第四章 網路控制介面與機器人操作
4.1 網路控制
目前工業用機器人種類繁多，但根據其多軸控制系統的技術特點 一般可分為三種類型：1. 基於 PLC 的多軸控制系統；2. 基於 PC 的 多軸控制系統；3. 基於網路控制的多軸控制系統[18, 19]。其中，網 路控制系統具有數位信號傳輸、系統完全開放等優點，得到廣泛的應 用。CAN 網路[10,11]已實際應用工業機器人中，現場匯流排能夠傳送 多個過程變數，而傳統的 4~20mA 控制回路一般只能攜帶一個過程變 數。採用網路控制後，在傳輸變數過程的同時，儀錶的識別字和簡單 的診斷資訊也可一併傳送。
CAN-bus 是一種多主方式的串列通訊匯流排，基本設計規範要求 有高的位元速率、高抗電磁干擾性而且能夠檢測出產生的任何錯誤。
CAN- bus 匯流排在通信能力可靠性、即時性、靈活性、易用性、傳輸 距離遠、成本低等方面有著明顯的優勢，成為目前業界最有前途的現 場匯流排之一。
4.2 CAN 控制器區域網路
CAN 是一個簡易的雙線差動式序列匯流排系統。它在充滿雜訊的 電氣環境下仍具有高階的資料整合能力，不論是短距 (40 m) 的高速 (1 Mbits/s) 資料傳輸或是遠達 10,000 m 的低速 (5 kbits/s) 資料傳輸，
多主控端的 CAN 匯流排系統均可提供高度容錯、功能強大的偵錯與 設計處理能力。
CAN 匯流排，如圖 4.1，其特點為允許網路上的設備直接進行互 相通訊，而且網路上並不需要主機(Host)控制通訊。它為一序列匯流
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排，提供高安全等級及有效率的即時控制，更具備了偵錯和優先權
判別的機制，在這樣的機制下，網路訊息的傳輸變的更為可靠而有效 率。並擁有高度的彈性調整能力，可以在既有的網路中增加站台而不 用在軟硬體上作修正與調整的作業，並且，資訊的傳遞不是建構在特 殊種類的站台上，增加了在升級網路時的便利性。
4.2.1 CAN Bus 協定模式
CAN 協定是參考 ISO/OSI 的七層協定模式而做定義的，但因它主 要是用來傳送簡短且簡單的訊號，而且是一封閉性的系統，並不需要 負責系統的安全、產生使用者介面的資料，以及監控網路的登入等動 作，因此只定義了實體層（Physical Layer）和資料鏈結層（Data Link Layer）。
1 實體層（Physical Layer）
CAN 實體層的作用在於規範位元元標記法（bit representation）、
位元時序及同步性（bit timing and synchronization），通常還包括 CAN-Bus
節點 1 節點 2 節點 3
節點 4 節點 5
圖 4.1 CAN 網路結構
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腳位連接器和接線的型式。CAN 藉由兩條序列匯流排（CAN_H and CAN_L）即時傳輸資料，傳輸速率可高達 1M bits/sec。
CAN 通訊採用雙線差動(two-wire differential) 傳輸的技術規 格，只需要兩條信號線(CAN-H 和 CAN-L)，就可進行正常的通訊，
如果是在干擾較強的地方，可能還需要用到 CAN-G，主要功能為 遮蔽干擾訊號。如圖 4.2，Bus 須能夠呈現兩種邏輯狀態(dominant
& recessive)，當在隱性(recessive)狀態時，CAN-H 和 CAN-L 的輸 入電壓差為 0V，而當顯性(dominant)狀態時，CAN-H 和 CAN-L 的輸入電壓差為 2V。假如有兩個裝置同時對 bus 傳輸不同的邏輯 狀態的訊息時，只有傳送 dominant 狀態的裝置能夠成功傳輸資料 並繼續其動作。
2 資料鏈結層（Data Link Layer）
CAN 資料鏈結層可以說是 CAN 功能的核心，其目的在於建 立資料訊框（data frame）封包，在訊框內包含資料和控制資料。
在資料鏈結層中的主要功能之一，就是當系統中出現有兩個訊號 同時想使用網路中的相同資源時，如何防止衝突的發生，這就是
CAN-H
CAN-L 3.5V
2.5V 1.5V
時間 邏輯 1
邏輯 0 邏輯 1 圖 4.2 雙絞線差動傳輸信號 電壓
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所謂 MAC（Medium Access Control）的功能。
在 CAN 協定中，MAC 功能會讓具有最高優先權的資料訊框 先使用匯流排的網路資源，在網路的接取控制上有兩大方向，一 是先決式（determined），一是隨機式（random）。在先決式的接 取控制中，匯流排的使用權必須在節點接取匯流排前就預先定義 好，以確保不會發生任何衝突。此類的網路需要一個中央管控的 裝置來進行網路管理，但一旦此裝置失常，整個網路就無法運作 了；在隨機式的接取控制中，當匯流排閒置時，每個節點都能夠 要求使用網路資源。最常見的隨機式接取控制方式是載波偵測多 重存取（Carrier Sense Multiple Access，CSMA），CSMA 又分成 限制或防止訊號碰撞的 CSMA/CA 方式，和允許碰撞再進行處置 的 CSMA/CD 方式。由於 CSMA/CD 較浪費頻寬資源及會產生較 長的延遲性，CAN 採用的是 CSMA/CA 的方式，此作法又稱為非 破壞性的按位元仲裁（Non-Destructive Bit-Wise Arbitration）機制。
