基于CAN总线的工业测控系统的应用研究.doc

毕业设计论文题目：基于CAN总线的分布式工业测控系统的应用研究英文题目：ApplicationandResearchonDistributedIndustrialMeasureandControlSystemBasedonCANField-bus学生姓名：班级：指导教师：专业：自动化二零零六年六月摘要现场总线是连接现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。它是计算机技术、通信技术和控制技术高度综合与集成的产物，是一种开放式和分布式的新模式。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一。CAN（控制器局域网）属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。它特别适合工业过程监控设备的互连，己被公认为是最有前途的现场总线之一。本文以CAN现场总线技术为基础，研究了一种分布式工业测控系统。其主要研究内容如下：本文对分布式工业测控系统的发展现状以及CAN总线在分布式测控方面的应用进行了综述，并对其主要特点做了简要介绍。阐述了CAN总线的特点、CAN总线通信协议及CAN支持器件。然后根据测控系统的特点，给出了基于CAN总线测控网络的总体设计方案、系统结构。接着根据系统的实际需要，主要设计了PC机通信适配卡和智能节点。对适配卡和测控节点的功能模块组成，各个模块的工作原理、硬件设计、软件设计以及他们的实现方法，进行了较为深入的探讨和详细的论述。关键词CAN总线；分布式测控系统；适配卡；智能节点AbstractFieldbusisadigital,bi-directionalandmulti-branchcommunicationnetworkthatconnectsfieldequipmentsandautomaticsystem.Asaproductintegratingtechnologyofcomputer,communicationandcontrol,thefieldbusfeaturedwithopeninganddistributionhasbeenoneofthekeytechnologiesinmodernautomatismfield.Asoneofthefieldbuses,CAN(ControllerAreaNetwork)isaserialcommunicationnetworkthatsupportsdistributedandrealtimecontroleffectively.CANveryfitinterlinkageofmonitorandcontrolequipmentsinindustryprocessandhasbeenwellacceptedasthemostperspectivefieldbus.AdistributedindustrialmeasurementandcontrolsystemwasstudiedbasedonCANfieldbus.Researchcontentincludesasfollows:FirstlytechnologiesasummaryismadeonthedevelopmentofdistributedindustrialmeasurementandcontrolsystemandtheapplicationsofCANindistributedindustrialmeasurementandcontrolsystem,andbriefintroductionofitscharacteristicsisgiven.ExpatiatedonthecharacteristicofCANbus,CANcommunicationprotocol,andthechipswithCANsupport.Secondlyaccordingtothecharacteristicsofthemeasurementandcontrolsystem,providedtheoveralldesignplanandthestructurefeature.Thenaccordingtowhatthesystemneed,mainlydesignthePC-CANinterfacecardandtheintelligentnode.Thispaperdiscussesthecomposingitsfunctionmodules,theworkprinciple,thehardwareframe,softwaredesignandthemethodofrealizationofeachmodule.KeywordsCANField-bus，DistributedMeasureandControlSystem，PC-CANinterfaceCard，Intelligentnode目录摘要、关键