基于CAN现场总线测控网络系统研究

青岛大学 硕士学位论文 基于CAN现场总线测控网络系统研究 姓名：刘亚南 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：潘松峰 20090606 捅要 本文以C A N 总线建立了一个分布式测控系统，在C A N 2 0 B 协议的基础上自定 义了一种适用于本系统的协议。各节点都是在此协议的基础上通信。C A N 总线是计 算机网络技术在现代控制领域的延伸。C A N 总线以其良好的性能在现代控制中被广 泛应用，并且具有了自己的规范和国际标准。本文对所设计的系统做的工作主要有 以下几个方面： ( 1 ) 基于C A N 2 O B 协议自定义了一种适用于本系统的通信协议，该协议采用“命 令+ 参数的格式。 ( 2 ) 谐波分析节点设计。本节点以T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 为处理器，采用快速傅里叶 ( F F T ) 算法。设计的外围硬件电路主要有模数转换电路，同步采样信号的产生电 路和C A N 总线通信接口电路。 ( 3 ) 用单片机设计了一种带有C A N 通信接口的通用回路调节器，本节点的硬件 电路设计包括：被控对象数据采集电路、数模转换电路、通信接口单元电路等。软 件设计包括模糊P I D 算法的实现、C A N 控制器的初始化、信息的接收与发送等。 ( 4 ) 上位机节点设计主要是通过V C 阡6 0 的M F C 控件设计了用户层可视化界面。 调用U S B C A N 卡提供的动态链接库函数，从C A N 总线收发信息，进行数据的分析 与存储。 C A N 总线在现代控制领域的广泛应用，促使我们有必要加深对它的了解。本文 在详细阐述C A N 总线理论的基础上使用C A N 总线建立的分布式网络，对研究C A N 总线的应用具有重要意义。 关键词：C A N 总线；D S P ；谐波分析；通用回路调节器 A b s t r a c t T h es y s t e me s t a b l i s h sad i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nC A N B u s ，a n dan e ww h i c hi st h es a m ew i t ht h es y s t e mh a sp r e s e n t s e du n d e rc o m p l i a n c ew i t h t h eC A N 2 0 B E a c hn o d ec o m m u n i c a t e si nt h i sc u s t o mp r o t o c 0 1 C A Nb u si st h e e x t e n s i o no ft h ec o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g yi nt h em o d e mc o n t r o lf i e l d C A N - b u si s w i d e l yu s e df o ri t sg o o dp e r f o r m a n c ei nt h em o d e mc o n t r o l ，a n dh a si t so w n n o r m sa n d i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s I nt h i sp a p e r , t h es y s t e mi sd e s i g n e dt ow o r km a i n l yi n c l u d et h e f o l l o w i n gp a r t s ： ( 1 ) D e f i n e dak i n do fC A N - B U S c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb a s e do nC A N 2 0 B ，a n di t i sa p p l i c a b l et ot h i ss y s t e ma n da d o p t st h e ”c o m m a n d + p a r a m e t e r s ”f o r m a t ( 2 ) T h ed e s i g no fh a r m o n i ca n a l y s i sn o d e T h en o d et a k e st h eT M S 3 2 0 F 2 8 12a st h e p r o c e s s o rt ou s ef a s tF o u r i e rf f r r ) a l g o r i t h m T h ed e s i g n so ft h ep e r i p h e r a lc i r c u i t m a i n l yi n c l u d e ：a n a l o g - d i g i t a lc o n v e r s i o nc i r c u i t r ya n ds i g n a l st h es y n c h r o n o u ss a m p l i n g c i r c u i t sa n dC