基于总线在工业测控系统上的应用与研究.doc
毕业设计（论文）题目基于CAN总线在工业测控系统的应用研究英文题目APPLICATIONANDRESEARCHONINDUSTRIALMEASUREANDCONTROLSYSTEMBASEONCANFIELDBUS系别电子与机械工程系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I摘要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。它的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要影响。CAN总线属于现场总线技术的一种。是目前流行的现场总线控制系统之一，也是到目前为止唯一有国际标准了的现场总线。与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，同时具备了现场总线的优点。本课题的研究主要针对现场总线中的CAN总线技术进行深入的了解。在分析了制网络模型的原理，CAN总线20B协议标准的基础上，给出了建立CAN总线控制网络模型的原理，在此基础上分析了CAN总线软、硬件的实现方法。开发一种基于CAN总线的现场控制智能节点和智能适配卡，并对所涉及的有关问题进行探讨。关键词现场总线；CAN总线；适配卡；智能节点毕业设计摘要IIABSTRACTFIELDBUSISONEOFTHEHOTSPOTSOFTHEDEVELOPMENTOFAUTOMATIZATIONTECHNOLOGY；IT’SLOOKEDASLOCALCOMPUTERNETWORKINTHEFIELDOFAUTOMATIZATIONITSAPPEARANCEISTHESYMBOLOFANEWAGEOFINDUSTRYCONTROLTECHNOLOGY,ANDIMPACTSTHEDEVELOPMENTOFTHISFIELDDEEPLYCANBUSISAKINDOFFIELDBUS,ITISONEOFTHEPOPULARFIELDBUSCONTROLSYSTEM,ANDITISALSOTHEONLYFIELDBUSWHICHHASNATIONALSTANDARDCOMPARINGTONORMALCOMMUNICATIONBUS，THEDATACOMMUNICATIONOFCANBUSHASEXCELLENTCHARACTERSOFRELIABILITY,REALTIMEANDFLEXIBILITY,ANDTHESTRONGPOINTOFFIELDBUSTHEREASERCHOFTHISTHESISMAINLYAIMATTHETECHNOLOGYOFCANBUSOFFIELDBUSINTHISPAPER,WEANALYZETHECAN20BPROTOCOLFIRSTANDAMODELOFCANCONTROLSYSTEMISESTABLISHEDINTHEFOLLOWINGPART,WEDESIGNTHECANNODESANDTHESOFTWARETOREALIZEITSPERFORMANCEANDDEPLOREDAKINDOFAPTITUDEFIELDCONTROLINTERFACEANDAPTITUDEADAPTORBASEONCANBUSWHAT’SMORE,THISTHESISHASDISCUSSEDTHEPROBLEMINVOLVEDDEEPLYKEYWORDSFIELDBUS；CANBUS；APTITUDEINTERFACE；ADAPTOR毕业设计目录III目录摘要ABSTRACT绪论11CAN总线的技术规范及结构611CAN总线的概述6111CAN总线技术特点7112CAN总线的应用发展现状812CAN总线协议介绍8121CAN总线分层结构9122报文传送及其帧结构10123通信方式1013支持CAN总线的几种器件介绍11131CAN总线控制器SJA1000112CAN总线在工业测控系统上的总体设计1721CAN总线测控系统的网络拓扑原理1722系统方案及芯片选择1823系统硬件设计19231适配卡的硬件设计19232单片机与CAN控制器电路20233双口RAMIDT7132电路21234总线驱动及接口电路24235适配卡串行EEPROM初始化单元电路24236智能传感器节点硬件设计2524系统软件设计26241上位机的软件设计26242通信控制器的软件设计27243总线控制器工作模块的软件设计283系统设计总结及展望3331设计总结3332设计展望33致谢34参考文献35附录一器件介绍36毕业设计目录IV附录二ISA总线通信适配卡原理图38附录三智能节点原理图39毕业设计绪论1绪论自动控制系统技术发展日新月异。曾经历了气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统以及集散控制系统DCS，处于信息时代的今天，随着微处理器技术和集成电路技术的飞速发展，智能化、数字化、信息化、网络化、微型化、分散化代表着当今自动控制系统发展的主流方向。现场总线是代表自动控制系统顺应这一发展方向的新型技术，标志着计算机技术在自动化领域的应用进入了一个新的时代。对计算机控制系统技术的发展产生重要影响。现场总线信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形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FIELDBUS就是顺应这一形势发展起来的新技术。