（光学工程专业论文）基于can总线的汽车电控系统的研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 随着现代汽车的快速发展，汽车电子设备不断增加，汽车综合控制系统 更加复杂，传统的点对点控制己经远远不能满足要求，c a n总线的出现解决 了这个问题。它广泛应用于 汽车电子控制系统中，也是唯一 一 个成为国际标 准的汽车局域网。 文中研究c a n 2 .0 规范、 汽车网络技术、 s a e j 1 9 3 9 协议等汽车电子c a n 网络相关内容，提出开发汽车电子c a n网络实施方案，包括高层通信协议选 定、 总体网络结构设计和开发流程规划。 作为上述研究的具体应用， 组建c a n 总线开发/ 测试网络，并基于此平台进行网络通信试验和c a n总线节点开发。 本文分析了c a n总线标准的网络拓扑结构、报文帧格式。在c a n协议 支持器件中，p h i l i p s 公司主推新 代功能更为完善的c a n控制器s j a 1 0 0 0 , s j a 1 0 0 0 和总线收发器p c a 8 2 c 2 5 0 相结合将组成最为常见的应用系统。 进行基于 c a n总线的汽车电子控制系统网络化设计，分析 c a n应用层 通信协议，确定 s a e j 1 9 3 9作为高层通信协议，从各网络层面对其进行详细 阐述。 在熟悉c a n总线通信的基础上，结合汽车电子控制系统的要求，设计了 上位监控系统。为了将车载系统中c a n通讯节点的数据实时送给 p c机监控 系统，设计了c a n适配卡。 上位机监控系统与整个故障诊断系统的配合使用可以对整个车辆电子控 制系统的各种故障进行系统的监控、记录和故障处理，保护驾驶人员的人身 安全并且为汽车的后期维护提供依据。 关键词 c a n总线;s a e j 1 9 3 9协议;c a n适配卡; 监控系统;故障诊断系 统 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ab s t r a c t wi t h t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f t h e m o d e rn a u t o m o b i l e s , t h e l a s t i n g i n c r e a s e o f e l e c t r o n i c d e v i c e s o f a u t o m o b i l e s a n d m u c h m o r e c o m p l e x i t y o f s y n t h e t i c a l c o n t r o l s y s t e m s o f a u t o m o b i l e s , t h e t r a d i ti o n a l p o i n t t o p o i n t c o n t r o l s y s t e m c a n n o t s a t i s f y th e s e d e v e l o p m e n t a l r e q u i r e m e n t s . t h i s p r o b l e m h a s b e e n r e s o l v e d b y c a n - b u s , w h i c h h a s b e e n u s i n g w i d e l y i n a u t o m o b i l e e l e c t r o n i c c o n t r o l s y s t e m a n d i s a n e x c l u s i v e a u t o mo b i l e l an a s i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r d . c a n s p e c i f i c a t i o n v e r s i o n 2 .0 , a u t o mo b i l e n e t w o r k t e c h n o l o g y a n d s a e j 1 9 3 9 p r o t o c o l s , w h i c h a r e c o r r e l a t i v e t o t h e a u t o m o b i l e e l e c t r o n i c c a n n e t w o r k , w e r e s t u d i e d i n t h i s t h e s i s , a n d a s c h e m e w a s b r o u g h t f o r w a r d t o d e v e l o p t h e a u t o m o b i l e e l e c t r o n i c c a n n e t w o r k w h i c h i n c l u d e s s e l e c t i n g h i g h e r l a y e r c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l s , d e s i g n i n g t h e g e n e r a l n e