基于CAN总线的工业测控系统的应用研究s.doc

毕业设计（论文）题目：基于CAN总线通讯智能结点的设计与实现英文题目：TheDesignandImplementationofIntelligentNodesinConjuctionBasedontheCANBus学生姓名：班级：指导教师：专业：自动化二零零六年六月毕业设计摘要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。CAN总线通讯智能节点的设计，是在现场总线系统中分布于现场的一个子系统，能实现数据采集与反馈控制，最大传输速率可达1MB/s，最大传输距离为10km。节点的核心器件是PHILIPS公司生产的CAN控制器（SJA1000）和CAN驱动器（PCA82C250）以及微控制器（89C51单片机）。SJA1000是集成的独立CAN控制器（与PHILIPS早期的CAN控制器PCA82C200完全兼容），它负责完成CAN总线通信协议的物理层和数据链路层的功能。能够可靠的运行和完成要求的任务，控制信息在现场进行处理，而管理层则在上位机中实现。该设计体现了CAN总线高性能、高可靠性的特点。关键词现场总线；CAN；SJA1000CAN控制器；82C250收发器；89C51单片机；设计毕业设计AbstractAbstractFieldbusisadigital,bi-directionalandmulti-branchcommunicationnetworkthatconnectsfieldequipmentsandautomaticsystem.Asaproductintegratingtechnologyofcomputer,communicationandcontrol,thefieldbusfeaturedwithopeninganddistributionhasbeenoneofthekeytechnologiesinmodernautomatismfield.Asoneofthefieldbuses,CAN(ControllerAreaNetwork)isaserialcommunicationnetworkthatsupportsdistributedandrealtimecontroleffectively.TheDesignandImplementationofIntelligentNodesinConjuctionBasedontheCANBus,isdistributesinthefieldbussysteminascenesub-system,canrealizethedataacquisitionandtheclosed-loopcontrol,themaximumtransmissionspeedmayreach1MB/S,themaximumtransmittingrangeis10km.ThepitchpointcorecomponentistheCANcontrollerwhichPHILIPSCorporationproduces(SJA1000)andtheCANdriver(PCA82C250)aswellasthemicrocontroller(the89C51monolithicintegratedcircuit).SJA1000istheintegratedindependentCANcontroller(iscompletelycompatiblewithPHILIPSearlyCANcontrollerPCA82C200),itresponsiblycompletestheCANmainlinecorrespondenceagreementthephysicallevelandthedatalinklayerfunction.Canthereliablemovementandcompletestherequesttheduty,thecontrolinformationcarriesonprocessinginthescene,butmanagementlevelthenrealizesinonpositionmachine.HasmanifestedtheCANmainlinehighperformance,theredundantreliablecharacteristic.KeywordsFieldbus；CAN；DistributedMeasurementControlSystem；SJA1000CANController