控制网

陈华明,张  刚

1  概述
在计算机工业控制系统中，一般包括智能I/O处理单元、主控单元（主CPU单元）和后台处理系统。主控单元与后台处理系统之间通过10/100Mbps以太网进行连接；主控单元与智能I/O处理单元之间的连接采用现场总线，如Profibus、FF、LonWork、CAN Bus等。
CAN(Controller Area Network)是一种成熟的现场总线，由德国BOSCH公司开发，最初用在汽车内的自动化系统中，由于其性能优异、价格低廉，很快被推广到工业控制现场。其物理层使用双绞线，符合ISO DIS 11898标准，其数据链路层采用了载波侦听及碰撞检测机制(CSMA/CD)，同ETHERNET相似，不同的是CAN Bus在此基础上增加了优先级控制，使高优先权的信息可以不受阻碍地立即传送。CAN Bus的最大特点是其可靠性，按ISO DIS 11898标准，双绞线中即使有一条线接地或与电源短路，甚至断线，它都可以正常地传输信息。其最高传输速率为1Mbps，最大传输距离为10km，网络上的节点数量无特定限制。
与主从方式的现场总线不同，CAN Bus是一种对等式(Peer-to-Peer)的现场总线网，采用CAN Bus连接主控单元与I/O单元，可以通过节点ID和ID掩码的选择，方便地实现点对点、点对多点和广播等多种传输方式；可以提高主控单元与I/O单元，I/O单元之间的隔离性，便于实现模块的冗余和不停机拆装；可以实现无集中机柜的分散安装方式，系统控制功能可进一步向下分散。
目前使用的CAN Bus技术规范有两部分，即CAN2.0A和CAN2.0B。CAN Bus的技术特点如下：
①  各个节点具有相同的总线访问权，Peer-to-Peer方式无需主节点；
②  无破坏性的基于优先权的总线仲裁策略；
③  不需要发送目的地址，借助接收节点滤波实现向多点发送；
④  数据帧、数据请求帧、出错帧和超载帧等四种帧格式；
⑤  五种错误检验；
⑥  配置灵活性；
⑦  全系统数据相容性；
⑧  发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重发；
⑨  暂时错误和永久性故障节点的判别及故障点的自动化脱离；
⑩  可程序控制的传送速率。
CAN2.0B与CAN2.0A相比的最大区别在于CAN2.0B识别码由11位扩展到了29位，更为灵活方便。
SJA1000是一款常见的CAN2.0B控制器，用于汽车和一般工业环境中的控制器局域网络（CAN）。它是PHILIPS半导体PCA82C200 CAN控制器（BasicCAN）的替代产品。而且，它增加了一种新的工作模式，即PeliCAN，这种模式支持具有很多新特性的CAN 2.0B协议。
其扩展功能主要有：① 可读/写访问的错误计数器。② 可编程的错误报警限制。③ 最近一次错误代码寄存器。④ 对每一个CAN Bus错误的中断。⑤ 具体控制位控制的仲裁丢失中断。⑥ 单次发送（无重发）。⑦ 侦听模式（无应答、无主动的出错标志）。⑧ 支持热插拔（软件实现的位速率检测）。⑨ 验收滤波器扩展（4字节代码、4字节屏蔽）。⑩ 自身信息接收（自接收请求）。
2  总线的应用
要提高基于CAN Bus控制系统的性能，必须注重主控单元与I/O单元、I/O单元之间的通信效率和可靠性，充分合理的利用CAN控制器提供的功能，设计高效而又满足应用的应用层协议。
下面就以SJA1000为例，描述在工业控制系统中CAN Bus的应用设计，包含通信速率、节点定义、帧结构、过滤方式、识别码格式和优先级的定义等内容。
2.1  通信速率
系统预设8种通信速率，根据SJA1000的实际时钟频率，计算出每种通信速率下SJA1000的BTR0 和BTR1寄存器的设置值。系统的通信速率由主控单元确定（根据组态软件的设置来设置SJA1000），I/O单元自动侦听CAN Bus通信速率，并设置自身的SJA1000。
2.2  节点定义
主节点： 主CPU（主控单元）节点，允许单CPU、双CPU、多CPU等配置方式。
从节点： I/O单元节点，允许单I/O、双I/O冗余配置方式，同一CAN Bus上的从节点数目最大为64。
2.3  CAN通信帧结构
所有在CAN Bus上传送的信息都以帧为基本单元，每帧的长度为5～13个字节，具体长度视传送内容确定。CAN通信帧结构见表1。

