自动化技术基础知识点串讲 - 图文

物理层提供与通信介质的连接，提供为建立、维护和释放物理链路所需要的机械的、电气的、功能的和规程的特性，提供在物理链路上传输非结构的位流以及故障检测指示。物理层向上层提供位（bit）信息的正确传送。

其中机械特性主要规定接口连接器的尺寸、芯数和芯的位置安排、连线的根数等。电气特性主要规定了每种信号的电平、信号的脉冲宽度、允许的数据传输速率和最大传输距离。功能特性规定了接口电路引脚的功能和作用。规程特性规定了接口电路信号发出的时序、应答关系和操作过程，例如，怎样建立和拆除物理层连接，是全双工还是半双工等。

2. 数据链路层

数据链路层负责在两个相邻节点间的线路上，无差错地传送以帧为单位的数据。每一帧包括一定数量的数据和一些必要的控制信息。和物理层相似，数据链路层要负责建立、维持和释放数据链路的连接。在传送数据时，如果接收点检测到所传数据中有差错，就要通知发送方重发这一帧。

3. 网络层

在计算机网络中进行通信的两个计算机之间可能会经过很多个数据链路，也可能还要经过很多通信子网。网络层的任务就是选择合适的网间路由和交换节点，确保数据及时传送。网络层将数据链路层提供的帧组成数据包，包中封装有网络层包头，其中含有逻辑地址信息——?源站点和目的站点地址的网络地址。

4. 传输层

从传输层向上的会话层、表示层、应用层都属于端—端的主机协议层。传输层是网络体系结构中最核心的一层，传输层将实际使用的通信子网与高层应用分开。从这层开始，各层通信全部是在源与目标主机上的各进程间进行的，通信双方可能经过多个中间节点。传

输

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靠、价格合理的数据传输。具体实现是在网络层的基础上再增添一层软件，使之能屏蔽掉各类通信子网的差异，向用户提供一个通用接口，使用户进程通过该接口，方便地使用网络资源并进行通信。

5. 会话层

这一层也可以称为会晤层或对话层，在会话层及以上的高层次中，数据传送的单位不再另外命名，统称为报文。会话层不参与具体的传输，它提供包括访问验证和会话管理在内的建立和维护应用之间通信的机制。如服务器验证用户登录便是由会话层完成的。

6. 表示层

表示层的目的是处理信息传送中数据表示的问题。表示层的主要功能是完成被传输数据表示的解释工作，包括数据转换、数据加密和数据压缩等。表示层协议主要功能有：为用户提供执行会话层服务原语的手段；提供描述负载数据结构的方法；管理当前所需的数据结构集和完成数据的内部与外部格式之间的转换。例如，确定所使用的字符集、数据编码以及数据在屏幕和打印机上显示的方法等。表示层提供了标准应用接口所需要的表示形式。

7. 应用层

应用层确定进程之间通信的性质，以满足用户需要以及提供网络与用户应用软件之间的接口服务。

8.4.1 CAN总线

CAN全称为Controller Area Network，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初?CAN?被设计作为汽车环境中的微控制器通信在车载各电子控制装置ECU之间交换信息形成汽车电子控制网络，如发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备电子主干系统中均嵌入CAN控制装置。

CAN是一种多主方式的串行通信总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10?km时，CAN仍可提供高达50?Kb/s的数据传输速率。由于CAN总线具有很高的实时性能，因此，CAN已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。

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。其特点可概括如下： （1）CAN是到目前为止唯一有国际标准的现场总线。

（2）CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任一时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从。

（3）在报文标识符上，CAN上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时需要，优先级高的数据最多可在134??s内得到传输。

（4）CAN采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息发生冲突时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响的继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪的情况（以太网则有可能）。

（5）CAN节点只需要通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等方式传送接收数据。

（6）CAN的直接通信距离最远可达10?km（速率5?Kb/s以下）；通信速率最高可达1?Mb/s（此时通信距离最长为40?m）。

（7）CAN上的节点数取决于总线驱动电路，目前可达110个。在标准帧报文标识符有11位，而在扩展帧的报文标识符（29位）的个数几乎不受限制。

（8）报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低。 （9）CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，具有极好的检错效果。 （10）CAN通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。

（11）CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。

1. 基本概念

下面对CAN协议的一些基本概念做如下说明：

（1）报文（message）。总线上的报文以不同报文格式发送，但长度受到限制。当总线空闲时，任何一个网络上的节点都可以发送报文。

（2）信息路由（information routing）。在CAN中，节点不使用任何关于系统配置的报文，如站地址，由接收节点根据报文本身特征判断是否接收这帧信息。因此系统扩展时，不用对应用层以及任何节点的软件和硬件作改变，可以直接在CAN中增加节点。 （3）标识符（identifier）。要传送的报文有特征标识符（是数据帧和远程帧的一个域），它给出的不是目标节点地址，而是这个报文本身的特征。信息以广播方式在网络上发送，所有节点都可以接收到。节点通过标识符判定是否接收该帧信息。

（4）数据一致性。应确保报文在?CAN?同时被所有节点接收或同时不接收，这是配合错误处理和再同步功能实现的。

（5）位传输速率。不同的?CAN?系统速度不同，但在一个给定的系统里，位传输速率是唯一的，并且是固定的。

（6）优先权。由发送数据的报文中的标识符决定报文占用总线的优先权。标识符越小，优先权越高。

（7）远程数据请求（remote data request）。通过发送远程帧，需要数据的节点请求另一节点发送相应的数据。回应节点传送的数据帧与请求数据的远程帧由相同的标识符命名。

（8）仲裁（arbitration）。只要总线空闲，任何节点都可以向总线发送报文。如果有两个或两个以上的节点同时发送报文，就会引起总线访问碰撞。通过使用标识符的逐位仲裁可以解决这个碰撞。仲裁的机制确保了报文和时间均不损失。当具有相同标识符的数据帧和远程帧同时发送时，数据帧优先于远程帧。在仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。如果电平相同，则这个单元可以继续发送，如果发送的是“隐性”电平而监视到的是“显性”电平，那么这个单元就失去了仲裁，必须退出发送状态。

（9）总线状态。总线有“显性”和“隐性”两个状态，“显性”对应逻辑“0”，“隐性”对应逻辑“1”。“显性”状态和“隐性”状态与为“显性”状态，所以两个节点同时分别发送“0”和“1”时，总线上呈现“0”。CAN总线采用二进制不归零（NRZ）编码方式，所以总线上不是“0”，就是“1”。但是CAN协议并没有具体定义这两种状态的具体实现方式。

（10）故障界定（confinement）。CAN节点能区分瞬时扰动引起的故障和永久性故障。故障节点会被关闭。

2.??CAN总线协议的分层

CAN总线也是建立在ISO参考模型基础上的，不过只采用了其中最关键的两层，即物理层和数据链路层，由不同的制造者扩展第七层。CAN的协议结构如图8.10所示。