CAN-RS485协议转换网关的设计.doc

沈阳理工大学学士学位论文 i 摘 要 随着科学技术的发展，现场总线技术在各领域中得到越来越广泛的应用。现场总 线技术以其实时、可靠、低成本、使用方便等特点，在控制现场层得到广泛的应用。 其中 can 总线与其它几种现场总线比较而言，是最容易实现、价格最为低廉的一种， 但其性能并不比其它现场总线差。在实际应用中，大多数控制器和设备通信所使用的 仍是传统的 rs485。因此，为了将这些设备纳入现场总线的控制网络，研究现场总线 与 rs485 之间的协议网关很有必要。 本文主要设计了 can 总线与 rs485 之间的网关。通过对现场总线技术的应用现 状的分析，建立了基于网关的工业网络化控制系统结构模型，主要采用 at89s51 单片 机和 sja100 控制器开发设计了网关硬件，完成 can-rs485 协议转换网关的软件设计 开发，并调试实现了 cpu 与 rs485 之间的数据交互。 关键词：现场总线；can；rs485；网关 沈阳理工大学学士学位论文 ii abstract with the development of science and technology, the fieldbus technology is playing more and more important role in all areas. with its real-time, reliable, low cost, easy to use, fieldbus technology is widely used on site in the control layer.in contrast to the other fieldbus, can bus is the easiest and most inexpensive price,but its performance was not worse than any other fieldbus.in practical application,rs485 is widely used in most of the controllers and industrial communication device.therefore,in order to connect these devices to the fieldbus control network, it is necessary to design the gateway between field bus and the rs485. in this paper, we designed the gateway between can bus and rs485. by analysing the application of fieldbus technology,we put forward the control system model based on industrial network gateway.we used at89s51 and sja100 to design the gateway hardware,and developed the gateway software.finally,after software testing,the data exchange between the cpu and rs485 was achieved. keywords: fieldbus;can;rs485;gateway 沈阳理工大学学士学位论文 iii 目 录 1 绪论.1 1.1 课题研究的重要意义 1 1.2 网关 2 1.2.1 网络互连设备2 1.2.2 工业控制中网关的应用和研究.3 1.3 现场总线 4 1.3.1 现场总线的发展现状和趋势4 1.3.2 主流现场总线简介5 1.4 本论文的主要工作 7 2 基于网关的网络化控制系统模型.8 2.1 现有控制系统存在的不足8 2.2 基于网关的网络化控制系统模型 8 2.2.1 基于网关的网络化控制系统结构9 2.2.2 控制系统中网关的需求分析10 3 can-s485 协议转换网关的设计.12 3.1 can 协议规范12 3.2 can 报文规范13 3.3 主要器件介绍 13 3.3.1 can 控制器 sja1000 简介 13 3.3.2 can 收发器 pca82c250 简介.16 3.3.3 单片机 at89s51 简介17 3.3.4 rs485 收发器 max485 简介.19 3.4 can-rs485 协议转换网关设计20 3.4.1 基本原理20 3.4.2 硬件设计20 3.4.3 软件设计21 4 试验调试.27 5 可靠性设计.32 沈阳理工大学学士学位论文 iv 5.1 硬件设计 32 5.2 软件设计 32 结 论.34 致 谢.35 参考文献.36 附录 a 英文原文.37 附录 b 中文翻译.41 附录 c.44 图 c1 原理图44 图 c2 pcb 图45 附录 d 程序.46 沈阳理工大学学士学位论文 1 1 绪论 1.1 课题研究的重要意义 在现代企业中,企业网络将成为连接企业内部各车间、部门，并与外部交流信息的 重要基础设施，在市场经济与信息社会中，网络对企业的综合竞争能力起着至关重要 的作用。企业的生产线、生产车间、控制室、上层管理部门之间迫切需要信息共享。 