在 每 個 訊 號 訊 框 的 一 開 始處 就 存 在 有仲 裁 域 （ Arbitration Field），仲裁域中有一個識別碼（Identifier），當識別碼的數值愈 小時，表示其優先權限愈高。此作法能有效的利用匯流排資源，
其具有最高優先權的訊號，最大的延遲時間大約只有 150ms。
4.2.2 CAN Bus 訊框格式
訊框(Frame)是包含由傳送器送出的完整訊號的資料封包。在 CAN 協定中具有四種訊框，分別為傳送資料的 1)資料格式(Data Frame)、向遠端要求資料的 2) 遠端訊框(Remote Transmit Request Frame)、向節點報告出錯的 3) 誤碼訊框(Error Frame)、節點電路尚未 準備好會要求延遲傳送的 4) 額負載訊框(Overload Frame)。由於 CAN
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是採差分訊號的形式來傳輸，所以訊號可分 CAN-L 跟 CAN-H，CAN-H 的訊號方向與 CAN-L 相反，下列敘述我們以 CAN-L 作為標準來分析 of Frame）、仲裁域（又包括識別碼和 RTR）、控制域（Control Field）
（又包括 IDE、r0 和資料長度碼）、資料欄（Data Field）、迴圈 冗 餘 碼 檢 驗 （ Cyclic Redundancy Check ， CRC ） 域 、 確 認 域
（Acknowledgement Field），以及訊框終點（End of Frame）等。
(1) Start of frame
任何格式起始位元一定為 0，表示要求遠方傳資料回來。
(2) Arbitration Field
Identifier 為 11bits 主要功能是訊號發送時的順序排列，數值
圖 4.3 資料訊框
1
Start of frame ID10 ID0 RTR
Arbitration
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越小優先權越高，而排列由 ID-10 至 ID-0，而 ID-10 至 ID-4 不可皆為 1。最後 RTR(Remote Transmit Request) 為傳送或遠 程要求的判斷位元，當 RTR=0 表示傳 Data 出去，RTR=1 表 示要求遠方傳資料回來。
(3) Control Field
控制段由 6 個位元組成，包括數據長度代碼和兩個將來作為 擴展格式用的保留位元。所發送的保留位元必需為 0。接收器 接收所有由 0 和 1 組合在一起的位元。如圖 4.4 控制段的 IDE 和 RB0 是保留位元一定是 0，後面的 4bit 只能是 0-8，表示後 續 data 段將傳幾個 bytes 的資料。
(4) Data Field
所需要傳的資料，先傳 MSB，只能傳 0-8 bytes 的 Data。
(5) CRC Field
如圖 4.5 所示，16bit CRC 驗證碼，最後一個 Del 為界定符，
固定為 1。
(6) Ack Field
此為接收端的回傳訊息，有兩個位元，最後一個 Del 為界定 符，固定為 1。若接收成功 Ack 就回傳 0，則傳送端就知道接 收端已接收到資料。
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(7) END of Frame
1111111 表示結束。
2 擴展格式
如圖 4.6，資料訊框包含 Start of bit(SOB)、Arbitration Field、Control Field、.Data Filed、CRC Filed、ACK Filed、END of Frame 等七小
圖 4.5 CRC 檢驗欄與確認欄
DEL ACK DEL
Ack
IDE RB0 DLC3 DLC0
Reserived Bits
4 bits Data Length
Code
圖 4.4 控制欄與資料欄
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節。不過 Arbitration Field 的部分多了 18bit，而 SRR 與 IDE 皆為 1。
3 向遠端要求資料的遠程格式(Remote Transmit Request Frame)
如圖 4.7 所示，當 RTR=1，表示向遠端要求資料的遠程格式 Remote Transmit Request Frame，此時的 DLC3..DLC0 為所需回傳資料的 Data bytes。且此格式無 Data Filed。
圖 4.6 擴展格式資料訊框
1 1 0 0 0 1 1
ID28 ID18 SRR IDE ID17 ID0 RTR R1 R0 Del
