CAN总线在汽车上的应用毕业论文.doc

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1、CAN总线在汽车上的应用英文题目：CAN bus and its application in automobile中 文 摘 要随着汽车的发展，汽车正向高舒适.高操控性.高安全性.高智能方向发展。尤其是高档轿车，高精度传感器及汽车电器在整车大量应用，增加了大量复杂的线束，大量的线束给整车的安全性能带来巨大隐患。在这种情况下，产生了一种全新的信号传递方式“总线”既BUS。总线技术最先应用于工控领域。现场总线技术自70年代诞生至今，由于它在减少系统线缆，简化系统安装、维护和管理， 降低系统的投资和运行成本，增强系统性能等方面的优越性，引起人们的广泛注意，得到大范围的推广，导致了自动控制领域的一场

2、革命。本文介绍了汽车电器中最常用的总线CAN总线的产生及发展历史，并对其优点及主要技术指标进行了详述,就其在汽车上的具体应用给出了实例，最后分析了CAN总线的发展趋势。关键词：控制器局部网、通信、CAN总线的功能A b s t r a c tWith the development of automobile, auto forward high comfort, high maneuverability, high security and intelligent direction. Especially the high-end cars, high-precision sensors

3、and automotive appliances in the vehicle a large number of applications, adds a number of complex wiring harness, a large number of wiring harness to the vehicles safety performance of a huge hidden dangers. It was first used in industrial field bus technology. Field bus technology since the birth o

4、f 70 years so far, because of its reduced system, cable, simplifying installation, maintenance and management, and lower system investment and operating costs, increase system performance, the advantages of causing widespread attention, get big range of promotion, led to a revolution in the field of

5、 automatic control. This article describes the most common vehicle electrical bus - CAN bus generation and development of history and its advantages and the main technical indicators of the detail on its specific application in the car example is given, the last of the CAN Bus trends. Keywords: cont

6、roller area network, communications, CAN bus functions目 录第1章 CAN总线的产生与发展11.1 CAN BUS 基础11.2 CAN BUS 系统构成21.3 CAN BUS 特点31.4 CAN BUS 技术介绍41.4.1 位仲裁41.4.2 CAN与其它通信方案的比较41.4.3 CAN的报文格式51.4.4 数据错误检测5第2章 利用CAN总线完成对汽车电子控制系统节点的在线编程72.1 CAN BUS是系统在线编程应用和代码升级重要工具72.2 系统分析与设计72.2.1 系统整体设计分析72.2.2 PC机控制层软件的设计7

7、2.2.3 ECU节点软件的分析82.3 ECU节点的软件设计82.4 利用CAN总线对汽车电子控制系统节点的在线编程的优点9第3章 CAN BUS 的发展趋势103.1 现场总线的发展不会被计算机通信技术取代103.1.1 功能方面103.1.2 要求方面113.1.3 结构方面123.2 现场总线应用工程的发展趋势123.2.1 通过应用技术发挥现场总线的优势123.2.2 不同类型的现场总线组合更有利于降低成本133.2.3 现场总线的本质是信息处理现场化133.2.4 网络的设计133.2.5 系统组态傻瓜化13第4章 结束语14参 考 文 献15致 谢16第1章 CAN总线的产生与发

8、展控制器局部网（CANCONTROLLER AREA NETWORK）是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越性能现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。控制器局部网将在我国迅速普及推广。 随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支。由于对系统可靠性和灵活性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为：控制面向多元化，系统面向分散化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。分散式工业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的。这类系统是以微型机为核心，将 5C技术

9、COMPUTER 、CONTROL 、COMMUNICATION 、CRT 和 CHANGE 紧密结合的产物。它在适应范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面，较之分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统都具有明显的优越性。典型的分散式控制系统由现场设备、接口与计算设备以及通信设备组成。现场总线（FIELDBUS）能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，因而现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域。现场总线的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点。尽管目前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的标准，但现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统采用。同时，正由于现场总线的标准尚未统