A Nb u sc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t ( 3 ) I td e s i g n sac o m m o nl o o pm o d u l a t o rw i t hC A Nb u sc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e u s i n gt h eS i n g l e - c h i pi nt h i sp a r t T h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g no ft h en o d e si n c l u d e ：t h e o b j e c t d a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i t , d i 酉t a l t o - a n a l o gc o n v e r s i o nc i r c u i t , c o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c em o d u l ec f f c m t S o f t w a r ed e s i g ni n c l u d et h er e a l i z a t i o no ff u z z yP I D a l g o r i t h m ， C A Nc o n t r o l l e ri n i t i a l i z a t i o n , r e c e i v i n ga n ds e n d i n gi n f o r m a t i o ne t c ( 4 ) T h eu p p e rc o m p u t e rn o d e sd e s i g ni sm a i n l ys o f t w a r e 嘶mV C + + 6 0 ，d e s i g no f M F Cc o n t r o lv i s u a li n t e r f a c el a y e r U s i n gU S B C A Nc a r do f f e r sD L L f u n c t i o n , t h eu p p e r c o m p u t e rf r o mt h eC A N - B U S t os e n da n dr e c e i v em e s s a g e s T h em a s t e rn o d eC a l ls e n d r e m o t ef r a m e st oo t h e rn o d e s ，r e a d i n gt h ed a t at ot h ed a t a sa n a l y s i sa n ds t o r a g e C A Nb u si sw i d e l yu s e di nt h ef i e l do fm o d e mc o n t r o l ，a si su r g eu st ok n o wi t d e e p l y I nt h i sp a p e r , e l a b o r a t e dt h et h e o r yo fC A Nb u s ，e s t a b l i s h i n gt h ed i s t r i b u t e d n e t w o r kw i mt h eC A Nb u si si m p o r t a n tt or e s e a r c ht h ea p p l i c a t i o no fC A Nb u s K e yw o r d s ：C A N - B U S ；D S P ；H a r m o n i cA n a l y s i s ；l o o pm o d u l a t o r 学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：划亚南日期：产6 月7 日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密眦 论文作者签名： 王0 垂南日期：凋7 年6 月9 日 导师签名：方劾崎 嗍w 矽年G 月9 日 ( 本声明的版权归青岛大学所有，未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀。F 匕 现场总线技术是计算机数字通信技术向工业自动化领域的延伸。现场总线控制 系统既是工业设备自动控制的一种开放的计算机局域网系统，又是一种全分布式控 制网络系统。现场总线能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，因而现场总线 已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域。1 9 8 6 年2 月在S A E 大会上，R o b e r B o s c h 公司提出了C A N ，这个由B o s c h 公司设计的新的现场总线系统，称之为 “A u t o m o t i v eS e r i a lC o n t r o l l o rA r e aN e t w o r k “ ( 汽车串行控制局域网) ，这就是 一个成功的网络协议。