現(xiàn)場(chǎng)總線CAN綜述報(bào)告

3.3CAN的報(bào)文格式

在總線中傳送的報(bào)文,每幀由7部分組成,見(jiàn)圖3。CAN協(xié)議支持兩種報(bào)文格式,其唯一的不同是標(biāo)識(shí)符(ID)長(zhǎng)度不同,標(biāo)準(zhǔn)格式為11位,擴(kuò)展格式為29位。在標(biāo)準(zhǔn)格式中,報(bào)文的起始位稱為幀起始(SOF),然后是由11位標(biāo)識(shí)符和遠(yuǎn)程發(fā)送請(qǐng)求位(RTR)組成的仲裁場(chǎng)。

RTR位標(biāo)明是數(shù)據(jù)幀還是請(qǐng)求幀,在請(qǐng)求幀中沒(méi)有數(shù)據(jù)字節(jié)?？刂茍?chǎng)包括標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展位(IDE),指出是標(biāo)準(zhǔn)格式還是擴(kuò)展格式。它還包括一個(gè)保留位(ro),為將來(lái)擴(kuò)展使用。它的最后四個(gè)字節(jié)用來(lái)指明數(shù)據(jù)場(chǎng)中數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度(DLC)。數(shù)據(jù)場(chǎng)范圍為0～8個(gè)字節(jié),其后有一個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的循環(huán)冗余檢查(CRC)。

應(yīng)答場(chǎng)(ACK)包括應(yīng)答位和應(yīng)答分隔符。發(fā)送站發(fā)送的這兩位均為隱性電平(邏輯1),這時(shí)正確接收?qǐng)?bào)文的接收站發(fā)送主控電平(邏輯0)覆蓋它。用這種方法,發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡(luò)中至少有一個(gè)站能正確接收到報(bào)文。報(bào)文的尾部由幀結(jié)束標(biāo)出。在相鄰的兩條報(bào)文間有一很短的間隔位,如果這時(shí)沒(méi)有站進(jìn)行總線存取,總線將處于空閑狀態(tài)。

3.4數(shù)據(jù)錯(cuò)誤檢測(cè)

不同于其它總線,CAN協(xié)議不能使用應(yīng)答信息。事實(shí)上,它可以將發(fā)生的任何錯(cuò)誤用信號(hào)發(fā)出。CAN協(xié)議可使用五種檢查錯(cuò)誤的方法,其中前三種為基于報(bào)文內(nèi)容檢查。

3.4.1循環(huán)冗余檢查(CRC)

在一幀報(bào)文中加入冗余檢查位可保證報(bào)文正確。接收站通過(guò)CRC可判斷報(bào)文是否有錯(cuò)。

3.4.2幀檢查

這種方法通過(guò)位場(chǎng)檢查幀的格式和大小來(lái)確定報(bào)文的正確性,用于檢查格式上的錯(cuò)誤。

3.4.3.應(yīng)答錯(cuò)誤

如前所述,被接收到的幀由接收站通過(guò)明確的應(yīng)答來(lái)確認(rèn)。如果發(fā)送站未收到應(yīng)答,那么表明接收站發(fā)現(xiàn)幀中有錯(cuò)誤,也就是說(shuō),ACK場(chǎng)已損壞或網(wǎng)絡(luò)中的報(bào)文無(wú)站接收。CAN協(xié)議也可通過(guò)位檢查的方法探測(cè)錯(cuò)誤。

3.4.4總線檢測(cè)

有時(shí),CAN中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)可監(jiān)測(cè)自己發(fā)出的信號(hào)。因此,發(fā)送報(bào)文的站可以觀測(cè)總線電平并探測(cè)發(fā)送位和接收位的差異。

3.4.5位填充

一幀報(bào)文中的每一位都由不歸零碼表示,可保證位編碼的最大效率。然而,如果在一幀報(bào)文中有太多相同電平的位,就有可能失去同步。為保證同步,同步沿用位填充產(chǎn)生。在五個(gè)生。在五個(gè)連續(xù)相等位后,發(fā)送站自動(dòng)插入一個(gè)與之互補(bǔ)的補(bǔ)碼位;接收時(shí),這個(gè)填充位被自動(dòng)丟掉。例如,五個(gè)連續(xù)的低電平位后,CAN自動(dòng)插入一個(gè)高電平位。CAN通過(guò)這種編碼規(guī)則檢查錯(cuò)誤,如果在一幀報(bào)文中有6個(gè)相同位,CAN就知道發(fā)生了錯(cuò)誤。如果至少有一個(gè)站通過(guò)以上方法探測(cè)到一個(gè)或多個(gè)錯(cuò)誤,它將發(fā)送出錯(cuò)標(biāo)志終止當(dāng)前的發(fā)送。這可以阻止其它站接收錯(cuò)誤的報(bào)文,并保證網(wǎng)絡(luò)上報(bào)文的一致性。當(dāng)大量發(fā)送數(shù)據(jù)被終止后,發(fā)送站會(huì)自動(dòng)地重新發(fā)送數(shù)據(jù)。作為規(guī)則,在探測(cè)到錯(cuò)誤后23個(gè)位周期內(nèi)重新開(kāi)始發(fā)送。在特殊場(chǎng)合,系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間為31個(gè)位周期。

