智能总线通信适配器设计

学号 业 设 计题 目：智能总线通信适配器设计作 者 罗 狄 届 别 2015届 院 别 机 械 工 程 学 院 专 业 机 械 电 子 工 程 指 导 教 师 陆 金 忠 职 称 教 授 完 成 时 间 2015年 5月 10日 湖南理工学院毕业设计（论文）摘 要CAN全称为“Controller Area Network”，也就是大家所说的控制器局域网。本文首先在引入 CAN现场总线概念的基础上，论述介绍了 CAN现场总线系统的现在状况和未来的发展方向，分析系统的网络结构和通信模块等关键技术;最后设计一个较简单的CAN现场总线控制系统。CAN现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有数字计算和数字通信能力，成为能独立承担某些控制、通信任务的网络节点 2。它对自动化领域的变化，就像计算机网络对计算机之间的功能和作用的变化。如果说，把人类带到信息时代是计算机网络，那么现场总线的作用就是让自控任务的网络系统和设备加入到了信息网络的行列，成为了企业信息网络的底层，让企业信息沟通的覆盖范围一直拓展到生产现场。所以把现场总线技术比喻成一个控制技术新时代的开端并不过分。 本人首先介绍了什么是总线，把总线的概念引进本文中，在熟悉了解了总线的概念的同时，引进 CAN总线的概念和理念。并介绍 CAN总线的现在状况和未来发展情况。后来又介绍了 CAN现场总线系统的结构原理。在第二部分中会了解 CAN总线系统的构成系统，CAN 总线系统的节点，CAN 总线系统的拓扑结构和 CAN总线系统通信协议模型。在第三部分会介绍 CAN总线系统的工作原理。第四部分主要介绍了 CAN总线系统在中央空调控制系统中的设计和应用。关键词：CAN 现场总线；现场总线控制系统；通信模块湖南理工学院毕业设计（论文）IAbstractCAN stands for “Controller Area Network“, the controller area network is everyone talking about. Firstly, based on the introduction of CAN field bus concept, introduces the CAN fieldbus system present situation and the future direction of development, analysis of the key technologies of the system network structure and communication module; finally, the design of a relatively simple CAN fieldbus control system.Measurement and control instruments of CAN fieldbus technology will bededicated microprocessors into traditional, so that they each have digital computing and communication capabilities, network node becomes can takesome control, independent communication task 2. The changes it brings to the automation field, change as computer network to the computer between the function, effect. If the computer network, the human into the information age, sofield bus enables network system control tasks and equipment into the ranks ofthe underlying information network, become the enterprise information network,the coverage of enterprise information communication has been extended to theproduction field. So the field bus technology as the beginning of a new era of control technology is not too much.I firstly introduce what is the bus, the bus is introduced in this paper, the familiar with the bus concept at the same time, the concept and introduce the concept ofCAN bus. And introduces the CAN bus now and future development. Then this paper introduces the structure and principle of CAN Fieldbus system. In the second part will understand the system structure for CAN bus system, CAN bussystem, the