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基于神经网络的CAN总线智能节点设计pdf

发布时间:2019-07-03 05:30 来源:未知 编辑:admin

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  1∥975136 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或 部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密口,在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密瓯 学位论文作者签名: 指导教师签名: 沙勰彩月旧 ≥一台年二月f日 独创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外,本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: / 日期:耖尹莎年 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1.1课题研究的背景及意义 显示器(CRT)技术的发展,特别是微处理器技术和集成电路技术的飞速发展以及市 场竞争和用户需求的提高,过程控制系统已经经历了基地式气动控制仪表系统 Control PCS(Pneumatic Control Control System)、集中式数字控制系统CCS(ComputerSystem)和集散式控制 Control 系统DCS(DistributedSystem)的前四代而发展至今天的第五代——现场总 Control 线控制系统FCS(Fieldbus System)。现场总线控制系统的核心是现场总线。 Electrotechnical 根据国际电工委员会IEC(InternationalCommission)标准和现场总 线基金会FF(FieldbusFoundation)的定义:现场总线是连接智能现场设备和自动化 系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线控制系统FCS与集 散控制系统DCS相比,具有四大优点【1】: (1)信号传输数字化:这是现场总线控制系统的鲜明特点,相对于传统DCS 的模拟信号传输,系统的精度和有效性都大大提高,同时又因无须采用抗干扰和 提高精度等措施,有利于降低系统的成本。 (2)标准统一全开放:相对于DCS只做到操作站以上开放,控制层不开放。 FCS则是系统从上到下全开放。这样可以促进技术更好的得到进步,防止个别厂 商的垄断。同时由于不同厂家的产品采用统一的国际标准,在硬件、软件、通讯 规程、连接方式等方面互相兼容,可以实现互换和互联。这种开放性系统更加有 利于用户使用、操作、维护和扩展。 (3)控制彻底分散:在FCS中由高度智能的现场设备来分散的完成DCS的 功能,可以省去控制器的层次,同时也使控制风险得到彻底的分散,进而提高了 系统的可靠性。 (4)现场通信网络:所有智能化现场仪表都通过特定的接口挂接到总线上, 通过总线现场智能仪表之间可以相互通信,实现现场通信网络,同时这种通信方 式实现了一对传输线连接多台仪表,双向传输多个信号的功能,有效的改变了传 江苏大学硕士学位论文 统DCS系统一台仪表一对传输线传输单个信号的局面,大大提高了现场的通信能 力同时降低了系统的成本。 由上可知FCS既是一个开放的通信网络,又是一种全分布控制系统。它把单 个分散的测量控制设备变成网络节点,以现场总线为纽带,把它们连接成可以相 互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与测控系统。因而研究基于现场总线 技术的智能测控节点成了测控领域研究新技术的重点。由于现场总线适应了工业 控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向,对大范围、大规模加l的分布式 系统来说,FCS相比以往任何一代控制系统可以省去大量的电缆、I/O模块及安装 维护费用,大大降低了系统及工程的成本,因此它一经产生便成为全球工业自动 化技术的热点,受到全世界的普遍关注。 