在底层的设备控制现场，采用工控机等现场控制设备对生产线的生产过程进行管理。 在工控机的通讯中，由于串行通讯方式使用线路少、成本低，而被广泛采用。常用的 串行接口标准有rs-232，rs-485等。要实现工控机与现场总线之间的连接，通过工控 机就能对以现场总线组网的各生产线设备、仪表进行控制，这就需要设计现场总线到 各种串行接口的网关。 在生产控制底层之间，虽然现有的各种有影响的现场总线能够在底层与局域网互连， 但都局限于某种特定的现场总线。如果监控现场根据需要，就要为每种现场总线提供 到监控室的网络布线，而且每种总线由于网络传输介质、传输速度等的不同，这样会 造成资源的大量浪费。在现场总线国际标准制定的过程中，共有8种现场总线同时成为 iec现场总线标准的子集，而且还有其它的有影响力的现场总线。可见，多种总线共存 的局面在一个很长时间内存在仍是无法避免的。为了适应各种不同现场总线协议，必 须实现各种现场总线控制系统的集成。解决的办法之一就是在不同网段之间直接采用 网关设备，将它们互连。这样既简化了控制网络结构，减少了工业现场的布线，同时 又提高了控制网络的可靠性，为底层的控制网络提供了更大的灵活性。 在生产管理层上，随着计算机、网络、通信等技术的发展，信息共享在工业控制领 域引起了自动化系统结构的深刻变革。工业现场控制信息不仅要流动于控制层，而且 也需要渗透到工厂自动化的各个层次，包括与企业信息网的融合。把现在广泛应用的 以太网技术应用到控制网络中，实现企业控制网络与信息网络的无缝连接，实现全厂 范围内的信息共享，可以大大提高企业的生产效率。同时可以通过企业信息网与互连 网的连接把现场总线通过企业信息网接入互连网，在世界上的任何地方监视并控制这 些现场以及现场设备的运行状况和各种参数而不必亲临现场，可以节约大量费用，而 且设备供应商也可以通过网络对自己的设备进行维护。把以太网技术应用到工业控制 中，实现控制网络和数据网络的融合，成为控制系统结构的一个新的发展方向，不仅 沈阳理工大学学士学位论文 2 可以为企业的生产管理带来很多方便，提高企业的生产效率，而且为控制网络走向全 开放性、全分布式的网络结构奠定了坚实的基础。在现场总线和以太网连接的实现上， 同样也需要现场总线到以太网的网关1。 可见，随着控制网络实现功能的越来越复杂，利用现场总线与其它一些总线的互连 网关，把现场总线技术融入到企业整个网络系统中，与其它的总线、接口进行连接， 有效地解决现场测控网络数据广泛实时共享，实现企业从现场控制层到管理层的全面 的信息集成问题，已经成为了一个重要的课题。 1.2 网关 1.2.1 网络互连设备 网关(gateway)又称网间连接器、协议转换器。网关在传输层上以实现网络互联， 是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关既可以用于广 域网互连，也可以用于局域网互连。 网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备。 在使用不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间， 网关是一个翻译器。与网桥只是简单地传达信息不同，网关对收到的信息要重新打包， 以适应目的系统的需求。同时，网关也可以提供过滤和安全功能。大多数网关运行在 osi 7 层协议的顶层-应用层。 网络互连从通信协议的角度可分为四个层次：在物理层，使用中继器在不同的网段 之间复制位信号；在数据链路层，使用网桥在局域网之间存储或转发数据帧；在网络 层，使用路由器在不同的网络间存储转发分组信号；在传输层及传输层以上，使用网 关进行协议转换，提供更高层次的接口。目前，根据功能的不同主要有三种网关： 1、协议网关 协议网关通常在使用不同协议的网络区域间做协议转换。这一转换过程可以发生 在 osi 参考模型的第 2 层、第 3 层或 2、3 层之间。 但是有两种协议网关不提供转换 的功能：安全网关和管道。由于两个互连的网络区域的逻辑差异， 安全网关是两个技 术上相似的网络区域间的必要中介。如私有广域网和公有的因特网。 2、应用网关 应用网关是在使用不同数据格式间翻译数据的系统。典型的应用网关接收一种格 式的输入，将之翻译，然后以新的格式发送。输入和输出接口可以是分立的也可以使 沈阳理工大学学士学位论文 3 用同一网络连接。应用网关也可以用于将局域网客户机与外部数据源相连，这种网关 为本地主机提供了与远程交互式应用的连接。 将应用的逻辑和执行代码置于局域网中 客户端避免了低带宽、高延迟的广域网的缺点，这就使得客户端的响应时间更短。 应 用网关将请求发送给相应的计算机，获取数据，如果需要就把数据格式转换成客户机 所要求的格式。 3、安全网关 安全网关是各种技术有趣的融合，具有重要且独特的保护作用，其范围从协议级过 滤到十分复杂的应用级过滤。 网关的功能主要有以下几个方面： 1、具有协议转换能力。网关具有从物理层到运输层，甚至应用层各层协议转换能 力。当然用于不同场合的网关，其协议转换的能力可以不同，比如：有的只需要负责 物理层到运输层的协议转换，有的则需要完成物理层到应用层的协议转换。 2、具有流量控制和拥塞控制的能力。对不同工作速率的网络进行互连时，需要有 某种流量控制机构来控制输入到其他网络上的信息流，网关常用的流量控制方式有： 源站仅在得到允许时才进行传输；强制源站减少它们向网络提供的负荷。 