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1、LonWorks智能控制网络 5.1 概述美国Echelon公司于1992年成功推出了LonWorks智能控制网络。LON（Local Operating Networks）总线是该公司推出的局部操作网络，Echelon公司开发了LonWorks技术，为LON总线设计和成品化提供了一套完整的开发平台。通信协议LonTalk支持ISO OSI/RM的所有七层模型，这是LON总线最突出的特点。LonTalk协议通过神经元芯片（Neuron Chip）上的硬件和固件（firmware）实现，提供介质存取、事务确认和点对点通信服务；还有一些如优先级传输、单一/广播/组播消息发送等高级服务。网络拓扑结构
2、可以是总线形、星形、环形和混合形，可实现自由组合。另外，通信介质支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线和电力线等。应用程序采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信的设计简化为参数设置，大大缩短了产品开发周期。高可靠性、安全性、易于实现和互操作性，使得LonWorks产品应用非常广泛。它广泛应用于过程控制、电梯控制、能源管理、环境监视、污水处理、火灾报警、采暖通风和空调控制、交通管理、家庭网络自动化等。LON总线已成为当前最流行的现场总线之一。Neuron芯片是LonWorks技术的核心，它不仅是LON总线的通信处理器，同时也作为采集和控制的通用处理器，LonWorks技术中所有关于网络
3、的操作实际上都是通过它来完成的。1994年5月，由世界许多大公司，如ABB、IBM、Honeywell、Motorola、TOSHIBA、HP等，组成了一个独立的行业协会LonMark，负责定义、发布、确认产品的互操作性标准。LON总线已成为目前现场总线的主流之一。LonWorks技术的特点：开放性：网络协议开放，对任何用户平等。通信媒介：可用任何媒介进行通信，包括双绞线、电力线、光纤、同轴电缆、无线（RF）、红外等，而且在同一网络中可以有多种通信媒介。互操作性：LonWorks通信协议LonTalk符合国际标准化组织（ISO）定义的开放互连（OSI）模型。任何制造商的产品都可以实现互操作。网
4、络结构：可以是主从式、对等式或客户/服务器式结构。网络拓扑：有星形、总线形、环形以及自由形。网络通信采用面向对象的设计方法。LonWorks网络技术称之为“网络变量”，它使网络通信的设计简化成为参数设置，增加了通信的可靠性。通信的每帧有效字节数可从0B到228B。通信速率可达1.25Mbps，此时有效距离为130m；用78kbps的双绞线，直线通信距离长达2700m。LonWorks网络控制技术在一个测控网络上的节点数可达32000个。提供强有力的开发工具平台：LonBuilder与Nodebuilder。LonWorks技术核心元件：Neuron芯片内部装有3个8位微处理器和34种I/O对象
5、及定时器/计数器，另外还具有RAM、ROM、EEPROM、LonTalk通信协议等。Neuron芯片具备通信和控制功能。改善了CSMA，采用可预测P坚持CSMA，这样，在网络负载很重的情况下，不会导致网络瘫痪。LonWorks技术包括以下几个组成部分：LonWorks节点和路由器；LonTalk协议；LonWorks收发器；LonWorks网络和节点开发工具。5.2 神经元芯片（Neuron Chip）5.2.1 神经元芯片概述 LonWorks技术的核心是神经元芯片（Neuron Chip）。神经元芯片主要有3120和3150两大系列，生产厂家最早的有Motorola公司和TOSHIBA公司
6、。目前生产神经元芯片的厂家是TOSHIBA公司和美国的Cypress公司。TOSHIBA公司生产的神经元芯片型号为TMPN3120和TMPN3150两个系列。TMPN3120不支持外部存储器，它本身带有EEPROM；TMPN3150支持外部存储器，适合功能较为复杂的应用场合。Cypress公司生产的神经元芯片型号为CY7C53120和CY7C53150两个系列。神经元芯片的主要性能特点：高度集成，所需外部器件较少。内有三个CPU，分别实现不同的功能，输入时钟可选范围：625kHz10MHz。11个可编程I/O口引脚可设置为34种预编程工作方式，其中IO4IO7有可编程上拉电阻，IO0IO3具有