；82C250Transceiver；MCU89C51；Design毕业设计目录目录摘要关键词绪论.1第1章现场总线简介.31.1现场总线的功能及要求.31.1.1现场总线的功能.31.1.2现场总线的要求.31.2几种典型的现场总线.31.2.1HART现场总线.31.2.2LONWORKS现场总线.41.2.3PROFIBUS现场总线.41.2.4CAN现场总线.51.3现场总线的结构.51.4现场总线的优点.61.5现场总线的特点.7第2章CAN总线简介.82.1控制器局部网(CAN).82.2CAN的性能特点.82.3CAN节点的分层结构.92.4CAN通信技术.102.4.1CAN通信参考模型.112.4.2CAN的报文传送与通信帧结构.11第3章CAN通信控制器.133.1CAN控制器SJA1000结构及主要特点.133.1.1SJA1000的主要新功能.133.2SJA1000的功能框图与引脚说明.143.2.1SJA1000寄存器功能.143.2.2SJAI000在PeIiCAN模式下的验收滤波及总线时序寄存器的具体用法.173.3SJA1000的初始化.183.3.1SJA1000的初始化流程.183.3.2SJA1000的初始化子程序.203.4SJA1000与PCA82C200的性能比较.22毕业设计目录3.5SJA1000有两种不同工作模式.22第4章CAN收发器82C250.234.182C250的主要特性及硬件图.234.282C250功能描述.24第5章微处理器89C51.255.189C51的功能和特点.255.289C51的存储器结构.27第6章CAN总线通讯智能节点的设计.296.1采用CAN总线系统.296.2CAN总线通讯智能结点的系统构成.306.3CAN总线通讯智能结点电路的设计.306.3.1CAN智能节点通讯模块.316.3.2信息采集和反馈模块.326.4CAN报文的发送.336.4.1查询控制的发送.336.4.2中断控制的发送.336.4.3中止发送.346.5CAN报文的接收.366.5.1查询控制的接收.366.5.2中断控制的接收.376.6智能节点软件设计.386.6.1发送子程序.396.6.2查询方式接收子程序.41第七章设计结论.43致谢.43参考文献.44附录143毕业设计绪论1绪论现场总线是一种数字式、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，被誉为自动化领域的计算机局域网。它越来越广泛的应用于上业控制、智能建筑和交通等诸多领域1。CAN(ControllerAreaNetwork-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。CAN的通信速率为5kbps-1Mbps，最大传输距离可达1Okm(通信速率为5kbps时)，节点数可达110，传输介质为双绞线。CAN具有可靠性高、支持多主处理、支持优先级仲裁、链路简单、配置灵活、芯片资源丰富、成本低廉等特点。本文基于CAN现场总线技术，系统中采用了SJA1000CAN控制器，82C250收发器，89C51单片机等芯片，设计开发了通讯智能结点电路，能实现信息采集与反馈控制，而搭配不同的传感器，可以应用在不同的场合，实现智能控制2。现场总线技术自70年代诞生至今，由于它在减少系统线缆，简化系统安装、维护和管理，降低系统的投资和运行成本，增强系统性能等方面的优越性，引起人们的广泛注意，得到大范围的推广，导致了自动控制领域的一场革命。目前，现场控制层所采用的控制网络种类繁多，有DCS,PLC,SCADA，现场总线等，虽然DCS控制系统采用了分层的结构，运用数字信号和模拟信号混合通讯，克服了点对点控制的诸多弊端，但是并没有完全解决模拟信号传输带来的问题，而且不同厂家的产品自成体系，难以实现互联、互操作和互换。而与其它控制网络相比，现场总线具有开放性、互操作性、系统结构的高度分散性、灵活的网络拓扑结构、现场设备的高度智能化、对环境的高度适应性等诸多突出特点。现场总线技术就是在这种情况下应运而生，它的出现引起了工业控制领域的巨大变革。其具有的突出的优点将成为工业测控领域的发展趋势3。现场总线技术产生于20世纪80年代，但对它的研究开发之热却是近年之举。这一方面是因为信息时代各项技术的发展对自动化系统提出了新的要求，促进了该领域的网络化、信息化进程；另一方面也是由于它本身所蕴涵的技术经济潜力。