由N层向N层提供服务。这里N层是服务的提供者而N层是服务的用户。实际上N层的服务又是通过N层向它提供的服务以及N层对等实体间按N层协议交换信息来完成的。接口处提供服务的地方称为服务访问点SAP(ServiceAccessPoint)每个服务访问都有一个惟一的标志地址。相邻层间在提供服务的过程中要传递称之为服务数据单元SDU(ServiceDataUnit)的信息。在N层和N层间传递的服务数据单元记为NSDU。对等层间交换的信息单位在OSI模型中称为协议数据单元(PDU)N层的PDU就是由N层的SDU加上协议控制信息PCI(ProtocolControlInformation)构成如图所示表示了这一过程。(N)SDUN(N)SAPN(PCI)SDUN图层间协议数据单元传递LLC子层的功能及帧结构LLC子层的主要功能是:确认由LLC子层接收的报文已被接收和为恢复管理及通知超载提供信息。具体的应划分为如下三个部分:帧接收滤波发送超载帧恢复管理。()帧接收滤波:相当于检测ID(Identifier)因为CAN协议一个的最大特点是废除了传统的站地址代码而以对通信数据块进行编码代之数据块的标志码相当于以前的地址报文内容由标志符命名标志符并不指出报文传送的目的地址但描述数据的含义。帧接收滤波就是使网络中的所有节点来决定总线上的帧是否与自己有关也就是该数据是否能将它们激活()恢复管理:CAN的一个主要特性功能即在发送期间对于丢失仲裁或被错误干扰的帧LLC子层能够自动重发在成功地发送结束前帧发送服务不被用户认可()发送超载帧:LLC子层发送超载帧是在接收节点内部要求延迟下一个LLC数据帧或LLC远程帧时进行的。LLC子层有两种帧:数据帧和远程帧它们的格式分别如图和图所示。标志符场DLC场数据场图数据帧结构标志符长度为位其最高七位不应全为零。DLC场由四位构成它指出数据场字节个数。数据帧允许的数据字节数目范围是~表列出了由DLC表示的数据字节数目编码除表中规定的数据外其他数据不能使用。第章网络通信与现场总线表数据字节数目编码DLC数据字节数目DLCDLCDLCDLC数据场由数据帧所发送的数据组成包括到个字节每个字节位。数据字段最多为个字节既可满足通常工业领域中控制命令、工作状态以及测试数据的一般要求。同时个字节又不会占用总线时间过长从而保证了通信的实时性。标志符场DLC场图远程帧结构远程帧的标志符格式与数据帧格式相同只是不存在数据场。DLC的数值是独立的此数值为对应数据帧的数据长度码。MAC子层的功能及帧结构MAC子层有种结构的帧:数据帧(DataFrame)由发送器传至接收器远程帧(RemoteFrame)通过总线单元发送以请求具有相同标志符的数据帧出错帧(ErrorFrame)由通过检测发现总线错误的任何单元发送超载帧(OverloadFrame)用于提供当前的和后续的数据帧或远程帧之间的附加延迟。另外数据帧和远程帧借助帧间空间同当前帧分离开。.数据帧数据帧结构如图所示。数据帧帧间空间帧间空间帧起始(SOF)仲裁场控制场数据场CRC场ACK场帧结束图数据帧结构()帧起始(StartOfFrame):标志数据帧和远程帧的起始它由单个“显性”位构成。该“显性”位是在处于接收状态的各节点进行硬同步时使用的所有节点必须同步于可编程计算机控制器技术首先开始发送节点帧起始引起的上升沿且只有当总线空闲时才容许各节点发送帧()仲裁场(ArbitrationField):在多个节点同时发送报文的情况下总线上可能会出现冲突要通过在发送仲裁场时被激活的位仲裁法则来进行解决。