Profibus和CAN現場(chǎng)總線(xiàn)的幀轉換

1、概述

現場(chǎng)總線(xiàn)是一種用于智能化現場(chǎng)設備和自動(dòng)化系統的開(kāi)放式、數字化、雙向串行、多節點(diǎn)的通信總線(xiàn)。

在實(shí)際的生產(chǎn)建設中，我們將會(huì )經(jīng)常遇到將不同現場(chǎng)總線(xiàn)的設備集成在一起或者在某一現場(chǎng)總線(xiàn)中利用其他現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的設備的問(wèn)題。這就涉及到了不同的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的協(xié)議轉化。數據鍵路層的幀轉換是這些協(xié)議轉化中的一個(gè)很關(guān)鍵的問(wèn)題。
在這里，我們以Profibus-DP和CAN這兩種當今使用廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)來(lái)研究現場(chǎng)總線(xiàn)的協(xié)議幀轉化。

2、CAN現場(chǎng)總線(xiàn)的傳輸層協(xié)議簡(jiǎn)介

傳輸層是CAN協(xié)議的核心。它把接收到的報文提供給對象層，以及接收來(lái)自對象層的報文。傳輸層負責位定時(shí)及同步、報文分幀、仲裁、應答、錯誤檢測和標定、故障界定。

報文路由：報文的內容由識別符命名。識別符不指出報文的目的地，但解釋數據的含義。因此，網(wǎng)絡(luò )上所有的節點(diǎn)可以通過(guò)報文濾波確定是否應對該數據做出反應。

報文傳輸由以下4個(gè)不同的幀類(lèi)型所表示和控制：

? 數據幀：數據幀攜帶數據從發(fā)送器至接收器。
? 遠程幀：總線(xiàn)單元發(fā)出遠程幀，請求發(fā)送具有同一識別符的數據幀。
? 錯誤幀：任何單元檢測到一總線(xiàn)錯誤就發(fā)出錯誤幀。
? 過(guò)載幀：過(guò)載幀用以在先行的和后續的數據幀（或遠程幀）之間提供一附加的延時(shí)。

數據幀（或遠程幀）通過(guò)幀間空間與前述的各幀分開(kāi)。

在這里我們以數據幀為例來(lái)分析CAN的幀結構。

2.1 數據幀

數據幀由7個(gè)不同的位場(chǎng)組成，如圖1所示：

圖1 數據幀的結構

（1）幀起始

它標志數據幀和遠程幀的起始，由一個(gè)單獨的“顯性”位組成。

（2）仲裁域

仲裁域包括識別符（ID）和遠程發(fā)送請求位（RTR）。

識別符（ID）：識別符的長(cháng)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：該位在數據幀里必須為“顯性”，而在遠程幀里必須為“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，包括數據長(cháng)度代碼和兩個(gè)將來(lái)作為擴展用的保留位。所發(fā)送的保留位必須為“顯性”。數據長(cháng)度代碼指示了數據域中字節數量，長(cháng)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)單獨的“隱性”位。

（5）應答域

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

（6）幀結尾

每一個(gè)數據幀和遠程幀均由一標志序列界定。這個(gè)標志序列由7個(gè)“隱性”位組成。

2.2 傳輸控制

（1）幀間空隙

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

圖4 幀間空隙（非錯誤被動(dòng)）

對于已作為前——報文發(fā)送器的“錯誤被動(dòng)”的站，其幀間空間如圖5所示：

圖5 幀間空間（錯誤被動(dòng)）

其中，intermission是強制性的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、數據域以及CRC序列，均通過(guò)位填充的方法編碼。無(wú)論何時(shí)，發(fā)送器只要檢測到位流里有5個(gè)連續識別值的位，便自動(dòng)在位流里插入——補碼位。

數據幀或遠程幀（CRC界定符、應答域和幀末尾）的剩余位域形式相同，不填充。錯誤幀和過(guò)載幀的形式也相同，但并不通過(guò)位填充的方法進(jìn)行編碼。其報文里的位流根據“不返回到零”之方法來(lái)編碼。這就是說(shuō)，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)議范圍只規定了“顯性”和“隱性”兩種邏輯值，而沒(méi)有明確規定表示這些邏輯電平的物理狀態(tài)。根據邏輯關(guān)系，我們可以設“顯性”邏輯值為邏輯“0”，“隱性”邏輯值為邏輯1。

3、Profibus數據鏈路層幀格式及相關(guān)的地址規定

（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(kāi)始位（ST）；8個(gè)信息位；1個(gè)奇偶校驗位（P）；1個(gè)停止位。