3、具有在各个网络之间可靠传送信息的能力。为了提高互连的网络的可靠性，常 采用一下一些措施：防止分组在若干个网关中无限制的循环；向源站或者其他网关发 送错误报告；对分组从源站到目的站之间的路径进行跟踪；提供网间信息的重传功能。 4、具有路由选择功能。 5、具有将分组分段和组装的能力。 网关的用途：网关可以用于以下几种场合的异构型网络的互连。 1、异构型局域网互连。可以利用网关将几种完全不同的局域网互联起来。 2、局域网与 wan 互连。局域网与 wan 互连比较，至少其低 3 层协议不相同， 因此它们属于异构型网络，可以用网关实现互连。 3、wan 与 wan 互连。主要用于不同类型的 wan 之间的互连。 1.2.2 工业控制中网关的应用和研究 近年来，随着现场总线技术和控制网络技术的兴起，控制系统向着分散化、网络化、 沈阳理工大学学士学位论文 4 智能化的方向发展。要使采用不同总线的系统实现互操作，最理想的方法是所有不同 厂商的设备使用相同的通信协议，但现实是工业控制中存在着大量的通信协议，并且 各个厂商都有各自的利益，不可能用一种通信协议统一所有协议，因而，目前实现控 制系统互操作的比较实际的方法是使用网关。网关能将采用各种不同协议的控制网段 相互连接，使得它在控制领域中的应用也越来越广泛。如在分布式控制网络中，各种 现场总线控制网络通过网关或路由器互连，网关工作方式是在网络中进行逻辑隔离， 而非物理隔离，使通道之间透明，使得一个网络工具可以在网络上任何地点对网络上 的其它节点进行操作，整个系统的安装、检测、诊断、维护都非常方便。 由于现场总线的实时、可靠、低成本、使用方便等特点，使其在控制现场层得到广 泛的应用，与之相关的各种网关也随之在工业控制的各个领域得到广泛的研究与应用。 如 can-rs232 网关在电力系统远程抄表系统中的应用，lonworks 现场总线的网关在 19k 型客车网络化控制中的应用2。 同时，国内的很多公司和科研院校也加入到现场总线网关的研究与开发中来，表 1.1 列举了国内几家参与现场总线网关研究与开发的公司和科研院校。 表 1.1 国内几家参与现场总线网关研究的公司和院校 中国北方集团四方车辆研究所can 网关等产品的设计开发 上海工业自动化仪表研究所lonworks 网关等产品的设计开发 广州致远电子有限公司基于 can 总线的网关、中继器产品设计开发 武汉大学基于 can、lonworks 总线网关的设计与研究 南京理工大学基于 lonworks 总线网关的设计与研究 1.3 现场总线 1.3.1 现场总线的发展现状和趋势 现场总线是 20 世纪 80 年代中期发展起来的一种先进的控制技术，被誉为 20 世纪 90 年代工业控制领域的一场革命。与其他工业控制网络相比，现场总线采用串行的双 向的数字通信方式，具有实时性好、稳定性高等特点，迅速发展成为工业控制网络中 使用最广泛的通信网络，为工业自动化底层现场设备之间、现场设备与控制系统之间 沈阳理工大学学士学位论文 5 架起了信息化的网络桥梁。 然而，由于技术、经济和政治等方面的原因，虽然早在 1984 年国际电工技术委员 会/国际标准协会（iec/isa）就着手开始制定现场总线的标准，至今统一的标准仍未完 成。很多公司也推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性还难以统一。 目前现场总线市场有着以下的特点： 1、多种现场总线并存 据资料分析，世界上已出现各式各样的现场总线 100 多种，其中宣称为开放型总 线的就有 40 多种，有些已经在特定的应用领域中显示了各自的特点和优势，表现了较 强的生命力,如 robertbosch 公司的 can，echelon 公司的 lonworks，现场总线基金会 ff（fieldbus foundation）,德国西门子公司 siemens 的 profibus， phenixcontact 公司 的 interbus， rosemounr 公司 的 hart，丹麦 processdata 公司的 p-net，美国的 devicenet 与 controlnet 等等。这些现场总线大都用于过程自动化、医药领域、加工制 造、交通运输、国防、航天、农业和楼宇等领域，大概不到十种的总线占有 80%左右 的市场。 2、各种总线都有其应用的领域 每种总线大都有其应用的领域，比如ff、profibus-pa适用于石油、化工、医药、 冶金等行业的过程控制领域；lonworks、profibus- fms、deviecenet适用于楼宇、 交通运输、农业等领域；devicenet、profibus-dp适用于加工制造业。至今还没有一 种现场总线可以满足所有要求，用户不得不根据自己的需要选择不同的现场总线设备。 因此，多种现场总线标准并存的现状还将持续下去。在这种新形势下，新一代分布式 网络控制系统将必须要考虑多种现场总线的集成，将工业生产现场的各种现场总线智 能设备集成到一个完整的、统一的、开放的系统中，以适应市场上多种现场总线并存 的局面和用户的实际应用需求3。 1.3.2 主流现场总线简介 1.3.2.1 lonworks 现场总线 lonworks 现场总线是以美国 fisher-rousemount 公司为首的联合了横河、abb、 西门子、英维斯等 80 家公司制定的 isp 协议和以 honeywell 公司为首的联合欧洲等地 150 余家公司制定的 worldfip 协议于 1994 年 9 月合并的。