7、大电流吸收能力（20mA）。两个16位定时/计数器，15个软定时器。网络通信端口可设置为单端、差分、专用工作方式。在外部存储器中可固化LonTalk协议、I/O驱动程序、事件驱动多任务调度程序等固件。提供用于远程识别和诊断的服务引脚。48位的内部Neuron ID，用于惟一识别Neuron芯片。Neuron芯片的内部结构如图5-1所示。5.2.2 神经元芯片TMPN3150B1AF 5.2.3 网络通信端口5.3 神经元芯片应用I/O回顾:FFFF通信模型通信模型:物理层、通讯栈、用户层通信实体、系统管理内核、功能块应用进程回顾:LonWorks美国Echelon公司，1992，Local O
8、perating Networks通信协议LonTalk支持ISO OSI/RM的所有七层模型神经元芯片（Neuron Chip）网络拓扑结构、通信介质、网络结构通信速率可达1.25Mbps，此时有效距离为130m；用78kbps的双绞线，直线通信距离长达2700m;一个测控网络上的节点数可达32000个;Neuron芯片内部装有3个8位微处理器(MAC网络应用)5.4 LonWorks智能控制网络的组成 5.4.1 LonWorks智能控制网络结构LonWorks智能控制网络结构包括五个部分：网络协议（LonTalk）、网络传输介质、网络设备、执行机构和管理软件。其中，网络设备包括智能测控节
9、点、路由器和网关等；执行机构包括传感器、变送器等。；管理软件包括LONTALK协议实现软件，并为设备之间交换控制状态信息建立了一个通用标准。在LonTalk协议的协调下，以往那些孤立的设备融为一体，形成一个网络控制系统。LonTalk是面向对象的网络协议，支持OSI七层协议，设备节点之间的数据传递通过网络变量的互联实现。神经元芯片（Neuron Chip）是除LonTalk协议之外的又一LonWorks技术核心产品。它不仅是LON总线的通信处理器，同时也可以作为采集和控制的通用处理器，LonWorks技术中所有关于网络的操作实际上都是通过它来完成的。智能控制网络结构框图如图5-25所示。终端器
10、路由器节点节点节点串行网络适配器调制解调器节点节点调制解调器电话网PC或非PC主机LNS/LCA软件远距离监测站路由器节点节点节点自由拓扑双绞线通道电力线通道路由器和信道电源节点节点节点自由拓扑/信道电源双绞线通道1.25Mbps双绞线主通道SCA/DA工作站安装工具网络服务接口网络服务接口终端器PC或非PC主机LNS/LCA软件PC或非PC主机LNS/LCA软件路由器和信道电源节点节点节点信道电源双绞线通道PCC-10卡（PCMCIA）便携式PC安装和维护工具图5-25 LonWorks智能控制网络结构图 1LonWorks节点 LonWorks节点是指同物理上与之相连的I/O设备进行控制或
11、信息交换并且在LON网络上使用LonTalk协议与其它节点相互通信的一类对象。LON节点有两种类型。一种节点中Neuron芯片是惟一的处理器，适合I/O设备较简单、处理任务不复杂的系统，称之为基于Neuron芯片的节点（Neuron Chip-Based Node）。一个典型的基于Neuron芯片的节点包括以下几个组成部分：神经元芯片、I/O处理单元、收发器和电源。如图5-26所示。现场传感器和执行器晶振电源TMPN3150TMPN312016K58K ROM（仅3150）I/O调理收发器LON网络图5-26 LonWorks现场控制节点结构框图 另一种节点中Neuron芯片仅仅作为通信协处理
12、器，充当着LON网的网络接口，节点应用程序则由主处理器执行。这类节点适合于对处理能力、输入/输出能力要求较高的系统，称之为基于主机的节点（Host Based Node），主处理器可以是PC机或者其他任何微处理器。在基于主机的节点中，采用MIP（Microprocessor Interface Program）接口可以实现PC机与LonWorks网络的联系，并可以开发自己的应用程序用于对网络监测、控制、网络管理等。其中，神经元芯片是其核心部分，主要包括3150和3120两大系列，3150支持外部存储器，适合较为复杂的应用，而后者不支持外部存储器。2路由器路由器是LonWorks技术的一个主要部