现场总线的概念现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的。所谓现场总线1，就是应用在生产现场、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。它在制造业、流程工业、控制、交通、楼宇等方面都具有广泛的应用前景。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线的传输界质，把单个分散的测量控制设备变成网络节点，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与控制系统。现场总线使自控系统与设备具有了数字通信的能力，把它们连接成网络系统，向我们展示了一种全新的系统集成理念。现场总线产生的背景2现场总线的产生首先受益于微处理器的发展。我们知道，传统的模拟仪表采用一对一的结构，它传输的是4～20MA的模拟信号，因而信号传输的可靠性比较差，并且容易受干扰，在控制室里也控制不了仪表的工作状况，而廉价的微处理器发展使得智能仪表的发展成为可能，它传输的是数字信号，因而克服了模拟仪表的诸多缺陷，为现场总线的发展奠定了基础。此外，用户需求的不断提高和市场竞争所带来的压力是现场总线得以发展的源动力。由于模拟仪表所存在的缺点，使得DCS系统也摆脱不了模拟仪表的束缚，使其性能无法充分得到发挥，体系结构也难以更新，成本居高不下，因而其市场受到的极大的制约，用户和制造厂商都对此表示不满。在这种实际需求的驱动下，现场总线也就应运而生了。它作为过程自动化、制造自动化、楼宇、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及其与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创造了条件。毕业设计绪论2技术特点系统的开放性和互可操作性现场总线是开放式互连网络，所有的技术和标准都是公开的，制造商必须共同遵守。这样用户可以自由集成不同制造商的通信网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连。另外，用户可以极其方便地共享网络数据库。同时开放性也意味着现场总线将打破DCS大型厂家的垄断，给中小企业带来了平等竞争的机遇。互可操作性则是指用户可按自己的需要和考虑，将不同制造商的符合同一协议的不同品牌的仪表集成在一起，构成所需要的控制系统，不必为集成不同品牌的产品而在硬件或软件上花费力气或者增加额外投资3现场设备的智能化与功能自治性微控制器植入现场设备后，现场设备自身便可完成传感测量、补偿计算、控制等基本功能，并且可以随时诊断设备的运行状态。系统结构的高度分散性在传统的DCS中，体现的是集中管理与分散控制的思想，而现场总线则构成了一种新的全分散性控制系统的体系结构，从根本上改变了现有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构。现场总线系统具有更高的可靠性和灵活性，易于进行重组和扩建，并且便于维护。对现场环境的适应性工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。因此，现场总线控制系统是一种全新的、有着强劲生命力的新型控制系统。几种有影响的现场总线及应用目前，世界上较为流行的几种现场总线产品有FF、LONWORKS、PROFIBUS、HART、CAN等。基金会现场总线基金会现场总线FF是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。它分的低速FFHL和高速FFHES两部分。FFH1以ISO/OSI模型为基础，取其物理层、数据链路层和应用层，并在应用层之上增加了用户层，构成了四层结构的通信模型，主要用于过程工业连续控制的自动化，传输速率为3125KBPS，通信距离可达19KM（可加中继器延长），可实现总线供电和本质安全防爆，支持令牌总线访问机制。FFHES采用基于ETHERNETIEEE8023TCP/IP的六层结构，主要用于制造业（离散控制）自动化以及逻辑控制、批处理和高级控制等场合。HES充分利用低成本毕业设计绪论3和商业可用的以太网技术，并以100MBIT到1GBIT或更高的速度运行，支持所有的FF总线低速部分的功能，并支持HL设备与基于以太网的设备通过链接设备接口。HES的另一个特点是HES现场设备支持标准的FOUNDATION功能模块，例如AI、AO和PID，也包括新的、具体应用于离散控制和I/O子系统集成的“柔性功能模块”FLEXIBLEFUNCTIONBLOCK,FFB。链接设备和HES现场设备可以结合进一个单一的、节约成本的、强大的物理设备，用于批处理、逻辑PLC和连续控制。LONWORKSLONWORKS是由美国ECHELON公司推出并与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从300BPS至15MBPS不等，直接通信距离可在2700M78KBPS，双绞线；支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。