第5章 输入输出位传输现场总线缩略稿 第5章输入输出位传输现场总线51位传输总线概述由于现场总线开发组织或行业的不同，许多总线标准在其设计之初就带有典型的行业特色，适应特定对象的应用需求是其主要目标。 由此而产生的现场总线，功能相对简单，应用领域也是有限的。 本章将要学习的现场总线是它们的主要代表。 为实现输入/输出信息的双向交换，人们制定了多种快速、简单的现场总线网络协议。 它们的主要应用对象是具有开关量特征的传感器和执行器系统。 传感器可以是各种原理的位置接近开关及温度、压力、流量、液位开关等，执行器可以是各种开关阀，声、光报警器，也可以是继电器、接触器等低压开关电器。 因此又称这类总线为I/O现场总线。 当然，I/O现场总线也可以连接模拟量设备，只是模拟信号的传输要占据多个传输周期。 I/O现场总线的特点是采用位（bit）传输，其种类有很多，如应用于汽车领域的CAN总线，食品加工领域的P-Net，航空航天领域的SwiftNet，以及电气现场总线AS-i、DeviceNet、SDS、Seriplex等。 在这一章里，我们将着重学习目前较为普及的CAN（Controller AreaNetwork）总线，并简单阐述其它I/O现场总线的基本原理及特点。 52汽车总线的分类在汽车中，电子数据的总线通信可以追溯到上个世纪70年代，最初是希望用单一的总线协议，满足任何车辆数据的传送需要。 然而，在逐步发展过程中，却形成了汽车工程师协会（SAE）描述的三类现场总线，即汽车的数据通信需要多达三种网络来实现。 汽车工程师协会对汽车中的总线按其性能、应用范围和要求分为A、B和C三类。 如图5-1所示。 A类总线。 这类总线的性能最低，用作低端的、非放射性诊断的通用通信，位传输速率一般小于10kbps，支持事件驱动的报文传输。 主要应用于车体电子系统，在这类应用中，最注重系统的造价。 最近两年中，这个方面的进步不大，应用最广泛的协议是LIN（Local InterconnectNetwork），它主要用于汽车外围设备的网络连接，常见的应用是空调、车门、天窗等的控制与数据传输。 其它专用协议如美国通用汽车公司使用的UART等正逐步被淘汰。 B类总线。 这类总线适合于高速应用，用作非诊断目的非关键性通信，传输速率在10kbps125kbps之间，支持事件驱动和一些周期性报文传输，并具备静默/唤醒功能。 适合于高速应用，如发动机管理等。 然而，这类总线并不考虑与确定性和安全性相关的要求。 在这一方面的世界标准一直是CAN。 特别要指出的是，速率在100kbps左右的ISO11898主要应用于小汽车。 C类总线。 这类总线必须涉及到与安全相关的性能，如状态的确定性、有界的执行时间、分布式的时钟同步、防止多路感应的复杂失真等。 位传输速率在125kbps1Mbps之间。 协议必须支持周期性参数的实时传输（时间周期可能在几毫秒内）。 传输媒体是非屏蔽双绞线，而不是屏蔽双绞线或光纤。 主要用于速度较快、带宽较大的系统，如发动机定时、燃油输送等。 在一般的应用中，传输速率要求高于500kbps。 部分客车使用ISO11898总线作为C类网络，采用的传输速率为500kbps。 速度在125kbps的高速CAN也可以应用在这类网络中。 用户接口导航移动电话用户电子访问数字音频广播防火墙FPKS AEA/B报警单元车体电子车体电子照明单元门控单元空调网关防抱死制动系统电子稳定程序系统故障安全系统电子S AEC发动机控制线控换档网关系统电子故障运行线控制动线控驾驶在汽车总线中，CAN总线的应用最为普及，给汽车制造带来众多概念上的进步，但也有其局限性，汽车工业正在努力开发新的总线以适应现代汽车中不断增加的各种电子系统的需要，如TTP（Time-Triggered Protocol）、TTCAN（Time-Triggered CAN）和FlexRay等。 图5-1未来汽车中的电子系统与总线网络53CAN总线体系结构及协议标准531CAN总线及其基本特点CAN总线是德国Bosch公司在80年代初为解决汽车中大量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。 它是一种多主总线，通信媒体可以是双绞线、同轴电缆或光纤，通信速率可达1Mbps。 目前，CAN总线已被许多著名汽车制造商成功地应用于车体控制系统中，而且由于CAN具有极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连。 因此，越来越受到工业界的重视，并已被公认为是最有前途的现场总线之一。 由于CAN技术应用的普遍推广，导致要求通信协议的标准化。 为此，1991年9月Bosch公司制定并发布了CAN技术规范（Version2.0）。 该技术规范包括A和B两部分。 2.0A给出了CAN技术规范中定义的CAN报文格式，而2.0B给出了标准的和扩展的两种报文格式。 此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通运载工具数字交换高速通信控制器局域网（CAN）国际标准ISO11898，为控制器局域网标准化、规范化的推广铺平了道路。 CAN技术规范2.0A和2.0B以及CAN国际标准ISO11898是设计CAN应用系统的基本依据，也是应用设计工作的基本规范。 CAN能灵活有效地支持具有较高安全等级的分布式控制。 