13、分，用来连接不同通信介质的LON网络。在LonWorks技术中，路由器包括以下几种：中继器、桥接器和路由器。路由器除连接不同媒介的LON网络外，还能控制网络交通，增加信息通量和网络速度。3网络协议设备在运行程序的适当时刻发布信息。由于这些程序不是同步运行，也可能有多个设备试图同时对话。因此，设备间的信息传递需要以一系列的规则和进程的形式加以组织。这些规则和进程称为通信协议，通常简称协议。协议定义了设备间传递的信息格式，并且定义了一个设备对另一设备在发送信息时所期望对方采取的操作。协议通常采用嵌入软件形式并驻留在设备内，或通过网络管理工具下载到设备中。LonWorks技术采用LonTalk协议。
14、4通信媒介通信媒介是节点（设备）之间信息传输的物理介质，包括双绞线、电力线、红外线、光纤和同轴电缆等。5网络管理工具一个典型的现场控制节点主要包括以下几个功能块：应用CPU、I/O处理单元、通信处理器、收发器和电源。当单个节点建成以后，节点之间需要互相通信，这就需要一个网络工具为网络上的节点分配逻辑地址，同时也要将每个节点的网络变量和显式报文连接起来。一旦网络建成并正常运行后，需要对其进行维护。网络系统中的上位机需要了解所有节点的网络变量和显式报文变化的情况。5.4.2 LonWorks的技术支持5.5 LonTalk通信协议与LonMark对象LonTalk协议是LonWorks系统的核心。
15、该协议提供一系列通信服务，使得一个设备的应用程序可以在不了解网络拓扑、名称、地址或其它设备功能的情况下发送和接收网络上其它设备的报文。LonTalk协议能提供端到端报文确认，报文认证、打包业务和优先传送服务，提供网络管理服务的支持，并允许远程网络管理工具与网络设备进行交互。5.5.1 LonTalk协议介绍1993年，美国Echelon公司推出了LonWorks新技术，提供了开放的低层通信网络局部操作网络（LON）称为LonTalk协议。采用神经芯片的网络节点含有LonTalk协议固件，使得网络节点可以可靠地通信，完成各种功能。网络节点是相互独立的，可以做到在任一节点发生故障时，不会影响整个网
16、络工作，从而提高了系统的可靠性和可维护性；另外，由于各节点具有本地存储和处理能力，系统的安全性很高，并且在系统规模大时可避免网络通信的冲突和网络速度的局限性。LonTalk协议符合ISO/OSI参考模型的七层体系结构，即含有物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，是一套完整、安全、有效的通信协议系统。1LonTalk协议特点 （1）LonTalk协议采用分级编址方式，即域、子网和节点地址。（2）LonTalk协议支持多种通信介质，包括双绞线、电力线、同轴电缆、无线电和红外线、光纤传输介质等。（3）互操作性强。网络上任一节点可以对其它节点进行操作，传输控制信息。（4）响应时间快，
17、通信安全可靠。2LonTalk协议的功能LonTalk协议符合ISO制订的开放系统互联OSI标准，具有完备的七层协议。LonTalk提供的服务包括：物理信息管理；命名机制、数据包寻址和路由选择；通信的高可靠性；优先级管理和外部帧和数据表示等。3LonTalk协议标准LonTalk协议是一个分层的、基于数据包的对等通信协议。神经元芯片使用全部的3个CPU来执行一个完整的网络协议。该协议遵循国际标准化组织ISO所定义的开放系统互连OSI网络协议参考模型，能支持网络中的灵活寻址和多通信信道。一个LonWorks节点所运行的应用程序通过使用LonTalk协议可与相同网络中的其它LonWorks节点上所
18、运行的应用程序进行通信。神经元芯片中的处理器用来执行LonTalk协议软件和应用程序。LonTalk协议所提供的服务与7层OSI参考模型之间的对应关系，以及各层与三个CPU之间的分配关系如表5-13所示。OSI层用途提供的服务CPU7应用层应用兼容性LONMARK对象、配置属性、标准网络变量类型（SNVT）、文件传输应用CPU6表示层数据解释网络变量、应用报文、外来帧的传输、网络接口 网络CPU5 会话层 远程操作 请求/响应、证实、网络服务 网络CPU 4 传输层 端到端（End-to-End）通信可靠性 确认和非确认报文、通用排序、双重检测网络CPU 3 网络层 目标寻址 单点和多点寻址、
19、路由选择信息 网络CPU 2 链路层介质访问和成帧成帧、数据编码、CRC（循环冗余校验）错误检测、可预测的CSMA（载波监听多路访问）、冲突避免、优先级、冲突检测介质访问控制CPU1 物理层 电气互连 特定介质的接口和调制方案 介质访问控制CPU 表5-13 LonTalk协议的分层5.5.2 LonTalk提供的服务1物理信道管理LonTalk协议支持一种或多种不同传输介质构成的网络。这些传输介质包括双绞线、电力线、无线射频、同轴电缆和光纤等。不同介质的传输距离、传输速率、网络拓扑结构以及所使用的收发器均不相同。2LonTalk协议的命名机制和寻址方式（1）神经芯片命名：神经芯片具有一个特有