10、一，也使得现场总线的应用得以不拘一格地发挥，并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据。控制器局部网CAN（CONTROLLER AERANETWORK）正是在这种背景下应运而生的。由于CAN总线为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。为此，1991年 9月 PHILIPS SEMICONDUCTORS制订并发布了 CAN总线技术规范（VERSION 2.0）。该技术规范包括A和B两部分。2.0A给出了曾在CAN技术规范版本1.2中定义的CAN报文格式，而2.0B给出了标准的和扩展的两种报文格式。此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通运载工具-数字信息交换-高速

11、通信控制器局部网(CAN)国际标准（ISO11898），为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路。1.1 CAN BUS 基础CAN BUS 是一种协议，是需要通讯的双方按照互相规定好的协议相互之间交换数据用的语言，就如人类相互交流的语言一样，有英语.法语.德语.西班牙语等等。BUS也是一种语言，有CAN BUS，PROFI BUS，INDERBUS在到INTERNET的TCP/IP等等都是机器之间交换信息的语言。 （1）目前在车辆上应用的两种数据传递形式 形式1：每项信息通过独立的数据线进行交换(图1.1)图1.1形式2：各控制单元间的所有信息都通过两根数据线进行交换（图1.2）图1.2（

12、2）总线在系统中的作用CAN数据总线是控制单元间的一种数据传递形式。通过双绞线或光纤进行数据及信息的传递，使在网络中的各个控制单元形成一个完整的系统。通过网络达到站点与站点之间的通讯，站与站之间通过双绞线或光线连接，只有两根线，杜绝了在大量信号交换时需要的大量复杂的线束，所以也就降低了故障点的个数，提高安全性能。1.2 CAN BUS 系统构成CAN BUS 系统构成如下图1.3所示：1个控制器1个收发器2个数据传输终端2条数据传输线具有收发功能的CAN控制器具有接收功能的CAN控制器数据总线终端电阻数据总线终端电阻数据总线图1.3 CAN BUS 系统构成1.3 CAN BUS 特点CAN总

13、线是德国BOSCH公司从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串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1MBPS。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义211或229个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使

14、不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。另外，CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因

15、此可在各节点之间实现自由通信。CAN总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测控系统之间的数通讯。CAN总线插卡可以任意插在PC AT XT兼容机上，方便地构成分布式监控系统。1.4 CAN BUS 技术介绍1.4.1 位仲裁 要对数据进行实时处理,就必须将数据快速传送,这就要求数据的物理传输通路有较高的速度。在几个站同时需要发送数据时,要求快速地进行总线分配。实时处理通过网络交换的紧急数据有较大的不同。一个快速变化的物理量,如汽车引擎负载,将比类似汽车引擎温度这样相对变化较慢的物理量更频繁地传送数据并要求更短的延时。 CAN总线以报文为单

16、位进行数据传送,报文的优先级结合在11位标识符中,具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。当几个站同时发送报文时,站1的报文标识符为011111;站2的报文标识符为0100110;站3的报文标识符为0100111。所有标识符都有相同的两位01,直到第3位进行比较时,站1的报文被丢掉,因为它的第3位为高,而其它两个站的报文第3位为低。站2和站3报文的4、5、6位相同,直到第7位时,站3的报文才被丢失。注意,总线中的信号持续跟踪最后获得总线读取权的站的报文。在此例中,站2的报文被跟踪。这种非破坏性位仲裁方法的优点在

17、于,在网络最终确定哪一个站的报文被传送以前,报文的起始部分已经在网络上传送了。所有未获得总线读取权的站都成为具有最高优先权报文的接收站,并且不会在总线再次空闲前发送报文。 CAN具有较高的效率是因为总线仅仅被那些请求总线悬而未决的站利用,这些请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处理的。这种方法在网络负载较重时有很多优点,因为总线读取的优先级已被按顺序放在每个报文中了,这可以保证在实时系统中较低的个体隐伏时间。 对于主站的可靠性,由于CAN协议执行非集中化总线控制,所有主要通信,包括总线读取 (许可)控制,在系统中分几次完成。这是实现有较高可靠性的通信系统的唯一方法。1.4.2 CAN与其它