在汽车电子行业里，一般将CAN安装在车体的电子控制系统里，诸如电子门控单元、车灯控制单元、电气车窗、刮雨器等等，用以代替接线配线装置。 也使用CAN总线连接发动机控制单元、传感器、防滑系统等，其数据传输速度可达1Mbps。 由于CAN总线采用了许多新技术，与其它类型的总线相比，它在许多方面具有独特之108处，主要表现在以下几个方面采用面向报文的优先级控制方式，用标识符定义静态的报文优先权。 采用短帧格式，总线上的报文以不同的固定报文格式发送，但长度受限。 非破坏性的总线仲裁多主系统。 总线空闲时，任何节点都可以开始传送报文，优先级较低的节点会主动退出发送，而具优先级高的节点可以最终获得总线访问权，不受影响地继续传输数据。 通信服务简便，阻隔期短。 错误检测和错误处理机制先进。 为了获得最安全的数据发送，CAN的每一个节点均设有错误检测、错误标定及错误自检等措施。 整个系统范围内保持数据一致性。 延迟时间短，出错恢复快。 总线驱动电路决定总线可接节点数，目前可达110个。 通信距离与通信速率有关。 最低为40m，相应的通信速率是1Mbps；最远可达10km，相应的通信速率在5kbps以下。 不同的系统，CAN的速率可能不同。 可是，在一个给定的系统里，速率是唯一的，并且是固定的。 532CAN总线的体系结构在现代汽车电子业中，用来实现开闭环控制任务（引擎管理、ABS防抱制动控制、舒适性电子工业等）的电子控制单元（ECU，Electronic ControlUnit）的数量越来越多了（如图5-1）。 控制单元间的大量数据交换是在极其严重的电磁干扰环境下完成的，且交换过程频繁而每个报文数据量极低（特征过程数据的循环发送，例如引擎速度）。 CAN总线技术规范在很大程度上满足了这类信息通信的需要。 CAN的体系结构中只定义了ISO/OSI模型的最低两层数据链路层和物理层。 应用层是通过专门用于特定工业领域的各种协议或CAN用户专用方案与物理媒体相连。 目前应用层主要使用的三个协议自动化用户组织（CiA，CAN inAutomation UsersGroup）的CANopen；Allen Bradley公司推出的DeviceNet；Honeywell公司开发的SDS（Smart DistributedSystems）。 这些标准化的应用层与通信过程几乎完全分离，所以这里不作深入介绍。 CAN的体系结构和功能如图5-2所示。 为了达到设计透明、实现灵活，在CAN技术规范中，数据链路层又分为逻辑链路控制（LLC）子层和媒体访问控制（MAC）子层，也被109称为“对象层”和“传送层”。 物理层又划分为物理信令、物理媒体附属装置以及媒体相关接口。 LLC子层涉及报文过滤、超载通知、以及恢复管理。 MAC子层是CAN协议的核心。 它把接收到的报文提供给LLC子层，并接收LLC子层的报文。 MAC子层负责报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定。 MAC子层也被称作故障界定的实体监管。 故障界定为自检机制，以便把永久故障和短时间扰动区别开来。 LLC和MAC两个同等的协议实体通过交换帧来进行相互通信。 物理层定义信号如何进行传输，涉及位定时、位编码/解码、同步的描述。 本技术规范没有定义物理层的驱动器/接收器特性，以便允许根据它们的应用，对发送媒体和信号电平进行优化。 533CAN报文格式CAN系统中，有四种不同类型的报文帧格式，分别为数据帧、远程帧、出错帧和超载帧。 其中数据帧将数据由发送器传至接收器；远程帧用以请求发送具有相同标识符的数据帧；出错帧用于通知总线上的节点有错误发生；而超载帧用于在前一帧和后续数据帧（或远程帧）之间提供附加延时。 另外，数据帧和远程帧借助帧间空间相互隔开。 1.数据帧CAN用数据帧发送数据。 数据帧的结构如图5-3所示。 其核心部分是使用标识符确定报文的优先级而不是定义接收器的地址。 帧起始仲裁场扩展保留控制场数据场CRC场CRCACK场界定符间隙界定符帧结束CRC ACKACK标识符RTRDLC序列位数111124064151117数据帧发送特定的由标识符描述的报文。 每个参与者对收到报文的标识符进行检验以辨别是否与其相关（接收过滤）。 报文的接收过滤原则还可以使报文被所有或多个节点一次接收。 这一功能对包括应用进程同步在内的许多情况非常有用。 数据帧由7个不同的位场组成，它们是帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、确认场和帧结束。 数据场的长度可以为0。 帧起始（标准格式和扩展格式）帧起始（SOF，Start OfFrame）标志数据帧和远程帧的起始，仅由一个显性位组成，在CAN总线中，规定显性位为“0”。 只有当总线为空闲状态时，才允许节点开始发送，所有的节点必须同步于首先开始发送的那个节点的帧起始上升沿（参见5.3.7节中的“硬同步”）。 仲裁场仲裁场由标识符和远程发送请求（RTR，Remote TransmissionRequest）位组成。 标识符长度为11位，按由高到低的顺序发送，依次为ID10，ID9，?，ID0，其中最高7位（ID10ID4）不能全为隐性位，即不应全为“1”。 RTR位在数据帧中必须是显性位，而在远程帧中必须为隐性位。 控制场控制场由6位组成，其中4位用来指出数据场字节个数，用数据长度代码DLC（DLC，Data LengthCode）表示，另2位是用于未来DLC扩展的保留位。 在定义保