20、的48位标识（Neuron ID），Neuron ID由芯片生产厂家惟一确定，并且终生不变。（2）地址：地址是一个对象或一组对象的特有标识，与名字不同，地址是可以改变的。（3）寻址方式：该方式由域地址、子网地址和节点地址等方式组成。域地址（domain）：域是一个信道或多个信道上的节点的逻辑集合。一个域就是一个实际意义上的网络，通信只能在同一域中配置的节点之间进行。子网地址（Subnet）：一个子网是在同一域中节点的逻辑集合。一个子网最多可有127个节点，一个域最多可有255个子网。节点地址（Node）：一个子网内的节点被赋予该子网内的惟一的节点标识码。节点标识码为7位，所以每个子网最多可以有
21、127个节点。一个域中最多可以有32385个节点。组地址（Group）：组是一个域内节点的逻辑集合。与子网不同，组不需要考虑节点的物理位置。组可以包括路由器，一个节点最多可以属于15个组，一个域最多可以有256个组。组地址的长度为1个字节。芯片地址（Neuron ID）：除了子网/节点地址之外，节点可以用Neuron ID寻址。Neuron ID为48位长，这个ID码是惟一的。3网络管理与网络设备（1）网络管理：一个LonWorks网络是否需要一个网络管理节点，取决于实际应用的需求。一个网络管理节点具有以下功能：寻找未配置的节点并下载网络地址；停止、启动和复位应用程序；访问节点通信统计；配置路
22、由器；下载新的应用程序；提取运行网络的拓扑结构。在一个开发环境中，网络管理节点的应用相当于LonBuilder开发平台的网络管理器，其任务包括定义、配置、下载和控制LonWorks网络。LonBuilder协议分析仪具有监视、采集和显示网络通信流量以及性能统计等功能。（2）路由器：一个路由器连接两个信道并且在信道间转发数据包。4LonTalk提供的通信服务（1）LonTalk协议提供以下4种可选择的报文服务：确认服务（Acknowledged）：这是最可靠的服务方式。以这种方式发送报文，发送方必须收到每个接收节点的确认信号。请求/应答服务（Request/response）：请求/应答服务与确
23、认服务有相同的可靠性，发送方需要接收到每个接收节点的应答信号，也包括重发次数和事务定时。应答信号包含数据，所以该方式适用于远程过程调用或客户机/服务器应用。非确认重发服务（Unacknowledged repeated）：这是一种比较可靠的方式，报文向一个或一组节点发送多次，而不等待应答信号。这种报文方式适合于向节点数较多的组进行广播传送，这时如果组内节点都产生应答，网络就会过载。非确认服务（Unacknowledged）：非确认服务是最不可靠的一种服务，它不需要等待接收节点的应答信号。它适用于对网络效率要求很高而网络带宽有限，且对报文的丢失不敏感的应用场合。（2）冲突检测：LonTalk协议
24、的冲突退避算法是特有的，称为预测P-坚持CSMA（Predictive P-presistence CSMA）。（3）报文认证：LonTalk协议支持报文认证服务，即允许报文的接收者确定报文的发送方是否有权发送。5LonTalk协议中的定时器在使用LonTalk协议服务之前，需正确设置以下几个定时器：事务定时器（Transaction Timer）；重发定时器（Repeat Timer）；组接收定时器（Group Receive Timer）；非组接收定时器（Non-Group Receive Timer）；缓冲器释放定时器（Free Buffer Wait Timer）。6网络接口LonTa
25、lk协议包含一个可选择的网络接口协议，该协议支持在任一主处理器上运行的LonWorks应用。主处理器可以是微处理器、微控制器或PC机。主处理器管理LonTalk协议的第6和7层，并且使用LonTalk网络接口管理协议的15层。LonTalk网络接口定义网络接口和主处理器之间的数据交换格式。不同的网络接口具有不同的网络接口协议。在主处理器上执行的应用程序通过网络驱动器与网络接口通信，网络驱动器管理缓冲器的分配，将来自或发往网络接口的数据送入缓冲器并且在网络接口层协议中屏蔽主机应用的任何差异。LonTalk网络驱动器定义了主机应用与网络驱动器之间的标准报文格式。7数据表示LonTalk协议采用面向