18、通信方案的比较在实践中,有两种重要的总线分配方法:按时间表分配和按需要分配。在第一种方法中 ,不管每个节点是否申请总线,都对每个节点按最大期间分配。由此,总线可被分配给每个站并且是唯一的站,而不论其是立即进行总线存取或在一特定时间进行总线存取。这将保证在总线存取时有明确的总线分配。在第二种方法中,总线按传送数据的基本要求分配给一个站 ,总线系统按站希望的传送分配(如:Ethernet CSMA/CD)。因此,当多个站同时请求总线存取时,总线将终止所有站的请求,这时将不会有任何一个站获得总线分配。为了分配总线,多于一个总线存取是必要的。 CAN实现总线分配的方法,可保证当不同的站申请总线存取时,

19、明确地进行总线分配。这种位仲裁的方法可以解决当两个站同时发送数据时产生的碰撞问题。不同于Ethernet网络的消息仲裁,CAN的非破坏性解决总线存取冲突的方法,确保在不传送有用消息时总线不被占用。甚至当总线在重负载情况下,以消息内容为优先的总线存取也被证明是一种有效的系统。虽然总线的传输能力不足,所有未解决的传输请求都按重要性顺序来处理。在CSMA/CD这样的网络中,如Ethernet,系统往往由于过载而崩溃,而这种情况在CAN中不会发生。1.4.3 CAN的报文格式在总线中传送的报文,每帧由7部分组成。CAN协议支持两种报文格式,其唯一的不同是标识符(ID)长度不同,标准格式为11位,扩展格

20、式为29位。 在标准格式中,报文的起始位称为帧起始(SOF),然后是由11位标识符和远程发送请求位 (RTR)组成的仲裁场。RTR位标明是数据帧还是请求帧,在请求帧中没有数据字节。 控制场包括标识符扩展位(IDE),指出是标准格式还是扩展格式。它还包括一个保留位 (ro),为将来扩展使用。它的最后四个字节用来指明数据场中数据的长度(DLC)。数据场范围为08个字节,其后有一个检测数据错误的循环冗余检查(CRC)。 应答场(ACK)包括应答位和应答分隔符。发送站发送的这两位均为隐性电平(逻辑1),这时正确接收报文的接收站发送主控电平(逻辑0)覆盖它。用这种方法,发送站可以保证网络中至少有一个站能

21、正确接收到报文。 报文的尾部由帧结束标出。在相邻的两条报文间有一很短的间隔位,如果这时没有站进行总线存取,总线将处于空闲状态。1.4.4 数据错误检测不同于其它总线,CAN协议不能使用应答信息。事实上,它可以将发生的任何错误用信号发出。CAN协议可使用五种检查错误的方法,其中前三种为基于报文内容检查。 （1）循环冗余检查(CRC) 在一帧报文中加入冗余检查位可保证报文正确。接收站通过CRC可判断报文是否有错。 （2）帧检查 这种方法通过位场检查帧的格式和大小来确定报文的正确性,用于检查格式上的错误。 （3）应答错误 如前所述,被接收到的帧由接收站通过明确的应答来确认。如果发送站未收到应答,那么

22、表明接收站发现帧中有错误,也就是说,ACK场已损坏或网络中的报文无站接收。CAN协议也可通过位检查的方法探测错误。 （4）总线检测 有时,CAN中的一个节点可监测自己发出的信号。因此,发送报文的站可以观测总线电平并探测发送位和接收位的差异。 （5）位填充 一帧报文中的每一位都由不归零码表示,可保证位编码的最大效率。然而,如果在一帧报文中有太多相同电平的位,就有可能失去同步。为保证同步,同步沿用位填充产生。在五个生。在五个连续相等位后,发送站自动插入一个与之互补的补码位;接收时,这个填充位被自动丢掉。例如,五个连续的低电平位后,CAN自动插入一个高电平位。CAN通过这种编码规则检查错误,如果在一

