基于总线传输的数据采集与处理系统

１Ｌ—　山　Ｓｃｉｅｎｃｏ　ａｎｄ　ＴｅｃｈｎｏＩｏｇｙ　ｌｎｎｏＶａｔｉ０ｎ　Ｈｅｒａｌｄ　工业技术　基于总线传输的数据采集与处理系统　张小蓉’　李清英　（１．中国石油信息技术服务中心　北京　１　００００７；２．西南油田分公司川西北气矿质量安全环保科　四川江油　６２１　７０９）　摘要：ｃＡＮ总线是德国Ｂ０ｓｃＨ公司从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，同轴电境或光导纤维。本文就这种总线方式在数据采集与处理系统进行解析。　关键词：数据采集　数据处理　总线　石油　中图分类号：ＴＨ４　５　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—０９８Ｘ（２０１　Ｏ）０５（ｂ）一００７１—０１　１引言　总线读取的优先级已被按顺序放在每个报　性位，数据长度码ＤＬＣ的数据值是独立的，　在石油化工、汽车等领域，为防止在使　文中了，这可以保证在实时系统中较低的　它可以是０～８中的任何数值，这一数值为　用寿命期内由于数据交换错误而对人员造　个体隐伏时间。ＣＡＮ协议数据帧由７个不同　对应数据帧的ＤＬＣ，不存在数据场。远程帧　成危险，数据采集系统的安全保障体系要　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。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。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。数据段长度最多为８个字节，可满　足通常工业领域巾控制命令、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。　２　ＣＡＮ总线技术介绍　２．１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。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。这种　方法在网络负载较重时有很多优点，因为　的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数　同样有标准和扩展两种格式。　据场、校验场、应答场和帧结束。　（２）出错帧由两部分组成：错误标志和　（１）帧起始：ＳＯＦ标志数据帧和远程帧的　错误界定符。错误标志具有两种形式，一种　开始，它仅由一个显性位构成。只有在总线　是活动错误标志，一种是认可错误标志，活　处于空闲状态时，才允许节点开始发送。所　动错误标志由６个连续的显性位组成，而认　有节点都必须同步于首先开始发送报文的　可错误标志由６个连续的隐性位组成，除非　那个节点的帧起始前沿。　被来自其它节点的显性位冲掉重写。　（２）仲裁场：仲裁场由标识符ＩＤ、ＳＲＲ、　２．２　ＣＡＮ总线在数据采集中的可靠性分析　ＩＤＥ以及远程发送请求位（ＲＴＲ）组成。对于　如果要确定ＣＡＮ的残余错误概率，我　ＣＡＮ２．０Ａ标准，１１位标识符都是以从高位　们可将残留错误的概率作为具有８０～９Ｏ位　ＩＤｌ０到低位ＩＤ０的顺序发送，其中最高７位　的报文传送时位错误概率的函数，并假定　（ＩＤｌ０－４）不能全为隐性位。标识符决定了　这个系统中有５～ｌ０个站，并且错误率为１／　报文的优先级，如定义显性位为…０，隐性　ｌ０００，那么最大位错误概率为ｌ０一ｌ　３数量　位为“ｌ”，则标识符数值越小，优先级越高。　级。例如，ＣＡＮ网络的数据传输率最大为　（２）控制场：控制场由６位组成，包括４位　ｌＭｂｉｔ／ｓ，如果数据传输能力仅使用５Ｏ％，那　数据长度码和２个保留位ｒ１、ｒ０。２个保留位　么对于一个工作寿命４０００ｄ￣时、平均报文长　必须发送显性位，但接收器认可显性位和　度为８０位的系统，所传送的数据总量为９×　隐性位的全部组合。４位数据长度码ＤＬＣ，　ｌ０ｌ０。在系统运行寿命期内，不可检测的传　表示数据场数据的长度，允许的数据长度　输错误的统计平均小于１０～２量级。换句话　为０～８个字节。　说，一个系统按每年３６５天，每天工作８小　数据场：数据场由数据帧中被发送的　时，每秒错误率为０．７计算，那么按统计平　数据组成，它包括０～８个字节，每个字节８　均，每１０００年才会发生一个不可检测的错　位，首先发送的是最高有效位。　误。　（３）ＣＲＣ场：循环冗余校验位ＣＲＣ场由　１　５位ＣＲＣ序列及ＣＲＣ界定符组成。ＣＲＣ范　３结语　围包括帧起始、仲裁场、控制场和数据场。　ＣＡＮ总线采用了多主竞争式总线结　ＣＲＣ序列的最高有效位被首先发送或接　构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总　收，该校验对于少于ｌ２７位的帧是最佳的。　线以及广播通信的特点。ＣＡＮ总线Ｅ任意　ＣＲＣ边界符为隐性位。　节点可在任意时刻主动地向网络一卜其它节　（４）ＡｃＫ场：应答场（ＡＣＫ）由应答间隙　点发送信息而不分主次，因此可在各节点　和应答界定符组成，由接收节点向发送节　之间实现自由通信。ＣＡＮ总线协议已被国　点发送。发送器送出的两位均为隐性位，所　际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的　有接收到正确ＣＲＣ序列的节点将在发送节　芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分　点的应答间隙将发送方的隐性位改写为显　布式测控系统之间的数通讯。ＣＡＮ总线插　性位。因此，发送节点将一直监视总线信号　卡可以任意插在ＰＣ　ＡＴ　ＸＴ兼容机上，方　以确认网络中至少有一个节点正确地接收　便地构成分布式数据采集与处理系统。　到信息。　帧结束：每个数据帧和远程帧均由一　参考文献　串７个隐性位的帧结束标志序列界定。　［１】邬宽明．ＣＡＮ总线原理和应用系统设计　（１）远程帧起着请求的作用，ＣＡＮ网络　［Ｍ】．北京航空航天大学出版社，２００２．　上的一个接收数据的节点可以通过向网络　［２］阳宪惠．现场总线技术及应用【Ｍ】．北　上发送远程帧来要求源节点发送数据，用　京：清华大学出版社，１９９９．　标识符寻址数据发送源节点，并置相应帧　的ＲＴＲ位为隐性位，从而启动数据的传输。　远程帧和数据帧有如下不同：ＲＴＲ位为隐　科技创新导报Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ　７１