26、数据的应用协议。（1）网络变量：网络变量是LonTalk协议中表示层的数据项，网络变量可以是数据项或是一个结构，网络变量用关键字Network定义。每个网络变量由应用程序表明其数据类型。对于基于芯片的节点来说，当在一个应用程序中通过赋值操作引起了输出网络变量的变化时，神经芯片固件会自动地用LonTalk协议服务在网络上传播其更新的值。（2）显式报文：将报文的目的地址、报文服务方式、数据长度和数据组成APDU（应用层数据单元）下传并发送，将发送结果上传并激活相应的发送结果处理进程。当收到信息时，能根据上传的APDU判断是否显式报文，并根据报文代码激活相应的处理进程。5.5.3 介质访问控制和MA
27、C层协议介质访问控制层（Media Access Control，MAC）是数据链路层的一部分。LonTalk在物理层协议上支持多种通信协议，也就是为适应不同的通信介质而支持不同的数据解码和编码。例如，通常双绞线使用差分曼彻斯特编码；电力线使用扩频；无线通信使用频移键控（FSK）。由于LonTalk考虑对各种介质的支持，LON总线可以允许使用非常广泛的通信介质，如双绞线、电力线、无线电、红外线、同轴电缆、光纤甚至是用户自定义的通信介质。LonTalk支持在通信介质上的硬件碰撞检测。LonTalk可以自动地将正在发生碰撞的报文取消，并重新再发。如果没有碰撞检测，当碰撞发生时，只有到响应或应答时才
28、会重发报文。LonTalk MAC子层协议使用改进的CSMA介质访问控制协议，该协议称为带预测的P-坚持CSMA（Predictive P-Presistent CSMA）。它在保留CSMA协议优点的同时，注意克服它在控制网络中的不足。带预测的P-坚持CSMA，所有的节点根据网络积压参数等待随机时间来访问介质，这就有效地避免了网络的频繁碰撞。5.5.4 LonTalk协议的链路层及网络层1LonTalk协议的链路层LonTalk协议链路层提供在子网内，链路层协议数据单元（LPDU）帧顺序的无响应传输。它提供错误检测能力，但不提供恢复错误的能力。当一帧数据CRC校验错，该帧被丢掉。在直接互联模式
29、下物理层和链路层接口的编码方案是曼彻斯特编码。2LonTalk协议的网络层LonTalk协议在网络层给用户提供一个简单的通信接口，定义了如何接收、发送、响应等。在网络管理上有网络地址分配、出错管理、网络认证和流量控制，而路由器的机制也是在这一层实现。LonTalk协议定义了一种分层编址方法，这种方式使用了域（domain）地址、子网（subnet）地址、节点地址。5.5.5 LonTalk高层协议1LonTalk协议的传输层和会话层LonTalk协议的核心部分是传输层和会话层。传输层管理着报文执行的顺序和报文的二次检测。传输层是无连接的，它提供一对一节点、一对多节点的可靠传输。信息认证也是在这
30、一层实现的。会话层主要提供了请求/响应的机制。它通过节点的连接，来进行远程数据服务（remote servers）。2LonTalk协议的表示层和应用层LonTalk协议的表示层和应用层提供以下5类服务。（1）网络变量服务：在LonTalk协议表示层的数据项被称为网络变量（NV）。网络变量可以是单个的数据项（Neuron C变量），也可以是数据结构或数组，其最大长度可达31个字节。每个网络变量都有一个数据类型，它在应用程序中定义。（2）显式报文的服务：将报文的目地地址、报文服务方式、数据长度和数据组成APDU（应用层数据单元）下传并发送，将发送结果上传并激活相应的发送结果处理进程。当收到信息，
31、能根据上传的APDU是否显式报文，并根据报文代码激活相应的处理进程。（3）网络管理的服务：LonTalk网络管理提供地址分配服务。分配所有的节点地址单元，包括域号、子网号、节点号以及所属的组名和组员号。（4）网络跟踪服务：网络跟踪服务提供对节点的查询和测试。（5）通信服务：LonTalk协议支持网络的消息服务、冲突检测和避免。消息服务提供了四种类型的报文服务，包括确认服务、请求/响应、重发服务和非确认服务。除此之外，还有冲突避免和冲突检测服务。5.5.6 LonMark对象LonWorks技术为产品开发者、系统集成商和最终用户提供了用于研制、构造、安装和维护控制网络所需要的所有东西。1994年