今天几乎每一辆在欧洲生产的汽车都至少装配一个C A N 网络 系统。C A N 也应用在从火车到轮船等其他类型的运输工具上，C A N 是最主要的总线协 议之一，它有可能引导世界范围的串行总线系统。仅仅在1 9 9 9 年有近6 千万个C A N 控制器被投入使用，2 0 0 0 年销售了1 亿多C A N 的芯片n 3 。C A N 在工业控制领域也有 广泛的应用，例如控制现场与监控室之间的通信。 1 1 现场总线的产生及发展状况 1 1 1 现场总线的产生 1 9 8 4 年，现场总线的概念正式提出。I E C ( I n t e r n a t i o n a lE l e c t r o t e c h n i c a l C o m m i s s i o n ，国际电工委员会) 对现场总线( F i e l d b u s ) 的定义为：现场总线是一种 应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串形、多 结点的数字通信技术。现代工业控制规模的扩大，各个控制场合越来越分散开来， 传统的中央式控制体系不能及时有效的在各种类型的传感器、执行器之间进行信号 传递。随着计算机技术在工业控制领域的应用日益广泛，现场总线的产生是必然的。 现场总线是过程控制技术、自动化仪表工业技术和计算机网络技术这三大领域技术 发展至今走向结合的必然产物，它将使过程控制系统的体系结构以及自动化技术发 生一次根本性的变革【1 1 。 8 0 年代以来，陆续出现了不少开放的现场总线协议标准，有一些在国际上已得 到一定程度的推广应用，个别的还成为某个自动化领域内较公认的标准，如 L o n W o r k s 在建筑自动化系统中的应用。但至今为止，在自动化领域中，现场总线的 应用还主要是在近2 0 年来发展起来的P L C 控制系统( 离散控制为主的系统) 中得 到推广并获得成功。而在最早需求现场总线、其系统构成和控制要求最复杂的过程 ( 流程) 控制系统中，现场总线的应用却还处于试点和起步阶段【l J 。 由于各个国家各个公司的利益之争，虽然早在1 9 8 4 年国际电工技术委员会国 际标准协会( I E C I S A ) 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。 青岛大学硕士学位论文 目前现场总线市场有着各自的特点。 1 1 2 主要的现场总线及其应用领域 目前世界上存在着大约四十余种现场总线，如法国的F p ，英国的E R A ，德国 西门子公司S i e m e n s 的P r o f i B u s ，挪威的F I N T ，E c h e l o n 公司的L O N W o r k s ， P h c n i x C o n t a c t 公司的I n t c r B u s ，R o b e r B o s c h 公司的C A N ，R o s e m o u n r 公司的H A R T ， C a r l o G a r a z z i 公司的D u p l i n e ，丹麦P r o c e s s D a t a 公司的P - n e t ，P e t e r H a n s 公司的F M u x ， 以及A S I ( A c t r a t u r S e n s o r I n t e r f a c e ) ，M O D B u s ，S D S ，A r c n e t ，国际标准组织基金 会现场总线F F ，W o r l d F I P ，B i t B u s ，美国的D e v i e e N e t 与C o n t r o I N e t 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8 0 左右的市场。 当前世界上有几种现场总线非常流行如基金会现场总线( F F ) 、l o n w o r k s 、 P R O F I B U S 、H A R T 等，每种总线都有其产生的背景和应用领域。不同领域的自动 化需求各有其特点，因此在某个领域中产生的总线技术一般对本领域的满足度高一 些，应用多一些，适用性好一些。据美国A R C 公司的市场调查，世界市场对各种 现场总线的需求为：过程自动化1 5 ( F F 、P R O F I B U S P A 、W o d d F I P ) ，医药领域 1 8 ( F F 、P R O F I B U S P A 、W ，o d d F P ) ，加工制造1 5 ( P R O F I B U S D P 、D e v i c e N e t ) ， 交通运输1 5 ( P R o F I B U S D P 、D e v i c e N e t ) ，航空、国防3 4 ( P R O F I B U S F M S 、 L o n W o r k s 、C o n t r o l N e t 、D e v i c e N e t ) ，农业未统计( P - N E T 、C A N 、P R O F I B U S P A D P 、 D e v i c e N e t 、C o n t r o l N c t ) ，楼宇未统计( L o n W o r k s 、P R O F I B U S F M S 、D e c e N a ) 【l 】 o 1 2 谐波分析的重要性 一个理想的电力系统是以单一恒定的频率与规定幅值的稳定电压供电【2 引。