欧洲、北美、亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力研究开发该项技术，出现了现场总线技术与产品百花齐放、兴盛发展的态势。例如丹麦ProcessData公司1983年推出的PNet、德国Siemens公司1984年推出的Profibus，法国Alston公司1987年推出的FIP等都属于早期推出且至今仍有较大影响的总线技术。目前国际上有40多种现场总线，但影响较大的主要有FF(FoundationFieldbus),Profibus(ProcessFieldbus),CAN(ControllerAreaNetwork),Lonworks(LocalOperationNetwork)、HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)等。毕业设计绪论2从总体上来说，现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络其先驱可谓是Honeywell公司在1983年推出的数字信号4-20mA输出的差分信号驱动器，它在输出的4-20mA直流信号上叠加了数字信号，从而使现场装置与控制室控制装置之间的连接由模拟信号过渡到了数字信号。在此基础上，美国Rosemount公司配合使用了它自己的HART数字通信协议。到了1987年，美国Foxbor公司开发了I/A智能式自动控制系统，系统中使用了全数字通信。尽管目前对现场总线的研究尚未能形成一个完善的统一标准，但现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统采用。现场总线技术的发展在我国刚刚起步。根据我国国民经济发展需要和市场需求，结合现场总线技术本身的特点及我国国情，现场总线专业委员会(CFFC)确定了我国现场总线技术发展的32字方针，即”市场牵引，面向专业；引进消化，开发创新；总体规划，突出重点；内外结合，推进行业”。可以预期，现场总线技术在我国的发展前景令人鼓舞。1996年10月，在美国芝加哥举行的96ISA展览会上，醒目地展现了基金会现场总线；1998年4月在北京举行的多国仪器仪表展览会上，名目繁多的现场总线产品，更是给人一种现场总线已是大势所趋的感觉。1998年的中国控制会议上，专门安排了现场总线控制系统的大会专题报告，表明现场总线技术不仅是工业控制系统的必然趋势，同时也成为控制理论研究的新方向。现场总线技术的兴起，推动了DCS的全面革新，为工业自动化实施先进控制策略创造了条件，同时也有力地推动了计算机通信等相关技术的迅速发展。1998年8月，中国第一套现场总线系统由国家电力公司热工研究院从美国Fisher-Rosemount公司引进，该系统采用P1antWebTM基于现场结构的最新技术，同时也是在中国第一次运用FF技术。它将智能化现场设备、规模可变的平台和模块化软件结合在一起，实现过程控制。这套系统将用于国内大中型火力发电厂汽轮机性能考核测试，它包括一套DeltaV规模可变的过程控制系统、AMS设备管理系统以及100余套基于FF技术的压力温度变送器。该项目的引进也标志着我国电力自动化技术进入了一个新时代。目前中国现场总线发展面临的问题，除了继续开发新产品和新技术之外，还有两项重要的工作。一项是技术应用，目前所取得的成果大多是技术上的，将技术转化为产品，还要在生产工艺、质量管理等方面进行大量的工作；另一方面是产品推广，DCS在我国经过多年推广应用，技术上已经非常成熟，FCS是一种新技术，需要有一个认知的过程，只有经过实践证明FCS的优势，才能形成巨大的市场需求，进而推动行业良性发展。毕业设计现场总线简介3第1章现场总线简介1.1现场总线的功能及要求现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂连接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统。1.1.1现场总线的功能现场总线的功能是：经济、安全、可靠地传递信息；正确使用所传信息；及时处理所传信息。经济性要求现场总线在传递信息的同时，解决现场装置的供电问题，并要求传输介质较廉价。安全性要求现场总线解决防爆问题。可靠性要求现场总线解决环境适应性问题，包括电磁环境适应性（传输时不要干扰别人也不要被别人干扰）、气候环境适应性（要耐温、防水、防尘）、机械环境适应性（要耐冲击、耐振动）。1.1.2现场总线的要求现场总线不仅要求传输速度快，在过程控制领域还要求响应快，即实时性要求。这样“快”就有三种含义。