CAN总线可靠性研究及其在灯光控制系统中的应用

论文摘要

CAN是一种性价比很高的串行总线,已经形成国际标准,被公认为几种最有前途的现场总线之一。由于采用了许多新技术及独特的设计,CAN总线与一般的通信总线相比,它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。正因如此,CAN的应用范围已经不再局限于最初的汽车行业,而是扩展到了机械工业、机器人、数控机床、医疗器械、家用电器、航空航天等诸多领域。复杂而恶劣的应用环境对CAN总线的可靠性提出了更高的要求。本文首先介绍了CAN总线的特点、CAN总线的技术现状以及发展前景,由CAN总线具体的应用环境及其错误检测机制分析出CAN在可靠性方面的不足,从而明确了CAN总线可靠性研究的意义;其次,深入地分析了CAN总线协议,主要包括报文传输、非破坏总线仲裁、错误处理、报文滤波等,虽然这些都已由CAN总线控制器实现,但是对CAN协议的深入理解有助于实际应用,比如通信方式的选择和应用层协议的制定;再次,对CAN总线驱动器PCA82C250、CAN总线通信介质进行建模,提出了极限情况下,包含N个节点的总线形、环形CAN网络的物理层模型。在此基础上,对CAN总线长度、网络节点数目作了详细的研究,分别得出了总线电缆电阻率、总线电缆横截面积、网络节点数目与CAN网络最大总线长度的关系;最后,从拓扑结构和冗余两个方面对CAN总线网络的可靠性作了深入的分析,由总线形、环形、冗余环形网络的拓扑结构得到相应的可靠性模型,对各自的可靠性进行了定量的描述,对比三种拓扑结构的可靠性,得出了冗余环形网络可靠性最高的结论。对无冗余、驱动器级冗余、控制器级冗余、系统级冗余的CAN总线的组成和可靠性进行了详细的阐述,并做了综合的比较。在此基础上,设计出基于两级CAN总线网络的集散灯光控制系统。介绍了系统功能、系统组成及系统工作原理,对CAN总线网络智能节点的软硬件设计做了详细的说明,对系统的应用层协议的制定原则、通信方式的选择、主备冗余切换及故障判断做了总结性研究。完成了各个部分的软硬件设计与调试,并取得了良好的实际效果,与理论分析结果一致。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.1.1 CAN总线技术概述
• 1.1.2 CAN总线技术现状及发展前景
• 1.1.3 CAN总线可靠性的不足
• 1.1.4 CAN总线可靠性研究的意义
• 1.2 本文研究的主要内容
• 第2章 CAN总线协议研究
• 2.1 CAN的ISO/OSI参考模型的层次结构
• 2.2 报文传输
• 2.2.1 帧格式
• 2.2.2 帧类型
• 2.3 仲裁
• 2.4 错误处理
• 2.4.1 错误检测
• 2.4.2 错误类型
• 2.4.3 错误信号
• 2.5 故障界定
• 2.6 报文滤波
• 2.6.1 单滤波器模式
• 2.6.2 双滤波器模式
• 2.7 本章小结
• 第3章 CAN总线网络的负载能力研究
• 3.1 CAN总线物理层建模
• 3.1.1 CAN总线物理层一般结构
• 3.1.2 CAN总线驱动器PCA82C250模型
• 3.1.3 通信介质模型
• 3.1.4 包含N个节点的总线形网络物理层模型
• 3.1.5 包含N个节点的环形网络物理层模型
• 3.2 CAN网络总线长度约束条件分析
• 3.2.1 总线电缆电阻率对总线长度的约束
• 3.2.2 总线电缆横截面积对总线长度的约束
• 3.2.3 节点数目对总线长度的约束
• 3.3 CAN总线网络节点数目约束条件分析
• 3.4 CAN总线网络非终端支线电缆长度的约束条件分析
• 3.5 CAN总线终端
• 3.5.1 分离终端
• 3.5.2 多终端
• 3.5.3 单终端
• 3.5.4 非匹配终端
• 3.6 本章小结
• 第4章 CAN总线网络拓扑结构及可靠性分析
• 4.1 CAN总线网络的拓扑结构
• 4.2 可靠性的定义及其评价尺度
• 4.3 总线形网络拓扑结构及其可靠性
• 4.4 环形网络拓扑结构及其可靠性
• 4.5 冗余环形网络拓扑结构及其可靠性
• 4.6 本章小结
• 第5章 CAN总线的冗余设计及可靠性分析
• 5.1 无冗余的CAN总线
• 5.1.1 无冗余的CAN总线的组成
• 5.1.2 无冗余的CAN总线的可靠性
• 5.2 有冗余的CAN总线
• 5.2.1 驱动器级冗余的CAN总线的组成
• 5.2.2 驱动器级冗余的CAN总线的可靠性
• 5.2.3 控制器级冗余的CAN总线的组成
• 5.2.4 控制器级冗余的CAN总线的可靠性
• 5.2.5 系统级冗余的CAN总线的组成
• 5.2.6 系统级冗余的CAN总线的可靠性
• 5.2.7 CAN总线三个级别冗余的比较
• 5.3 本章小结
• 第6章 基于两级CAN的集散灯光控制系统的设计与实现
• 6.1 系统组成与工作原理
• 6.1.1 系统功能
• 6.1.2 系统组成
• 6.1.3 系统工作原理
• 6.2 CAN总线网络智能节点设计
• 6.2.1 CAN总线网络智能节点硬件设计
• 6.2.2 CAN总线网络智能节点软件设计
• 6.3 应用层协议的制定原则
• 6.4 通信方式
• 6.5 冗余切换与故障判断
• 6.6 实验论证
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