Profibus和CAN現(xiàn)場總線的幀轉換

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：

圖1 數(shù)據(jù)幀的結構

（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”。

圖2 仲載域

圖3 控制域

（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：

圖4 幀間空隙（非錯誤被動）

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：

圖5 幀間空間（錯誤被動）

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。