位的报文标志符提供了关于传送报文和总线访问优先权的信息值得注意的是一个识别号并不能定义究竟哪个专门的节点将接收帧因为基于通信网络的CAN并不能区分点对点、多播或广播的访问方式。远程发送申请RTR(RemoteTransmissionRequest)用于当一个节点需要激活为报文接收器时可通过发送远程帧至网络上和初始化相应的数据进行发送通过标志符位和置RTR位为高来寻址数据源。如果数据源同时发送一个使用相同标志符传递数据的数据帧因为在数据帧中RTR为零总线不会发生访问冲突。仲裁场组成如图所示。图仲裁场结构()控制场(ControlField):组成如图所示其中r、r是用来未来扩展的保留位。接收器接收的“”和“”位的所有组合作为保留位在定义保留位功能前发送器只送“”位。数据长度码的规定同前。RTR位值为。帧起始控制场控制场仲裁场RTR场标志符场仲裁场数据场或CRC场DLCDLCDLCDLCrr保留位数据长度码图控制场的结构()数据场(DataField):MAC数据场与LLC数据场格式相同。()CRC场(CyclicRedundancyCheck):构成如图所示用于校验的序列由特别适用于位数小于位的循环冗余校验码驱动。为实现CRC计算被除的多项式被定义为这样一个多项式:系数由起始、仲裁场、控制场、数据场(如果存在)和位最低系数为组成的解除填充的位流给定。此多项式被某一特定生成多项式除该多项式相除的余数即为发至总线的CRC序列。CRC序列后随的界定符仅由单个“隐性”位构成。第章网络通信与现场总线数据场或CRC场ACK场CRC界定符CRC序列控制场图CRC场的结构()ACK场(AcknowledgeField):发送节点的ACK场中送出两个“隐性”位在ACK隙内所有接收到匹配CRC序列的节点以“显性”位改写发送器的“隐性”位并送出一个应答。由于ACK界定符必须是“隐性”位因此ACK间隙被两个“隐性”位(CRC界定符、ACK界定符)所包围。其构成如图所示。图ACK场结构()帧结束(EndOfFrame):每个数据帧和远程帧均由个“隐性”位构成的标志序列界定。.远程帧可以发送一个远程帧来启动所要求的节点发送相应数据结构如图所示。CRC场ACK场帧结束帧间空间远程帧帧间空间或超载帧ACK间隙ACK界定符帧结束ACK场帧起始CRC场控制场仲裁场图远程帧的结构其中仲裁场由来自LLC子层的标志符场和RTR位构成。此时RTR位数值为“”。帧起始、控制场、CRC场、ACK场帧结束等位场均与数据帧的相应位场相同。可编程计算机控制器技术.出错帧出错帧结构如图所示。数据帧错误标志错误叠加标志错误界定符出错帧帧间空间或超载帧图出错帧的结构第一个场由来自不同节点的错误标志叠加给出该标志有两种形式:活动错误标志(ActiveErrorFlag)和认可错误标志(PassiveErrorFlag)。前者由六位连续的“显性”位构成后者由六位连续的“隐性”位构成认可错误标志的一些或所有位可由来自其他节点的“显性”位改写。一个检测到出错状态的“错误激活”节点借助发送活动错误标志来标注。此错误标志形式破坏了适用于从帧起始到CRC界定符之间所有位场的位填充规则或者破坏了ACK场和帧结束要求的固定形式。这样所有其他节点将检测到一个出错条件并在它们的部件上开始发送一个错误标志。由此可见实际总线上监控到的“显性”位序列是由各个节点发送的不同错误标志叠加而成。此序列的总长度在最小值和最大值之间变化。由发送器启动的认可出错标志当它们在以位填充方法进行编码的场中启动时将在接收器中引起错误因为它们将导致由接收器检测的填充错误。因而要求在仲裁和其他节点继续发送期间不能启动这样的错误标志或者在CRC序列结束前启动很少几位并且CRC序列的最后几位全为“隐性”。