该总线在过程自动化领域得 到了广泛的应用，具有良好的发展前景。 沈阳理工大学学士学位论文 6 基金会现场总线采用国际标准化组织 iso 的开放化系统互联 osi 的简化模型 (1，2，7 层)，即物理层、数据链路层、应用层，另外增加了用户层。ff 分低速 h1 和 高速 h2 两种通信速率，前者传输速率为 31.25kbit/秒，通信距离可达 1900m，可支持 总线供电和本质安全防爆环境。后者传输速率为 1mbit/秒和 2.5mbit/秒，通信距离为 750m 和 500m，支持双绞线、光缆和无线发射，协议符号 iec1158-2 标准。ff 的物理 媒介的传输信号采用曼切斯特编码。 1.3.2.2profibus 总线 profibus 是德国国家标准 din19245 和欧洲标准 en50170 的现场总线标准。由 profibus-dp、profibus-fms 和 profibus-pa 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，profibus-fms 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 iec1158-2 标准。该项技术是以西门子公 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 9.6kbps12mbps，最大传输距离在 12mbps 时为 100m，1.5mbps 时为 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。 1.3.2.3基金会现场总线 基金会现场总线ff（foundation fieldbus）。其前身是以美国fisher-rosemount公司 为首，联合foxboro、横河、abb、西门子等80家公司制定的isp协议，以及以 honeywell公司为首，联合欧洲等地的150家公司制定的world fip协议。1994年这两大 集团合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。 基金会现场总线分低速h1和高速h2两种通信速率。h1的传输速率31.25kbps，通信 距离可达1900m（可加中继器延长），可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。h2 的传输速率可为1mbps和2.5mbps两种，其通信距离分别为750m和500m。物理传输介 质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合iec1158-2标准。ff物理媒介的传输信号 采用曼彻斯特编码。另外，传输速率为100mbps的hse（high speed ethernet高速 以太网）也正在ff中发展。 基金会现场总线的主要技术内容包括有：ff通信协议；用于完成开放互联模型中 沈阳理工大学学士学位论文 7 第27层通信协议的通信栈（communication stack）;用于描述设备特征、参数、属性 及操作接口的ddl设备描述字典；用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的功 能块，实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、 网络系统的系统集成技术。 1.3.2.4can 总线 最早由德国 bosch 公司推出的 can 总线，又称控制局域网，主要应用于汽车内部 强干扰环境下电器之间的数据通信。它也基于 osi 参考模型，采用了其中的物理层、 数据链路层、应用层，提高了实时性。数据链路层与以太网相似，采用载波侦听多路 访问/冲突检测（csma/cd）机制，最多可连接 110 个节点。其节点有优先级设定，支 持点对点、一点对多点、广播模式通信，各节点可以随时发送消息。传输介质为双绞 线、同轴电缆或光纤，通信速率与总线长度有关。can 总线采用短消息报文，当节点 出错时可自动关闭，抗干扰能力强，可靠性高。这种总线规范已被国际标准化组织制 定为国际标准，在工业现场测控领域和楼宇自动化得到了广泛应用3。 1.4 本论文的主要工作 本课题着眼于现场总线技术的应用，在分析基于网关的网络化控制系统结构的基 础上，设计开发了 can-rs485 协议转换网关。 所做的工作主要有以下几个方面： 1、通过对现场总线技术的应用现状的分析，建立基于网关的工业网络化控制系统 结构模型。 2、研究并开发了 can 总线与 rs485 协议转换网关的硬件。 3、完成了 can 总线与 rs485 网关的软件设计开发，并调试 cpu 与 rs485 间的 通信，实现简单数据的交互。 沈阳理工大学学士学位论文 8 2 基于网关的网络化控制系统模型 2.1现有控制系统存在的不足 在现有控制中，控制系统应该与企业的经营战略相联系，必须将控制系统集成到 整个企业系统中。企业的这种管理模式客观上要求信息网络与控制网络的一体化，两 者分离必将会阻碍信息的上行下达，降低企业的生产管理效率。 目前的控制系统虽然在不同的动静态方面满足了一定控制的要求，但还是存在一些 问题，为系统的应用和推广带来了很大的难度。