但实 际上，这些条件都得不到满足。电力系统畸变问题并不是一个新现象，在交流电早 期电力工程师即以关心如何使畸变限制在可接受范围内。近年来由于在电力设备和 系统的控制中增加了大量的非线性器件，使得畸变问题变得更为严重。 1 2 1 谐波的产生 谐波是随着现代科学技术的发展产生的，一个理想的电力系统是以单一恒 定频率与规定幅值的稳定电压供电，实际上这种理想的情况并不存在，电压与 幅值在各种场合总会产生偏差【2 引。电网谐波的产生主要来源于三个方面：一是 发电质量不高产生谐波，发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁 心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生些谐波， 2 第一章绪论 但一般来说很少。二是输配电系统产生谐波：输配电系统中主要是电力变压 器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时 考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流 呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。三是用电设备产生的谐波：使用晶闸管整流 设备、变频装置、电弧炉、电石炉、气体放电类电光源、家用电器等都是产生 谐波的来源，在这些设备中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电 流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有 谐波产生。 1 2 2 谐波的危害 谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环 境恶化，也对周围的能耐电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行 过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染还没有引起足够的重视。近三四十年 来，各种电力电子装置的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起 的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。谐波对 公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面【2 s 】。 ( 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电 设备的效率，大量的3 次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。 ( 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外， 还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆 等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。 ( 3 ) 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就 使上述( 1 ) 和( 2 ) 的危害大大增加，甚至引起严重事故。 ( 4 ) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。 ( 5 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导 致数据丢失，使通信系统无法正常工作。 电网中或多或少都存在一定的谐波，当谐波较小时没必要去治理它，但是当谐 波较大时会对电网上的用户产生严重危害。准确的谐波测量是决定是否治理的依据， 本文以D S P 为处理器结合先进的快速傅立叶算法设计的数字式谐波测量电路能准 确的测得电网各次谐波的含量，把本节点在挂接在C A N 测控网络上可以远程监控 电网质量。 3 青岛大学硕士学位论文 1 3 数字式回路调节器 1 3 1 数字式单回路控制的发展 在生产过程控制领域内，分散型数字控制仪表的发展速度极为惊人。七十年代 末、八十年代初，世界各工业发达国家纷纷发表以微处理机为核心的单回路调节器。 它是利用模拟仪表在成套装置中的单回路控制特点而组成系统。其基本设计思想是 试图代替模拟仪表，把信息这一分散型控制系统的特征用于单回路调节器上。近几 年来，国内一些仪表制造厂、仪表研究所、大专院校都投入了一定的人力和物力，对 单回路调节仪表进行研究，并取得了可喜的研究成果【1 0 1 。 用微处理机实现单回路调节动能的数字调节器。它接受来自生产过程的测量信 号，经适当处理( 补偿、线性化、开方等) 后与设定值比较，求得偏差值，再经比 例积分微分( P I D ) 运算得到控制信号，用以控制执行器动作，完成反馈控制。单回路 调节器按功能分为简易型和高功能型两类；按结构分为仪表型和计算机型两类。仪 表型单回路调节器又称为整体型单回路调节器；计算机型单回路调节器又称为分离 型单回路调节器。