32、由Echelon和致力于建造互操作产品的LonWorks用户集团成立了LonMark互操作协会。LonMark协会致力于发展互操作性标准，认证符合标准的产品的发扬可互操作性系统的优点。LonMark对象是应用层互操作性的基础。LonMark对象描述了节点在网络上与其它节点如何共享信息，如何以标准格式输入和输出节点信息。5.7 LonWorks开发工具LonWorks技术包含了一系列的开发工具：节点开发工具NodeBuilder、节点和网络安装工具LonBuilder、网络管理工具LonManager以客户/服务器网络构架LNS技术。CAN总线 第4章 CAN 20世纪80年代初，德国的BOSC
33、H公司就提出了用CAN（Controller Area Network）控制器局域网络来解决汽车内部的复杂硬信号接线。目前，其应用范围已不再局限于汽车工业，而向过程控制、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN总线以其独特的设计，低成本、高可靠性、实时性、抗干扰能力强等特点得到了广泛的应用。CAN具有如下特点：CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可以在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134s内得到传输。CAN采用非破坏性
34、总线仲裁技术。CAN只需通过报文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，无需专门的“调度”。CAN的直接通信距离最远可达10km（速率5kbps以下）；通信速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40m）。CAN上的节点数可达110个。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。CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。4.1 CAN的技术规范 控制器局域网（CAN）为串行通信协议，能有效地
35、支持具有很高安全等级的分布实时控制。CAN的应用范围很广，从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用CAN。在汽车电子行业里，使用CAN连接发动机控制单元、传感器、防刹车系统等等，其传输速度可达1Mbps。同时，可以将CAN安装在卡车本体的电子控制系统里，诸如车灯组、电气车窗等等，用以代替接线配线装置。4.1.1 CAN的基本概念 1报文 总线上的信息以不同格式的报文发送，但长度有限制。当总线开放时，任何连接的单元均可开始发送一个新报文。2位速率 CAN的数据传输率在不同的系统中是不同的，而在一个给定的系统中，此速度是惟一的，并且是固定的。3优先权 在总线访问期间，标识符定义了一个报文静态的优先
36、权。4仲裁 当总线开放时，任何单元均可开始发送报文，若同时有两个或更多的单元开始发送，总线访问冲突运用逐位仲裁规则，借助标识符ID解决。5故障界定 CAN节点有能力识别永久性故障和短暂扰动，可自动关闭故障节点。4.1.2 CAN的分层结构 CAN遵从OSI模型，按照OSI标准模型，CAN结构划分为两层：数据链路层和物理层。而数据链路层又包括逻辑链路控制子层LLC和媒体访问控制子层MAC，而在CAN技术规范2.0A的版本中，数据链路层的LLC和MAC子层的服务和功能被描述为“目标层”和“传送层”。CAN的分层结构和功能如图4-1所示。图4-1 CAN的分层结构和功能监控器故障界定总线故障管理数据
37、链路层逻辑链路子层LLC接收滤波超载通知恢复管理媒体访问控制子层MAC数据封装/拆装帧编码（填充/解除填充）媒体访问管理错误监测出错标定应答串行化/解除串行化物理层位编码/解码位定时同步（驱动器/接收器特性）LLC子层的主要功能是：为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由LLC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。MAC子层的功能主要是传送规则，亦即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。4.1.3 报文传送和帧结构 构成一帧的帧起始、仲裁场、控制场、数据场和CRC序列均借助位填充规则进行编码。当发送器在发送的位流中检测到5位连续的相同数值时，将自动地在实际发