Area 控制器局域网络CAN(ControllerNetwork)总线是一种目前比较流行的现 场总线,支持多主工作方式,网络上的任何节点均可在任意时刻向其它节点发送 信息,支持点对点,一点对多点和全局广播方式。采用总线仲裁方式,按优先级 高低不同发送数据,避免总线位的短帧传输结构,传输时间短,抗 干扰能力强。CAN总线卓越的特性、极高的可靠性、实时性和独特的设计,越来 越受到工业界的重视,并被公认为最有前途的现场总线之一。 CAN总线技术的最大应用同样在于组建CAN总线控制系统,而对于现场总 线控制系统其关键环节是智能节点的设计,通过设计功能完善的智能节点有助于 建立完整的CAN现场总线控制系统,从而提高整个工业控制系统的发展水平,以 方便企业的管理、节约企业的生产成本和提高生产效率。此外,研制完善的CAN 现场总线控制系统将进一步促进现场总线技术的发展乃至对整个国内自动化水平 的提高都有不可忽视的意义. 1.2国内外的发展现状及趋势 现场总线】,其中CAN总线协议最早由德国BOSCH 公司推出,用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信,由于其卓越的性能, 极高的可靠性和独特的设计,CAN总线在以后的几十年间越来越受到业界的重视, 逐步发展到应用于其它工业部门的控制领域,在国内外的应用范围也在不断的扩 展。 2 江苏大学硕士学住论文 由德国BOSCH公司推出至今,CAN总线协议得到了不断的扩展和完善,由 CAN总线的性能进一步得到了增强。目前,国际标准化组织ISO/TC22技术委员 在工业领域内的发展。目前CAN现场总线技术在美国和欧洲等发达国家和地区发 已经开始采用CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通 信【l】。在亚洲远东地区,许多大学和研究机构正利用他们自身的条件帮助用户提高 对现场总线技术的认识和理解。根据市场的需求和技术的发展趋势,国外各大仪 表制造厂都把发展现场总线技术和产品放在技术进步的第一步。目前已有Intel, 有相应的CAN总线接口适配卡,这些产品接口简单,编程方便,实用性强,适合 in 国内目前的应用情况。1993年3月,OA(CAN 户及制造商协会在欧洲成立,其任务为制订修改CAN的有关协议,解决CAN应 用中的问题,提供CAN总线的开发工具及产品,推广CAN的应用。 CAN总线目前己广泛应用于工业领域中的各个方面,已不再局限于汽车行业, 而是向机械制造、纺织机构、机器人、数控机床、医疗器械、建筑物管理与监控、 火车、传播、传感器测控等领域发展。在医疗器械方面,S正MENS公司生产的基 于CAN总线通信系统的CT断层扫描仪,有效的解决了CT功能单元之间需要进 行的大量的数据交换问题,改善了设备的性能。在传感器技术及数据采集系统领 感器相连接,省去了中间环节,简化了系统。瑞士GRossDmAsc髓R电子公司 开发的带有CAN总线接口的轴控系统ACS—E目前已成功应用于CNC机床,通 过CAN总线该系统一方面可以与上位机进行通信,另一方面通过CAN总线该系 统可以对多台数字式伺服电机实行控制。此外,一些大公司,如AB公司的Device 总线技术及其产品的可靠性与实用性,对于CAN总线控制系统的研究和设计成为 江苏大学硕士学位论文 目前国际上研究的热点,研究工作也将向着更加深入的方向发展,而CAN总线技 术也将更广泛的投入于实际应用。 我国的现场总线技术起步较晚,起点也较低。根据市场需求和现场总线技术 的发展趋势,国家自1996年起把现场总线智能仪表与系统作为关键技术列入科技 攻关计划,并争取至2005年实现基于现场总线技术的全数字系统的开发和商品化, 从技术上完成模拟现场仪表到基于现场总线的全数字开放自动化系统的转化,并 在以后进一步开拓现场总线技术包括CAN总线技术在国内市场的应用。但从目前 情况看,现在基于CAN总线技术的产品应用在我国仍处于起步阶段,一些CAN 总线控制器芯片的应用开发也有待继续发展,有关现场总线技术的智能仪表都以 国外产品为主,而且价格昂贵,国内产品的研制大都还处于起步阶段【l】【4】。 就CAN总线智能节点的开发研制而言,其控制器所采用的算法一般都为PID 控制算法,其智能性和精确性都相对较差【l】,限制了现场总线的应用范围,对于一 些不能辨识数学模型的黑箱系统以及对象参数变化的时变系统表现的尤为明显。 因此,采用更加先进和智能的控制算法,对算法进行优化并进一步应用于CAN总 线控制系统中,已经成为目前一项追切而重要的工作。