但這種方法存在一個(gè)問(wèn)題,即一個(gè)發(fā)生錯(cuò)誤的站將導(dǎo)致所有數(shù)據(jù)被終止,其中也包括正確的數(shù)據(jù)。因此,如果不采取自監(jiān)測(cè)措施,總線系統(tǒng)應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)。為此,CAN協(xié)議提供一種將偶然錯(cuò)誤從永久錯(cuò)誤和局部站失敗中區(qū)別出來(lái)的辦法。這種方法可以通過(guò)對(duì)出錯(cuò)站統(tǒng)計(jì)評(píng)估來(lái)確定一個(gè)站本身的錯(cuò)誤并進(jìn)入一種不會(huì)對(duì)其它站產(chǎn)生不良影響的運(yùn)行方法來(lái)實(shí)現(xiàn),即站可以通過(guò)關(guān)閉自己來(lái)阻止正常數(shù)據(jù)因被錯(cuò)誤地當(dāng)成不正確的數(shù)據(jù)而被終止。

3.4.6CAN可靠性

為防止汽車在使用壽命期內(nèi)由于數(shù)據(jù)交換錯(cuò)誤而對(duì)司機(jī)造成危險(xiǎn),汽車的安全系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)傳輸具有較高的安全性。如果數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃宰銐蚋?或者殘留下來(lái)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤足夠低的話,這一目標(biāo)不難實(shí)現(xiàn)。從總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)的角度看,可靠性可以理解為,對(duì)傳輸過(guò)程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的識(shí)別能力。

殘余數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的概率可以通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可靠性的統(tǒng)計(jì)測(cè)量獲得。它描述了傳送數(shù)據(jù)被破壞和這種破壞不能被探測(cè)出來(lái)的概率。殘余數(shù)據(jù)錯(cuò)誤概率必須非常小,使其在系統(tǒng)整個(gè)壽命周期內(nèi),按平均統(tǒng)計(jì)時(shí)幾乎檢測(cè)不到。計(jì)算殘余錯(cuò)誤概率要求能夠?qū)?shù)據(jù)錯(cuò)誤進(jìn)行分類,并且數(shù)據(jù)傳輸路徑可由一模型描述。如果要確定CAN的殘余錯(cuò)誤概率,我們可將殘留錯(cuò)誤的概率作為具有80～90位的報(bào)文傳送時(shí)位錯(cuò)誤概率的函數(shù),并假定這個(gè)系統(tǒng)中有5～10個(gè)站,并且錯(cuò)誤率為1/1000,那么最大位錯(cuò)誤概率為10—13數(shù)量級(jí)。例如,CAN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸率最大為1Mbps,如果數(shù)據(jù)傳輸能力僅使用50%,那么對(duì)于一個(gè)工作壽命4000小時(shí)、平均報(bào)文長(zhǎng)度為80位的系統(tǒng),所傳送的數(shù)據(jù)總量為9×1010。在系統(tǒng)運(yùn)行壽命期內(nèi),不可檢測(cè)的傳輸錯(cuò)誤的統(tǒng)計(jì)平均小于10—2量級(jí)。換句話說(shuō),一個(gè)系統(tǒng)按每年365天,每天工作8小時(shí),每秒錯(cuò)誤率為0.7計(jì)算,那么按統(tǒng)計(jì)平均,每1000年才會(huì)發(fā)生一個(gè)不可檢測(cè)的錯(cuò)誤。

四.應(yīng)用舉例

某醫(yī)院現(xiàn)有5臺(tái)16T/H德國(guó)菲斯曼燃?xì)忮仩t，向洗衣房、制劑室、供應(yīng)室、生活用水、暖氣等設(shè)施提供5kg/cm2的蒸汽，全年耗用天然氣1200萬(wàn)m3,耗用20萬(wàn)噸自來(lái)水。醫(yī)院采用接力式方式供熱，對(duì)熱網(wǎng)進(jìn)行地域性管理，分四大供熱區(qū)。其中冬季暖氣的用氣量很大，據(jù)此設(shè)計(jì)了基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式鍋爐蒸汽熱網(wǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明：該樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)容易，網(wǎng)絡(luò)化程度高，人機(jī)界面友好等特點(diǎn)。