t w o r k a r c h i t e c t u r e a n d l a y o u t i n g t h e d e v e l o p i n g c o u r s e . i n o r d e r t o u s e t h e a b o v e - m e n t i o n e d r e s e a r c h , t h e c a n - b u s d e v e l o p i n g a n d t e s t in g n e t w o r k w a s f o u n d e d , a n d a n e t w o r k c o m mu n i c a t i o n e x p e r i m e n t a n d t h e d e v e l o p m e n t o f c a n - b u s n o d e w e r e p e r f o r m e d b a s e d o n t h e f o u n d e d p l a t f o r m . t o p o l o g y a n d m e s s a g e f r a m e t y p e s o f c a n - b u s w a s a n a l y z e d i n t h i s t h e s i s . s j a 1 0 0 0 , o n e o f i c s u p p o rt e d f o r c a n p r o t o c o l , i s a n e w g e n e r a t i o n c a n c o n t r o l l e r w h i c h i s d e v e l o p e d b y p h i l i p s c o m p a n y f i r s t l y . a n a p p l i c a t i o n s y s t e m w i l l b e c o n s t a n t l y b u i l t b y s j a 1 0 0 0 a n d p c a 8 2 c 2 5 0 . n e t w o r k - d e s i g n i n g w a s p e r f o r m e d f o r t h e a u t o m o b i l e e l e c t r o n i c s y s t e m . t h e c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l s o f a p p l i c a t i o n l a y e r w a s a n a l y z e d i n t h i s t h e s i s a n d s a e j 1 9 3 9 p r o t o c o l s w a s a s c e r t a i n e d t o b e t h e h i g h e r l a y e r c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l , a n d w a s e x p o u n d e d f r o m e v e r y n e t w o r k l a y e r . c o n s i d e r i n g a u t o m o b i l e e l e c t r o n i c s y s t e m s d e m a n d , t h e h o s t p c m o n i t o r i n g s y s t e m w a s d e s ig n e d o n t h e b a s i s o f f a m i l i a r w i t h c a n - b u s c o m m u n i c a t i o n . c a n a d a p t e r w a s d e s i g n e d t o t r a n s m i t t h e r e a l - t i m e d a t a f r o m c a n n o d e t o p c m o n i t o r i n g s y s t e m. c o o p e r a t e d w i t h t h e w h o le f a u l t d i a g n o s i s s y s t e m , t h e m a i n c o m p u t e r m o n i t o r i n g s y s t e m c o u ld c o n t r o l , r e c o r d a n d d i s p o s e t h e f a u l t s o f e l e c t r o n i c p a rt s 哈尔滨工业大学工学硕士学 位论文 a n d m e c h a n i c p a r t s s y s t e m a t i c a l l y t o p r o t e c t t h e d r i v e r a n d p r o v i d e g i s t w i t h t h e l a t e r ma i n t e n a n c e . k e y w o r d s c a n - b u s , s a e j 1 9 3 9 p r o t o c o l s , c a n a d a p t e r , m o n i t o r i n g s y s t e m , f a u l t d i a g n o s i s s y s t e m i i i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第 1 章 绪论 1 . 