由于由接收器启动的认可错误标志不能赢得总线上的任何活动因此“错误认可”接收器在检测到出错条件后总是必须等待个后续的相同位直至它们完成其错误标志。错误界定符由位“隐性”位构成。发送错误标志后每个节点送出“隐性”位并监控总线直至其检测到“隐性”位。此后开始发送剩余的个“隐性”位。.超载帧超载帧结构如图所示。帧结束或错误超载帧界定符或超载界定符超载标志超载叠加标志超载帧超载界定符帧间空间或图超载帧结构第章网络通信与现场总线在CAN协议中有两种情况能造成超载帧的发送首先是接收器在接收下一个帧前还需要更多的时间处理当前数据(也就是接收器还没准备好)再者是在间歇场中检测到一个显性位。对第一种情形超载帧的发送仅允许在期望的间歇场的第一位时间开始而对第二种情况其发送是从间歇场中检测到第一个显性位后一位开始。根据CAN协议CAN控制器不会对第一种情况下的超载帧的发送进行初始化它只对第二种情况做出响应。超载帧的两个位场如图所示。其中超载标志的完整形式相应于活动错误标志。超载界定符与错误界定符也具有相同形式。超载标志由个“显性”位构成。由于超载标志形式破坏了发送场的固定形式因此所有其他节点将检测到一个超载条件并在其部件上开始发送一个超载标志发送完超载标志后每个节点均监控总线直至检测到一个“显性”到“隐性”位的电平变化。此时每个节点已完成了发送其超载标志的工作开始同时发送剩余的个“隐性”位以完成位长度超载界定符。数据帧和远程帧同前述的任何帧(数据帧超载帧远程帧出错帧)以称为帧间空间的位场隔开。与此相反超载帧和错误帧前面不存在帧间空间并且多个超载帧也不用帧间空间分隔。帧间空间包括间歇场和总线空闲场并且对于先前已发送“错误认可”标志的节点还包括暂停发送场。其中间歇场由个“隐性”位构成间歇期间不允许节点发送数据帧或远程帧所有间歇场仅起标注超载条件的作用。总线空闲可以是任意长度总线空闲时任何节点均可访问总线以便发送某个帧发送期间等待发送的帧在紧随间歇场后的第一位启动。如果在总线空闲期间检测到总线上为“显性”位将理解为帧起始。暂停发送场是在“错误认可”节点完成发送下一帧允许发送前紧随间歇后送出的位“隐性”位。其间若有节点启动发送则此节点将变成该帧的接收器。MAC子层的功能MAC子层的帧结构是完全对应MAC子层的功能的。MAC子层主要完成的工作是数据帧封装拆装发送接收媒体访问管理和错误检测。MAC子层功能按照中规定的功能模型描述可划分为完全独立的两个部分即发送部分和接收部分如图所示。LLC子层对LLC子层访问发送数据封装发送媒体访问管理发送数据解码接收数据编码对物理接口访问接收媒体访问管理接收数据封装图MAC子层功能结构可编程计算机控制器技术.发送数据封装()接收LLC帧及接口控制信息()进行CRC循环计算()通过向LLC帧附加SOF、RTR、CRC、ACK、EOF以及保留位构造MAC帧。.发送媒体访问管理进行的工作()确认总线空闲后开始发送过程(通过帧间空间应答)()MAC帧串行化()插入填充位()在丢失仲裁的情况下退出仲裁并转入接收方式()错误检测(监控格式校验)()应答校验()确认超载条件()构造超载帧并开始发送()构造出错帧并开始发送()输出串行位流至物理层准备发送。.接收媒体访问管理的功能()由物理层接收串行位流()解除串行结构并重新构筑帧结构()检测填充位(解除位填充)()错误检测(CRC格式校验填充规则校验)()发送应答()构造错误帧并开始发送()确认超载条件()重激活超载帧结构并开始发送。.接收数据卸装()由接收帧中去除MAC特定信息()输出LLC帧和接口控制信息至LLC子层。.MAC帧编码和发送接收:帧起始、仲裁场、控制场、数据场和CRC序列都是以位填充方法进行编码的。