1 概述 現(xiàn)場總線是一種用于智能化現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的開放式、數(shù)字化、雙向串行、多節(jié)點的通信總線。 在實際的生產建設中，我們將會經常遇到將不同現(xiàn)場總線的設備集成在一起或者在某一現(xiàn)場總線中利用其他現(xiàn)場總線協(xié)議的設備的問題。這就涉及到了不同的現(xiàn)場總線協(xié)議的協(xié)議轉化。數(shù)據(jù)鍵路層的幀轉換是這些協(xié)議轉化中的一個很關鍵的問題。 在這里，我們以Profibus-DP和CAN這兩種當今使用廣泛的現(xiàn)場總線來研究現(xiàn)場總線的協(xié)議幀轉化。 2 CAN現(xiàn)場總線的傳輸層協(xié)議簡介 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，以及接收來自對象層的報文。傳輸層負責位定時及同步、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(shù)據(jù)的含義。因此，網絡上所有的節(jié)點可以通過報文濾波確定是否應對該數(shù)據(jù)做出反應。 報文傳輸由以下4個不同的幀類型所表示和控制： ·數(shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)幀攜帶數(shù)據(jù)從發(fā)送器至接收器。 ·遠程幀：總線單元發(fā)出遠程幀，請求發(fā)送具有同一識別符的數(shù)據(jù)幀。 ·錯誤幀：任何單元檢測到一總線錯誤就發(fā)出錯誤幀。 ·過載幀：過載幀用以在先行的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀（或遠程幀）之間提供一附加的延時。 數(shù)據(jù)幀（或遠程幀）通過幀間空間與前述的各幀分開。 在這里我們以數(shù)據(jù)幀為例來分析CAN的幀結構。 2.1 數(shù)據(jù)幀 數(shù)據(jù)幀由7個不同的位場組成，如圖1所示： （1）幀起始 它標志數(shù)據(jù)幀和遠程幀的起始，由一個單獨的“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(shù)據(jù)幀里必須為“顯性”，而在遠程幀里必須為“隱性” （3）控制域 控制域由6個位組成，包括數(shù)據(jù)長度代碼和兩個將來作為擴展用的保留位。所發(fā)送的保留位必須為“顯性”。數(shù)據(jù)長度代碼指示了數(shù)據(jù)域中字節(jié)數(shù)量，長度為4個位。 （4）CRC域 CRC域包括CRC序列，其后是CRC界定符，它包含一個單獨的“隱性”位。 （5）應答域 應答域長度為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“隱性”位。當接收器正確地接收到有效的報文，接收器就會在應答間隙期間發(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 每一個數(shù)據(jù)幀和遠程幀均由一標志序列界定。這個標志序列由7個“隱性”位組成。 2.2 傳輸控制 （1）幀間空隙 對于不是“錯誤被動”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： 對于已作為前——報文發(fā)送器的“錯誤被動”的站，其幀間空間如圖5所示： 其中，intermission是強制性的3個隱性位。 （2）位流編碼 幀的部分，諸如幀起始、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域以及CRC序列，均通過位填充的方法編碼。無論何時，發(fā)送器只要檢測到位流里有5個連續(xù)識別值的位，便自動在位流里插入——補碼位。 數(shù)據(jù)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。錯誤幀和過載幀的形式也相同，但并不通過位填充的方法進行編碼。其報文里的位流根據(jù)“不返回到零”之方法來編碼。這就是說，在整個位時間里，位電平要么為“顯性”，要么為“隱性”。 CAN協(xié)議范圍只規(guī)定了“顯性”和“隱性”兩種邏輯值，而沒有明確規(guī)定表示這些邏輯電平的物理狀態(tài)。