1研究背景和意义 近年来，汽车正在迅速成为机电一体化、多种高新技术综合集成的的载 体，向高可靠性、自 动化、智能化方向发展，向减少污染、提高乘员的舒适 性、 安全性、 方便性、 融洽人、 车 和环境之间的 关系方面发展 1 。 这些发展与 变化几乎无一不是应用电子技术特别是应用电子控制技术的结果。汽车的先 进性，新型汽车的特点主要集中表现在电子控制技术于汽车的应用程度上。 据统计， 在发达国家， 汽车电子装置的成本已 平均占到整车成本的4 0 %以上， 可见汽车技术进入了崭新的电子控制时代。目前，汽车电子控制技术正进一 步朝着整车控制优化、整车控制智能化的方向迈进，并成为当代汽车技术领 域及相关领域所关注和研究的重点课题7 1 现代汽车的计算机控制系统一般包括发动机控制、自 动变速器控制、防 抱死制动控制( a b s ) , 安全气囊控制( s r s ) 等几个控制单元，一些先进的汽车 上还装备了巡航控制、 驱动防滑控制( a s r ) , 悬架控制、 转向控制、 空调控制、 防盗 及其 他计 算机 控制 单 元( e c u ) t3 。 另 外， 各 种舒 适性 控制 装置和 数字 化 仪 表也不断增多，而且各e c u之间有着密切的联系。 由于装备了大量电子设备来满足排放、安全、在线诊断等要求，若采用 常规的点对点方式，直接把 1 2 v / 2 4 v电源连接到负载设备上，势必造成导线 数量不断增加。此外，这些电 控单元不仅与负载设备简单连接，更多的是进 行一些复杂控制决策运算，需要不同的电控单元之间能进行信息交流，彼此 影响。这些不能通过简单的连接所能实现。为进一步减少车身线束，方便故 障诊断，满足主要电子单元或系统之间大量数据信息实时交换的需要，使汽 车各方面性能趋于最佳状态， 基于c a n总线的汽车网络应运而生，它有效地 将各个控制系统连接成为一个综合控制系统，使整车性能得到大幅提高4 1 控制器局域网c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 是德国b o s c h公司8 0 年代 初为解决现代汽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 行通讯协议， 其通信速率可达 i m b l s s 6 。 作为一种技术先进、可靠性高、 功 能完善、成本合理的网络通信控制方式，c a n总线逐步被广泛应用到各种控 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 制领域。1 9 9 1 年9月， b o s c h制定并发布c a n总线技术规范2 . o a / b a 1 9 9 3 年 1 1 月， i s o组织正式颁布c a n总线国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ， 进一步推动c a n 总线的发展。目 前，c a n总线是唯一成为国际标准的现场总线，并已被公认 为 几种最有前途的 现场 总 线之一 h - 9 1 c a n总线作为一种可靠的汽车计算机网络总线己 经开始在汽车上得到应 用， 使得各汽车计算机控制单元能够通过c a n总线共享所有信息和资 源， 达 到简化布线、减少传感器数量、避免控制功能重复、提高系统可靠性和维护 性、降低成本、更好的匹配和协调各个控制系统的目的。 目前，国外有关这方面研究的文献资料很少，而由于客观条件的限制， 国内在这方面的应用研究刚刚起步，我国的整车制造厂和汽车电子电器厂几 乎没有涉及到汽车电器网络化设计的领域，但随着我国汽车工业和电子工业 的发展，进行汽车电 器的网络化研究与开发已经成为十分重要的课题。相信 在不久的将来，随着汽车计算机控制系统数目的不断增加，c a n总线必定会 在汽车计算机网络控制系统中 得到广泛应用。 本课题正是在这一背景下提出的，课题的研究目的在于，综合研究国外 汽车网络和总线控制技术、高层通信协议的研究现状和发展趋势，结合国内 汽车工业的发展现状，设计适合我国国情的汽车电子控制 c a n 网络、c a n 高层通信协议的技术路线和实施方案。 本课题的实现对促进我国自主研发汽车网络、实现国产汽车信息化、简 化汽车电路系统、方便故障诊断、降低汽车维修工作量及费用等具有重要的 现实意义，同时也具有广阔的应用前景。 1 .2国内外研究现状 为促进 c a n 以 及 c a n协议的发展，1 9 9 2在欧洲成立了c i a ( c a n i n a u t o m a t i o n ) 。 在c i a的努力推广下， c a n技术在汽车电子控制系统、电 梯控 制系统、安全监控系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输等方面均得到了广 泛的应用。现己有4 0 0 多家公司加入了c i a . c i a已成为全球应用c a n技术 的权威。