神经网络控制算法不依赖 于控制对象的数学模型,是近几年发展起来的一种智能控制算法,在算法中,分 别取系统的误差、误差的变化和误差变化的平方作为输入的状态变量,每个变量 赋予不同的权值,并按照一定函数关系运算输出控制量,其中根据特定的学习算 法可以对权值进行自动的调整,以最终到达理想的输出结果。神经网络控制算法 具有自学习能力,控制精度高,自适应性比较强,其算法可由单片机系统来实现, 特别适合于参数不易辨识的黑箱系统以及对象参数变化的时变系统,己经在许多 领域得到应用并且取得了很好的效果闭。 随着我国对现场总线技术需求的增加以及现场智能设备技术的不断成熟与完 善,基于现场总线技术的产品将在国内得到更广泛的应用,CAN总线也必然会成 ●‘一, 。 为国内最常用的现场总线之一,本课题结合神经网络控制算法详细阐述了CAN总 线智能节点的设计开发,将对现场总线技术及其产品在国内的传播和发展产生积 极的影响。下面将简要介绍一下论文研究的主要内容。 4 江苏大学硕士学位论文 1.3论文的主要内容 本论文研究的主要内容包括以下几个方面: (1)分析现场总线及其控制系统的特点和优点,阐述控制器局域网总线CAN 的通信协议、原理、特点和优点,分析其应用范围和前景。 (2)作为CAN智能节点的控制算法阐述了前向人工神经网络模型以及BP算 法,论证BP算法的收敛性并在此基础上改进完善了BP神经网络控制算法。 (3)详细论述CAN智能节点的功能模块组成以及各模块的工作原理及接口 电路,完成CAN智能节点的硬件电路设计,使之能挂接到CAN现场总线)详细阐述基于单片机和PC机的CAN总线智能节点的软件设计,通过设 计可视化的操作软件,实现CAN智能节点和上位机的通信功能。 (5)通过对智能节点的硬件和软件设计,搭建一个简单的cAN现场总线控 制系统,最终由上位机通过CAN总线测控系统实现对现场双容水箱的液位控制。 5 江苏大学硕士学位论文 第二章现场总线现场总线简介 根据国际电工委员会IEC标准和现场总线基金会FF的定义:现场总线是连接 智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。同时 现场总线不单单是一种通信技术,也不仅仅是用数字仪表代替模拟仪表,关键是 Control 用新一代的现场总线控制系统FCS(FieldbusSystem)代替传统的集散控制 Control 系统DCS(DistributedSystem),实现现场通信网络与控制系统的集成。 2.1.1现场总线控制系统的特点 以现场总线为核心的新一代现场总线所示)相比于传 统的集散控制系统DCS(如图2.2所示),在本质上具有以下六大特点【11【21: (1)现场通信网络:现场总线是用于过程自动化和制造自动化的现场仪表或 现场设备互连的现场通信网络。是CIPS(计算机集成过程系统)和CIMS(计算 机集成制造系统)的最底层。 (2)现场设备互连:各种现场设备通过一对传输线互连,成为现场总线)互操作性和互换性:在现场总线中允许不同厂商的现场设备互连、互换, 以组成用户所需的性价比最优的控制回路。 (4)分散功能模块:现场总线控制系统FCS是结构与功能高度分散的系统。 在结构上采用了全分布式方案,设备之间可点对点、点对多点或广播多种方式通 信;在控制功能上,连接到总线上的现场设备是智能化的,具有按照现场总线协 议、规范进行数字通信的能力,并且能够实现分散的功能模块,完成测量、控制、 d , 通信的一体化。因此,FCS废弃了DCS的控制站及其输~输出单元,从根本上改 变了DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系,通过将控制功能高度分散到现 场设备这一途径,实现了彻底的分散控制。由于功能块分散在多台现场仪表中, 并可统一组态,因此用户可以灵活的选用各种功能块,构成所需控制系统,实现 彻底的分散控制,从而有效的提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。 6 江苏大学硕士学位论文 (5)开放式系统:现场总线为开放式互联网络,既可与同层网络互连,也可 ’ 与不同层网络互连,实现了网络数据库的共享。 (6)数字化:现场总线是数字通信网络。在现场总线控制系统中,同层的或 不同层的总线设备之间均采用数字信号进行通信。而传统的DCS则是半数字化, 只在操作站与控制站之间是数字化通信,而现场仪表与控制站中的输入/输出单元 之间采用的是一对一的模拟信号输出。 