根據(jù)邏輯關系，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(shù)據(jù)鏈路層幀格式及相關的地址規(guī)定 （1）幀字符（UART字符） 幀由幀字符組成 每個幀字符由11個位組成：1個開始位（ST）；8個信息位;1個奇偶校驗位（P）;1個停止位。 （2）幀格式舉例 Profibus的幀有4種 1）無數(shù)據(jù)字段的固定長度的幀 2）有數(shù)據(jù)字段的固定長度的幀 3）有可變數(shù)據(jù)字段長度的幀 4）令牌幀 其中： SYN同步時間，所有的主動幀前都必須有。 SD1開始定界符，值l0H SD2開始定界符，值68H SD1開始定界符，值A2H SD1開始定界符，值DCH LE信息字節(jié)長度。該長度包括DA, SA,FC和DATA_UNIT。 LEr重復信息字節(jié)長度。 DA目的地址 SA源地址 FC幀控制 DATA UNIT數(shù)據(jù)字段。在固定長度的幀中為8個字符，在可變數(shù)據(jù)字段長度的幀中由LE決定，最大246個字符。 FCS幀檢查順序 ED結束定界符，值16H。 SC短應答幀的單一字符，值E5H。 （3）地址 在幀首部的地址字符結構是這樣的： 地址位組的低7位為其所指示的站地址。這樣在不擴展的情況下就有127個站地址（0～126）可以提供給主站和從站（其中127是作為全局地址來用的）。 EXT位用來指示在DATA UNIT中有無地址擴展。為了效率的緣故，Profibus-DP的數(shù)據(jù)交換功能禁止了地址擴展。 （4）服務存取點SAP ProfibuS-DP協(xié)議使用FDL的服務存取點SAP作為基本功能代碼。這個SAP有點類似于我們熟悉的TCP/IP協(xié)議中的端口： 在Profibus-DP協(xié)議中通常使用的幀格式如下，其中地址欄的最高位是1 4 幀的內容的轉化 一般說來，Profibus現(xiàn)場總線是主從結構的，Master和Slave之間是通過輪詢來通訊的。CAN也有主從結構的，但它的通訊方式是優(yōu)先級逐位仲裁的競爭式通訊（CSMA/MBA）。 如果把這兩種現(xiàn)場總線連在一起的話，大多數(shù)情況下應該是把CAN段作為Profibus的Slave。 CAN的幀比較短，每個幀都有嚴格的差錯控制，在每個CAN的幀中，數(shù)據(jù)域最長是8個字節(jié)；而Profibus常用的有可變數(shù)據(jù)字段的單幀數(shù)據(jù)容量可達246字節(jié)，但它的每個字節(jié)（UART字符）都有比較好的差錯控制。在這種轉化中我們需要集中考慮地址轉化和幀的拆分問題。 4.1 地址轉化 如前所述，Profibus-DP的站地址（DA/SA）在幀中用1個字節(jié)的低7位來表示；但是CAN協(xié)議的幀中卻沒有明顯的地址位，它是利用仲裁域中的11位（CAN2. OA）或29位（CAN2.OB）表示符ID來表示幀的有關接收信息，讓接受節(jié)點自己來確定是否接收。這樣，實際上的地址信息就應當包含在ID中了。CAN協(xié)議沒有規(guī)定信息標識符（ID）的分配，可以根據(jù)不同的應用使用不同的方法。確定標識符的分配非常重要，是高層協(xié)議、應用層協(xié)議的一個主要研究項目。 在本文中，為簡單起見，我們只采用CAN2. OA格式的幀。首先我們來研究其標識符的分配方法。世界上已經有很多現(xiàn)場總線的高層協(xié)議是基于CAN協(xié)議的，如CANopen, Modbus，DeviceNET等。出于研究方便，現(xiàn)在我們就采用“HiLon協(xié)議B”，協(xié)議。 下面對“HiLon協(xié)議B”作簡單介紹。 HiLon協(xié)議B是一個通用協(xié)議。該協(xié)議基于對稱型多主網絡結構，支持廣播和點對點傳送命令數(shù)據(jù)。命令數(shù)據(jù)包可長達256字節(jié)。 協(xié)議以CAN2. OA幀結構為基礎。下圖是幀報文格式，一個CAN2. OA標準幀由11位ID、1位RTR、4位DLC、數(shù)據(jù)區(qū)（最多8個字節(jié)）組成。 PRI：保留位（可作優(yōu)先級位）。通常，保留位設置為1。保留位亦可作為優(yōu)先級位，這時1為低優(yōu)先級0為高優(yōu)先級而剩余的優(yōu)先級由源地址決定，低地址優(yōu)先級高。該保留功能可有效支持緊急信息傳送，如報警等。 