简易型单回路调节器它是在模拟调节器基础上发展起来的仪表化 数字调节器，在模拟调节器上又增加了三种功能：强化输入输出信号的处理和报 警功能。在一台调节器中允许选用两个比例积分微分( P I D ) 功能块，用一台单回路 调节器可实现串级控制。可选用通信组件与分离型控制系统相连。模拟输入信号 经输入多路切换器和模数转换器后变换为数字信号，进入机内的数据总线。数字输 入信号经输入输出板后进入机内的数据总线。中央处理机( C P U ) 是实现机内各种处 理的核心。处理结果经数模转换器和输出多路切换器送至模拟输出端去控制执行器 或送至前面板去驱动各种指示器( 测量值指示器、设定值指示器、输出值指示器) 。 部分数字形式的处理结果或状态信号经输入输出板送至数字输出端供用户使用，或 送至前面板的状态指示器。抗冲击电路的作用是确保手动和自动模式间的平滑切换。 侧面操作器的作用是控制方案组态操作和调节参数调整、显示。简易型单回路调节 器能实现多种功能P I D 运算、远方和就地设定控制值及其切换；自动或手动方式和 远方或就地方式的状态显示；手动输出；外部反馈输入和报警等。高功能型单回路 调节器它是高功能可编程序的仪表型数字调节器。其原理、构成与简易型相同。但 它具有更多的软件模块，可供用户选择，能实现高级的单回路批量控制方案【3 7 1 。 1 3 2 回路调节器基本特点 操作性与模拟仪表的操作相似或完全一样，用户无软件负担。 4 第一章绪论 与模拟仪表兼容。 具有丰富的运算功能，控制算法比较多，所构成的控制规律特别适用于复杂 控制系统如：前馈控制、超驰控制、采样控制、非线性控制及顺序控制等。 大大提高了操作性能。采用人机接口装置可以设定各种参数。 提高系统的可靠性和安全性。 维修十分方便。 可靠性每台调节器只控制一个回路，可使危险彻底分散。 具有通讯功能，便于集中监视和集中管理。 品种减少而功能增强在单回路调节器中，由于软件代替了模拟仪表中的大量 仪表，大大增强了单台仪表的功能同时也减少了整个仪表系列的品种，对用户和仪表 制造厂家均有利。 系统扩展性强。外扩通讯单元，可以与上位机连接实现数据的处理和监控。 5 第二章C A N 现场总线测控网络通信设计 第二章C A N 总线测控网络通信设计 2 1C A N 总线简介 C A N 总线即控制器局域网( C o n t r o l l e rA r e aN e t w o r k ) ，即控制器局域网，是德 国B O S C H 公司在解决现代汽车中众多测量控制部件之间的数据交换问题而开发的一 种串行数据通讯总线。目前是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初，C A N 被设 计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置E C U 之间交换信息，形 成汽车电子控制网络。C A N 总线已经被列入I S 0 国际标准I S 0 11 8 9 8 ，并具有自己独 特的通信协议。现在生产的C A N 总线控制器都支持C A N 2 O B 规范，而C A N 2 O B 完全 兼容C A N 2 0 A 。所以本章主要以C A N 2 0 B 规范为重点做介绍。 2 1 1C A N 总线层次结构 C A N 总线的通信参考模型一般以0 S I 参考模型为基础，O S I 参考模型共分7 层： 物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。C A N 总线为了 达到设计的透明度以及灵活性，采用I S O O S I 参考模型以下不同的层次：数据链路 层( D a t aL i n kL a y e r ) 、物理层( P h y s i c a lL a y e r ) ，而数据链路层又可分为：逻辑 链路控制子层和介质访问控制子层。逻辑链路控制子层的作用如下：为远程数据请 求以及数据传输提供服务、确定逻辑链路控制子层接收的报文中那些报文实际上被 验收、为恢复管理和过载通知提供手段。C A N 总线分层基本结构如表2 1 所示。 7 青岛大学硕士学位论文 表2 1C A N 总线分层结构及功能 数据链路层 逻辑链路控制子层 验收滤波 过载通知 恢复管理 介质访问控制子层M A C 数据包装 解包 帧编码 ( 填充消除填充) 介质访问管理 错误检测 错误标定 应答 并行转换为串行串行转换 为并行 物理层 位编码 位定时 同步 驱动器接收器特征 2 1 2C A N 总线的特性瞳 ( 1 ) 多主机。C A N 网络上的任一节点可在任意时刻主动向网络的其他节点发起通 信，节点不分主从，通信方式灵活。利用这一特点可方便地构成多机备份系统。 ( 2 ) 报文优先权。C A N 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同级别的 实时要求，高优先级的数据可在1 3 4 9 s 内得到传输。 ( 3 ) C A N 采用非破坏总线仲裁技术。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的仲裁时间。即使是在网络负载很重的情况下也不会出现 网络瘫痪情况 ( 4 ) C A N 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。 