为适应汽车网络控制的需要，更好的在各控制系统之间完成交流信 息、协调控制、共享资源及标准化与通用化，国际上众多知名汽车公司早在 上世纪8 0 年代就积极致力于汽车网络技术的研究及应用p o , u 1 戴姆勒 - 奔驰公司是第一个将c a n总线应用于发动机管理的汽车制造 商。 现在奔驰公司生产的大部分轿车和载货汽车都使用的是基于c a n的发动 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 机管理系统，它的传送速度为 5 0 0 k b / s .德国大众汽车公司从 1 9 9 5年起开始 c a n的研究和开发。它首先要求集团下的所有子公司都采用一致的技术标准 和数据定义。 1 9 9 8 年6 月， 瑞典沃尔沃公司推出的高级豪华8 8 0 上采用了c a n 总线多路传输技术， 它是一个带有中央控制单元的由1 7 个计算机组成的信息 交流网络，至少有2 4 个电气元件的功能模块。欧洲其他大部分汽车制造商， 如奥迪、宝马、雷诺等， 都已 经使用了c a n总线。另外， 许多轿车的车身控 制和娱乐便利系统也都使用了c a n总线。 新发布的i s 0 1 5 7 6 5 标准是一个用于故障诊断的标准化c a n接r，它将 在欧洲被强制执行。这就意味着在不久的将来，欧洲的每一辆轿车上都至少 有一个c a n节点。目 前， 欧洲大部分厂商都决定至少在发动机管理方面使用 c a n。随着全球采购的到来，美国三大汽车制造商也已决定在发动机管理方 面使用 c a n。另外，在日本、韩国的汽车制造商也在积极的研究 c a n总线 技术。 据s t r a t e g y a n a l y t i c s 市场 研究公司 公 布的 一 份 对微 控制 器和汽车网 络 所 做的研究表明， 大多数客车都选用基于c a n总线的网络，目 前在美国c a n 已 经开始取代基于j 1 8 5 0 的网 络。 以 后几年， c a n 将会占 据整个汽车网 络( i v n ) 协议m c u市场的6 3 % 。 在欧洲， 尽管有其他新的协议会在对安全要求严格以 及多媒体领域找到立足点， 但是大约有8 8 % 的i v n将是基于c a n的 ( 1 2 1 迄今为止，已 有多种网络标准，其侧重功能有所不同，为方便研究和设 计应用， s a e 车辆网 络委员会 将汽车数据传输网 划分为a , b , c 三类 1 3 1随 着多媒体技术在汽车中的逐步应用，近年来车载多媒体网络的研究也得到了 很大发展， 不少文献中 将这类网络称为。类网 络， 各类网络的特点如下 i a . i s l . ( 1 ) a类网络是面向 传感器/ 执行器控制的低速网络， 数据传输位速率通常 小于 l o k b / s ，主要用于后视镜调整、电动门窗、灯光照明等控制; ( 2 ) b类网 络是面向 独立 模块l aw 数据共享的中 速网络， 数据传输位速率通 常在 1 o k b / s 到1 2 5 k b / s 之间， 主要用于车身电 子舒适性模块、 仪表显示等系统; ( 3 ) c类网 络是面向 高 速、实时闭 环控制的多路 传输网络， 数据传输位速 率通常在 1 2 5 k b / s 到 i mb / 。 之间，主要用于牵引控制、发动机控制、a b s等 系统; ( 4 ) d类网 络是面向 多 媒体信息的高 速传输网 络， 数据传输位速率 通常在 2 m b / s 以上，主要用于车载视频、 音频、导航系统等。 通常的汽车网络结构采用多条不同数据传输位速率的总线分别连接不同 类型的节点，并使用网关来实现整车的信息共享和网络管理。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 c a n总线主要应用在上面介绍的b类和c类网络中. 在b类网络的应用 中， c a n - l i n混合组网是目 前的发展趋势。 到目 前为止， 满足c类网络要求 的只有c a n协议，欧洲的汽车制造商基本上采用的都是高速通信的c a n总 线标准i s 0 1 1 8 9 8 ; 而 1 9 3 9 则广泛用于卡车、 大客车等的高速通信，并制定 s a e j 1 9 3 9 高 层通 信协议 l i ft - i 8 j 在今天的汽车中， 车身电 子舒适性模块都连接到c a n总线上， 并借助于 l i n总线进行外围设备控制; 汽车高速控制系统如动力系统， 都使用高速c a n 总线连接在一起:远程信息处理和多媒体连接需要高速互连，视频传输又需 要同 步 数 据 流 格 式， 这 些 都 可由 共 用 数 字总 线d 2 b ( d o m e s t i c d ig i t a l b u s ) 或 面 向媒体的系统传输m o s t ( m e d i a o r i e n t e d s y s t e m s t r a n s p o rt ) 协议来实现; 无线 通 信则 通 过 蓝 牙 技 术 ( b l u e t o o t h ) 加以 实 现 19 ,2 0 1 国内在 c a n总线方面的研究和应用与国外相比还存在明显的差距， 在自 主研究和开发汽车电子c a n网络方面尚处于试验和起步阶段。 据报道，国内 首辆c a n总线混合动力轿车己在奇瑞公司试装成功， 但只进行了初步测试运 行，国内绝大部分的汽车还没有采用汽车总线设计。