23、帧报文中有6个相同位,CAN就知道发生了错误。 如果至少有一个站通过以上方法探测到 一个或多个错误,它将发送出错标志终止当前的发送。这可以阻止其它站接收错误的报文,并保证网络上报文的一致性。当大量发送数据被终止后,发送站会自动地重新发送数据。作为规则,在探测到错误后23个位周期内重新开始发送。在特殊场合,系统的恢复时间为31个位周期。 但这种方法存在一个问题,即一个发生错误的站将导致所有数据被终止,其中也包括正确的数据。因此,如果不采取自监测措施,总线系统应采用模块化设计。为此,CAN协议提供一种将偶然错误从永久错误和局部站失败中区别出来的办法。这种方法可以通过对出错站统计评估来确定一个站本身

24、的错误并进入一种不会对其它站产生不良影响的运行方法来实现,即站可以通过关闭自己来阻止正常数据因被错误地当成不正确的数据而被终止。（6）CAN可靠性为防止汽车在使用寿命期内由于数据交换错误而对司机造成危险,汽车的安全系统要求数据传输具有较高的安全性。如果数据传输的可靠性足够高,或者残留下来的数据错误足够低的话,这一目标不难实现。从总线系统数据的角度看,可靠性可以理解为,对传输过程产生的数据错误的识别能力。 残余数据错误的概率可以通过对数据传输可靠性的统计测量获得。它描述了传送数据被破坏和这种破坏不能被探测出来的概率。残余数据错误概率必须非常小,使其在系统整个寿命周期内,按平均统计时几乎检测不到。

25、计算残余错误概率要求能够对数据错误进行分类 ,并且数据传输路径可由一模型描述。如果要确定CAN的残余错误概率,我们可将残留错误的概率作为具有8090位的报文传送时位错误概率的函数,并假定这个系统中有510个站,并且错误率为1/1000,那么最大位错误概率为1013数量级。例如,CAN网络的数据传输率最大为1Mbps,如果数据传输能力仅使用50%,那么对于一个工作寿命4000小时、平均报文长度为 80位的系统,所传送的数据总量为91010。在系统运行寿命期内,不可检测的传输错误的统计平均小于102量级。换句话说,一个系统按每年365天,每天工作8小时,每秒错误率为0. 7计算,那么按统计平均,每

26、1000年才会发生一个不可检测的错误。第2章 利用CAN总线完成对汽车电子控制系统节点的在线编程2.1 CAN BUS是系统在线编程应用和代码升级重要工具汽车车身控制系统的控制对象比较多而且分布于整个车体，系统应用的电子控制单元EC（Electronic Control Unit）节点安装位置分散，如前节点和仪表节点在驾驶台部位，后节点在车尾部位，左.右门节点则在左、右门部位等。车身控制系统采用的是分布式控制方式，但基于分布式系统的编程应用工具比较少，难以实现系统在线编程应用和代码升级。 CAN总线 目前已经在汽车电子应用系统中得到了广泛的应用。将CAN总线在线编程技术应用到汽车车身控制系统中

27、，完成ECU节点的代码下载功能，既可以实现控制系统的在线编程应用与升级，又能充分利用现场总线的应用特点。 2.2 系统分析与设计 2.2.1 系统整体设计分析 车身控制系统由若干ECU节点组成，每个节点采用Freescale处理器MC68HC908GZ系列单片机作为MCU，能够支持flash在线应用编程。PC机通过USBCAN接口卡接入CAN总线网络，当系统处于在线编程状态时，PC机通过CAN总线网络可以方便的与ECU节点通信，车身控制系统软、硬件设计无需做任何改动，就能够利用已有的硬件应用系统平台实现代码下载、系统在应用升级。 在线编程系统包括三部分：PC机节点、CAN总线通信网络和ECU节