主要表现在以下几个方面： 1、企业上下信息的集成 根据美国著名信息咨询集团 gartnergroup 和美国先进制造研究中心 amr 等组织 的调查和统计，现有的控制系统中存在着一个极为突出的问题：在企业的经营管理计 划层和底层控制层之间存在着“鸿沟”，即上层的管理决策层和底层的现场控制层之间 信息很难实时共享。 2、 通用性 制造过程管理和控制一般是与具体生产方式和设备类型紧密相关的，传统的控制 系统大多是面向功能，生产方式包含在功能之中，因此很难适应多种生产方式/混合生 产方式，往往是不同的企业，甚至是不同的车间都不一样，也就是说不具备通用性， 为企业的流程重构和企业间资源共享带来了很大的困难。 3、 控制信息的动态和实时性 在现有的控制系统中，执行模块或传统的车间控制器实际上完成的只是计划的派工 单及物料的需求和消耗控制，主要是基于 bom（bill of material）的静态计划和控制， 没有将它们与现场的动态信息融为一体，实现动态、实时的控制4。 2.2 基于网关的网络化控制系统模型 在激烈的市场竞争中，现代企业非常关心如何在将企业生产和运营的费用降低的同 时又能使管理者有效的监管企业的生产和运营，工业控制网络的建立就是为了解决这 一问题的。在一个控制网络中，企业要把经营决策、管理、计划、调度、现场控制等 沈阳理工大学学士学位论文 9 紧密地联系在一起，进行综合信息处理，就必须对企业的生产情况进行实时地监管： 各车间要对生产过程进行有效的自动化控制，管理层要实时地获得第一手的生产数据 等等。 2.2.1 基于网关的网络化控制系统结构 工业控制网络的目标是，削减通向自动化层次路径上的复杂程度各异的连接，以跨 越不同的总线技术，并借助以太网建立统一的通信。通过前面对现有控制网络系统的 分析，从各个控制环节的功能角度出发，基于各种通信协议转换的网关，我们将工业 控制网络分为现场控制层、生产监控层、生产管理层、生产决策层四个层次，通过各 层之间的信息共享，构成较为完整的网络化控制系统模型5，其系统结构如图 2.1 所示。 生产服务器数据服务器网络服务器 工业以太网 控制计算机优化控制器 以太网现场总线网关 现场节点现场节点 生产决策层 生产管理层 生产监测层 现场控制层 现场总线之间网关 图 2.1 基于网关的网络化控制系统结构图 1、现场控制层 现场控制层包括各种现场节点和设备，如现场智能传感器、传动装置和执行机构等 沈阳理工大学学士学位论文 10 现场设备，负责现场生产设备按照预先编制好的程序或上层传递下来命令进行监控。 其主要技术是现场总线技术，将现场总线连接起来成为很多不同的网段，现场节点通 过其自带的现场总线接口与现场总线相连。由于各种生产条件的不同，可能用到了几 种现场总线技术，在它们之间可以用相应的网关互连。避免由于一方的网关出现故障 而造成的网络的瘫痪问题，提高了网络的可靠性。 2、生产监控层 生产监控层主要包括各种网关和在底层简单的现场控制器，负责生产过程的监控， 以及相应的数据的采集、上报和下传，保证现场设备准确高效地运行。现场控制器通 过网关与控制网络相连，可以在现场底层实行简单的控制。生产监控层的网关肩负着 使底层的现场总线网络与上层的网络相连的任务，它主要负责两方面的功能：一是接 收现场总线上的数据并对其进行解释，向上传送；二是把上层网络发来的命令和数据 转换为现场总线的数据格式送往现场节点。这一层由于要负责上下两层的数据通信， 所以这一层设计的优劣对整个系统的正常运行至关重要。 3、生产管理层 生产管理层主要负责维护系统历史数据库、更新系统实时数据库，根据生产监控层 传来的控制信息，进行优化配置，同时接收生产决策层的生产决策、了解企业内部的 生产计划。 4、生产决策层 生产决策层一方面根据企业内部的生产过程，执行企业内部的物流管理，确定企业 的整体生产调度；另一方面，可以通过网络服务器与外部 internet 相连，方便远程客户 对控制网络的各种信息查询、故障监控，与分布比较分散的企业的营销单元之间进行 信息交互，收集市场信息，以便决策5。 2.2.2控制系统中网关的需求分析 可以看到，上述控制网络是建立在串行通信、以太网和各种现场总线的混合通信 之上的，通过网关实现各层次的互连，实现计算机对现场设备、仪表的操作。网关采 用一种相当于隧道技术的方式在各网段之间传输数据，当上层网络向现场仪表、设备 发送信息时，它首先基于一种协议将信息发给网关，然后由网关根据相应的总线协议 把数据发给相应的仪表设备。反过来，当现场的仪表或设备要往上层的网络发送数据 时，它需要经过网关的协议转换，再发送给相应的上层网络。下面对系统中各网关的 沈阳理工大学学士学位论文 11 需求进行分析。 1、现场总线与 rs232/rs485 网关 在工业控制领域中 rs-232/rs485 标准被工业设备所广泛采用，是一种常见的电气 和通信接口。现在工业控制领域中很多智能单元使用的通信方式是 rs-232/485。因此， 如何将现场网络介质上的现场总线协议信息转换为 rs-232/485 标准的信号或将 rs- 232/485 标准信号转换为现场总线协议的数据，将这些设备纳入现场总线控制网络，实 现设备与其它节点以及网络管理设备通信，具有实际应用和拓宽现场总线应用范围的 意义，这类网关如结构图中的 lonworks-rs232、 lonworks-rs485、can-rs232 网 关。 