从应用情况来看:一汽 大众的宝来、 上海大众的帕萨特在国内率先安装了c a n总线; 2 0 0 3 年2 月下 线的广州本田 0 3款车上采用了新型的多路集中控制系统;据 r o c k w e l l a u t o m a t i o n 市场部提供的数据，上海通用汽车也有一条d e v i c e n e t ( 一种c a n 总 线高层 通信协 议 的生 产 线; 长安 福 特“ 嘉年 华 ” 、 2 0 0 4 款兰博 基尼g a l l a r d o . 斯柯达汽车0 4 款“ 欧雅” 、 新奥迪a s 、 一汽红旗的“ 红旗领航者” 等也己经使用 了c a n总线技术。上述企业虽然使用了c a n总线技术，但核心技术掌握在 外商手中， 这些情况已经引起政府和企业的高度重视。 我国“ 8 6 3 计划” 关于电 动汽车的说明中已 经明 确提出， 新申 报的电动汽车开发项目 必须采用c a n总 线 通 信 模 式 2 1,2 21 当前， 国内利用一些通用的芯片己经可以实现汽车某一系统的集中控制。 在此基础上，利用c a n控制器设计一个c a n接口电路就可以组成一套基于 c a n总线的汽车控制系统网络. 汽车上的各种电器对网络信息传输延迟的敏感性差别很大，发动机控制 器、自 动变速器控制器、a b s控制器、安全气囊控制器等之间的协调关系所 要求的实时性很强，而前后车灯的开关、车门开闭、座位调节等简单事件对 信息传输延迟的要求要宽松得多( 传输延迟允许1 0 -1 0 0 m s ) ， 考虑到与国际上 标准的 一 致性， 汽 车上一 般 采用2 条c a n总 线 12 3 ,2 4 1 。 图1 - i 为整车电 控系统 结构。 哈尔滨工业大学工学硕士学 位论文 车灯控制 ii电动坐椅控制 中央门 锁控制 ii 仪表显示 i 图1 - 1 基于c a n总线的整车电 控系统总体结构 f i g . 一 1 t h e s t r u c t u r e o f e l e c t r o n i c c o n t r o l s y s t e m o f w h o le m o t o r c a r b a s e d o n c a n - b u s 汽车驱动系统中采用高速c a n ， 信息传输速率达5 0 0 k b / s ， 其主要连接对 象是:发动机，自 动变速器，a b s i a s r ，安全气囊，主动悬架，巡航系统， 电动转向系统， 及组合仪表信号的采集系统等。 驱动系统c a n的控制对象都 是与汽车行驶控制直接相关的系统，对信号的传输要求有很强的实时性，它 们之间存在着较多的信息交流，而且很多都是连续的和高速的。车身系统中 采用低速c a n， 信息传输速率为1 0 0 k b f s 主要连接对象是: 前后车灯控制开 关，电动坐椅控制开关、中央门锁与防盗控制开关、电动后视镜控制开关、 电动车窗升降开关、 气候( 空调) 控制开关、 故障诊断系统、 组合开关及驾驶员 操纵信号采集系统、 仪表显示器等。 车身系统c a n的控制对象主要是低速电 机、电磁阀和开关量器件，它们对信息传输的实时性要求不高，但数量较多， 将这些电控单元与汽车驱动系统分开有利于保证驱动系统的实时性;采用低 速c a n总线还能增加总线的传输距离， 提高抗干扰能力，降低硬件成本。 两 条c a n总线相互独立， 通过网关服务器进行数据交换和资源共享。 中央控制 器是整车管理系统的控制核心，也是整车综合控制的基础，主要功能是对各 种信息进行分析处理，并发出指令， 协调汽车各控制单元及电器设备的工作。 同时，中央控制器也是高速c a n总线和低速c a n总线的网关服务器is 5 - z 7 1 1 . 3本文研究内容 由于构成车辆电子控制系统的各控制部件之间主要依靠c a n总线交换数 据信息，所以对通信系统的安全性、数据传输可靠性、抗干扰能力等都提出 了很高的要求。 为了给系统提供满足要求的c a n通信系统， 本文将在组建好 的协议研究平台上着重解决和讨论如下问题: 哈尔滨工业大学工学硕士学 位论文 ( 1 ) 介绍计算机网 络体系结构和现场总线产生的背景和发展， 对c a n总线 技术及其应用进行深入研究。 ( z ) 分析建立 c a n总线控制网 络模型的原理和汽车现行电子网络控制系 统，设计车用c a n总线网络。在此基础上以最小c a n节点的设计为例进行 软、硬件设计和模拟通信调试。 ( 3 ) 研究网络应用层协议的制定规则，针对汽车实际应用选择合适的高层 通信协议，并对协议的具体制定进行分析。 ( 4 ) 在前面所作研究的基础上设计基于 c a n总线的汽车网络监控和故障 诊断系统模型。 哈尔滨工业大学工学硕 l 学位论文 第2 章 c a n总线基础知识 2 . 1计算机网络和现场总线 由于现场总线与计算机网络密切相关，而c a n又属于现场总线类，为了 能够顺利研究，有必要介绍一下这两个方面的基础知识口 2 . 1 . 1计算机网络体系结构 计算机网络是计算机技术与通信技术相结合产生的新的技术领域。若千 台计算机用通信道连接在一起，相互之间可以交换信息共享资源，就形成了 计算机网络。 为了正常、高效的运行，计算机网络需要制定一些规范，而世界各部分 联系日益密切， 这些规范也就应当是开放型国际标准，以便于相互连同运作。 