LONWORKS技术核心是具备通信和控制功能的NEURON神经元芯片，它能完整地实现LONWORKS的LONTALK通信协议。集成芯片中有三个8位CPU，一个用于完成开放互连模型中的第1和第2层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理；第二个用于完成3～6层的功能，称为网络处理器，进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件计时、网络管理，并负责网络通信控制，收发数据包等；第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。ECHELON公司的技术策略是鼓励各OEM开发商运用LONWORKS技术和神经元芯片，开发自己的应用产品，据称目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LONWORKS技术，1000多家公司已经推出了LONWORKS产品，并进一步组织起LONWORKS互操作协会，开发推广LONWORKS技术与产品。它己被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业，在组建分布式监控网络方面有较优越的性能。另外，在开发智能通信接口、智能传感器方面，LONWORKS神经元芯片也具有独特的优势。PROFIBUSPROFIBUS是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。由PROFIBUSDP,PROFIBUSFMS,PROFIBUSPA组成了PROFIBUS系列。DP型用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。FMS意为现场信息规范，PROFIBUSFMS适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。而PA型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从IEC11582标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理层、数据链路层。FMS还采用了应用层。传输速率为96KBPS～12MBPS，最大传输距离在12MBPS时为毕业设计绪论4100M,15MBPS时400M，可用中继器延长至10KM。其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆。最多可挂接127个站点。可实现总线供电与本质安全防爆。HARTHART是HIGHWAYADDRESSABLEREMOTETRANSDUCER的缩写，1986年由ROSEMOUNT公司提出的一种通信协议，于1993年成立了HART通信基金会。HART是在4～20MADC模拟信号上迭加FSK频移调制键控数字信号，因此它既可连接4～20MADC模拟仪表，也可连接数字通信仪表，所以它是模拟系统向数字系统转变过程中的过渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快发展。CANCAN是控制局域网络CONTROLAREANETWORK的简称，最早由德国BOSH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范已被ISO国际标准组织制订为国际标准。由于得到了MOTOROLA,INTEL,PHILIP,SIEMENS,NEC等大公司的支持，它广泛应用在离散控制领域。CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，但其模型结构只有三层，即只取OSI底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。其信号传输介质为双绞线。通信速率可达1MBPS/40M，直接传输距离最远可达10KM/5KBPS。可挂接设备数最多可达110个。CAN的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该节点与总线的联系，使总线上的其他节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。CAN总线是本课题所采用的总线类型，将在后面的章节中具体介绍。各种现场总线为了互操作的需要，都具有一定的开放性。CAN总线和LONWORKS总线都分别具有各自的固化于芯片中的协议，FF总线则支持功能块模型，通过标准化对象字典OD和设备描述语言DDL来统一描述功能块和它们的参数。通过以上比较可知，现场总线各具特点，都具有不同的适用范围CAN总线具有结构较为简单、应用灵活方便、可靠性强、价格低廉等优点，越来越受到工业界青睐。LONWORKS总线由于其协议结构完整，通信方式多样，适用于现场控制，过程控制到产品控制，最适于楼宇自动化，具有较广泛的应用前景。FF总线的适用范围由现场控制到过程控制，具有良好的发展前景。表1是将上述几种现场总线的物理层及数据链路层作的比较。表1几种现场总线的比较特性现场总线类型FFCANPROFIBUSLONWORKSHART应用范围仪表汽车PLC楼宇、工业自动化等智能变送器OSI网络层次1、2、3、81、2、71、2、71～71、2、7