2、现场总线与以太网网关 以太网技术从出现到现在的几十年间得到了飞速的发展，其应用领域也从最初的办 公自动化发展到工业控制、楼宇自动化等领域。但是要把以太网技术真正的运用到现 场控制的底层，还面临着以下的困难和问题： （1）以太网并不支持多分插的信令或带电双绞线网络，为布线拓扑设置严重限制， 并且要求单独的电源布线。 （2）以太网原来的用途是企业数据网，适合工作在 esd、突发噪声、电涌、辐射 噪声、磁场等都比较低的环境。而工业现场的环境要恶劣的多，如果以太网要在这样 的环境中工作，需要加上电涌抑制器、esd 防护设备以及一大批其它防护设备，这在 经济和技术上都需要增加投入。 （3）工业控制网络不同于普通数据网络的最大特点在于它必须满足控制对实时性 的要求。由于以太网采用 csma/cd 的媒体访问控制方式，一条总线上挂接的多个节 点采用平等竞争的方式争用总线，因此以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通 信的实时性要求。 但是另一方面，随着现场总线控制网络的发展，信息管理决策层需要了解的底层 信息会越来越多，以方便决策等优化控制。现场总线在生产控制底层，由于各种控制 环境和控制功能的不同，同时各种现场总线的网络传输介质、传输速度也不同，很难 由一种现场总线实现整个现场控制。为了将各种现场总线控制系统集成，实现整个底 层的网络化控制，就需要设计各种现场总线之间协的协议网关，为了满足工业控制的 实时性要求，它们传送的数据帧多为短帧，当要传送很长的数据信息的时候，就只能 进行分割传送，这在控制网络的底层，具有协议简单、安全可靠、实时性好等特点， 沈阳理工大学学士学位论文 12 但是在上层的企业信息网中就会影响信息的传输量和传输速度，如果采用以太网的 tcp/ip 技术，就会大大提高数据的传输效率。这就使得现场总线控制网络与以太网信 息网络的集成势在必行。因此，需要对各种现场总线与以太网的互连网关进行深入的 研究，如控制系统中的 lonworks-以太网网关、高速基金会现场总线 h2-以太网网关。 3、各现场总线之间网关议转换的网关，将采用不同总线协议的生产线、生产车间 互连6。 3 can-s485 协议转换网关的设计 3.1 can 协议规范 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 9 月 philips semiconductors 制订并分布了 can 技术规范 version2.0。该技术规 范包括 a, b 两部分。2.0a 给出了 can 报文的标准格式，2.0b 给出了标准的和扩展的 两种格式。此后，1993 年 11 月 iso 正式颁布了道路交通运输工具-数据信息交换-高速 通信控制器局域网(can)国际标准 is011898，为控制器局域网的标准化、规范化铺平 了道路。 can 总线是开放系统，但没有严格遵循国际标准化组织 iso 的开放系统互连的七 层参考模型 osi，处于对实时性和降低成本等因素的考虑，can 总线只采用了其中最 关键的三层，即物理层，数据链路层和应用层，其中数据链路层又进一步分为逻辑链 路控制子层 llc 和媒体访问控制子层 mac，而应用层则包含了 iso/osi 模型中物理 层和数据链路层外其余各层的功能。 can 总线物理层的主要内容是规定了通讯介质 的机械、电器、功能和规程特性。在 can2.0a/b 中对物理层的部分内容作了规定，而 在 is011898 标准中的内容更加具体，但没有指明通讯介质的材料，因而用户可以根据 需要选择双绞线、同轴电缆或光纤。 can 是一个多主机局部网，它的串行通信链路采用一条多个单元均可连接的总线。 理论上，单元数目是无限的，实际的单元总数受限于延迟时间或总线的电气负载。该 总线可用各种方法实现，如差分驱动平衡双绞线、单线(加地线)、光纤等，其中常用的 为第一种。总线上的数据可具有两种互补的逻辑值之一：显性 (dominant)和隐性 (recessive)。在两个单元同时分别发送显和隐性电平时，总线上的数值将是显性电平。 在总线采用线与操作方式时，显性电平用逻辑 0 表示，而隐性电平为逻辑 1。can 总 沈阳理工大学学士学位论文 13 线中各节点应使用相同的位速率。它的每位时间由同步段、传播段、相位缓冲段 1 和 相位缓冲段 2 组成。发送器在同步段前改变输出的位数值。接收器在两个相位缓冲段 之间采样输入位值。而两个相位缓冲段长度可自由控制，以保证采样的可靠性5。 数据链路层主要功能是将要发送的数据进行包装，即加上差错校验位、数据链路 协议的控制信息、头尾标记等附加信息组成数据帧，从物理信道上发送出去；在接收 到数据后，再把附加信息去掉，得到通讯数据。在通讯过程中，收发双方都要对附加 的控制信息进行检查判别，并作出相应的处理，从而实现数据传输过程中的流量控制、 差错控制，保证数据的无差错传输。can 总线的数据链路层包括逻辑控制子层 llc 和 媒体访问控制子层 mac。其中 mac 子层的主要功能是定义传输规则，它是 can 协 议的核心，主要包括控制帧的结构、传输时的非归零编码方式(检测到连续 5 个数值相 同的位流后自动插入一个补码位)、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定，同时 还要确定总线是否空闲(出现连续 7 个以上的“隐性”位)或者能否马上接收数据(检测同 步信号)。