（1）传输速度快：指单位时间内传输的信息要多，通常用波特率来衡量。这条要求与普通计算机通信是一致的。（2）响应时间短：指突然发生意外事件时，仪表将该事件传输到网络上或执行器接收到该信息马上执行所需的时间。（3）巡回时间短：指系统与所有通信对象都至少完成一次通信所需的时间4。1.2几种典型的现场总线20世纪80年代现场总线技术才开始和发展，这是与微型计算机，特别是嵌入式系统的高速发展分不开的。在十几年的时间中，已经出现了好几种现场总线技术走向成熟并且得到逐步的推广应用，显示出特有的优势和强大的生命力3。1.2.1HART现场总线HART是HighwayAddressableRemoteTransducer(可寻址远程传感器高速公路)的缩写。1986年由美国ROSEMOUNT公司开发的一套过渡性临时通讯协议。但目前受到了广泛承认,已成为事实上的国际标准。（1）HART协议以国际标准化组织(ISO)开放性系统互连模型(OSI)为参照,使用OSI的1、2、7三层,即物理层、数据链路层、应用层。物理层采用基于Be11202通信标准的FSK技术,所以可以通过租用电话线进行通信。（2）HART协议使用FSK技术在42mA过程测量模拟信号上叠加一个频率信号。逻辑1为1200Hz,逻辑0为2200Hz,波特率为1200bps。它成功地使模拟和数字双向信号能同时进行而且互不干扰。因此在与智能化仪表通信时,还可使用模拟仪表、记毕业设计现场总线简介4录仪及模拟控制。在不对现场仪表进行改造的情况下,逐步实现数字性能(包括数字过程变量),是一种理想的方案。这是一个由模拟系统向数字系统过渡的协议。（3）在应用层规定了3类使命,第一类是通用命令,这是所有设备都能理解、执行的命令；第二类是一般行为命令,它所提供的功能可以在许多现场设备中实现；第三类为特殊设备命令,以便在某些设备中实现特殊功能,这类命令可以允许开发此类设备的公司所独有。此外它还为用户提供统一的设备描述语言DDL。（4）HART支持点对点、主从应答方式和多点广播方式。（5）直接通信距离:有屏蔽双绞线单台设备3000m,而多台设备互相距离1500m。只使用一个电源时,能连结15个智能化设备。1.2.2LONWORKS现场总线LONWORKS是局部操作网络,LON是LocalOperationNetwork的简称。1991年美国ECHERON公司推出该产品。其应用范围几乎包括了测控应用的所有范畴,特别是航空/航天、楼宇自动化、能源管理、变电站测控设备的监控、工厂自动化、工业过程控制、计算机外围设备、电子测量设备等。LONWORKS在我国电力系统中的应用也已相当广泛，如四方公司的CSC2000变电站综合自动化系统即采用LONWORKS总线。在长沙电业局范围内有新开铺、桂花、五一特、井湾子、安沙、镇头等6个110kV变电站应用了该系统。（1）LONWORKS的通信协议LONTALK协议遵循ISO/OSI参考模型,提供了OSI所定义的全部7层服务。这是在现场总线中唯一提供全部服务的现场总线。（2）LONWORKS的核心是Neuron(神经元)芯片,内含3个8位的CPU:第一个CPU为介质访问控制处理器,实现LONTALK协议的第一层和第二层；第二个CPU为网络处理器,实现LONTALK协议的第三层至第六层；第三个CPU为应用处理器,实现LONTALK协议的第七层,执行用户编写的代码及用户代码所调用的操作系统服务。LON-WORKS的神经元芯片已由Motorola和东芝公司生产。（3）提供一套开发工具平台LONBuilder和NodeBuilder。有了这一套工具,用户就可以利用神经元芯片、LONTALK通信协议和LONWORKS收发器很方便也很灵活地开发出自己所需要的系统和产品。（4）LONWORKS的直接通信距离为2700m/78Kbps、130m/1.25Mbps；节点数32000个；传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤、电缆线等。1.2.3PROFIBUS现场总线PROFIBUS是ProcessFieldBus(过程现场总线)的简称。1987年德国联邦科技部集中了13家公司和5个研究所按ISO/OSI参考模型制订现场总线的德国标准。于1991年4月在DIN19245中发表,并正式成为德国现场总线标准,而后又列入了欧洲标准EN50170。PROFIBUS得到了广泛的支持,仅在德国1996年10月至1997年1月就安装了47000个系统,已广泛应用在加工工业、过程自动化、智能大楼、变电站自动化系