Profibus和CAN現場總線的幀轉換

1、概述

現場總線是一種用于智能化現場設備和自動化系統的開放式、數字化、雙向串行、多節點的通信總線。

在實際的生產建設中，我們將會經常遇到將不同現場總線的設備集成在一起或者在某一現場總線中利用其他現場總線協議的設備的問題。這就涉及到了不同的現場總線協議的協議轉化。數據鍵路層的幀轉換是這些協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場總線來研究現場總線的協議幀轉化。

2、CAN現場總線的傳輸層協議簡介

傳輸層是CAN協議的核心。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，但解釋數據的含義。因此，網絡上所有的節點可以通過報文濾波確定是否應對該數據做出反應。

報文傳輸由以下4個不同的幀類型所表示和控制：

? 數據幀：數據幀攜帶數據從發送器至接收器。
? 遠程幀：總線單元發出遠程幀，請求發送具有同一識別符的數據幀。
? 錯誤幀：任何單元檢測到一總線錯誤就發出錯誤幀。
? 過載幀：過載幀用以在先行的和后續的數據幀（或遠程幀）之間提供一附加的延時。

數據幀（或遠程幀）通過幀間空間與前述的各幀分開。

在這里我們以數據幀為例來分析CAN的幀結構。

2.1 數據幀

數據幀由7個不同的位場組成，如圖1所示：

圖1 數據幀的結構

（1）幀起始

它標志數據幀和遠程幀的起始，由一個單獨的“顯性”位組成。

（2）仲裁域

仲裁域包括識別符（ID）和遠程發送請求位（RTR）。

識別符（ID）：識別符的長度為11位。這些位的發送順序是從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：該位在數據幀里必須為“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，包括數據長度代碼和兩個將來作為擴展用的保留位。所發送的保留位必須為“顯性”。數據長度代碼指示了數據域中字節數量，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，發送站發送兩個“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送ACK信號，向發送器發送一“顯性”的位以示應答。

（6）幀結尾

每一個數據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、數據域以及CRC序列，均通過位填充的方法編碼。無論何時，發送器只要檢測到位流里有5個連續識別值的位，便自動在位流里插入——補碼位。

數據幀或遠程幀（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“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協議范圍只規定了“顯性”和“隱性”兩種邏輯值，而沒有明確規定表示這些邏輯電平的物理狀態。根據邏輯關系，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數據鏈路層幀格式及相關的地址規定

（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。