一种基于现场总线网络架构模式的网络化设计方法与流程

interconnection）基本参照模型中的传输层、数据链路层以及物理层；s2，can协议中关于iso/osi基本参照模型中的传输层、数据链路层以及物理层；s3，数据链路层分为mac（媒介访问控制，medium access control）子层和llc（逻辑链路控制，logical link control）子层，mac子层是can协议的核心部分；数据链路层是将物理层收到的信号组织成有意义的消息，提供传送错误控制等传输控制的流程。具体就是消息的帧化、仲裁、应答、错误的检测报告。
10.s4，can通信通过数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间隔这5种不同的帧来实现。
11.进一步的，在s4中，所述数据帧分为标准格式和扩展格式两种，分别由帧起始、仲裁段、控制段、数据段、crc段、ack段和帧结束7个段构成；标准格式和扩展格式的帧起始是相同的，都是由1个位的显性位表示帧的开始段；仲裁段是表示数据的优先级的段，标准格式和扩展格式在此有所不同，标准格式的id有11个位，从id28到id18被依次发送，禁止高7位都为隐性；扩展格式的id有29个位，从id28到id0，同样禁止高7位都为隐性；控制段表示数据段的字节数，由6个位构成，标准格式和扩展格式的构成有所不同；两种格式的数据段构成是相同的，均可包含0-8个字节的数据，且从最高位开始输出；两种格式的crc段都是检查帧传输错误的帧；标准格式和扩展格式的ack段都用来确认是否正常接收，由ack槽和ack界定符2个位构成；两种格式的帧结束都是由7个位的隐性位构成，用来表示帧的结束的段。
12.进一步的，在s4中，所述远程帧是接收单元向发送单元请求发送数据所用的帧，由帧起始、仲裁段、控制段、crc段、ack段和帧结束6个段组成；和数据帧相比，远程帧的rtr位为隐性位，且没有数据段，可以通过rtr位将没有数据段的数据帧和远程帧区分开来；远程帧的数据长度码以所请求数据帧的数据长度码表示。
13.进一步的，在s4中，所述错误帧是在接收和发送消息时检测出错误通知错误的帧，错误帧由错误标志和错误界定符构成；错误标志有主动错误标志和被动错误标志两种；主动错误标志是指处于主动错误状态的单元检测出错误时输出的错误标志，由6个位的显性位构成；被动错误标志是处于被动状态错误的单元检测出错误时输出的错误标志，由6个位的隐性位构成；错误界定符是由8个位的隐性位构成。
14.进一步的，在s4中，所述过载帧用于接收单元通知其尚未完成接收准备的帧，由过载标志和过载界定符构成；过载帧的过载标志是6个位的显性位，其构成与主动错误标志的构成相同；过载界定符是8个位的隐性位，其构成与错误界定符的构成相同。
15.进一步的，在s4中，所述帧间隔是用于分隔数据帧和远程帧的帧，由间隔、总线空闲和延迟传送构成；数据帧和远程帧可以通过插入帧间隔将本帧与前面的任何帧分开，过载帧和错误帧前不能插入帧间隔；帧间隔的间隔是3个位的隐性位；总线空闲为隐性电平，且无长度限制；延迟传送是8个位的隐性位，只在处于被动错误状态的单元刚发送一个消息后的帧间隔中包含的段。
16.进一步的，can协议的通信方法为nrz(non-return to zero)方式；各个位的开头或者结尾都没有附加同步信号；发送单元以与位时序同步的方式开始发送数据；接收单元根据总线上电平的变化进行同步并进行接收工作。
17.进一步的，接收单元通过硬件同步或者再同步的方法调整时序进行接收；硬件同步和再同步遵从以下规则：1个位中只进行一次同步调整；只有当上次采样点的总线值和边沿后的总线值不同时，该边沿才能用于调整同步；在总线空闲且存在隐性电平到显性电平的边沿时，则一定要进行硬件同步；在总线非空闲时检测到的隐性电平到显性电平的边沿如果满足上述的前两个条件的话，将进行再同步，且需满足下面的两个条件：1）发送单元观测到自身输出的显性电平有延迟时不进行再同步；2）发送单元帧起始到仲裁段有多个单元同时发送的情况下，对延迟边沿不进行再同步。
18.本发明方法大致设计过程如下：当总线空闲的时候，最先发送消息的单元具有最高的优先级，但是当有多个单元同时发送消息的时候，需要进行仲裁来判断各个单元优先级的高低。从各发送单元的仲裁段的第一位开始进行仲裁，其规则是连续输出显性电平最多的单元具有最高的优先级；当相同id的数据帧和远程帧在总线上竞争时，其仲裁段的最后一位(rtr)为显性位的数据帧具有较高的优先级；标准格式id与具有相同id的远程帧或者扩展格式的数据帧在总线上进行竞争时，rtr位为显性位的标准格式具有优先权。