图2.1传统DCS控制层 图2.2现场总线FCS控制层 ThetraditionalofDCS The ofFCS Fig.2.1 layer Fig.2.2 layer 2.1.2现场总线的通信模型 现场总线作为现场级通信网络,是连接现场智能设备和上层局域网LAN的通 信纽带。现场总线网的设计是整个系统设计的关键。国际标准化组织ISO建立的 开放系统互连参考模型,简称OSI参考模型(如图23所示),是为实现开放系统 互连建立的分层模型,同时为异质计算机互连提供了一个基础和标准框架。 ISO/OSI参考模型其体系结构共有7层,从下往上分别为:物理层、数据链路层、 网络层、传输层、会话层、表达层及应用层。作为工业控制现场底层网络的现场 总线,必须符合工业控制实时性的要求,为此,国际电工委员会/美国仪表学会 (正c/ISA)在以ISO,oSI参考模型的基础上,综合了多种现场总线标准,最终采 用了简化的OSI模型作为现场总线所示。通过比较这两种通 信模型可知:现场总线通信模型在结构上比ISO/OSI模型更简单,减少了中间层 次,这主要是针对工业过程的特点,使数据在网络流动中减少环节,进而加快数 据传递速度,达到网络通信和数据处理的实时性要求。 江苏大学硕士学位论文 作为具体的现场总线,其现场通信网模型与IEC/ISA所定义的标准模型又有 一些差别,下面将简单的阐述目前几种常用的现场总线。 用户 用户 APPLICATl0N 妤PLICATl0H 应用层 应用层 PRESENTATIONoRESENTATl0N 表达层 表达层 SE5S10N SESSION 会话层 会话层 TRAHSPORT TRAN5PORT 用户 用户 传送层 传送层 ^PPLICATION APPLICATIoN HET№lil【 艇T们雕 应用层 应用层 阿络层 阿络层 DATALINK DATALINK DATALINK DATALINK 数据链路层 数据链路层 数据链路层 数据链路层 PHYSIC虬 PHYSIC^L PHYSIC^L PHYSIC^L 物理层 物理层 物理层 物理层 L L r物理介质。 ‘物理介质。 ( ) ( ) Is0/osI参考梗型图 IEc/IsA现场总线 lSO/OSI参考模型图 图2.4Ⅲc/IsA现场总线参考模型图 ThemodelofISO/OSI TheFCSmodelOf难C/ISA Fig.2.3 Fig.2.4 2.1.3几种常用的现场总线 由于各国的标准化组织、各大公司、技术协会以及IEC和ISO对现场总线技 术标准化工作的关注,使得现场总线的国际标准化呈现出复杂的局面。目前已经 开发出了40多种现场总线,其中最具影响的有五种【1】【2】,分别是FF、PROFIBUS、 HART、LonWorks和CAN现场总线)FF ffoundation 司为首,联合欧洲150多家公司制订的WofldFW协议。迫于用户需求的压力,两 大集团于1994年进行了合并,成立了现场总线基金会FF,致力于开发国际上统一’ 的现场总线协议。FF的体系结构参照ISO/OSI模型的第1、2、7层协议,即物理 层、数据链路层和应用层,另外增加了用户层,定义了信息存取的统一规范,这 是FF的关键特点。 8 江苏大学硕士学位论文 FF提供了两种物理标准:H1和H2。H1为用于过程控制的低速总线,速率为 双绞线、同轴电缆和光纤,协议符合IECl158-2标准。介质访闯方式:主从、令牌 方式。 (2)PROFIBUS(ProcessFieldbus),作为德国国家标准和欧洲国家标准的现 场总线标准,该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。 PROFIBUS由三部分组成:PROFIBUS--DP(Decentralized Periphery,分布式外设), PROFIBUS—FMS(Fieldbus Message PROFmuS—PA(Process 的通信;FMS用于主站之间的通信;PA用于过程行业从站之间的通信。PRoFmus 的网络协议以ISo/0SI参考模型为基础,对第3~6层进行了简化,取其物理层和 数据链路层协议。其中FMS(应用层协议)定义了应用层(第7层)的内容,物理层采 用混合介质存取方式,即主站间按令牌方式,主站和从站间按主从方式工作。 AddressableRemote (3)HART(HighwayTransducer,可寻址远程传感器数据 作为一过渡性标准,它通过在4~20mA电源信号线上叠加不同频率的正弦波 传统模拟系统的兼容性。