source address：源地址，表示發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點地址，范圍只能設定為0～125。 TYPE：幀類型。見下表中的幀類型說明。 DLC：每幀字節(jié)數(shù)（1～8） destination address：目標地址，表示接收數(shù)據(jù)的節(jié)點地址，范圍只能設定為0～125。 index：索引字節(jié)。對于單幀數(shù)據(jù)，該字節(jié)表示傳輸數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)；對于多幀數(shù)據(jù)，此字節(jié)表示索引字節(jié)，即此幀數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)包中的位置。 data：數(shù)據(jù)。 Profibus有127個站地址，地址范圍是0～126，127是全局地址。 兩者的差距并不大。因為只是研究用，我們不妨把HilonB協(xié)議稍許修改，地址范圍擴充到0～126，這樣做，對整個CAN幀的長度和結構并無任何影響。 于是，我們就可以對所有的Profibus設備和CAN設備統(tǒng)一編址。整個系統(tǒng)里的站地址是唯一的，在幀轉化時我們只要把相應位的地址信息直接拷貝進去就是了。 4.2 幀的拆分和合并 要把profibus的長幀裝到CAN的短幀里去，就只能把Profibus的幀里的數(shù)據(jù)拆分成適合CAN的幀傳輸?shù)拈L度。 CAN幀里的數(shù)據(jù)域的長度最大只有8個字節(jié)。而且在我們給定的高層協(xié)議HiLon B中，又在數(shù)據(jù)域里拿了兩個字節(jié)作為目的地址和幀索引了，這樣就只剩下6個字節(jié)給我們傳輸數(shù)據(jù)。在最長的Profibus數(shù)據(jù)幀中，有246個數(shù)據(jù)字節(jié)。那么容納這個長幀的數(shù)據(jù)就需要246/6＝41個CAN幀。剛才我們在CAN的幀里采用一個字節(jié)作為幀的索引字節(jié)。 我們在進行幀轉化時，把Profibus的幀拆分成每部分6字節(jié)后，加上目的地址和幀索引，就可以成為CAN幀中的內容了。目的節(jié)點收齊這些幀之后再把它們連接還原，就得到了要傳送給它的信息。 反向傳輸時，我們所要做的只是順序完全相反的事情。 4.3 幀的控制信息的轉換 Profibus數(shù)據(jù)幀中的其他控制信息還有 SD2 （68H），LE（數(shù)據(jù)長度），F(xiàn)C（幀控制八位組），F(xiàn)CS（幀檢查序列），ED（16H），這些信息都是根據(jù)幀本身的數(shù)據(jù)計算出來的，用于接收方對數(shù)據(jù)的識別。所以在協(xié)議轉換器正確的接收了幀之后，這些信息也就不需要了。接下來的工作就是把收到的信息編人CAN的幀，加上CAN的控制信息，計算出CRC序列，和在一起組成CAN的幀發(fā)到CAN節(jié)點上去；反過來，當協(xié)議轉換器要把CAN的幀轉換成Profibus的幀時，也是在正確地接收CAN的幀之后，只提取其數(shù)據(jù)內容，然后按照Profibus的協(xié)議生成一幅Profibus幀。 5 差錯控制 每種現(xiàn)場總線通訊協(xié)議幀都有它自己的錯誤檢測方式。我們在協(xié)議轉換的兩側，要按照它們各自的方法去檢測錯誤。我們的協(xié)議轉換器如果檢測到一個錯誤，應當攔截這個錯誤。 5.1 Profibus的錯誤檢測及控制 如前所述，Profibus幀中用的是UART字符。第10位是奇偶校驗位。檢測到任何一個字符的奇偶校驗出錯，我們就知道該字符有錯誤了。 Profibus的數(shù)據(jù)幀中有一個FCS位，是通過計算DA，SA，F(xiàn)C 和DATA UNIT的算術和獲得的一個檢驗八位組。這個八位組可供 我們在接收到一個幀時來檢驗數(shù)據(jù)的正確性。 另外，還有些能明顯被發(fā)現(xiàn)的錯誤：如超時運行、有缺陷的開始定界符和結束定界符、無效的幀長度、相應次數(shù)等。協(xié)議轉化器在Profibus總線一側，就是作為一個Profibus的節(jié)點在運行。當它不正確地接收到一個主動幀時，將不處理、應答或回答。在此時隙 時間期滿后，發(fā)起方將再重試此請求。僅在接收到一個有效回答或重試（多次）不成功后，發(fā)起方才算完成了此請求。