topology structure and communication protocol of CAN bus system model of CAN bus system. In the third part will introduce the working principle of the CAN bus system. The fourth part mainly introduces the CAN bus system in the design and application of the control system of central air conditioner.Key words: CAN Bus ;Fieldbus Control System;communication module湖南理工学院毕业设计（论文）II目 录摘 要 .IABSTRACT .II1 绪 论 .11.1 CAN 现场总线的发展状况和它的前景 .11.2 CAN 现场总线的概念 .11.2.1 现场总线的简介 .11.2.2 现场总线的标准形成 .21.2.3 什么是 CAN 总线 .31.2.4 CAN 总线的特点 .41.2.5 CAN 总线的技术规范 .52.CAN 现场总线系统的结构原理 .62.1 CAN 总线系统的构成 .62.2 CAN 总线系统的节点 .72.3 CAN 总线系统的拓扑结构 .72.4 CAN 现场总线通信协议模型 .83.CAN 现场总线工作原理 .93.1 CAN 现场总线的位数值表示 .93.2 CAN 现场总线的帧结构 .103.3 CAN 现场总线仲裁方式 .123.4 CAN 现场总线错误检测 .124.系统设计实例CAN 总线在中央空调监控系统的应用 .134.1 系统的设计思路 .134.2 中央空调控制系统的整体结构 .144.3 硬件设计 .164.4 信号采集电路设计 .174.5 CAN 通信电路设计 .214.6 软件设计 .234.7 主程序设计 .244.8 AD 转换程序设计 .254.9 设计小结 .27结 束 语 .28参考文献 .29致 谢 .30湖南理工学院毕业设计（论文）01 绪 论1.1 CAN 现场总线的发展状况和它的前景CAN最早是由德国 Bosch 公司在 80年代推出的，应用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信，也适用于工业过程控制与工业设备与监控设备之间的互连。由于它的高性能、高可靠性、实时性以及独特的设计等优点，现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗器械以及建筑、环境控制等众多部门。因而 CAN现场总线越来越受到工业界的重视，也已经被公认为最有前途的几种现场总线之一。因此CAN也将在中国迅速普及推广。尽管 CAN以经发展多年，也很受人们重视，但它仍然在发展完善。比如基于安全方面的考虑和安全临界应用等，德国专业协会 BIA和德国安全标准机构 TuV已经确认一了些现有的基于 CAN的安全系统。例如：CANopen安全就是第一个得到 BIA试验性批准的标准 CAN解决方案。在其他方面，这个规范定义了从 CANopen网络到冗余总线系统的自动转换。就是这样的不断完善，相信 CAN总线会更好地适用于各种领域的应用。1.2 CAN 现场总线的概念1.2.1 现场总线的简介要了解 CAN现场总线，首先要了解现场总线。现场总线是应用于现场仪表、现场电器，设备及控制室主机系统之间的一种开放的、双向的、多站、全数字化的通信系统，属于自动化控制领域中较低层的数据通信网络。现场总线的标准里规定了控制系统里一定数量的现场设备怎样相互交换数据。传输数据的媒介有：电线电缆、电话线、光缆、无线电等等。现场总线是指在现场使用的总线技术。传统的控制系统接线方式是并联接线。PLC（可编程序逻辑控制器）控制各个电器元件，每个元件相对应有一个 I/O口，需要用两根线对两者进行连接，做控制或电源。整个系统的接线在 PLC控制的电器元件数多到几十个或几百个时就会变得相当复杂，很容易出错，维护和施工都非常不便。针湖南理工学院毕业设计（论文）1对这个，人们想把大量导线并到一起，只用一根导线将所有设备连起来，而这根导线将会承载所有的数据和信号流通，设备之间的通信及控制同时可以任意设置。这根线因此被称作了总线。就像计算机内部的总线概念一样。只是系统的控制对象大都在工地、矿地现场，不像计算机主要用于室内，因此这类总线被人们称为现场的总线，现场总线就是其简称。比较著名的现场总线有 Foundation Fieldbus,LonWorks,PROFIBUS,HART,CAN等，CAN 为本文的主题。1.2.2 现场总线的标准形成控制系统大致发展到今天经历了以下四个阶段:(1) 模拟仪表的控制系统模拟仪表的控制系统是在六到七十年代应用最广的系统。其较突出的缺点有：模拟信号因位精度低而容易被干扰。(2) 集中式数字的控制系统集中式数字的控制系统是七到八十年代应用最广的系统。此系统的控制器采用了PLC、单片机或微机等，它内部的传输为数字信号，因此克服了模拟仪表的控制系统里模拟信号的精度过低的缺点，因此提高了控制系统的抗干扰性能。此控制系统相比其他系统的优点是容易按照全局情况作出控制判断和计算，对于控制机时和空间方式的选择则统一安排和调度，缺点是，此系统要求控制器本身的性能要高，比如相当的处理性能和高可靠性是一定要具备的，控制器效率，系统可靠性随系统任务递增而急剧下降。(3) 集散控制系统(DCS)集散控制系统 DCS是八到九十年代应用最广的系统。