28、点。 在线编程软件体系分为三层结构：控制层、通信层和实现层，在线编程功能通过软件设计实现。最高层为控制层，运行在上位机PC计算机中，主要负责代码生成和ECU节点在线编程的启停；中间层为通信层，运行在CAN总线设备上，实现CAN总线链路层和部分应用层功能，如报文发送、接收及滤波；底层为实现层，运行在ECU节点，实现对嵌入式节点的编程操作，具体结构见图2。通信层处理的数据有三种：控制命令、代码数据和反馈信息，其中控制命令和代码数据由控制层向实现层传递，反馈信息则是由实现层向控制层传递，所有数据传输遵循系统定制的CAN总线应用层协议，该协议在分布式控制系统中CAN总线协议应用层的基础上，重新划分报文

29、标志符空间，并定义相应的含义和可执行操作。本文主要探讨系统的具体实现，总线协议的扩展定义不作详细介绍。 2.2.2 PC机控制层软件的设计 整个控制系统中，控制层软件位于PC机节点，通过与实现层软件通信来控制编程操作的启停和代码的总线数据传输，不直接参与对ECU节点的控制功能操作。 控制层软件的功能主要包括两部分：首先是生成下载到flash中的最终代码数据，PC机软件不参与flash编程，但必须为ECU节点提供编程所需要的信息，因此，PC机软件对生成的二进制代码进行分析，获取flash编程的必要信息，如代码长度、写入flash的地址、校验字等；其次是控制在线编程的启动和停止，控制层维护一个称为

30、反馈信息表格的数据结构，表格中的信息表明哪些节点编程结束、哪些节点需要重新启动在线编程，根据表格内容的含义，对不同ECU节点发送不同的命令报文，启动相应操作。 控制层软件完全由PC机实现，但系统中PC机不仅仅完成控制层功能，还包括通信层的部分功能。PC机通过转换模块接入CAN总线网络，除了完成接收发送CAN总线报文的基本功能外，更重要的是实现系统定制的CAN通信协议。 2.2.3 ECU节点软件的分析 实现层位于ECU节点，直接完成flash编程操作，是整个在线编程系统的核心部分。按系统运行流程，实现层软件可以分为三部分：首先，完成状态切换，进入在线编程状态；其次，接收代码报文，并进行校验；最

31、后，将接收到的代码写入flash空间，验证无误后，结束在线编程。同通信层类似，实现层需要定义ECU节点在线编程协议。在线编程技术的基本原理：从结构上将Flash存储器映射为两个存储空间，运行一个存储体上的程序，打开flash高压编程开关对另一个存储体进行编程操作。MC08HC908GZ60的内部flash存储器具有保护功能，可以设置flash写保护空间，将flash空间分为两段，一段为系统区，存储系统代码，另一段为保护区，存储实现层代码，对系统区编程时，保护BootLoader代码，两个代码段共存于一个系统，又不会相互干扰。系统打开高压开关后，任何读flash操作都是非法的，系统进入在线编程状

32、态后，需要将flash编程代码拷贝到RAM中，再运行相关代码。在线编程时，RAM空间需要划分出两段专用空间，一段为CAN接收缓冲区，一段为代码空间，是在线编程时代码存放和运行空间。 同样的，ECU节点不仅运行实现层软件，同时完成了通信层的部分功能，本质上通信层是对系统定制的CAN通信协议的具体实现，由PC机节点和ECU节点代码共同完成，两者通过CAN总线实现通信的过程就是通信层的工作过程。 2.3 ECU节点的软件设计 在线编程系统中，ECU节点的代码即为保护区的代码，可以分为两部分：通信层部分代码和实现层代码。通信层代码主要由CAN报文接收中断函数和报文发送函数组成，两函数都是不允许在线更新