当发送器在发送位流中检测到个具有相同奇偶性的连续位(包括填充位)时它在实际发送位流中会自动插入一个补码位当接收器在上述位场的位流中检测到具有相同奇偶性的个连续位时它会自动删除下一位(填充位)。数据帧或远程帧的其余位场为固定形式不进行位填充。错误帧和超载帧也为固定格式同样不采用位填充方法进行编码。帧中的位流按照非归零方法编码。一帧应由其SOF场逐个位场进行发送。在一场内应首先发送最高位对于发送器和接收器一帧的有效时点是不同的。对于发送器若在帧结束前没有错第章网络通信与现场总线误该帧有效若一帧被破坏则进行恢复处理。对于接收器若在帧结束最后一位前不存在错误则该帧有效。.媒体访问和仲裁当检测到间歇场未被“显性”位中断后认为总线被所有节点释放。总线一旦释放由于CAN总线是一个多主总线因此CAN网络中任意一个节点均可作为主节点与其他节点交换数据这样就有可能出现数个节点同时要求发送数据的情况。当这种情况发生时只有发送具有最高优先权帧的节点变为总线主站。这种解决总线访问冲突的机理是基于竞争的仲裁。仲裁期间各节点通过“线与”逻辑关系连接到总线上数据位“”可以覆盖数据位“”。每个发送器将发送位电平同总线上监视到的电平进行比较当某一节点发送的地址段中的某一位为“”而其他节点发送的相应位为“”时发送“”的节点便成为总线上高优先权报文的接收器且并不会破坏总线上的任何信息。若对应位相同则继续发送。基于竞争的仲裁依靠标志符和紧随其后的位完成。具有不同标志符的两帧中优先权已被标注于帧中较高优先权的标志符具有较低的二进制数值。若具有相同标志符的数据帧和远程帧同时被初始化数据帧较之远程帧具有较高优先权原因就是它的RTR位为零。除仅当总线释放时可以启动发送这一原则外还存在解决冲突的下列原则:在一个系统中每条信息必须标以惟一的标志符具有给定标志符和非零DLC的信息帧仅可由一个节点启动远程帧要在全系统内发送确定的DLC该数据长度码为对应数据帧的DLC具有相同标志符和不同DLC的远程帧的同时发送将导致不能解决的冲突。.错误检测MAC子层具有下列错误检测功能:检测、填充、填充规则校验、帧校验、位循环冗长余码校验和应答校验。其中错误类型有种形式。()位错误:正在向总线送出一位的节点同时也在检测总线。当检测到的位数值与送出的位数值不一致时则检测到位错误。其中例外的情况是:在仲裁期间当送出隐性信息位或ACK间隙期间送出隐性位而检测到显性位时并不会导致位错误送出认可错误标志而检测到“显性”位的节点也不将其理解为位错误。()填充错误:在使用位填充方法进行编码的帧场中出现第六个连续相同电平位则检测到填充错误。()CRC错误:CRC序列由发送器的CRC计算结果构成。接收器以与发送器相同的方法计算CRC。当所计算的CRC序列不等于接收到的序列时则检测到CRC错误。()形式错误:当固定格式位场出现一个或多个非法位时则检测到形式错误。其中一种例外的情况是:接收器在帧结束的最后位监测到“显性”位不将其理解为形式错误。()应答错误:在发送器ACK隙期间未检测到“显性”位时则检测到一个应答错误。当检测到以上这些错误之一时LLC子层被告之且MAC子层启动发送错误标志。当任何节点检测到位错误、填充错误、形式错误或应答错误时由各自节点在下一位启动发送错误标志。当检测到CRC错误时错误帧在紧随ACK界定符后的那位开始发送除非另一个错误条件的错误帧已经准备好启动。可编程计算机控制器技术物理层结构极其功能物理层可划分为三部分。()物理信令(PLS:PhysicalSignallin

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