基于CANbus的伺服控制系统课件

6.基于CANbus的交流伺服运动控制系统

6.1现场总线

6.2CANbus

6.3PCCAN6.1现场总线◆信息层通信数据量大，通信的发生较为集中，要求有高速链路支持，对实时性要求不高，通信范围从车间级到全厂级甚至因特网范围。◆控制层连接不同的可编程设备、控制器、人机终端等，很多应用实时性要求较高，要求有较高的网络速率，一般要求通信是确定的、可重复的。◆设备层面向大量的现场设备，通过扫描器或网关设备将数据传送到控制层，速度要求不一定很高，有一定的智能和容错能力，要求网络节点设备的经济性、智能化，设备添加/删除简单方便，故障诊断和纠错容易，适应现场的不同恶劣条件。现场总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的双向、串行、多点数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题，所以现场总线既是通信网络，又是自控网络。现场总线控制系统（FCS）的信号传输实现了全数字化。

FCS的系统结构是全分散式，它废弃了分布式控制系统(DCS)的输入／输出单元和控制站，由现场设备或现场仪表取而代之。

FCS的现场设备具有互操作性。

FCS的通信网络为开放式互连网络，既可同层网络互连，也可与不同层网络互连，用户可极方便地共享网络数据库。

FCS的技术和标准实现了全开放，无专利许可要求，可供任何人使用。PC+PMAC的DCS3、现场总线控制系统特点系统的开放性互操作性与通用性现场设备的智能化和功能自治性系统结构的高度分散性对现场环境的适应性适应工业应用环境，要求实时性强，可靠性高，安全性好。多为短帧传送。通信的传输速率相对较低。a.CAN总线的主要特点CAN(ControllerAreaNetworks)：1983年RobertBOSCH公司，汽车总线系统，1991年9月Philips半导体公司CANV2.0(包括A和B两部分)。2.0A标准的CAN报文格式，2.0B标准的和扩展的两种报文格式。1993年11月ISO正式颁布了道路交通运载工具数字信息交换高速通信控制器局部网(CAN)国际标准(ISO11898)。

CAN废除了站地址编码，对通信数据块进行编码，网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，可定义211或229个不同的数据块。不同节点可收到相同数据。

6.2CANbus1、CAN总线概述

特点：CAN为多主方式工作，任一节点可在任意时刻主动向网络上其他节点发起通信，通信方式灵活。节点有优先级，满足实时要求，高优先级的数据可在134s内得到传输。采用非破坏性仲裁技术。按优先级大小处理，网络不会瘫痪，以太网有可能。通过报文过滤可实现点对点、一点对多点及全局广播等方式传输数据，无需专门的调度。CAN的直接通信距离最远可达10Km(速率5Kbps)，通信速率最高可达1Mbps（通信距离最长40m）。CAN的节点数取决于总线驱动电路，目前可达110个。报文标识2032种(2.0A)，扩展标准(2.0B)的报文标识不受限制。采用短帧结构(数据段长度最多为8个字节)，传输时间短，受干扰率低，具有极好的检错效果。节点中均设有错误检测、标定和自检等强有力措施。包括：位错误检测、CRC、位填充、报文格式检查和应答错误检测。通信介质双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。器件可置于睡眠方式，相当于未连接到总线驱动器上。其唤醒可任何总线激活或由系统的内部条件唤醒。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。节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能，不影响总线上其他节点的操作。CAN分层结构按照IEEE802.2和802.3标准，数据链路层又划分为：逻辑链路控制(LLC—LogicLinkContro1)；为数据传输提供服务。媒体访问控制(MAC—MediumAccessControl)。规定传输规则物理层又划分为：物理信令(PLS—PhysicalSignalling)物理媒体附属装置(PMA—PhysicalMediumAttachment)媒体相关接口(MDI—MediumDependentInterface)c.CAN总线通信硬件结构独立式通信模块集成式通信模块应用层数据链路层物理层d.隐性位(1)和显性位(0)差分电压2V0V隐性位

(1)隐性位

(1)显性位

(0)时间电压3.5V2.5V1.5VU_CAN_H时间U_CAN_L电压3.5V2.5V1.5V时间a.LLC子层功能

LLC子层提供的功能包括：帧接收滤波、超载通告和恢复管理。帧接收滤波：帧内容由标识符命名。标识符并不能指明帧的目的地。但描述数据的含义。每个接收器通过帧接收滤波确定此帧与其是否有关。超载通告：如果接收器内部条件要求延迟下一个LLC数据帧或LLC远程帧，则通过LLC子层开始发送超载帧。最多可产生两个超载帧，以延迟下一个数据帧或远程帧。恢复管理：发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的帧，LLC子层具有自动重发送功能。2、数据链路层功能b.LLC数据帧LLC数据帧由三个位场，即标识符场、数据长度码(DLC-DataLengthCode)场和LLC数据场组成。标识符：标识符长度为11位。DLC场：DLC指出数据场字节个数。DLC由4位构成，数据帧允许数据字节数目范围为0-8。数据场：数据场由数据帧内被发送数据组成，它可包括0-8个字节，每个字节包括8位。c.