在国际标准化组织( i s o ) 提出的 “ 开放系统互连” ( o s i ) 的参考模型中， 网络系统 结构划分为七层。从上到下依次为应用层、表示层、会话层、传输层、网络 层、数据链路层、物理层，如图2 - 1 所示。 图2 - i o s i 参考模式 f i g . 2 - i t h e o s i r e f e r e n c e m o d e l 然而在实际应用中，使用的网络协议与这个参考模式都多多少少有些差 异。这就是说，这种层次结构并不是严格和必须的，而是要看实际需要而定。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 例如风靡全球主宰的i n t e rn e t 的t c p a p体系就只划分为应用层、传输层、网 络层( t c p ) 和网络接q 层( 1 p ) ( 在 t c p / i p设计时与具体的物理传输媒体无关， 因此， 在该标准中并没有对最低两层做出规定， 这也就是t c p a p 协议可以 运 行于当前几乎所有物理网络之上的原因 。 2 . 1 .2现场总线的发展和特点 所谓现场总线，按照国际电工委员会i e c / s c 6 5 c的定义，是指安装在制 造或过程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之 间的数字式、串行和多点通信的数据总线。以现场总线为基础而发展起来的 全 数 字 控制系 统 称 作现 场 控 制 系 统 ( f c s ) 12 s 1 o 1 9 8 4年，美国仪表协会( i s a ) 下属的标准与实施工作组中的i s a / s p 5 0 开 始制定现场总线 标准; 1 9 8 5 年， 国际电 工委员 会决定由p r o w a y w o r k i n g g r o u p 负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作;1 9 8 6 年，德国开始制定过程 现场总线( p r o c e s s f i e l d b u s ) 标准， 简称为p r o f i b u s ，由 此拉开7 现场总线标 准制定及其产品开发的序幕。 1 9 9 2 年，由s i e m e n s , r o s e m o u n t , a b b , f o x b o r o , y o k o g a w a 等8 0 家公 司联合，成立了i s p ( i n t e r o p e r a b l e s y s t e m p r o t o c o l ) 组织， 着手在 p r o f i b u s 的基础上制定现场总线标准。1 9 9 3 年，以h o n e y w e l l , b a i l e y 等公司为首， 成 立t w o r l d f i p ( f a c t o r y i n s t r u m e n t a t i o n p r o t o c o l ) 组织， 有1 2 0 多个公司加盟该 组织，并以法国标准f i p为基础制定现场总线标准。 传统的控制技术先后经过了气动、电动的集中控制技术，直接数字控制 技术， 到后来出 现的由 数 字调节器、 可编程控制器 ( p l c ) 以 及多 个计算机构成 的集中、 分散相结合的 集散控制系统 ( d c s , d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m ) 。 由 于 在d c s 系统的形成过程中， 受到计算机早期存在的系统封闭这一缺陷的影响， 各个厂家的产品自 成体系，彼此不能互连，难以实现互操作，使得组成更大 范围的信息共享网 络存在很多困难。 而现场总线技术突破了d c s 系统中通信 由专用网络的封闭系统带来的缺陷，把基于封闭、专用的解决方案变成基于 公开化、标准化的解决方案，因此可以把来自不同厂商的但是遵守统一协议 的自 动化设备，通过现场总线连接成系统，实现综合自 动化的各种功能;同 时把集散控制系统变成全分布式机构，将控制功能下放到现场，依靠现场智 能设备实现基本控制功能。 现场总线具有如下特点: ( i ) 一对n结构:一对传输线可接n台仪表，双向 传输多个信号; 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 可靠性:数字信号传输抗干扰性强、精度高， 无需采用复杂的抗干扰 和提高精度的措施，从而降低成本; ( 3 ) 状态可控: 操作员 在 控制室即 可了 解现场设备或现场仪表的 工作状态， 也能进行多次调整，还可预测或寻找故障，提高了系统的可靠性、可控性与 可维护性; ( 4 ) 互换性: 用户可以自 由 选择不同的 制造商所提供的 各种品 牌的设备， 并可将不同品牌的设备互联; ( 5 ) 分散控制: 控制功能分散在现场设 备中， 通过 现场设备可构成控制回 路，实现彻底的分散控制; ( 6 ) 开放系统: 现场总 线为开放式互联网 络， 所有 技术和标准全是公开的， 所有的制造厂商都必须遵循。 由此可见，现场总线具有节省硬件数量与投资、节省安装费用、节省维 护开销、用户具有高度的系统集成自主权、提高系统的准确性和可靠性等优 越性。 现场总线作为自动化领域的通信技术，对其开放性、可互操作性的要求 是显而易见的。制定统一的总线标准是应用的迫切需求，也是发展现场总线 这一技术的初衷。