词绪论.11CAN总线的技术规范及结构.41.1CAN总线的概述及特点.41.2CAN通信协议.51.3CAN通信器件支持.61.3.1CAN控制器SJA1000.61.3.2CAN总线收发器82C250.102基于CAN总线的工业测控系统的设计与实现.112.1系统总体方案设计.112.2系统硬件设计.112.2.1上位机CAN总线通信适配卡设计.112.2.1.1CAN通信控制电路设计.122.2.1.2双口RAM控制电路设计.132.2.1.3复位及看门狗电路设计.142.2.2智能节点设计.152.3系统软件设计.162.3.1CAN适配卡软件设计.162.3.2智能节点软件设计.192.3.2.1初始化子程序.192.3.2.2发送子程序.202.3.2.3接收子程序.222.3.2.4数据溢出处理子程序.23结束语.26致谢.27参考文献.28附录.29附录1CAN适配卡硬件电路图.29附录2CAN适配卡参考汇编程序清单.30附录3智能节点参考汇编程序清单.35毕业设计绪论-1-绪论研究背景及意义随着控制、计算机、通信和网络技术的发展，数据交换技术正在迅速覆盖着工业控制的各个层次，从工厂的现场设备层到系统的控制和管理层。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，组成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线是在20世纪80年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的急剧降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展，而处于生产过程底层的测控自动化系统，传统的方法采用一对一连线，用电压、电流的模拟量信号进行测量控制，或者采用自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使得自动化系统成为“信息孤岛”。要实现整个企业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能够在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运而生的。它作为过程自动化、制造自动化、楼宇自动化、交通等领域现场智能设备之间的互连通信网络，沟通了生产过程现场控制设备之间以其更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的“信息孤岛”1创造了条件。现场总线控制系统既是一个开放的通信网络，又是一种全分布式控制系统2。根据IEC标准和现场总线基金会的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输、多分支结构的通信网络。这个网络使用一对简单的双绞线传输现场总线仪表与控制室之间的通信信号，而且还可以对现场总线仪表如：现场总线使用的智能传感器变迭器、智能执行器(如智能调节阀、电子马达)、可编程控制器、可编程调节器等装置均称为现场总线仪表供电。目前国际上有40多种现场总线，但影响较大的主要有FoundationFieldbus（基金会现场总线）、CAN（控制器局域网络）、PROFIBUS（过程现场总线）、LonWorks（局域操作网络）等1。现场总线的主要优点2：（1）增强了现场级信息集成能力现场总线可以从现场设备获取大量丰富信息，能够更好的满足工厂自动化系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代4到20mA信号，还可以实现设备状态、故障、参数信息传送。系统除了完成远程控制，还可完成远程参数化工作。（2）开放式、互操作性、互换性、可继承性不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。系统为开放式，允许其他厂商场上将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，市场上将有许多面向行业特点的监控、测控系统。毕业设计绪论-2-（3）系统可靠性高、可维护性好基于现场总线的自动化测控系统采用连接方式替代一对一I/O连线，对于大规模I/O系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成远程设备的参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。（4）降低了系统及工程成本对大范围、大规模I/O的分布式系统来说，省去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。现场总线把单个分散的测控设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与测控系统。