33、，因此代码必须位于flash保护区中。保护区除了存储通信层部分代码外，还包括实现层的全部代码。实现层的主要功能是flash编程操作，将接收缓冲区的代码数据写入flash的确定地址空间内，在flash编程操作前需要完成节点的状态迁移，即ECU节点必须进入在线编程状态。本系统采用的方式是在启动过程中检测启动报文，若检测到有启动报文到达，则跳入特定的地址，进入在线编程状态。具体流程图3所示： 系统启动后，先检测是否收到启动报文，然后转入相应的状态，省略了启动后的初始化操作。由图可知，有两处跳转可以进入正常运行状态，这可以通过“JMP Main”汇编指令完成，保护区地址不变，那么启动向量就不需要改变。

34、MC08HC908GZ60共有26个中断源，中断向量位于(0xFFCC0xFFFF)空间内，内容是支持在线更新的，如何实现更新呢？有两种解决方法：第一种， MC08HC908GZ60的中断向量表固定在(0xFFCC0xFFFF)之间的52个字节内，对中断向量表空间的内容进行单独编程写入。注意，不是整页写入，中断向量表所在页空间中部分地址是保留空间，部分地址是寄存器地址，不可能用图3编程流程对向量表空间编程，只能对页内部分空间执行在线编程操作。第二种解决方法：通过辅助表格实现中断向量表的在线更新。 所谓辅助表格是一个存放指令的数据结构，表格内存放跳转到中断入口的指令，中断向量则对应辅助表格中的单

35、元格地址，辅助表格的地址是用户定义的，位于支持在线编程的系统区空间。辅助表格中所有指令均采用扩展寻址，指令长3个字节，设辅助表格地址Tbl_Start，则表格中第N单元格的地址为Tbl_Start+(26-N)*3，辅助表格代码如下： ORG Tbl_Start ;辅助表格的起始地址 JMP Address_ISR24 ;跳转到24号中断处理程序入口 JMP Address_ISR23 ;跳转到23号中断处理程序入口 JMP Main ;跳转到Main主函数入口 上面的代码属于系统区代码，除首地址外，其他地址均根据需要随时改变的。中断向量表中内容则可以保持不变，代码如下： ORG $FFCC

36、;中断向量表的地址空间0xFFCC0xFFFF Vectors FDB Tbl_Start, Tbl_Start+3, Tbl_Start+6 ;向量表的内容 这样，中断向量表代码可以在保护区内保持不变，不需要对表内容直接进行更新。 2.4 利用CAN总线对汽车电子控制系统节点的在线编程的优点 利用CAN总线完成对汽车电子控制系统节点的在线编程，利用了已有的硬件条件解决了车身分布式控制系统的现场升级问题。系统主要通过软件方式实现，不需要进行单独硬件开发，开发过程易于掌握。在线编程时，只需要将PC机节点接入车身控制系统预留的CAN总线接口即可，操作方便，本技术模型不仅可以应用于汽车电子领域，还可

37、以推广到其他分布式控制系统，应用前景看好。第3章 CAN BUS 的发展趋势3.1 现场总线的发展不会被计算机通信技术取代 在现场总线技术诞生的初期，它的主要功能是将当时的可编程逻辑控制器（program mable logic controller， PLC）以一种较简洁的方式连接起来。随着计算机技术引入PLC，计算机通信技术被引入现场总线；PLC功能的增强对现场总线提出了更高的要求，计算机通信技术的引入大大增强了现场总线的功能，成为现场总线技术发展的主要趋势。在分散型控制系统（distribution control system， DCS）的发展历程中，较早地在站间通信中采用了局域网（l