llc 子层的主要功能是报文的滤波(根据数据块的编码地址进行选择性接收) 和报文的处理。 3.2 can 报文规范 can 总线以报文为单位进行信息传送。报文中包含标识符，它也标志了报文的优 先权。can 总线上各个节点都可主动发送。如同时有两个或更多节点开始发送报文， 采用标识符来进行仲裁，发送具有最高优先权报文节点赢得总线使用权，而其它节点 自动停止发送，在总线再次空闲后，这些节点将自动重发原报文。报文中的标识符 id 描述了数据的含义。网络中的所有节点都可以由 id 来自动决定是否接受该报文。每个 节点都有 id 寄存器和屏蔽寄存器，接受到的报文只有与该屏蔽的功能相同时，该节点 才开始正式接受报文，否则它将不理睬 id 后面的报文。这使 can 系统非常灵活可任 意扩展或改变网络组成。can 支持 4 种不同类型报文帧。 数据帧：数据帧携带数据从发送器至接收器。数据帧由7 个不同的位场组成：帧 起始、仲裁场、控制场、数据场、crc 场、应答场、帧结尾。数据场由数据帧中的发 送数据组成，其长度可以为08个字节，也可以为0。 远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。远程帧由6 个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、crc 场、应答场、帧结束。 错误帧：任何单元一旦检测到总线错误就发出错误帧。错误帧由两个不同的场组 沈阳理工大学学士学位论文 14 成。第一个场由来自各站的错误标志叠加得到，第二个场是出错界定符。 过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间提供附加的延时。 过载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符5。 3.3 主要器件介绍 3.3.1 can 控制器 sja1000 简介 sja1000 独立 can 控制器是 philips 公司 pca82c200 can 控制器(basiccan)的 替代产品，用于一般工业环境中和区域网络控制。它在完全兼容 pca82c200 的基础上， 增加了一种新的工作模式 peiican， sja1000 完全支持具有很多新特性的 can2.0b 协议。sja1000 的工作模式通过其内部的时钟分频寄存器(cdr)中的 can 模式位来选 择，硬件复位时默认模式是 basiccan 工作模式。sja1000 可以支持多种微处理器的时 序特性，如 intel 模式或 motorola 模式。sja1000 与微处理器的接口非常简单，微处理 器以访问外部存储器的方式来访问 sja1000。在设计接口电路时，sja1000 的片选地 址应与其他外部存储器的片选地址在逻辑上无冲突。sja1000 有 2 种模式可以同微处 理器访问其内部寄存器，2 种模式的访问是有区别的，这 2 种模式分别是复位模式和工 作模式。当硬件复位、控制器掉线或置位复位请求位时，sja1000 进入复位模式。当 清除其内部控制寄存器(cr)中的复位请求时，sja1000 进入工作模式。有些内部的寄 存器只能在复位模式下访问，有些寄存器只能在工作模式下访问，而有些寄存器在这 2 种模式下都可以访问。sja1000 内部寄存器分布于 0-31 连续的地址空间中，包括控 制段和信息缓冲区。控制段在初始化载入时可被编程来配置通信参数(例如波特率和位 时序等)。微控制器也是通过这个段来控制 can 总线上的通讯状态。信息缓冲区分为 发送缓冲区和接受缓冲区。微处理器将要发送的信息写入发送缓冲区，然后启动发送 命令后，可进入报文的发送。符合接收条件的接受到的信息放入接收缓冲区，微处理 器可以读出这些信息，并进行处理5。 sja1000 can 控制器主要由以下几部分构成： 1、接口管理逻辑(iml) 接口管理逻辑解释来自 cpu 的命令，控制 can 寄存器的 寻址，向主控制器提供中断信息和状态信息。 2、发送缓冲器(txb) 发送缓冲器是 cpu 和 bsp(位流处理器)之间的接口，能够 存储发送到 can 网络上的完整报文。缓冲器由 cpu 写入，bsp 读出。 沈阳理工大学学士学位论文 15 3、接收缓冲器(rxb) 接收缓冲器是接收过滤器和 cpu 之间的接口，用来接收 can 总线上的报文，并存储接收到的报文。接收缓冲器(rxb)作为接收 fifo 的一个 窗口，可被 cpu 访问。cpu 在此 fifo 的支持下，可以在处理报文的时候接收其它报 文。 4、接收过滤器(acf) 接收过滤器把它其中的数据和接收的标识符相比较，以决定 是否接收报文。在纯粹的接收测试中，所有的报文都保存在 rxfifo 中。 5、位流处理器(bsp) 位流处理器是一个在发送缓冲器、rxfifo 和 can 总线之 间控制数据流的序列发生器。它还执行错误检测、仲裁、总线填充和错误处理。 6、位时序逻辑(btl) 位时序逻辑监视串行 can 总线，并处理与总线有关的位定 时。在报文开始，由隐性到显性的交换同步 can 总线上的位流(硬同步)，接收报文时 再次同步下一次传送(软同步)。btl 还提供了可编程的时间段来补偿传播延迟时间、 相位转换和定义采样点和每一位的采样次数。 