但是，由于现场总线已成为自 控领域的热点，其开发工作 收到了许多国家和企业集团的极大重视，据称现在开发出了一百多种现场总 线，主要的种类有 f f , l o n wo r k s , p r o f i b u s , h a r t , c a n总线等等， 现场总线的标准多种多样，长期以来一直没有得到统一。其实，最主要的原 因是现场总线的标准的制定涉及国家、企业集团的经济利益，这种斗争是非 常激烈的。所以，现场总线国际标准中出现的多元化趋势至少在短期内难以 得到改观。 下面就几 种常见的 现场 总线予以 介绍 12 9 1 . ( 1 ) 基金会现场总线f f基金 会现场总线即f o u n d a t i o n f i e l d b u s ( 简称f f ) , 是由 现场总线基金会提供的一种全新概念的通信标准，自 从1 9 9 5 年推出 后便 在过程自动化领域得到广泛支持。这是一种适用于精密复杂智能仪表、功能 性强的现场总线。许多厂家都先后生产出符合 f f技术标准的产品，其中有 f i s h e r - r o s e m o u n t ，s m a r ，h o n e y w e l l ，l n t e l l u t i o n ，n a t i o n a l i n s t r u m e n t ， y a m a t a k e - h o n e y w e l l , y o k o g a w a 和北京华控公 司等。 ( 2 ) l o n wo r k s总线 l o n wo r k s是局部操作网络，l o n 是 l o c a l o p e r a t i o n n e t w o r k 的简 称。 1 9 9 1 年美国e c h e r o n公司推出 该产品。 其应用 范围几乎包括了测控应用的所有范畴，特别是航空l 航天、楼宇自动化、能源 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 管理、变电站测控设备的监控、工厂自 动化、工业过程控制、计算机外围设 备、 电子测量设备等。 到1 9 %年已 有2 6 0 0 家用户和厂家， 并有 1 0 多个国家， 1 4 0个公司组成 l o n w o r k s互操作协会，负责定义、发展和确认产品的互 操作性。在我国的应用也己 相当广泛。 l o n wo r k s的通信协议 l o n t a l k 协议遵循i s o i o s i 参考模型，提供了o s i 所定义的全部7 层服务。这是在现 场总线中唯一提供全部服务的现场总线。 ( 3 ) h a r t h a r t 是h i g h w a y a d d r e s s a b l e r e m o t e t r a n s d u c e r ( 可寻址远程 传感器高速公路) 的缩写。1 9 8 6 年由 美国r o s e m o u n t公司开发的一套过渡 性临时通讯协议。但目前受到了广泛承认，已成为事实上的国际标准。1 9 9 3 年成立了h a r t 通信基金会( h c f ) ， 世界上有7 0 多 个国 家参加。 1 9 9 0 年成立 了 用户集团( h u g ) ，到1 9 9 3 年，己有7 0 多个公司1 0 0 多种系列产品( 包括变 送器、接口、安全栅、 控制器和许多其他产品 ) 投入市场。 ( 4 ) p r o f i b u s p r o f i b u s由德国西门子公司1 9 8 7 年推出，主要应用于 p l c 。产品有三类: f m s为现场信息规范，适用于纺织、 楼宇自 动化、 可编 程控制器、低压开关等， 用于主站间的通讯; d p 型用于分散外设间的高速数 据传输，适合加工自 动化领域的应用及制造行业从站间的通讯; p a型用于过 程行业从站间的通讯。 2 . 2 c a n总线技术及应用 2 .2 . 1 c a n的性能特点 c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 即控制器局域网络。 由于其高性能、 高可靠 性及独特的设计， c a n越来越受到人们的重视。国外已有许多大公司的产品 采用了这一技术。 c a n最初是由德国的b o s c h公司为汽车监测、控制系统 而设计的。 由于c a n总线本身的特点， 其应用范围目 前己不再局限于汽车行业而向 过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗机械、 传感器等 领域发 展 o c a n己 经形成国 际 标准， 并已 被公认 为几 种最有前 途 的现场总线之一。 c a n属于总线式串行通信网络，由于其采用许多新技术及 独特的设计，与一般的通信总线相比，c a n总线的数据通信具有突出的可靠 性与灵活性，其特点可以概括如下: ( 1 ) c a n总线为多主工作方式， 网 络上任一节点均可在任意时刻主动向网 哈尔滨下业大学工学硕士学位论文 络上其它节点发送报文而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信 息。 利用 这一 点 可以 方 便的 构 成多 机备份系 统 3 1 ,3 2 1 . ( 2 ) 废除 传统的站地址编码方式， 代之以 对报文信息进行编码，报文标识 符最多可达 2 0 3 2种( c a n 2 .o a ) . 