38、ocal area network， LAN）技术。随着电子技术的发展，许多站的功能已经可以在现场实现，因此通信也逐渐延伸到现场。 在过程控制领域，曾经采用过许多通信协议。随着商用计算机领域的局域通信逐步被以太网（ethernet）垄断，过程控制领域中上层的通信也逐步统一到以太网和快速以太网。由于因特网的快速发展，人们通过因特网访问控制系统，进行远程诊断、维护和服务的愿望越来越强烈，因此TCPIP协议也进入过程控制领域。实际上我们现在就可以看到通过因特网访问现场仪表的事例。这里我们看到了两种趋势，第一是现场有越来越多的信息需要往上送，第二是计算机通信技术越来越向下延伸。人们不禁要问：包括Int

39、ernet技术内的现代计算机通信技术是否会最终延伸到现场，并取代现场总线? 我们认为现代计算机通信技术有能力延伸到现场，现场总线技术中也会不断地融入计算机通信技术，但是计算机通信技术不会取代现场总线。因为现场总线与一般计算机通信在功能、要求和结构上有所不同。3.1.1 功能方面 计算机通信的基本功能是可靠地传递信息。现场总线的功能是：经济、安全、可靠地传递信息；正确使用所传信息；及时处理所传信息。经济性要求现场总线在传递信息的同时，解决现场装置的供电问题，并要求传输介质较廉价。安全性要求现场总线解决防爆问题。可靠性要求现场总线解决环境适应性问题，包括电磁环境适应性（传输时不要干扰别人，也不要被

40、别人干扰）、气候环境适应性（要耐温、防水、防尘）、机械环境适应性（要耐冲击、耐振动）。 正确使用信息要求不同制造商生产的装置能相互理解所传信息，这就是现场总线的可互操作性要求。及时处理信息要求现场装置不要将信息过多地在网络上往返传递，要尽可能地就地处理信息。及时处理信息的要求主要是针对高层次现场总线和智能仪表的，但是这条要求最集中地体现了现场总线技术发展趋势-信息处理现场化。3.1.2 要求方面 对计算机通信的主要要求是快。对现场总线不仅要求传输速度快，在过程控制领域还要求响应快，即实时性要求。这样“快”就有三种含义。（1） 传输速度快：指单位时间内传输的信息要多，通常用波特率来衡量。这条要求

41、与普通计算机通信是一致的。（2） 响应时间短：指突然发生意外事件时，仪表将该事件传输到网络上或执行器接收到该信息马上执行所需的时间。这个时间是由4个方面决定的： 仪表或执行器控制中断的能力；信息在通信协议的应用层与物理层之间的传输时间；等待网络空闲的时间；避免信息在网络上碰撞的时间。由于这个时间对大多数通信协议是一个随机数，因此大部分通信协议不给这个参数。过程控制系统通常并不要求这个时间达到最短，但它要求最大值是预先可知的，并小于一定值。 （3） 巡回时间短指系统与所有通信对象都至少完成一次通信所需的时间。这个时间一般可由系统组态来调整。对那些单纯靠优先级解决实时性的抢先式通信系统，当高优先级

42、事件发生比较频繁时，低优先级事件会长时间得不到响应；对这类通信协议，巡回时间是随机量，预先不可知。过程控制系统希望最长巡回时间是预先可知的，并小于一定值。响应时间和巡回时间反映了实时性，而实时性与通信协议有很密切的关系。现场总线采用两种技术来实现实时性。一种是简化技术。将网络形式简化成线形（实际上已经不成其为“网”了）；将通信模型简化为只有一、二层；将节点的信息简化到只有几比特。经过以上简化，节点的访问就非常快了。这也可以通过极大地提高通信传递速度来缩短节点访问时间，这时虽然理论上某些现场总线的节点访问时间还有某种不确定性，但是反复发生不确定事件的概率很低，可以在一些非关键部位使用这种现场总线

43、。节点访问快了，就可以简化系统的管理；这时采用主-从方式轮询访问，只要限制网络轮询的规模，就可以将响应控制在指定的时间内。采用这种技术可大大降低总线的成本，大多数位式开关量现场总线采用这种技术。 另一种是采用网络管理和数据链路调度技术来实现实时性，这是一种很复杂的技术。一般认为，分时式实时系统的响应具有可预知性，但资源利用率低；抢先式实时系统资源利用率高，但往往响应具有不可预知性。现在的现场总线往往采用两者结合的方式进行管理和调度，以达到某种平衡。随着多媒体计算机通信系统的不断发展，语音和图象的实时传输对网络的响应时间提出了新的要求。多媒体传输对实时性的要求是几十ms，过程控制对系统的实时性要