DLC0
DLC3 ACK Del
32 bits Arbitration Field
6 bits Control Field
0 - 64 bits Data Field
15 bits
Reserived Bits
11 msb Identifier
18 lsb Identifier
Start of frame End of frame (7 bits)
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Start of frame ID10 ID0 RTR IDE RB0 DLC3 DLC0 Del
Del ACK
Reserived Bits
6 bits
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5 要求延遲傳送的過載格式(Overload Frame) 有兩個方式會產生過載格式：
(1) 節點的內部條件節點處理資料中，對於下一筆資料需要延 遲。
(2) 起始於第一個間歇期間位元。間歇期間檢測到’0’， 起始於檢 測到間歇期間為’0’的下一個位元。
如圖 4.9，過載標誌會發出六個’0’，此六個’0’會破壞間歇的格式，
使其他節點知道此時有節點發出過載標誌。當發送完過載標誌，
節點會發出 8 個’1’，其他節點也會在完成後發出 7 個’1’。
6 報文間的空隙(Interframe Space)
報文間的空隙分為間歇與 bus 空閒兩種。間歇為 3 個’1’，此期間 不可傳送任何訊息，除了過載格式例外。bus 空閒為各節點都未發 送資料，所以此長度示任意的，任何節點都可在此時發送自己的
圖 4.8 出錯格式
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1
ErrorFlag
Error Delimiter
8 bits 6 bits
6~12 bits Superposition of
Error Flags
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資料。當有節點處於錯誤被動，會在間歇後發出 8 個’1’，讓其他 的節點有機會重發自己的資訊。
4.2.3 訊息的優先權
訊息的優先權是由訊息封包的 message identifier 所決定的，
identifier 的屬性則是由系統一開始所給定的二進位數值決定，其數值 是不能一直改變的。數值越小，就享有越高的優先順位。
即時環境中使用的通訊協定優點：
訊息有分優先次序
有限度的訊息傳遞延遲
訊息可多重發送、資料確保一致性
可分辨資料是網路傳送錯誤或是裝置不正常運作所造成，進 而將有問題的網路節點關閉
4.2.4 仲裁機制
圖 4.9 過載格式
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1
OverloadFlag
Overload Delimiter
8 bits 6 bits
6~12 bits Superposition of
Overload Flags
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CAN base frame 一開始是 SOF(Start Of Frame)，接著是仲裁區 Arbitration field( 包 含 identifier 和 遠 端 傳 輸 要 求 RTR(Remote Transmission Request))，之後的 IDE(Identifier Extension)用來分辨是 base frame 或 extended frame。DLC(Data Length Code)記錄了 data field 的大小。
當兩種格式同時存在於同一個匯流排時，11-bit 的訊息將會擁有 比 29-bit 的訊息較高的優先順位。可支援 extended frame 的 CAN controller 可正確的傳送 base frame 與 extended frame 的訊息，但是只 支援 base frame 的 controller 則無法正確的傳送 extended frame 的訊 息。
4.2.5 偵錯機制
CAN 提供了五種偵錯機制，使其錯誤發生率低於 4.7×10-11。當 一個以上的上述錯誤發生時，傳送中的傳輸將會失敗中止並且產生錯 誤封包，發訊端則會試著重新傳送訊息封包。各個節點將會重新爭取 優先權。
CAN 的五種偵測錯誤機制
CRC) 校 驗 : CRC 在 訊 息 結 尾 處 加 上 一 個 FCS(frame check sequence)來確保訊息的正確。接收訊息端會將其 FCS 重新演算並 與所接收到的 FCS 比對，如果不相符，表示有 CRC 錯誤。
Frame check: 檢查封包中幾個固定值的欄位以驗證該封包是否有 被訊號干擾導致內容錯誤
ACK errors: 接收端在收到封包後會告知發訊端，發訊端若沒有收 到確認訊息，ACK 錯誤便發生。
Monitoring: 傳一個 bit 到網路上，從網路上再讀進來檢查是否一