五．存在問(wèn)題

目前現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用已取得很大進(jìn)展，但也存在一些問(wèn)題，制約了其推廣。

　　在工程應(yīng)用方面，工程投資比較大。雖然各種現(xiàn)場(chǎng)總線都把節(jié)省費(fèi)用當(dāng)成自己的主要優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中現(xiàn)場(chǎng)總線的投資比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)要大。一是試用的系統(tǒng)規(guī)模太?。欢窃囉玫南到y(tǒng)并不分散或者是利用原有布線的改造項(xiàng)目，因此無(wú)法充分發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)總線節(jié)省電纜的優(yōu)勢(shì)。

　　其次，調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)比較難。由于現(xiàn)階段熟練掌握現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用技術(shù)和開(kāi)發(fā)技術(shù)的人才少，企業(yè)在調(diào)試和運(yùn)行時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到困難。因此，企業(yè)在選擇系統(tǒng)集成商時(shí)，應(yīng)選擇技術(shù)力量比較強(qiáng)，比較有經(jīng)驗(yàn)的單位。

　　再者，與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比優(yōu)點(diǎn)不明顯。以智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表為基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，其優(yōu)點(diǎn)不僅在于控制方面，更多的在于自診斷、自校正等自動(dòng)管理方面。但是，目前國(guó)內(nèi)用的系統(tǒng)大多數(shù)太小，沒(méi)有把管理自動(dòng)化和遠(yuǎn)程診斷功能納入系統(tǒng)，因此無(wú)法發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)降低運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用的優(yōu)勢(shì)。

　　在技術(shù)方面，當(dāng)總線切斷時(shí)，系統(tǒng)有可能產(chǎn)生不可預(yù)知的后果，用戶希望這時(shí)系統(tǒng)的效能可以降低，但不能崩潰，這一點(diǎn)目前許多現(xiàn)場(chǎng)總線不能保證；現(xiàn)有的防爆規(guī)定限制了總線長(zhǎng)度和總線上所掛設(shè)備的數(shù)量，也就限制了現(xiàn)場(chǎng)總線節(jié)省電纜優(yōu)點(diǎn)的發(fā)揮；系統(tǒng)組態(tài)參數(shù)過(guò)分復(fù)雜，不容易掌握。但組態(tài)參數(shù)設(shè)定得好壞，對(duì)系統(tǒng)性能影響很大。

　　在應(yīng)用中，現(xiàn)場(chǎng)總線的開(kāi)放、互聯(lián)性及互操作性決定了與之俱來(lái)的不可避免的安全問(wèn)題。

　　外部網(wǎng)是一個(gè)由現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化系統(tǒng)，是和企業(yè)的Intranet緊密結(jié)合在一起的，存在著與Internet普通應(yīng)用相同的種種威脅，包括竊聽(tīng)、盜取資料、非法獲取控制權(quán)、進(jìn)行破壞、阻礙通信等。要解決這些問(wèn)題，必須建立起一套適合企業(yè)的針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用的安全策略。

　　在Intranet內(nèi)部，人們?nèi)菀追潘删?。由于現(xiàn)場(chǎng)總線多應(yīng)用于化工、電氣及樓宇自動(dòng)化控制中，這些場(chǎng)合都要求系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，因此現(xiàn)場(chǎng)總線可能受到的攻擊時(shí)間與普通應(yīng)用相比長(zhǎng)得多。

基于安全情況，可以考慮將各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)得較為獨(dú)立，使一個(gè)子系統(tǒng)受到破壞不會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)；采用通信控制器將總線與以太網(wǎng)相聯(lián)，改善通信控制器的功能，可以起到一定程度的安全防范作用，包括拒絕非法訪問(wèn)，危險(xiǎn)時(shí)將總線與以太網(wǎng)隔離等；進(jìn)行合理的冗余設(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

六．結(jié)論

　　綜上所述，現(xiàn)場(chǎng)總線并不是為解決傳統(tǒng)控制系統(tǒng)不能解決的問(wèn)題而出現(xiàn)的，它的主要優(yōu)點(diǎn)是更靈活、更開(kāi)放，并為采用新型系統(tǒng)維護(hù)方式和企業(yè)管理模式提供了可能。但對(duì)于以價(jià)格為首選條件的場(chǎng)合，系統(tǒng)規(guī)模較小、控制對(duì)象分布比較集中的場(chǎng)合，以及沒(méi)有擴(kuò)展設(shè)備智能診斷和管理要求的場(chǎng)合，現(xiàn)場(chǎng)總線并不一定是最佳選擇。

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