介质访问控制方式为主从、令牌方式。 (4)LonWorks(Local Operating (预测P一坚持载波监听多路复用),其最大传输速率为1.5Mbps,传输距离为2700m, 传输介质可以是双绞线、光缆、射频、红外线和电力线等,主要构建大型网络控 3个8位微处理器,分别负责介质访问控制、网络处理和应用处理。该芯片强大的 网络通信处理功能配以面向对象的网络通信方式,大大降低了开发人员在构造应 用网络通信方面所需花费的时间和费用,而可将精力集中在所擅长的应用层进行 控制策略的编制,因此目前LonWorks总线也是一种很流行的现场总线 江苏大学硕士学位论文 与执行部件之间的数据通信,逐步发展到用于其它工业部门的控制。CAN结构模 型取ISO/OSI模型的第l、2、7层协议,即物理层、数据链路层和应用层。CAN 总线通信采用广播方式并带有冲突检测、多主节点以及基于报文的数据传送方式。 对于CAN节点可进行优先级设定,CAN的信号传输采用短帧结构,节点严重错 误时,具有自动关闭的功能,具有较强的抗干扰能力,实时性好。有关CAN的内 、 容将在下一节做详细的说明。 2.2控制器局域网总线CAN CAN是由德国BOSCH公司于20世纪80年代初为解决现代汽车中众多的控 制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种数据通信协议。由于其卓越的性能, 极高的可靠性和独特的设计,CAN在以后的几十年间越来越受到业界的重视,在 国内外的应用范围也在不断的扩展,成为目前公认的最流行也是最有前途的现场 Honeywell等百余家国际著名大公司。 2.2.1 CAN协议介绍 是基于CAN的标准帧格式,2.OB则在此基础上增加了CAN的扩展帧格式的定义, 该协议的制订解决了CAN总线通信报文的标准化问题。同时为了能在任何两个 CAN仪器之间建立兼容性,进一步达到设计的透明度和CAN总线实现的灵活性, 根据ISO/OSI的参考模型,CAN协议采用了七层架构之中的物理层、数据链路层 和应用剧6】川。具体的分层结构如图2.5所示。 物理层定义信号怎样进行发送,涉及位定时、位编码及同步的描述,具体划 分为: (1)物理信令(PLS:PhysicalSignaling):实现位编码/解码、位定时和同步的 功能; ; 江苏大学硕士学位论文 (2)物理媒体附属装置(eMa:Physical 送/接收功能的电路等。 (3)媒体相关接n(MDI..MediumDependentInterface),提供一些连接器,实 现媒体之间机械和电气的接口等。 图2.5CAN的分层结构和功能 The structure Fig.2.5 layer andfunctionofCAN Link Layer) 2.数据链路层DLL(Data Link Contr01)子层和媒体访问控制@IAC:MediumAccessContr01)子层。 (1)LLC子层:主要功能由报文滤波、超载通知和恢复管理三部分组成。 报文滤波:总线上的数据以报文方式进行传输,同时总线每个节点都带有报 文标识符ID寄存器和屏蔽寄存器,节点在接收报文时,通过判断标识符ID表达的 数据含义是否和节点屏蔽寄存器表达的功能相同,相同则接收,否则就不接收该 报文。 超载通知:如果接收器内部条件要求延迟下一个LLC数据帧或LLC远程帧, 则可以通过LLC子层开始发送超载帧,最多可通过产生两个超载帧以达到延迟下 ~个数据帧或远程帧的目的。 江苏大学硕士学位论文 恢复管理:发送期间,对于丢失仲裁或被错误干扰的帧,LLC子层具有自动 重发送功能,在发送完成前,其它帧发送服务不被认可。 (2)MAC子层:MAC子层主要负责报文分帧、帧编码、仲裁、错误监测、 标定以及应答,是CAN协议的核心。MAC子层把接收到的报文提供给LLC子层 并接收来自LLC子层的报文。同时,MAC子层也被称为是“故障界定”的一个管 理实体监控。这种“故障界定”是一种自检测机制,通过它可以区别永久故障和 短时扰动。有关MAC子层的具体内容将在下面的内容中作详细阐述。 3.应用层AL(ApplicationLayer) 应用层是OSI模型的最高层,实现的功能分为两大部分:用户应用进程系统 和应用管理进程。应用管理进程管理系统资源,如优化分配系统资源和控制资源 的使用等。由管理进程向系统各层发出下列要求:请求诊断,提交运行报告,收 集统计资料和修改控制等。