19.与现有技术相比，本发明方法具有如下优点：设计简单、应用广泛、提高网络通信效率、保证通信的可靠实现。
附图说明
20.图1是本发明方法中的iso/osi基本参照模型图表。
21.图2是本发明方法中的iso/osi基本参照模型和can协议图表。
22.图3是本发明方法中的帧的种类及用途图表。
23.图4是本发明方法中的数据帧的构成图。
24.图5是本发明方法中的远程帧的构成图。
25.图6是本发明方法中的错误帧的构成图。
26.图7是本发明方法中的过载帧的构成图。
27.图8是本发明方法中的帧间隔的构成图。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
30.本发明使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记
载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中，常规的型号，加上电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。
31.本发明中can总线的网络化架构设计对于can总线的网络化架构来说， 它和数据网络的不同在于对介质间的信息传输有严格的时间限制。控制网络节点之间传输是频繁的、满足实时控制要求的较小量的控制信息数据和采样信息数据， 而数据网络传输的是不频繁的大量数据信息。控制网络强调在规定的时间内能够将控制信息传输给某一节点， 这样不至于出现由于控制信号传输的延迟而使系统产生振荡现象， 甚至是被控对象的不稳定。流行的工业现场总线profibus 立足于大型的集散控制系统， 具备了较强的灵活性和实时性。
32.can总线上的数据通信协议可以划分为“面向节点”和“面向报文”两种类型。
33.在面向节点的协议中，两个或更多节点之间的数据交换是基于对节点进行寻址实现的。在面向报文的协议中，数据交换是建立在报文标识符的基础之上的。每个传输的报文包含一个唯一的标识符来标识它自身。
34.由can-bus特性可知，can报文是通过报文标识符进行识别的，因此从某种意义上说，can-bus协议是面向报文的协议。然而，can-bus的协议规范并没有规定应用层，所以在制定can-bus应用层协议时，通常综合两者优势，既能提高网络通信效率，又能保证通信的可靠实现。
35.can总线中整个网络控制系统中的节点， 主要任务包括两方面的内容。首先是本站控制算法(逻辑判断、存储、显示、本站i/o控制等)的执行， 另外是以实时通讯的方式对网络中其他节点的数字量、模拟量进行控制和读取。总的来说， 总线上传输的数据类型包括以下4 种：（1）控制某一节点开关量的实时数据。这些数据的每一位代表了某一站点所控制的i/o 状态。
36.（2）控制某一节点模拟量的实时数据。这些数据以字(word)组织。每一字代表了某一站点即将输出的模拟量(d/a转换)数据。
37.（3）反映某一节点开关量状态的实时数据。读取该数据会指明该站点的i/o状态。
38.（4）反映某一节点模拟量(a/ d 转换结果)的实时数据， 这些数据以字(word)组织。读取该数据会指明该站点当前模拟输入量的大小。
39.在can总线空闲时，所有的单元都可开始发送消息(多主控制)，最先访问总线的单元可获得发送权( csma/ca方式)，多个单元同时开始发送时，发送id消息的优先级高的单元可获得发送权。
40.与总线相连的单元没有类似于“地址”的信息。因此在总线上增加单元时，连接在总线上的其它单元的软硬件及应用层都不需要改变。
41.根据整个网络的规模，可设定适合的通信速度。在同一网络中，所有单元必须设定成统一的通信速度。即使有一个单元的通信速度与其它的不一样，此单元也会输出错误信号，妨碍整个网络的通信。不同网络间则可以有不同的通信速度。
42.can总线是可同时连接多个单元的总线。可连接的单元总数理论上是没有限制的。但实际上可连接的单元数受总线上的时间延迟及电气负载的限制。降低通信速度，可连接
的单元数增加；提高通信速度，则需要减少连接的单元数。
43.can总线的网络化交互设计can协议的基本概念can协议涵盖了iso规定的osi（开放式系统间互联，open systems interconnection）基本参照模型中的传输层、数据链路层以及物理层，具体如图1所示。
44.can协议中关于iso/osi基本参照模型中的传输层、数据链路层以及物理层，它们具体的定义如图2所示。