而扩展标准( c a n 2 .o b ) 的 报文 标识符数h 几 乎 不 受 限 制 33 ,34 1 . ( 3 ) c a n协议采用总线型拓扑结构，可充分利用总线结构易于扩充等优 点;通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活; ( 4 ) 在报文标识符上， c a n总线上的节点信息分成不同的优先级， 可满足 不同的实时要求，高 优先级的 数据最快可 在1 3 4 u s 内 得到传输; ( 5 ) c a n总 线 采用非 破坏性总线 仲裁技 术， 当 多 个节点同 时向 总线发 送报 文出现冲突时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可 不受影响的继续发送数据，从而大大节省总线冲突仲裁时间，尤其是在网络 负 载 很 重的 情 况下 ， 也 不 会出 现网 络 瘫 痪 情 况 ( 以 太网 则 可 能 ) 3 5 ,3 6 1 ( 6 ) c a n总线节点只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、 一点对 多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门调度; ( 7 ) c a n的 直接通信距离最远可达l o k m ( 速率在5 k p s 以 下) ， c a n总线的 通信速率 最高可达1 m b / s ( 此时 通信距离最长为4 0 m ) ; ( 8 ) c a n总线上的节点数主要取决于总线驱动电路，目 前可达1 1 0 个; ( 9 ) 报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效 果; ( 1 0 ) c a n总线的每帧报文都有c r c循环冗余校验及其它检错措施， 保证 数 据 出 错 率 极 低 3 7 - 3 9 1 . ( 1 1 ) c a n总线节点在错误严重的情况下具有自 动关闭输出功能，以使总 线上其它节点的操作不受影响。 通过以上对c a n总线特点的分析可以看到使用c a n总线作为车用网络 标准的优越性，并且它也己经被实践证明了在汽车运用中的主导地位。 2 . 2 .2 c a n的分层和物理结构 为使设计透明和执行灵活，遵循1 s o / o s l 标准模型，c a n分为数据链路 层( 包括逻辑链路控制子层 l l c和媒体访问控制子层 m a c ) 和物理层，而在 c a n技术规范2 .0 a的版本中，数据链路层的l l c和m a c子层的服务和功 能被描述为 目 标层” 和“ 传送层” ，分层结构如图2 - 2 所示。 c a n技术规范2 .0 b定义了数据链路层的ma c子层和l l c子层的一部 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图2 - 2 c a n的i s o / o s l 参考模型的分层结构 r i g . 2 - 2 l a y e r e d a r c h i t e c t u r e o f c a n a c c o r d i n g t o t h e i s o / o s i r e f e r e n c e m o d e l 分， 并描述与c a n有关的外层， 物理层定义信号怎样进行发送，因而， 涉及 位定时、 位编码和同步的 描述。 m a c子层是c a n协议的核心， 它描述由l l c 子层接收到的报文和对l l c子层发送的认可报文。 ma c子层可响应报文帧、 仲裁、 应答、 错误检测和标定， ma c子层由称为故障界定的一个管理实体监 控，具有识别永久故障或短暂扰动的自 检机制。l l c子层的主要功能有:为 数据传送和远程数据请求提供服务，确认由l l c子层接收的报文实际已 被接 收，并为恢复管理和通知超载提供信息。 c a n总线的物理结构实际上是所有总线接入节点之间的“ 线与” ，标准的 c a n总线的物理实现是通过两条信号线c a n - h和c a n - l 传递的。 总线上的 数值由两条信号线上的差分电压是否大于闭值决定。差分电平大于闽值的状 态为逻辑0 ;小于阐值的状态为逻辑1 . c a n总线上允许多个器件以“ 线与” 的方式连接， 当一个器件发送逻辑 0 ， 而另一个器件发送逻辑 1 到总线上去时， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 总线上所得到的差分电平大于闺值为逻辑0 ， 即相当于进行与运算， 因而也称 逻辑0为“ 显性” 电平，逻辑1 为“ 隐性” 电平。 在隐性状态下， v c a n - 。 和v c a n -l 被固定于平均电 平电 压， v d iff 近似为零。 显性状态以大于最小阐值的差分电压表示。在显性位期间，显性状态改变为 隐性状态并发送。总线上的电平如图2 - 3 所示。 总线电平 vd . i f 隐性位显性位隐性位时间t 图2 - 3 c a n总线上的 位电 平表示 f i g . 2 - 3 t h e b i t v o l t a g e o f c a n - b u s c a n节点通过两对信号线接