7、错误管理逻辑(eml) eml 负责传送层中调制器的错误界定。它接收 bsp 的出 错报告，并将错误统计数字通知 bsp 和 iml。 引脚说明 ad7-ad0 2、1、 28-23 为多路地址/数据总线 ale/as 3 ale 输入信号（intel 模式） as 输入信号（motorola 模式） /cs 4 片选输入，低电平允许访问 sja1000 /rd/e 5 微控制器的/rd 信号（intel 模式）或 e 使能信号 （motorola 模式） /wr 6 微控制器的/wr 信号（intel 模式） 或 rd/（/wr）信号 （motorola 模式） clkout 7 sja1000 产生的提供给微控制器的时钟输出信号 时钟信号 来源于内部振荡器且通过编程驱动时钟控制寄存器的时钟关闭位可禁止该引脚 vss1 8 接地 xtal1 9 输入到振荡器放大电路，外部振荡信号由此输入 xtal2 10 振荡放大电路输出，使用外部振荡信号时左开路输出 mode 11 模式选择输入：1=intel 模式，0=motorola 模式 vdd3 12 输出驱动的 5v 电压源 沈阳理工大学学士学位论文 16 tx0 13 从 can 输出驱动器 0 输出到物理线路上 tx1 14 从 can 输出驱动器 1 输出到物理线路上 vss3 15 输出驱动器接地 /int 16 中断输出，用于中断微控制器；/int 在内部中断寄存器各 位都被置位时低电平有效；/int 是开漏输出，且与系统中的其它/int 是线或的；此引 脚上的低电平可以把 ic 从睡眠模式中激活 /rst 17 复位输入，用于复位 can 接口（低电平有效）把/rst 引 脚通过电容连到 vss，通过电阻连到 vdd 可自动上电复位 f;r=50k vdd2 18 输入比较器的 5v 电压源 rx0 19 rx1 20 从物理的 can 总线输入到 sja1000 的输入比较器；控制电 平将会唤醒 sja1000 的睡眠模式；如果 rx1 比 rx0 的电平高就读控制电平，反之读 弱势电平；如果时钟分频寄存器的 cbp 位被置位，旁路 can 输入比较器以减少内部 延时（此时连有外部收发电路）这种情况下只有 rx0 是激活的；弱势电平被认为是高 而支配电平被认为是低的 vss2 21 输入比较器的接地端 vdd1 22 逻辑电路的 5v 电压源 3.3.2 can 收发器 pca82c250 简介 pca82c250 是控制器局域网 can 协议控制器和物理总线之间的接口。它主要应 用在高速应用的场合，速度可达 1mbps。pca82c250 为总线提供差动的发送功能，为 can 控制器提供差动的接收功能。其管脚定义及功能描述如表 3.1 所示： 表 3.1 pca82c250 的引脚图及功能描述 序号符号功能描述 1txd发送数据输入 2gnd地 3vcc电源电压 4.5v-5.5v 4rxd接收数据输出 5vref参考电压输出 6canl低电平 can 电压输入/输出 沈阳理工大学学士学位论文 17 7canh高电平 can 电压输入/输出 8rs斜率电阻输入 其主要特性如下： 高速率适合 can 的 5kbps1mbps 速率范围。 具有抗汽车环境中的瞬间干扰保护总线能力。 斜率控制降低射频干扰 rfi。 差分接收器抗宽范围的共模干扰、抗电磁干扰 emi。 热保护防止电池和地之间的发生短路。 低电流待机模式。 未上电的节点对总线无影响。 可连接 110 个节点。 提供 dip-8 和 so-8 两种封装工作温度范围-40+125 3.3.3 单片机 at89s51 简介 at89s51 是美国 atmel 公司生产的低功耗，高性能 cmos 8 位单片机，片内含 4k 的可编程的 flash 只读程序存储器，器件采用 atmel 公司的高密度、非易失性存 储技术生产，兼容标准 8051 指令系统及引脚。它集 flash 程序存储器既可在线编程 （isp）也可用传统方法进行编程及通用 8 位微处理器于单片机芯片中，atmel 公司 的功能强大，可灵活应用于各种控制领域。 主要性能参数： 与 mcs-51 产品指令系统完全兼容 4k 字节在系统编程（isp）flash 闪速存储器 1000 次擦写周期 4.0-5.5v 的工作电压范围 全静态工作模式：0hz-33mhz 三级程序加密锁 128*8 字节内部 ram 32 个可编程 i/o 口线 沈阳理工大学学士学位论文 18 2 个 16 位定时/计数器 6 个中断源 全双工串行 uart 通道 低功耗空闲和掉电模式 中断可从空闲模式唤醒系统 看门狗（wdt）及双数据指针 掉电标示和快速编程特性 灵活的在系统编程（isp-字节或页写模式） 功能特性概述： at89s51 提供以下标准功能：4k 字节闪速存储器，128 字节内部 ram，32 个 i/o 口线，看门狗（wdt） ，两个数据指针，两个 16 位定时/计数器，一个 5 向量两级中断 结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，at89s51 可降至 0hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停 cpu 的工作，但 允许 ram，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保