表1  CAN通信帧结构

2.4  过滤方式
为提高CAN Bus上通信效率和可靠性，并充分利用CAN Bus的优先级仲裁机制，系统应保证：
(1)  CAN Bus不同节点所发送的通信帧其识别码一定不同；
(2)  对于CAN Bus上的点对点通信帧，保证有且只有目的节点能接收到。
要满足上述2个要求，在设计上应使通信帧的识别码与SJA1000验收滤波器互相配合。
SJA1000 验收滤波器由4 个验收码寄存器ACR0、ACR1、ACR2和ACR3和4个验收屏蔽寄存器AMR0、AMR1、AMR2和AMR3组成。它们在SJA1000的复位模式下可由主控制器设置，从而可对接收信息构成非常灵活的滤波。
在本系统中，CAN节点对通信帧的接收采用单过滤方式。单滤波是指只有1个由4个验收码寄存器和4个验收屏蔽寄存器组成的验收滤波器，总线上的信息只有通过它的验收滤波才予以接收。ACR和AMR是配合在一起工作的，所有AMR 为0 的位，ACR和CAN通信帧识别码的对应位必须相同才能验收通过；所有AMR 为1 的位，ACR 对应位的验收滤波功能则予以屏蔽，CAN 信息帧的相关位与验收结果无关。
节点的验收码和屏蔽码的设置见表2。

表2  CAN节点验收码和屏蔽码设置表 

对于所有类型的节点，验收码ACR0.4-ACR0.0、ACR2和ACR3的所有位均为0，屏蔽码AMR0.4-AMR0.0、AMR2和AMR3的所有位均为1。
I/O单元各节点均分配一个逻辑ID，由此确定CAN通信的物理地址，从节点逻辑ID及验收码ACR1和屏蔽码AMR1的分配规则为：
  从节点的验收码ACR1的8位由4个“1”和4个“0”组成；
  不同从节点的验收码ACR1均不相同；
  从节点逻辑ID越小，对应的验收码ACR1也越小；
  从节点的屏蔽码AMR1为其验收码ACR1的反码。
根据上述规则，可分配出70个从节点，选取其中的64个作为系统的从节点。
2.5  CAN通信帧报文标识码（29位）定义

CAN通信帧报文标识码（29位）定义如下：

ID.28~ID.26：信息流向（MDIR），3位。具体含义见表3。

表3  CAN节点信息流向表
 

ID.25~ID.21：信息类型（MTP），5位；
ID.20~ID.13：从节点号索引（SNI），8位。CPU节点发送时表示目的从节点，从节点向CPU节点发送时表示源从节点，从节点之间通信时表示目的从节点。0ffh表示是广播帧，发送点对点帧时，SNI就是从节点逻辑ID号对应的从节点验收码ACR1。
ID.12~ID.5：信息编移（MOS），8位。对于点对点的CAN通信帧，此信息偏移表示该通信帧内数据的偏移。对于CPU节点发送的广播帧，此信息偏移用来表示发送此广播帧的不同的CPU节点，例如可以是CPU节点所在主控单元的系统网络站号。
ID.4~ID.2：保留，3位。
ID.1~ID.0：源节点内部单元序号(SNMN)，2位。非冗余CPU节点发送时，SNMN保留，为0；冗余CPU节点发送时，为0和1分别表示该冗余CPU节点的A机和B机（为2和3保留）。非冗余I/O单元从节点发送时，SNMN保留，为0；冗余I/O单元从节点发送时，为0和1分别表示该冗余I/O单元的A单元和B单元（为2和3保留）。
2.6  CAN通信帧传送优先级
根据所定义的CAN通信帧报文标识码格式，CAN Bus上各通信帧传送优先级首先由MDIR决定。
按照MDIR，CAN通信帧优先级由高到低依次为：
①  主节点（CPU节点）向从节点发送的点对点帧，如主控单元向某一I/O单元发送配置数据。
②  主节点向所有从节点发送的广播帧，如主节点向所有从节点请求I/O单元工作状态，或主节点向所有从节点请求当前数据。
③  主节点向主节点发送的点对点帧。
④  主节点向所有主节点发送的广播帧。
⑤  从节点之间点对点通信帧。
⑥  从节点向主节点发送的广播帧。
上述6类通信帧中，常用到的有①、②和⑥这三种，能满足数据采集与控制的基本应用要求。
在MDIR后，CAN通信帧传送优先级由MTP决定。在MDIR相同的情况下，MTP对优先级的确定起着决定作用，从而保证重要信息类型数据的优先传送。例如SOE（事件顺序记录）信息就可以比普通的巡检数据优先传送。
常见的信息类型有网络同步帧、请求配置、配置数据、SOE数据、巡检数据、状态数据等，在系统设计时可根据其重要程度排定优先级，并确定相应的MTP数值。
在MTP后，CAN通信帧传送优先级由SNI决定。在MDIR和MTP都相同的情况下，CAN通信帧的优先级取决于SNI，逻辑ID越小，其优先级越高。
3  结语
本文以SJA1000为例，通过节点定义、帧结构、过滤方式、识别码定义和优先级定义等方面的应用设计，可以实现工业控制系统中多冗余的主控单元和64个可冗余I/O节点之间的高效可靠的数据通信，实现不同流向的各种类型的通信帧的高效传送。通信帧优先级由MDIR、MTP和SNI依次决定，并保证CAN Bus上不会出现相同的识别码。