同理，如果協(xié)議轉換器發(fā)送主動幀后沒有正確的收到一個應答幀，那么它也會不停的重試，直到一定次數(shù)，才會把對方標記為不運行。 5.2 CAN的錯誤檢測及控制 5.2.1 錯誤類型 CAN協(xié)議列出了以下5種不同的錯誤類型。協(xié)議轉換器必須捕捉并處理這些錯誤。 （1）位錯誤 站單元在發(fā)送位的同時也對總線進行監(jiān)視。如果所發(fā)送的位值與所監(jiān)視的位值不相符合，則在此位時間里檢測到一個位錯誤（BIT ERROR）。 （2）填充錯誤 如果在使用位填充法進行編碼的信息中，出現(xiàn)了第6個連續(xù)相同的位電平時，將檢測到一個填充錯誤。 （3）CRC錯誤 CRC序列包括發(fā)送器的CRC計算結果。接收器計算CRC的方法與發(fā)送器相同。如果計算結果與接收到CRC序列的結果不相符，則檢測到一個CRC錯誤（CRC ERROR）。 （4）形式錯誤 當一個固定形式的位域含有1個或多個非法位，則檢測到一個“形式錯誤”（FORM ERROR）。 （5）應答錯誤 只要在ACK間隙（ACK SLOT）期間所監(jiān)視的位不為“顯性”，則發(fā)送器會檢測到一個“應答錯誤”（ACKNOWLEDGMENT ERROR）。 5.2.2 故障界定狀態(tài) CAN定義了一個故障界定狀態(tài)機制。一個節(jié)點可能處于下列三種錯誤狀態(tài)中。 （1）錯誤主動當一個錯誤主動結點檢測到上述某個錯誤時，它將發(fā)送一個錯誤主動幀，該幀由6個連續(xù)的顯性位組成。這已發(fā)送覆蓋其他任何同時發(fā)送的幀，并導致其他節(jié)點都檢測到一個填充錯誤，并依次放棄當前幀。 （2）錯誤被動當一個錯誤被動節(jié)點檢測到上述的某一個錯誤時，它將發(fā)出一個錯誤被動幀。該幀由6個連續(xù)的隱性位組成。這個幀會被同時出現(xiàn)的其他發(fā)送所覆蓋，如果其他站點沒有檢測到這一錯誤，不會丟棄當前幀。 （3）離線 5.2.3 錯誤處理過程 為進行故障界定，我們的協(xié)議轉換器也應當設兩種計數(shù)器：發(fā)送錯誤計數(shù)器和接受錯誤計數(shù)器。然后，我們就可以把它作為一個普通的CAN接點參與到CAN網絡的運行，故障的處理方法也是一樣的。 （1）初始化錯誤計，數(shù)器的值等于0，節(jié)點開始錯誤主動狀態(tài)，此時假設檢測到的所有錯誤都不是由該節(jié)點引起的。 （2）根據(jù)檢測到的錯誤類型使相應的計數(shù)器的值累加，有效的發(fā)送或接收又使這些計數(shù)器遞減，直至0。 （3）當這些計數(shù)器中的任何一個超出CAN定義的閾值時，該節(jié)點進人錯誤被動狀態(tài)。該節(jié)點被認為是導致錯誤的原因。 （4）當錯誤被動節(jié)點的發(fā)送及接收錯誤計數(shù)器值都減小到CAN定義的閾值以下時，節(jié)點重新進人錯誤主動狀態(tài)。 （5）當發(fā)送錯誤計數(shù)值超過CAN定義的另一個閾值時，該節(jié)點進人離線狀態(tài)。從離線狀態(tài)再進人錯誤主動狀態(tài)就需要人的干預了。 以上所述，是我們研究的現(xiàn)場總線協(xié)議轉換器在兩邊各自的現(xiàn)場總線范圍內的錯誤控制和處理方法。一定要先解決各自的錯誤，才能再進行幀的轉換。 從Pfofibus的幀轉換到CAN的幀時，就是在通過校驗確認幀的內容無誤后，才進行地址和內容的轉換，然后還要計算出該幀的CRC序列，供CAN段通訊用。反過來也是一樣。 6 結語 本文分析了Profibus和CAN的幀的特點，構思了在這兩種總線之間實現(xiàn)幀轉換的方法。但單純的幀轉換沒有意義，幀轉換只是現(xiàn)場總線的協(xié)議轉換中的一環(huán)。要實現(xiàn)幾種現(xiàn)場總線的協(xié)作，還有其他很多工作要做。 國際電工委員會IEC在1984年就開始籌備制定單一現(xiàn)場總線國際標準。然而，由于行業(yè)與地域發(fā)展等歷史原因，加上各公司和企業(yè)集團受自身利益的驅使，圍繞著現(xiàn)場總線技術的標準進行了一場大戰(zhàn)，最后經過多方妥協(xié)，于1999年年底通過了包含F(xiàn)F,Profibus等八種總線在內的IEC61158，沒有實現(xiàn)制定單一標準的目標。這個結局表明，在今后相當長一段時間內多種現(xiàn)場，總線將并存，控制網絡的系統(tǒng)集成與信息集成會面臨困難的復雜局面。無論是最終用戶還是制造商，普遍都在關注現(xiàn)場總線技術的發(fā)展新動向，都在尋求高性能低成本的解決方案。