第二章C A N 现场总线测控网络通信设计 ( 5 ) C A N 的直接通信距离最远可达l O k m ( 速率在5 K b p s 以下) ；通信速率最高可 达I M b p s 。 ( 6 ) C A N 上的节点数主要决定于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个；报文标识符可 达2 0 3 2 种( C A N 2 O A ) ，而C A N 2 O B 的报文标识符几乎不受限制。 ( 7 ) 报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。 ( 8 ) C A N 节点中均设有错误检测、标定和自检等强有力措施。检测错误的措施包 括：位错误检测、循环冗余校验、位填充、报文格式检查和应答错误检测。保证了 很低的数据出错率。 ( 9 ) C A N 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 ( 1 0 ) C A N 器件可被置于无任何内部活动的睡眠方式，相当于未连接到总线驱动器 上。 ( 11 ) C A N 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能，以使总线上其他节 点的操作不影响。 2 2C A N 2 O B 协议 C A N 2 O B 协议根据标识符的长短分为2 种：1 1 位标识符的为标准帧格式、2 9 位 标识符的为标准帧格式。报文传输有4 种不同类型的帧：数据帧、远程帧、错误帧、 过载帧。数据帧和远程帧可以使用标准帧和标准帧2 种格式。 1 数据帧的基本结构如图2 1 和2 2 所示： 帧起始； 仲裁域 i 控制域i 数据域| C R C 域 应答域 i 帧结尾 刀D 2 8 一) - 1 8驾日 吞 D L C D A T A O 8C R C 序列C R C 界定应答问隙| 应答界定符0 为c r 】 叼 图2 1 标准数据帧格式 帧起始； 仲裁域控制域 数据域； c R c 域应答域 i 帧结尾 ；鹭：I D 2 弘I D - 1 8 篙毫I D 1 7 I n o ；蚕；霉吾l D L C D A T A 帖8 l c R C 序列l c R C 界定弦答问隙净答界定符| 一蒜鬣磊i 一一。赢i 鬲一 图2 2 扩展数据帧格式 ( 1 ) 仲裁域根据标准帧和扩展帧的不同有2 种格式。标准帧格式里，仲裁域由1 1 位标识符和R T R 位组成，标识符位由I D 一2 8 I D 18 组成。扩展帧格式仲裁域包括 9 青岛大学硕士学位论文 2 9 位标识符、S R R 位、I D E 位、R T R 位，标识符由I D 2 8 一I D 0 组成。S R R 为替代 远程请求位，I D E 位是标识符扩展位，标准帧格式里I D E 为显性，而扩展帧格式里 I D E 为隐性。 ( 2 ) 控制域有6 个位组成其保留位必须为显性。 ( 3 ) 数据域可以由肚8 个字节组成，每字节包含8 个位。 ( 4 ) 循环冗余码。为了增加C A N 总线的纠错功能帧格式里增加了循环冗余校验 码。 ( 5 ) 应答域长度为2 个位，当接收器接收到有效报文时，接收器就会在应答间隙 向发送器发送一显性位以示应答。 ( 6 ) 帧结尾，每一个数据帧和远程帧都由一标志序列界定，这一标志序列由7 个 隐性位组成。 2 远程帧结构如图2 3 和2 4 。远程帧的作用是节点通过发送远程帧可以启动其 他节点传送他们的数据。远程帧也有标准格式和扩展格式。与数据帧不同的是远程 帧的R T R 位是隐性的，而且没有数据域。远程帧基本结构如下图： 帧起始； 仲裁域 i 控制域 氓c 域 应答域 ；帧结尾 C 一， I D 2 8 I D 18 为 o 身 日 蓉 D L C C R C 序列C R C 界定应答间隙| 应答界定符 嘲 咖 l 础限位为远程请求位 保留位 图2 _ 3 标准远程帧格式 帧起始l 仲裁域控制域 ； c R c 域 i 应答域 l 帧结尾 I D 2 8 ) - 1 8 罨割t 叭弘- D 。 蚕 为 召 D L C C R C 序列 c R c 界定l 应答问隙l 应答界定符 o 一 喇 图2 4 扩展远程帧格式 3 错误帧结构如图2 5 ，错误标志有2 种：激活错误标志和认可错误标志。 错误帧 帧间空间 一_ T 一_ 一“ 错误标志重叠l 错误界定符 图2 5 错误帧格式 1 0 第二章C A N 现场总线测控网络通信设计 4 过载帧结构如图2 6 ，过载帧的发送由以下3 种情况引起：1 ) 接收器内部原 因，需要延迟下一个数据帧或者远程帧。2 ) 在间歇的第一位或者第二位检测到一个 显性位。3 ) 如果C A N 总线节点在错误界定符或者过载界定符的第八位采样到一个 显性位，节点就会发送一个过载帧。 过载帧 ! 帧间空问 图2 6 过载帧格式 5 帧间空间结构如图2 7 ，数据帧或者远程帧与它前面的帧分开时通过帧间空 间实现的。 ， 帧 帧问空间 i 帧 2 3 系统的总体结构 图2 7 帧间空间格式 本课题设计的分布式测控网络系统由上位机节点、谐波分析节点和通用回路调 节器节点组成。系统的基本结构框架如图所示。上位机节点在遵守C A N 2 0 B 协议 的基础上采用V C + + 6 0 设计了一种自定义协议的驱动程序。上位机与物理C A N 总 线之间以U S B C A N 卡为桥梁，U S B C A N 卡提供的动态链接库函数能够方便设计者 开发用户层程序。