44、求是几ms到十ms。多媒体对实时性的要求是“软”的，即只要大部分时间满足要求就行了，偶然几次不及时响应是没关系的。过程控制对实时性的要求是“硬”的， 因为它往往涉及安全，必须在任何时间都及时响应，不允许有不确定性。改善现场总线的实时性，减少响应时间的不确定性是总线的重要发展趋势。3.1.3 结构方面 计算机通信系统的结构是网络状的，从一点到另外一点的通信路径可以是不固定的。大部分现场总线的结构是线状的，虽然现场总线的拓扑结构可以是总线型、星型、环行、回路型等；但在大多数现场总线中，从一点到另外一点的通信路径是比较固定的。线状结构的优点是：解决网络供电比较容易；解决本安防爆比较容易；使通信协议中

45、可以舍去与路径有关的几层，有利于改善实时性。很显然，在线状结构时一条现场总线支路的电源负载是确定的，沿总线电源电压的变化也是可以预料的。在网状结构中一定会出现多电源供电情况，各电源的负载平衡，以及网络中各节点处的电压下降，都比较难以预料。我们目前的本安防爆主导理论还是认为，电缆的分布电感、电容是随着电缆的长度增加的，因此由于电磁感应产生的火花能量，也是随着电缆的长度而增加。在这种情况下，要解决网状结构的本安防爆问题是很难的。本安防爆理论的现状对现场总线的推广应用限制极大。因为它限制电缆的长度和总线上负载的数量。现场总线的主要优点在这些限制下，大部分都消失了。因此现场总线要求本安防爆理论要有所发

46、展，目前各国都在对现场总线本质安全概念（fieldbus intri nsical safety concept， FISCO）理论加强研究，争取有所突破。克服本安防爆对现场总线的限制是现场总线在应用理论上的发展趋势。现场总线的线状结构的优点在前面说明了，它的主要缺点是当一条总线支路的电缆断了，这条支路就瘫痪了。对于网状结构，断了一、二条支路，信息还能够通过其它路径传递；系统的性能会下降，但不会瘫痪。这个问题是现场总线至今未被用在最关键场合的主要原因之一，也是现场总线制造商们近期要研究解决的问题之一。 上述情况说明现场总线并不只是一项通信技术，它是通信技术、仪表智能化技术及自动控制技术的结合产

47、物。虽然并不是所有的现场总线都满足了上述要求，但这些要求是用于过程控制的现场总线所追求的目标。虽然我们已经看到一些直接通过因特网访问现场仪表的例子，但这都是一些对控制和实时性没有严格要求的检测系统。我们认为计算机通信技术不会取代现场总线。3.2 现场总线应用工程的发展趋势 3.2.1 通过应用技术发挥现场总线的优势 现场总线系统的优越性很多，主要突出它的哪一种优点 我们认为首先要突出现场总线降低系统投资成本和减少运行费用的优点。这一点很重要，有了这一基本思想，在进行总线类型的选择和网络设计时，就会有明确的方向。但是，现场总线的这项优点能否发挥，与应用者是否合理地使用现场总线、充分发挥它的潜能有关。3.2.2 不同类型的现场总线组合更有利于降低成本 对不同类型现场总线的简单比较，针对不同的情况选用不同的总线可以最大限度地降低系统成本。位式总线的能力很有限，用位式总线作为大型系统的信息传输主体是不可能的。但是它在成本，速度等方面的优势又是其它高层次总线无法替代的。因此它常常与其它总线混合使用。用户可能会担心，用了多种现场总线，会使整个系统的操