Profibus和CAN現(xiàn)場總線的幀轉(zhuǎn)換

1、概述

現(xiàn)場總線是一種用于智能化現(xiàn)場設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的開放式、數(shù)字化、雙向串行、多節(jié)點(diǎn)的通信總線。

在實(shí)際的生產(chǎn)建設(shè)中，我們將會(huì)經(jīng)常遇到將不同現(xiàn)場總線的設(shè)備集成在一起或者在某一現(xiàn)場總線中利用其他現(xiàn)場總線協(xié)議的設(shè)備的問題。這就涉及到了不同的現(xiàn)場總線協(xié)議的協(xié)議轉(zhuǎn)化。數(shù)據(jù)鍵路層的幀轉(zhuǎn)換是這些協(xié)議轉(zhuǎn)化中的一個(gè)很關(guān)鍵的問題。
在這里，我們以Profibus-DP和CAN這兩種當(dāng)今使用廣泛的現(xiàn)場總線來研究現(xiàn)場總線的協(xié)議幀轉(zhuǎn)化。

2、CAN現(xiàn)場總線的傳輸層協(xié)議簡介

傳輸層是CAN協(xié)議的核心。它把接收到的報(bào)文提供給對(duì)象層，以及接收來自對(duì)象層的報(bào)文。傳輸層負(fù)責(zé)位定時(shí)及同步、報(bào)文分幀、仲裁、應(yīng)答、錯(cuò)誤檢測和標(biāo)定、故障界定。

報(bào)文路由：報(bào)文的內(nèi)容由識(shí)別符命名。識(shí)別符不指出報(bào)文的目的地，但解釋數(shù)據(jù)的含義。因此，網(wǎng)絡(luò)上所有的節(jié)點(diǎn)可以通過報(bào)文濾波確定是否應(yīng)對(duì)該數(shù)據(jù)做出反應(yīng)。

報(bào)文傳輸由以下4個(gè)不同的幀類型所表示和控制：

? 數(shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)幀攜帶數(shù)據(jù)從發(fā)送器至接收器。
? 遠(yuǎn)程幀：總線單元發(fā)出遠(yuǎn)程幀，請求發(fā)送具有同一識(shí)別符的數(shù)據(jù)幀。
? 錯(cuò)誤幀：任何單元檢測到一總線錯(cuò)誤就發(fā)出錯(cuò)誤幀。
? 過載幀：過載幀用以在先行的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀（或遠(yuǎn)程幀）之間提供一附加的延時(shí)。

數(shù)據(jù)幀（或遠(yuǎn)程幀）通過幀間空間與前述的各幀分開。

在這里我們以數(shù)據(jù)幀為例來分析CAN的幀結(jié)構(gòu)。

2.1 數(shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)幀由7個(gè)不同的位場組成，如圖1所示：

圖1 數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)

（1）幀起始

它標(biāo)志數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀的起始，由一個(gè)單獨(dú)的“顯性”位組成。

（2）仲裁域

仲裁域包括識(shí)別符（ID）和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位（RTR）。

識(shí)別符（ID）：識(shí)別符的長度為11位。這些位的發(fā)送順序是從ID-10到ID-0。最低位是ID-0。最高的7位（ID-10到ID-4）必須不能全是“隱性”。

RTR位：該位在數(shù)據(jù)幀里必須為“顯性”，而在遠(yuǎn)程幀里必須為“隱性”。

圖2 仲載域

圖3 控制域

（3）控制域

控制域由6個(gè)位組成，包括數(shù)據(jù)長度代碼和兩個(gè)將來作為擴(kuò)展用的保留位。所發(fā)送的保留位必須為“顯性”。數(shù)據(jù)長度代碼指示了數(shù)據(jù)域中字節(jié)數(shù)量，長度為4個(gè)位。

（4）CRC域

CRC域包括CRC序列，其后是CRC界定符，它包含一個(gè)單獨(dú)的“隱性”位。

（5）應(yīng)答域

應(yīng)答域長度為2位，包含應(yīng)答間隙和應(yīng)答界定符。在應(yīng)答域里，發(fā)送站發(fā)送兩個(gè)“隱性”位。當(dāng)接收器正確地接收到有效的報(bào)文，接收器就會(huì)在應(yīng)答間隙期間發(fā)送ACK信號(hào)，向發(fā)送器發(fā)送一“顯性”的位以示應(yīng)答。

（6）幀結(jié)尾

每一個(gè)數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀均由一標(biāo)志序列界定。這個(gè)標(biāo)志序列由7個(gè)“隱性”位組成。

2.2 傳輸控制

（1）幀間空隙

對(duì)于不是“錯(cuò)誤被動(dòng)”的站，或者此站已作為前一報(bào)文的接收器，其幀間空隙如圖4所示：

圖4 幀間空隙（非錯(cuò)誤被動(dòng)）

對(duì)于已作為前——報(bào)文發(fā)送器的“錯(cuò)誤被動(dòng)”的站，其幀間空間如圖5所示：

圖5 幀間空間（錯(cuò)誤被動(dòng)）

其中，intermission是強(qiáng)制性的3個(gè)隱性位。

（2）位流編碼

幀的部分，諸如幀起始、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域以及CRC序列，均通過位填充的方法編碼。無論何時(shí)，發(fā)送器只要檢測到位流里有5個(gè)連續(xù)識(shí)別值的位，便自動(dòng)在位流里插入——補(bǔ)碼位。

數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀（CRC界定符、應(yīng)答域和幀末尾）的剩余位域形式相同，不填充。錯(cuò)誤幀和過載幀的形式也相同，但并不通過位填充的方法進(jìn)行編碼。其報(bào)文里的位流根據(jù)“不返回到零”之方法來編碼。這就是說，在整個(gè)位時(shí)間里，位電平要么為“顯性”，要么為“隱性”。

CAN協(xié)議范圍只規(guī)定了“顯性”和“隱性”兩種邏輯值，而沒有明確規(guī)定表示這些邏輯電平的物理狀態(tài)。根據(jù)邏輯關(guān)系，我們可以設(shè)“顯性”邏輯值為邏輯“0”，“隱性”邏輯值為邏輯1。

3、Profibus數(shù)據(jù)鏈路層幀格式及相關(guān)的地址規(guī)定

（1）幀字符（UART字符）

幀由幀字符組成

每個(gè)幀字符由11個(gè)位組成：1個(gè)開始位（ST）；8個(gè)信息位；1個(gè)奇偶校驗(yàn)位（P）；1個(gè)停止位。