应用层协议的提出使得用户可以制订出更好的适合自 己工业领域的方案。对于CAN总线,目前已有的基于OSI标准的应用层协议是; CAN协议和DeviceNet协议等。这些协议都极大的帮助用户更方便的实现信 Open 息之间的交换和管理。 2.2.2CAN报文帧介绍 1.术语解释 帧:数据链路层的传输单位。对于冗长的报文通常要按一定的要求分块,即 代码块,传输这些代码块时,要加上头尾两部分,把代码块加在中间,就构成了 “帧”. “隐性”位及“显性”位:总线上的两种互补逻辑数值,在“显性”位与“隐 性”位同时发送期间,总线.报文帧的类型及格式 … ”CAN总线通信以报文的方式进行传输,而数据在节点之间的报文传输由四种 不同类型的帧表示和控制【6】,分别为数据帧、远程帧、错误帧和超载帧。其中数据 帧和远程帧可以使用标准帧和扩展帧两种格式,它们借助一个帧间空间与前面的 帧进行分隔。以下将对这几种帧的格式做详细的介绍。 (1)数据帧(DataFrame) 江苏大学硕士学位论文 传输数据由发送器至接收器。在CAN协议2.0B中数据帧有两种不同的帧格 式,区别之处在于标识符的长度:具有ll位标识符的帧称为标准帧,格式如图2.6 所示;而具有29位标识符的帧称为扩展帧,格式如图2.7所示。由图可知数据帧有7 个不同的位场组成‘81:帧起始(StartofFrame)、仲裁场(ArbitrationFieId)、控 制场(ControlField)、数据场(DataField)、CRC场(CRC ofFrame). Field)和帧结尾(End ·帧起始 标准帧格式和扩展帧格式的帧起始位定义相同,标志数据帧和远程帧的起始, 由一个显性位组成。 图2.6CAN标准帧格式图 Thestandardfh8.111e Fig.2.6 formatofCAN 图2.7 CAN扩展帧格式图 Theextendfi-8.meformatofCAN Fig.2.7 ·仲裁场 标准帧与扩展帧的仲裁场格式不同【11。 标准帧格式仲裁场由12位组成包括11位标识符和RTR位组成,其标识符位由 Ⅲ.28…ID.18组成,也称为基本ID(BaseID),发送顺序由D.28至ID.18,最后再 发送RTR位。7个最高位(D.28一D.22)不能全为隐性位。 江苏大学硕士学位论文 D首先发送,之后是IDE位和SRR位,扩展D在SRR位之后发送,最后发送RTR位。 其中基本ID用于定义扩展帧的基本优先权。 RTR位(标准帧格式和扩展帧格式),位于标识符之后,全称是“远程发送 Transmission 请求位(Remote Bit)”,R1限位在数据帧里必须为显性位。 Request Remote Bit)”,它是一个隐性位。 Request Extension Bit)”,[DE位在扩展帧格式中处于仲裁场,是一个隐性位,但在标准 帧格式中IDE属于控制场,是一个显性位。 ’ ·控制场 控制场由6位组成。标准帧格式的控制场包括数据长度代码、IDE位和保留位; 扩展帧格式的控制场包括数据长度代码和两个保留位,并且其保留位必须为显性 位。 数据长度代码(Data Code),标准帧格式和扩展帧格式的定义相同, Length 决定了数据场中字节数,由4位组成。 ·数据场 两种帧格式的数据场定义相同,数据场由数据帧的发送数据组成,可以为O~ 8个字节,发送时首先应该发送数据有效位。 , ·CRC场 CRC场包括15位的CRC序列以及后一位的CRC界定符,并且两种帧格式的 定义相同。cRC序列由循环冗余码求得的帧检查序列组成,最适用于为位数小于 127的帧。为实现CRC计算,被除的多项式系数由帧起始、仲裁场、控制场、数 据场(若存在)在内的无填充的位流给出,所得到的多项式通过被下面的多项式除:t x15+x‘4+xlo+x8+)r7科十X3+l (2.1) 多项式相除得到的余数即为发送至总线上的CRC序列。位于CRC序列之后 发送的CRC界定符是隐性位。 ·ACK场(应答场) 14 江苏大学硕士学位论文 在应答场中,发送器送出两个隐性位,所有接收到匹配CRC序列的站,通过在应 答间隙内发送一显性位写入发送器的隐性位,以示应答。应答界定符是应答场的 第二位,并且必须是隐性位,因此,应答间隙处于两个隐性位(CRC界定符和应答 界定符)之间。 ·帧结尾 标准帧格式和扩展帧格式的定义相同,均由7个隐性位组成的标志序列界定。 