38、送的位流中插入一个补码位，称为位填充。位填充方法如图4-2所示。图4-2 位填充 报文传送由4种不同类型的帧表示和控制：数据帧：携带数据由发送器只于接受器远程帧：通过总线单元发送，以请求发送具有相同标志符的数据帧出错帧：由检测出总线错误的任何单元发送超载帧：用于提供当前的和后续的数据帧的附加延迟未填充位流 100000 xyz 011111xyz填充位流 1000001xyz 0111110 xyz其中：xyz0,14.1.5 CAN总线的位数值表示与通信距离CANCAN总总线线上上任任意意两两个个节节点点之之间间的的最最大大传传输输距距离离与与其其位位 速速 率率 有有 关关，表表 4-24
39、-2列列 举举 了了 相相 关关 的的 数数 据据。表表 4-2 4-2 CANCAN总总 线线 系系 统统 任任 意意 两两 节节 点点 之之 间间 的的 最最 大大 距距 离离位速率kbps 1000 500 250125 100 50 20 10 5 最大距离m 40 130 270 530 6201300 3300 6700 10000 这里的最大通信距离是指在同一条总线上两个节点之间的距离。4.2 CAN通信控制器SJA1000 SJA1000是一种独立控制器，用于汽车和一般工业环境中的局域网络控制。PHILIPSHART协议一、什么是HART?HART 现场通讯协议扩展了4-20m
40、A 标准，在智能测量和控制仪表的基础上提高了通讯能力。作为过程控制演变的重要一步，HART 协议促进了过程仪表功能的大幅度革命。该技术增强的通讯特性反应在其协议名称上，HART“Highway Addressable Remote Transducer”（高速远程可寻址转换器）。HART现场通讯协议是工业界广泛认可的标准,该技术的普及使用非常迅速，目前，事实上所有主要设备供应商都HART 提供协议产品。HART 协议是唯一向后兼容的智能仪表解决方案，在一协议是唯一向后兼容的智能仪表解决方案，在一条电缆上可以同时传递条电缆上可以同时传递4-20mA 模拟信号和数字信号。模拟信号和数字信号。HAR
41、T 在提供现场总线的好处时，保留对现有在提供现场总线的好处时，保留对现有4-20mA系统的兼容性。系统的兼容性。HART 协议智能仪表在不干扰协议智能仪表在不干扰4-20mA模拟信号的同时允模拟信号的同时允许双向数字通讯。主要变量和控制信号信息由许双向数字通讯。主要变量和控制信号信息由4-20mA传送传送(如如果需要果需要)，而另外的测量、过程参数、设备组态、校准及诊断，而另外的测量、过程参数、设备组态、校准及诊断信息在同一线对、同一时刻通过信息在同一线对、同一时刻通过HART 协议访问。与其他过程协议访问。与其他过程仪表仪表“开放开放”的数字通讯技术不同的是，的数字通讯技术不同的是，HART
42、兼容现有系统。兼容现有系统。二、HART技术是怎样的？许多年以来，过程自动化设备使用的现场通讯标准是毫安许多年以来，过程自动化设备使用的现场通讯标准是毫安模拟电流信号。在大多数应用中，正比于所代表的过程参数，模拟电流信号。在大多数应用中，正比于所代表的过程参数，毫安信号在毫安信号在4-20mA 之间变动。事实上，所有已安装的工厂仪之间变动。事实上，所有已安装的工厂仪表系统都使用这一国际标准同过程变量信息通讯。表系统都使用这一国际标准同过程变量信息通讯。HART 协议使用协议使用Bell202 频移键控频移键控(FSK)标准，在标准，在4-20mA基础上叠加低电平的数字信号。数字基础上叠加低电平
43、的数字信号。数字FSK 信号相位连续，不会信号相位连续，不会影响影响4-20mA信号。逻辑信号。逻辑“1”由由1 1200 Hz频率代表，逻辑频率代表，逻辑“0”由由2200 Hz 代表，见图代表，见图1 1 和和2。HART FSK 信号方式允许双向数信号方式允许双向数字通讯，使得除普通过程变量以外的更多信息读取自或发送到字通讯，使得除普通过程变量以外的更多信息读取自或发送到智能现场仪表。智能现场仪表。HART 协议协议1 1200 bits/s 通讯速率在不打断通讯速率在不打断4-20mA信号的同时，允许主站对来自现场设备的数字数据每秒信号的同时，允许主站对来自现场设备的数字数据每秒更新两
44、次或更多。更新两次或更多。回顾回顾回顾回顾LonWorks智能控制网络结构包括五个部分：网络协议（LonTalk）、网络传输介质、网络设备、执行机构和管理软件。LON节点有两种类型:通信媒介包括双绞线、电力线、红外线、光纤和同轴电缆等。LonTalk协议是LonWorks系统的核心之一。LonTalk协议能提供端到端报文确认，报文认证、打包业务和优先传送服务，提供网络管理服务的支持，并允许远程网络管理工具与网络设备进行交互。LonTalk协议符合ISO/OSI参考模型的七层体系结构LonTalk协议采用分级编址方式，即域、子网和节点地址。每个子网最多可以有127个节点。一个域中最多可以有323