因而研究基于现场总线技术的智能测控节点成了研究测控的新技术和新发展的重点。由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。现场总线的出现，导致目前生产的自动化仪表、集散控制系统、可编程控制器在产品的体系结构、功能结构方面的教大变革，自动化设备的制造厂家被迫面临产品更新换代的又一挑战。因而对智能测控节点的研究既是对先进技术应用的研究，也是开发市场的需要。国内外研究现状和发展趋势目前现场总线在美国和欧洲等发达国家和地区发展迅速，并已经有较多的应用范例。在亚洲远东地区，许多大学和研究机构正在利用他们自身的条件帮助用户提高对现场总线技术的认识和理解。根据市场的需求和技术的发展趋势，国外各大仪表制造厂都把发展现场总线技术和产品放在技术进步的第一步3。CAN(ControllerAreaNetwork)总线又称控制器局域网，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，最初由德国Bosch公司80年代用于汽车内部测试和控制仪器之间的数据通信。由于其卓越的性能，极高的可靠性，独特灵活的设计和低廉的价格，现已广泛应用于工业现场控制、智能大厦、小区安防、交通工具、医疗仪器、环境监控等众多领域。CAN已被公认为几种最有前途的现场总线之一4。CAN总线规范已被ISO国际标准组织制订为国际标准ISO11898，并得到了Motorola、Intel、Philips等大半导体器件生产厂家的支持，迅速推出各种集成有CAN接口的产品。截至2000年，带有CAN的微处理器芯片总量已经超过1亿片，因此在接口芯片技术方面CAN已经遥遥领先于其他所有现场总线。正是由于CAN总线的诸多优势和应用的便捷性，所以在组建现代工业测控系统中具有较大的优势。作为一种重要的现场总线，CAN也在朝标准化的方向完善和发展。目前，已经出现了CAN协议的国际标准化ISO/DISI1898(通信速率小于等于1Mbps)和ISO/DIS(通信速率小于等于125Kbps)CANopen协议5，CAN协议被国际标准化组毕业设计绪论-3-织承认，进一步促进了CAN总线在各种测控领域中的应用。总的说来，CAN总线有强大的生命力，作为刚刚在国内兴起的技术手段，它将随着现代科技的发展，以其独到之处，成为现场测控网络，乃至更广范围内控制网络的明智选择。在我国工业控制系统，低端设备的控制系统，大多是分散式的，各测控点之间不能沟通，由操作人员来控制其协调工作，效率十分低下；中端设备大多为集中式控制系统控制，但是一旦主机出现故障，就会造成整个控制回路瘫痪。在这种应用弊端下，现场总线的出现和广泛应用就可以很好的解决这个问题。因此可以看出，现场总线的出现是顺应了工业控制体系完善发展的趋势的，具有良好的推广价值和研究价值的我国的现场技术起步很晚，起点也较低，正处于现场总线技术的初级阶段。我国现场总线的市场是巨大的，据估计近期可以达到2到3亿美元，而其潜力更令国外开发商垂涎。面对国外各路总线正以迅猛之势进军中国，尤其是中国加入WTO之后，如果迎接挑战，最大限度的跟上国际技术发展的步伐，积极吸收和引进国外现场总线的先进技术和管理经验，是急需解决的问题。在已过去的六七年里，CAN总线技术的应用水平得以不断提高，我国工业自动化水平也有很大发展。CAN总线技术必然会随着现场总线时代的到来以及我国不断的经济改革以及市场开放的巨大需求而得以更加深入的理解和更为广泛的应用。本文主要工作本文将对CAN总线的特点、CAN总线通信协议及CAN支持器件进行系统地阐述。然后根据测控系统的特点，给出基于CAN总线测控网络的总体设计方案、系统结构。接着根据系统的实际需要，主要设计PC机通信适配卡和智能节点。对适配卡和测控节点的功能模块组成，各个模块的工作原理、硬件设计、软件设计以及他们的实现方法，进行了较为深入的探讨和详细的论述。毕业设计1CAN总线的技术规范及结构-4-1.CAN总线的技术规范及结构1.1CAN总线的概述及特点控制器局域网CAN（ControllerAreaNetwork），是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，最初由德国Bosch公司80年代用于汽车内部测试和控制仪器之间的数据通信。由于其卓越的性能，极高的可靠性，独特灵活的设计和低廉的价格，现已广泛应用于工业现场控制、智能大厦、小区安防、交通工具、医疗仪器、环境监控等众多领域。目前，许多数字化分布式测控系统都是基于RS-485网络构建的，这种基于RS-485网络的分布式测控系统由于具有结构简单、抗干扰能力强、传输距离远、成本低等优点，而被广泛应用于各种实时分布式测控现场。但在构建复杂并且存在强干扰的实时测控网络时，必须保证系统具有良好的可靠性、抗干扰性和实时性，以及足够的通信距离。而RS-485本身具有诸多缺点，不能给出良好的解决办法。RS-485仅仅是一种半双工式通信的电气协议，其通信介质为双绞线，信号在传输的双绞线上呈现一对相异的电平信号。