45.数据链路层分为mac（媒介访问控制，medium access control）子层和llc（逻辑链路控制，logical link control）子层，mac子层是can协议的核心部分。数据链路层的功能是将物理层收到的信号组织成有意义的消息，并提供传送错误控制等传输控制的流程。具体就是消息的帧化、仲裁、应答、错误的检测报告。
46.can协议can通信是通过数据帧、远程帧、错误帧、过载帧和帧间隔这5种不同的帧来实现的。其中各种帧的用途如图3所示。
47.数据帧：数据帧可以分为标准格式和扩展格式两种，分别由帧起始、仲裁段、控制段、数据段、crc段、ack段和帧结束7个段构成，如图4所示。
48.标准格式和扩展格式的帧起始是相同的，都是由1个位的显性位表示帧的开始段；仲裁段是表示数据的优先级的段，标准格式和扩展格式在此有所不同，标准格式的id有11个位，从id28到id18被依次发送，禁止高7位都为隐性，而扩展格式的id有29个位，从id28到id0，同样禁止高7位都为隐性；控制段表示数据段的字节数，由6个位构成，而且标准格式和扩展格式的构成有所不同；两种格式的数据段构成是相同的，均可包含0-8个字节的数据，并且从最高位开始输出；两种格式的crc段都是检查帧传输错误的帧；标准格式和扩展格式的ack段都用来确认是否正常接收，由ack槽和ack界定符2个位构成；两种格式的帧结束都是由7个位的隐性位构成，用来表示帧的结束的段。
49.远程帧：远程是接收单元向发送单元请求发送数据所用的帧，由帧起始、仲裁段、控制段、crc段、ack段和帧结束6个段组成，其构成如图5所示。
50.和数据帧相比，远程帧的rtr位为隐性位，而且没有数据段，因此可以通过rtr位将没有数据段的数据帧和远程帧区分开来。远程帧的数据长度码以所请求数据帧的数据长度码表示。
51.错误帧：错误帧是在接收和发送消息时检测出错误通知错误的帧，错误帧由错误标志和错误界定符构成，如图6所示。
52.错误标志有主动错误标志和被动错误标志两种。主动错误标志是指处于主动错误状态的单元检测出错误时输出的错误标志，由6个位的显性位构成；被动错误标志是处于被动状态错误的单元检测出错误时输出的错误标志，由6个位的隐性位构成。而错误界定符是由8个位的隐性位构成。
53.过载帧：
过载帧用于接收单元通知其尚未完成接收准备的帧，由过载标志和过载界定符构成，如图7所示。
54.过载帧的过载标志是6个位的显性位，其构成与主动错误标志的构成相同；过载界定符是8个位的隐性位，其构成与错误界定符的构成相同。
55.帧间隔：帧间隔是用于分隔数据帧和远程帧的帧，由间隔、总线空闲和延迟传送构成，其构成如图8所示。
56.数据帧和远程帧可以通过插入帧间隔将本帧与前面的任何帧（数据帧、远程帧、错误帧、过载帧）分开，但是过载帧和错误帧前不能插入帧间隔。帧间隔的间隔是3个位的隐性位；总线空闲为隐性电平，且无长度限制；延迟传送是8个位的隐性位，只在处于被动错误状态的单元刚发送一个消息后的帧间隔中包含的段。
57.当总线空闲的时候，最先发送消息的单元具有最高的优先级，但是当有多个单元同时发送消息的时候，需要进行仲裁来判断各个单元优先级的高低。从各发送单元的仲裁段的第一位开始进行仲裁，其规则是连续输出显性电平最多的单元具有最高的优先级；当相同id的数据帧和远程帧在总线上竞争时，其仲裁段的最后一位(rtr)为显性位的数据帧具有较高的优先级；标准格式id与具有相同id的远程帧或者扩展格式的数据帧在总线上进行竞争时，rtr位为显性位的标准格式具有优先权。
58.can协议的通信方法为nrz(non-return to zero)方式。各个位的开头或者结尾都没有附加同步信号。发送单元以与位时序同步的方式开始发送数据。另外，接收单元根据总线上电平的变化进行同步并进行接收工作。
59.但是，发送单元和接收单元存在的时钟频率误差及传输路径上的（电缆、驱动器等）相位延迟会引起同步偏差。因此，接收单元通过硬件同步或者再同步的方法调整时序进行接收。
60.硬件同步和再同步遵从以下规则：1个位中只进行一次同步调整；只有当上次采样点的总线值和边沿后的总线值不同时，该边沿才能用于调整同步；在总线空闲且存在隐性电平到显性电平的边沿时，则一定要进行硬件同步；在总线非空闲时检测到的隐性电平到显性电平的边沿如果满足上述的前两个条件的话，将进行再同步，但还需满足下面的两个条件；发送单元观测到自身输出的显性电平有延迟时不进行再同步；发送单元帧起始到仲裁段有多个单元同时发送的情况下，对延迟边沿不进行再同步。
61.以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。