45、85个节点数据显示:网络变量显式报文OSI层用途提供的服务CPU7应用层应用兼容性LONMARK对象、配置属性、标准网络变量类型（SNVT）、文件传输应用CPU6表示层数据解释网络变量、应用报文、外来帧的传输、网络接口 网络CPU5 会话层 远程操作 请求/响应、证实、网络服务 网络CPU 4 传输层 端到端（End-to-End）通信可靠性 确认和非确认报文、通用排序、双重检测网络CPU 3 网络层 目标寻址 单点和多点寻址、路由选择信息 网络CPU 2 链路层介质访问和成帧成帧、数据编码、CRC（循环冗余校验）错误检测、可预测的CSMA（载波监听多路访问）、冲突避免、优先级、冲突检测介质访
46、问控制CPU1 物理层 电气互连 特定介质的接口和调制方案 介质访问控制CPU 回顾20世纪80年代初，德国BOSCHController Area Network最初:解决汽车内部的复杂硬信号接线目前:过程控制、机械、机器人.特点：多主方式工作;节点信息分成不同的优先级;直接通信距离最远可达10km（速率5kbps以下）；通信速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40m）;点数可达110个;通信介质;CAN结构：数据链路层(LLCMAC)和物理层。SJA1000回顾HART:“Highway Addressable Remote Transducer”（高速远程可寻址转换器）。HART
47、协议是唯一向后兼容的智能仪表解决方案，在一条电协议是唯一向后兼容的智能仪表解决方案，在一条电缆上可以同时传递缆上可以同时传递4-20mA 模拟信号和数字信号。模拟信号和数字信号。HART 在在提供现场总线的好处时，保留对现有提供现场总线的好处时，保留对现有4-20mA系统的兼容性。系统的兼容性。HART 协议智能仪表在不干扰协议智能仪表在不干扰4-20mA模拟信号的同时允许双模拟信号的同时允许双向数字通讯。主要变量和控制信号信息由向数字通讯。主要变量和控制信号信息由4-20mA传送传送(如果如果需要需要)，而另外的测量、过程参数、设备组态、校准及诊断信，而另外的测量、过程参数、设备组态、校准及
48、诊断信息在同一线对、同一时刻通过息在同一线对、同一时刻通过HART 协议访问。协议访问。HART 协议使用协议使用Bell202 频移键控频移键控(FSK)标准，在标准，在4-20mA基基础上叠加低电平的数字信号。数字础上叠加低电平的数字信号。数字FSK 信号相位连续，不会信号相位连续，不会影响影响4-20mA信号。逻辑信号。逻辑“1”由由1200 Hz频率代表，逻辑频率代表，逻辑“0”由由2200 Hz 代表代表.三、HART 是怎样工作的？HART 基于主基于主/从（从（master/slave）协议原理，这意味着）协议原理，这意味着只有在主站呼叫时，现场设备（从站）才传送信息。在一个只有
49、在主站呼叫时，现场设备（从站）才传送信息。在一个HART网络中，两个主站网络中，两个主站(主和副）可以与一个从设备通讯。主和副）可以与一个从设备通讯。副主站，如手持终端，几乎可以连接在网络任何地方，不影副主站，如手持终端，几乎可以连接在网络任何地方，不影响主站通讯的情况下与任何一个现场设备通讯。典型的主站响主站通讯的情况下与任何一个现场设备通讯。典型的主站可以是可以是DCS、PLC，基于计算机的控制或监测系统。典型的基于计算机的控制或监测系统。典型的两个主站的安装见图两个主站的安装见图3。HART 协议可以使用不同的模式进行智能现场设备与中协议可以使用不同的模式进行智能现场设备与中央控制或监测
50、设备的信息往返通讯。最常用的模式是在传送央控制或监测设备的信息往返通讯。最常用的模式是在传送4-20mA模拟信号同时进行主模拟信号同时进行主/从式数字通讯，见图从式数字通讯，见图4。这种模式，。这种模式，允许来自从设备的数字信息在主设备上每秒更新两次。允许来自从设备的数字信息在主设备上每秒更新两次。4-20mA 模拟信号是连续的，仍然可以载送控制的主要变量。模拟信号是连续的，仍然可以载送控制的主要变量。“Burst”是可选的通讯模式，是可选的通讯模式，(图图5)允许单一的从站连续的广播一个标允许单一的从站连续的广播一个标准的准的HART 响应信息。这种模式将主站从为得到更新的过程变量信息而不断