由RS-485构成的分布式测控系统，任何时候，只能允许一个节点向网络系统发送数据，系统中每一个节点的RS-485驱动器都有一个发送使能端DE。DE的作用是驱动器在发送数据时，控制该发送单元有效，使其向网络中的节点发送数据；数据发送完成后，则禁止驱动器的发送单元工作，使其处于高阻状态，从而影响网络中的数据传输。如果发生故障，出现几个节点同时向网络发送数据，使整个网络回路呈现短路状态，最终损坏其节点的驱动器。如果网络中的节点太多，超过了RS-485驱动器的负载能力，或者各节点之间的距离大于RS-485规定的距离，则必须使用中继器来增加网络中的节点数或延长各节点之间的距离。由于RS-485只是一种电气协议，它本身并未提供可靠高效的通信协议的实现，加之这种网络的工作方式是命令响应型，因此，为了保证数据通信的准确性和系统运行的可靠性，就必须编制完善的调度程序和通信协议，这就增加了系统开发的难度和开发周期。对于这些问题，RS-485网络本身无法给出良好的解决办法。而新兴的CAN总线技术则使这些问题得到了较好的解决，CAN具有一系列的优点如下:（1）废除了传统的站地址编码，取而代之对通信数据块进行编码，采用这种方法可使网络内节点个数在理论上不受限制，可实现多主工作方式，数据收发方式灵活，可实现点对点、一点对多点及全局广播等多种传输方式；可将DCS结构中主机的常规测试与控制功能分散到各个智能节点，节点控制器把采集到的数据通过CAN适配器发送到总线，或者向总线申请数据，主机便从原来繁重的底层设备监控任务中解放出来，进行更高层次的控制和管理功能，比如故障诊断、优化协调等；（2）提供高速数据传送，在短距离(40m)条件下具有高速(1Mbit/s)数据传输能力，毕业设计1CAN总线的技术规范及结构-5-而在最大距离10000m时具有低速(5kbits/s)传输能力，极适合在高速的工业应用上；（3）采用非破坏性基于优先权的总线仲裁技术，具有暂时错误和永久性故障节点的判别及故障节点的自动脱离功能，使系统其它节点的通信不受影响；同时CAN具有出错帧自动重发功能，可靠性高；（4）信号传输用短帧结构（8字节），可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8个字节不会占用总线时间过长，实时性好；（5）不关闭总线即可任意挂接或拆除节点，增强了系统的灵活性和可扩展性；（6）采用统一的标准和规范，使各设备之间具有较好的互操作性和互换性，并可在同一网络上连接多种不同功能的传感器（如位置、温度或压力等），系统的通用性好；（7）通讯介质可采用双绞线，无特殊要求；现场布线和安装简单，易于维护，经济性好。总之，CAN总线具有实时性强、可靠性高、结构简单、互操作性好、价格低廉等优点，克服了传统的工业总线的缺陷，是一种有效的解决方案。1.2CAN通信协议为使设计透明灵活，遵循ISO/OSI标准模型，一般现场总线采用三层网络结构物理层、数据链路层和应用层。因为面向控制的信息比较简单，但需要快速而可靠地到达目的地，七层模式使数据转换变慢，会滞后实时控制的时间要求，七层网关的网络接口成本也较高，同时现场设备也不需要OSI地址。数据传输中流量和差错控制在数据链路层执行。报文的可靠传输在数据链路层或应用层执行。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层。CAN通信模型如表1-1所示。数据链路层(包括逻辑链路控制子层LLC和媒体访问控制子层MAC)LLC子层的主要功能是：为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由LLC子层接收的报文实际己被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。MAC子层的功能主要是传送规则，亦即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定6。MAC子层也要确定，为开始一次新的发送，总线是否开放或者是否马上开始接收。位定时特性也是MAC子层的一部分。物理层的功能是有关全部电气特性不同的节点间的实际传输78。CAN通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。CAN层的定义与开放系统互连模式(OSI)一致。每一层与另一设备上相同的那一层通讯。实际的通讯发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互连。随着CAN在各种领域的应用和推广，对其通信格式的标准化提出了要求。为此，1991年PhilipsSemiconductors制定并发布了CAN的技术规范。CAN的规范定义了模型的最下面两层:数据链路层和物理层。而对应用层没有具体规定，因此，在具体使用时还需根据不同的器件定义相应的应用接口，这给使用者提出了较高的要求，给CAN总线的推