Frame) (2)远程帧(Remote 通过发送远程帧,作为某数据接收器的站可以通过其资源节点对不同的数据 传送方式进行初始化设置,以达到具有相同标识符数据的连续传送。远程帧由6个 不同的分位场组成:帧起始、仲裁场,控制场、CRC场,应答场和帧结尾。与数 据帧不同的是远程帧没有数据场,并且RTR位为隐性位,因此RTR位的极性表明了 总线上发送的是数据帧还是远程帧。 , (3)错误帧(ErrorFrame) 错误帧由两个不同的场组成,第一个场为不同站提供的错误标志(Error Flag) Confinement 的叠加,第二个场是则故障界定符(Fault Sign),错误帧可以检测出总 线的任何帧发送错误。 错误标志有两种形式:主动的错误标志和被动的错误标志。主动的错误标志 由6个连续的显性位组成,被动的错误标志由6个连续的隐性位组成。 错误界定符由8个隐性位组成,错误标志发送以后,站点开始监视总线直到 检测到一个隐性位为止,然后开始连续发送其它7个隐性位。 Frame) (4)超载帧(Overload 超载帧用于在先行的和后续的数据帧或远程帧之间提供一附加的延时,它由 两个位场组成:超载标志和超载界定符。 超载标志由6个显性位组成,全部形式对应于活动错误标志;超载界定符由8 个“隐性”位组成,与出错界定符具有相同的形式。 导致发送超载标志的情况有三种:一是接收器内部要求延迟下一个数据帧或 远程帧。二是在间歇的第一或第二位检测到一个显性位。三是在CAN节点检测到 错误界定符或者超载界定符的第8位为显性位。 江苏大学硕士学位论文 2.2.3CAN总线的工作原理及特点 CAN总线采用一个节点发送,多个节点接收信息的广播式信息存取方式,并 且每个节点都可以作为主动节点发送信息。CAN总线支持的是基于报文的工作方 式,报文不给出数据传送的目标地址,只定义数据的含义,因此CAN总线面向的 是数据而不是地址,增加和减少网络节点时不会影响网络的正常运行。当总线上 出现两个或者更多个节点同时进行数据传送而发生冲突时,CAN总线采用带优先 级的CSMA/CD(多路载波侦听/冲突检测)的方法来进行仲裁。下面将对此作进一 步的阐述。 1.报文通信 CAN总线以报文为单位进行信息传输,报文不定义传送数据的目标节点地址, 只通过报文标识符ID定义传送数据的含义,总线上的任何一个节点通过检测报文 标识符ID进行报文滤波,以决定是否接收该报文。同一个报文可以发送给一个特 定的节点,也可以发送给多个节点,这取决于设计的CAN总线网络。基于报文的 通信方式,也使得CAN总线网络可以很方便的改变节点的数量。 CAN总线上通信的报文最常用的是“数据帧”,用于一个节点传送信息到其它 任一或所有节点;其次是“远程帧”,通过在总线上发送“远程帧”表明“远程发 送请求”,用于一个节点主动要求其它节点发送信息;“错误帧”和“超载帧”用 于差错管理,当节点在接收过程中检测到CAN总线协议中定义的错误信息时,都 会发送“错误帧”。而当节点正忙于处理接收的信息,需要额外的等待时间接收下 一报文时,就可以通过发送“超载帧”,通知其它节点暂缓发送新报文。 2.介质访问控制方式 with Sense Access CAN总线采用多路载波侦听/冲突检测(Carrier Multiple Collision 总线上的每个节点在发送信息报文前都必须监测到总线上一段时间的空闲状态, 一旦空闲状态被监测到,总线上的每个节点都有机会向总线发送信息报文。而当 总线上有两个以上的节点同时发送信息时,节点本身首先会检测到出现冲突,然 后采取相应的措施来解决,这称为“冲突检测”。 CAN总线采用“非破坏性的位仲裁方式”来实现冲突检测。这种“非破坏性 的位仲裁方式”借助于11位或者29位的报文标识符ID决定发送报文的优先级,优 16 江苏大学硕士学位论文 先级高的先发送,优先级低的后发送,标识符ID所代表的值越小,其优先级就越 高,否则就越低。 3.错误检测 CAN总线协议有一套完整的差错定义,能够自动地检测出总线上的错误信息, 由此保证了信息传送的正确性和完整性。 CAN总线上的节点具有检测多种通信差错信息的能力并采取相关的应对措 施:发送错误可通过“CRC出错”检测到;普通接收错误可通过“应答出错”检 测到;CAN报文格式错误可通过“格式出错”检测到;CAN总线信号错误可通过 “位出错”检测到;同步和定时错误可通过“阻塞出错”检测到。每个CAN总线 上的节点都有一个出错计数器用以记录各种错误发生的次数。