LLC远程帧

LLC远程帧由标识符场和DLC场组成。

LLC远程帧标识符格式与LLC数据帧标识符格式相同，只是不存在数据场。DLC的数值是独立的，此数据为对应数据帧的数据长度码。d.MAC子层发送功能：(1)发送数据封装：接收LLC帧及控制信息；CRC循环计算；通过向LLC帧附加SOF、RTRR位、保留位、CRC、ACK和EOF构造MAC(2)发送媒体访问管理：确认总线空闲后，开始发送过程(通过帧间空闲应答)MAC帧串行化；插入境充位(位填充)；在丢失仲裁情况下，退出仲裁并转入接收方式；错误检测(监控，格式校验)；应答校检；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。MAC子层帧结构CAN系统中，数据在节点间发送和接收以四种不同类型的帧出现和控制，其中：数据帧将数据由发送器传至接收器；远程帧由节点发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧；出错帧可由任何节点发送，以检测总线错误；而超载帧用于提供先前和后续数据帧或远程帧之间的附加延时。另外，数据帧和远程帧以帧间空间隔同先前帧隔开。3、数据链路层协议数据帧:DataFrame“Helloeveryone,here'ssomedatalabeledX,hopeyoulikeit!”远程帧:RemoteFrame“Helloeveryone,cansomebodypleaseproducethedatalabeledX?”出错帧:ErrorFrame(everyone,aloud)“OHDEAR,LET'STRYAGAIN”超载帧:OverloadFrame“I'maverybusylittleguy,couldyoupleasewaitforamoment?”帧结构关系MAC子层帧结构-数据帧仲裁场(2)仲裁场：确定报文的优先级。

2.0A仲裁场由来自LLC子层的11位标识符和RTR(RemoteTransmissionRequest)位构成。在MAC数据帧中，RTR位数值为“0”(显性)。

2.0B仲裁场由来自LLC子层的29位标识符(包括两个隐性位SRR和IDE)和RTR位构成。在MAC数据帧中，RTR位数值为“0”(显性)。CRCFieldStartOfFrameRTRControlFieldArbitrationFieldDataFieldACKSlotCRCDelimiterACKDelimiterEndOfFrameIdentifierMAC子层帧结构-数据帧控制场(3)控制场：控制场由六位构成，包括两位用于未来DLC扩展的保留位(r0和r1)

。接收器接收“0”和“l”位作为所有组合中的保留位。在定义保留位功能前，发送器只送“0”位。4位数据长度码DLC，说明数据场长度的字节数。IdentifierCRCFieldStartOfFrameRTRControlFieldArbitrationFieldDataFieldACKSlotCRCDelimiterACKDelimiterEndOfFrameMAC子层帧结构-数据帧控制场续MAC子层帧结构-数据帧数据场(4)数据场：MAC数据场与LLC数据场格式相同。数据场由数据帧内被发送数据组成，它可包括0-8个字节，每个字节包括8位。IdentifierCRCFieldStartOfFrameRTRControlFieldArbitrationFieldDataFieldACKSlotCRCDelimiterACKDelimiterEndOfFrameMAC子层帧结构-数据帧CRC(5)CRC场：包括CRC序列，后随CRC界定符。用于帧校验的CRC序列由CRC(BCH码)驱动。为实现CRC计算，被除的多项式定义为：其系数由帧起始、仲裁场、控制场、数据场(如果存在)和15位最低系数为0组成的解除填充的位流给定。1个隐性位作界定符

G(x)=x15+x14+x10+x8+x7+x4+x3+1IdentifierCRCFieldStartOfFrameRTRControlFieldArbitrationFieldDataFieldACKSlotCRCDelimiterACKDelimiterEndOfFrameMAC子层帧结构-数据帧应答场(6)ACK场：两位，ACK隙和ACK界定符。发送节点的ACK场中，选出两个“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”位送出一个应答。ACK界定符为ACK场的第二位，其必须是“隐性”位，因此，ACK隙被两个“隐性”位(ACK界定符和CRC界定符)所包围。IdentifierCRCFieldStartOfFrameRTRControlFieldArbitrationFieldDataFieldACKSlotCRCDelimiterACKDelimiterEndOfFrameMAC子层帧结构-数据帧帧结束(7)帧结束：MAC的每个数据帧和远程帧均由7个“隐性”位构成的标志序列界定。IdentifierCRCFieldStartOfFrameRTRControlFieldArbitrationFieldDataFieldACKSlotCRCDelimiterACKDelimiterEndOfFrameCAN高层协议即应用层协议，是一种在现有的CAN底层协议（物理层和数据链路层）之上实现的协议。高层协议是在CAN规范的基础上发展起来的应用层。许多系统（像汽车工业）中，可以特别制定一个合适的应用层，但对于许多的行业来说，这种方法是不经济的。

DeviceNet协议和CANopen协议是真正占领市场的两个应用层协议。它们定位于不同市场。DeviceNet协议适合于工厂自动化控制；CANopen协议适合于所有机械的嵌入式网络。因此，CANOpen协议占领着欧洲市场的汽车电子领域；而DeviceNet协议已成为美洲、亚洲地区工业控制领域中的领导者。CAN高层协议●CAN控制器采用PHILIPS的SJA1000，可直接与INTEL的80C51核MCU或Motorola的MCU接口。●CAN收发器采用P