此系统的核心思想为管理与控制相分离；上位机用于集中监视管理，多台下位机被用于现场进行分散式控制，上下位机之间相互的信息传递则通过控制网络互连来实现。因此，集中式数字控制系统里的缺陷则通过此分布式的控制体系结构得以完善。(4 )现场总线控制系统(FCS)FCS是一种开放式系统，是一种开放的、彻底分散的、可互相操作性的分布式控制系统，很有可能成为新世纪控制系统的主流产品。现场总线控制系统是通过把连接于总线上、作为网络节点的那些智能设备连接成湖南理工学院毕业设计（论文）2一种网络系统，从而使其形成自动化的系统，来达到基本控制，参数修改，补偿计算，报警，监控，优化及控管一体化的全面自动化功能。这是一项综合技术的主要内容是智能传感器，控制，网络，数字通信，计算机。现场总线之所以一经生成就受到全世界的广泛关注，成为全球工业自动化的热点，就是因为它与工业控制系统向网络化、分散化、智能化发展的方向极度的相适应。受到现场总线的影响，现在生产的自动化仪表、可编程空制器(PLC)在产品的体系结构、集散控制系统(DCS)、结构和功能方面产生了非常大的改革，具有数字通信功能的智能化数字仪表将逐步取代了传统的模拟仪表，同时产生了一批具备控制、运算、检测功能集于一身的变送控制器。产生了具有反馈故障信息的执行器。现在的设备管理维护方法从根本上发生了改变。1.2.3 什么是 CAN 总线CAN （Controller Area Network 的缩写）是 ISO国际标准化的串行通信协议，是一种实时控制或者有效支持分布式控制的串行通信网络。下面介绍一下 CAN中的一些基本概念。（1）报文:就是总线上的信号，但长度会有限。当总线处于开放时，任何的连接单元都可以发送一个新的报文。（2）信息路由: 一个结构信息的节点将不使用的系统在系统。它包含了一些非常重要的概念。报文通信: 邮件内容由标识符 ID。但我不是原来的那个消息意图命名，但数据的意义，为了便于在网络中的节点的缩影，将使用消息筛选器确定是否他们启动数据。成 组:由于采用了报文滤波，所以所有节点都可接收报文，并同时会被相同的报文所激活。数据相容性:CAN 网络中，数据包可以被所有节点或节点收到了没有，因此，系统的数据一致性是通过接触组和错误处理。（3）位速率:可以在不同的系统中的数据传输速率是不同的，但在系统给出率是唯一确定的，并且是固定的。（4）优先权: 接入标识总线在定义消息优先级。（5）远程数据请求: 通过发送远程帧，需要数据的节点可以请求节点发送另一个类似的数据帧和数据帧，远程帧和相应的会在同一个标识符 ID命名。（6）仲裁: 当总线是开放的，每个单元可以开始发送消息，如果有两个或两个湖南理工学院毕业设计（论文）3以上的单元发送，总线访问冲突将采用逐位仲裁规则的解决方案，ID 标识符的帮助。仲裁规则将使信息和时间都没有损失。如果具有相同标识符的数据帧、远程帧同时传输的数据帧，将优先于远程帧。在仲裁过程中，每个发射器将水平与总线电平发送检测比较，如果相同的单位继续发送。在发送一个“隐藏”的水平，但巴士为“主导”的水平，该单位将退出仲裁，没有传输后，继承王位。（7）安全性 : 为了使数据传输安全性更高，在每个 CAN节点中都设有错误检测、标定还有自检的强有力的措施。检测错误的措施包含有：发送自检、循环冗余校检、位填充以及报文格式检查。（8）出错标注和恢复时间 ：已损报文由检验出错误的节点对它进行标注。此类报文就会失效，并自动进行重发送。如果不存在新的错误，从检出错误到下一个报文开始发送的恢复时间最多为 29个位时间。1.2.4 CAN 总线的特点CAN属于总线式串行通信网络。由于其应用了很多新的技术和独特的设计，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。其特点可概括如下：(1)通信方式灵活。CAN 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动的向网络上其他节点发送信息，而不分主从，而且无需站地址等节点信息。利用这一特点可方便的构成多机构备份系统。(2)CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在 134us内得到传输。(3)CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，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地继续传输数据，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情况。(4)CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无用专门的“调度” 。(5)CAN最远的直接通讯距离可以达到 10km（速率 5kbps以下） ；通信速率可达到最高 1Mbps（此时通信距离长为 40m） 。湖南理工学院毕业设计（论文）4(6)CAN上的节点数主要由总线驱动电路决定，现在可达 110个；报文标识符可以达到 2032种(CAN2.0 A)，而扩展标准(CAN2.0B)的报文标识符可以说不受什么限制。(7) 可以用短帧结构信息，传输时间短，干扰的概率是低的，所以，数据错误率一般非常低。（8）信息的每个帧都会有一个 CRC校验和错误检测和其他措施，效果很好。（9）通信介质可以是双绞线，同轴电缆或光纤，选择灵活。（10）CAN 节点具有自动关闭在严重故障的情况下的输出功能，其他节点，在公共汽车上运行不受影响。（11）CAN 总线具有很高的性能价格比。它的优点是结构简单，易于采集设备，每个节点的价格较低，但也容易掌握的技术，充分利用了