通过这些计数器就 可以确认这些节点是否应工作到降级模式:总线上的节点可以从正常工作模式(正 常收发数据和出错信息)降级到消极工作模式(只有在总线空闲时才能取得控制 权),或者降到关断模式(和总线.CAN总线的特点 基于以上CAN总线内容的分析介绍,可以得出CAN总线具有以下特点:, CAN总线为多主工作方式,网络上的任何节点均可主动向其它节点发送 信息,而不分主从,通信方式灵活,利用这一特点可方便的构成多机备份 系统; CAN采用非破坏性的总线优先级仲裁技术,当两个节点同时向网络上发 送信息时,优先级低的节点主动停止发送数据,而优先级高的节点可不受 影响地继续发送信息,大大减少了总线冲突的仲裁时间:按节点类型分成 不同的优先级,可以满足不同的实时性要求。 》CAN总线采用短帧结构,每帧有效字节数为8个。这样信息传输占用总 线时间短,受干扰的概率低,保证了通信的实时性能并且易于纠错。 RedundancyCheck)及其相应的错误 CAN采用循环冗余校验CRC(Cyclic 管理机制,保证了数据通信的可靠性。 ≯CAN节点具有自动关闭功能,当节点错误严重的情况下,则自动切断与 总线的联系,这样可以保证总线正常工作。 CAN采用点对点、一点对多点及全局广播几种方式发送接收数据。 17 江苏大学硕士学位论文 节点数为110个,传输介质为双绞线和光纤等。 CAN总线独特的设计,使得与一般通信系统相比,CAN总线的数据通信具有 更高的可靠性,实时性和灵活性【10l[1¨。 2.2.4CAN总线控制系统简介 CAN现场总线控制系统的模型mJea=层结构组成:现场总线层、中间监控层 以及远程监控层,其结构如图2.8所示。 图2.8 CAN总线控制系统结构图 ThestructureofCANfieldbuscontrol Fig’.2.8 system 现场总线层作为整个控制系统的底层,主要以总线节点的形式通过特定的总 线接口挂接到总线网络上并和监控工作站相连。通过现场总线层将现场采集的有 用信息传送到现场总线上,同时接收上位机的信息实现对现场设备的控制执行。 中间监控层主要负责从现场总线层获取数据,对数据进行必要的备份,同时…’ 完成各种控制命令、运行参数的监测、报警和趋势分析等功能,中间监控层通过 局域网连接到Interact网段上,从而实现远程监控瞰】。 远程监控层主要方便用户异地进行数据信息的管理和监控,通过基于Interact 网络的远程监控实现对控制系统现场设备的管理,同时对于某些条件恶劣的特殊 工况环境有重要的意义。 江苏大学硕士学位论文 在整个现场总线控制网络模型中,现场总线层是核心,只有确保现场总线层 可靠、准确和快速的数据传输,上层网络才能获取信息以实现监控功能。 对于现场总线可知,智能节点是连接现场和CAN总线的桥梁和 纽带,智能节点的设计是构建整个CAN总线测控系统的关键性环节,节点性能的 优劣将直接关系到整个现场总线系统运行的效能。合格的CAN节点:在保证实时 2.0(A/B) 性要求的前提下正确处理完成从总线和现场采集的数据,并通过对CAN 协议进行解析,完成CAN总线的基本功能。目前采用更加先进和智能的控制算法 既是CAN总线智能节点开发研制过程中同时也是CAN总线发展过程中必须完成 的一项迫切而重要的工作。对此,本文采用自学习能力、自适应性以及智能性更 好的BP神经网络控制算法,以改变目前CAN总线节点因采用PID控制算法而产 生的控制系统本身智能性和精确性相对较差的问题。有关神经网络控制算法的内 容将在下一章节作详细阐述 2.3本章小结 本章首先通过介绍现场总线控制系统的特点、现场总线的通信模型以及几种 常见的现场总线三个方面讲述了现场总线技术的基本内容,在此基础上从CAN总 线协议、CAN报文帧格式、CAN总线工作原理特点及CAN总线控制系统简介四 个方面详细介绍了控制器局域网总线CAN,分析了目前CAN总线控制系统发展 过程中迫切需要解决的控制算法问题,提出了采用基于智能性更高的BP神经网络 控制算法的CAN总线 江苏大学硕士学位论文 第三章前向神经网络与BP算法 3.1 多层前向人工神经网络 3.1.1人工神经元模型 规则连接构成的系统。其中人工神经元是通过模拟人脑中神经元的信息传递特性, 即输入、输出关系而抽象出来的数学模型㈣【”1,人工神经元的主要特性如图3.1 所示。 X1 № i Xn 图3.1人工神经元模型 Theartificialneuronmodel Fig.3.1 该模型的数学表达式为:

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