谐波分析节点以T I 公司的T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 为控制核心， T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 内部集成的e C A N 模块能够方便的与C A N 总线建立连接不必外扩 C A N 控制器。谐波计算采用经典的快速傅里叶( E F T ) 算法。通用回路调节器节点以 A T 8 9 C 5 1 为核心，控制算法采用模糊P I D ，与C A N 总线的通信需要专门设计通信 接口。 青岛大学硕士学位论文 输入输出输入输出 图2 8C A N 总线测控网络总体方案 1 2 第三章谐波分析节点设计 第三章谐波分析节点设计 3 1 谐波分析节点分析方法与方案 3 1 1 谐波的主要分析方法 目前谐波测量的主要方法有：采用模拟法测量谐波，基于傅立叶变换的谐波测 量，利用小波分析方法进行谐波测量。 1 ) 模拟法 模拟法频谱与谐波模拟测量的的基本原理是应用模拟滤波的方法来分离和识别 输入信号的频率分量。测得的结果取决于滤波器的频率特性和测量时的方法。模拟 滤波器的输出由输入信号的与滤波器的脉冲响应的卷积得出。按照工作模式的不同， 模拟滤波法分析仪可分为如下几大类：( 1 ) 多路滤波式分析仪，( 2 ) 并行处理式 分析仪，( 3 ) 频率扫描式分析仪，( 4 ) 时间压缩式分析仪。 2 ) 快速傅里叶变换法 快速傅里叶变换法是傅里叶变换的发展，能够大大缩短处理器的计算时间，也 是本设计采用的方法。快速傅氏变换( F F T ) ，是离散傅氏变换的快速算法，它是 根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获 得的。它对傅氏变换的理论并没有新的发现，但是对于在计算机系统或者说数字系 统中应用离散傅立叶变换，可以说是进了一大步。有关进一步的详细介绍本文会在 下一章节中阐述。 3 ) 小波分析法【2 2 】 小波分析的应用是与小波分析的理论研究紧密地结合在一起地。现在，它已经 在科技资讯产业领网域取得了令人瞩目的成就。电子资讯技术是六大高新技术中重 要的一个领网域，它的重要方面是影像和信号处理。现今，信号处理已经成为当代 科学技术工作的重要部分，信号处理的目的就是：准确的分析、诊断、编码压缩和 量化、快速传递或存储、精确地重构( 或恢复) 。从数学地角度来看，信号与影像处 理可以统一看作是信号处理( 影像可以看作是二维信号) ，在小波分析地许多分析的 许多应用中，都可以归结为信号处理问题。现在，对於其性质随实践是稳定不变的 信号，处理的理想工具仍然是傅立叶分析。但是在实际应用中的绝大多数信号是非 稳定的，而特别适用於非稳定信号的工具就是小波分析。事实上小波分析的应用领 网域十分广泛，它包括：数学领网域的许多学科；信号分析、影像处理；量子力学、 理论物理；军事电子对抗与武器的智能化；电脑分类与识别；音乐与语言的人工合 成；医学成像与诊断；地震勘探数据处理；大型机械的故障诊断等方面；例如，在 数学方面，它已用于数值分析、构造快速数值方法、曲线曲面构造、微分方程求解、 1 3 青岛大学硕十学位论文 控制论等。在信号分析方面的滤波、去噪声、压缩、传递等。在影像处理方面的影 像压缩、分类、识别与诊断，去污等。在医学成像方面的减少B 超、C T 、核磁共振 成像的时间，提高解析度等。 3 1 2 谐波分析节点设计方案 本节点采用基于快速傅里叶变换算法来测量电网谐波，为了达到所要求的实时 性与精度，本节点主要包括如下几部分：数据采集部分、数据处理部分和通信部分。 数据处理部分采用的微处理器是T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 ，它是T I 公司的一款用于控制和信 号处理领域的高性能、多功能、高性价比的D S P 芯片。器件上集成了多种先进的外 设，尤其是它同时集成了A D 转换模块和C A N 控制器模块，因此简化了系统的电 路结构，提高了系统的可靠性。数据采集单元是同步采样采用F P G A ( 现场可编程门 阵列) 电路实现对电网频率的跟踪采集，这就大大提高了系统的集成度，增强了抗干 扰能力。基于T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 ，谐波分析节点设计方案如图3 1 所示。 ， 蚕 同步采样控制F r A D 启动信号 L F 3 9 8 L F 3 9 8 L F 3 9 8 L F 3 9 8 L F 3 9 8 L F 3 9 8 多 路 选 择 器 I D S P 2 8 1 2 蓊橱冈靠 图3 1 谐波分析节点结构框图 3 2 数据采集单元设计 3 2 1 电压信号调整电路 由于T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 内置的A D C 模块模拟输入电压范围是o 、， 3 V 【1 2 1 ，因此模 拟信号在进入A D C 模块前必须用进行电平转换，以满足A D C 模块所允许的输入范 围。电平转换部分通过电阻串联进行分压，输入电压经过降压后进行采样保持。为 了防止后面采样保持和A D 转换对输入信号产生影响所以在这里加一个电压跟随器 电路。这一电路的主要特点是：高输入电阻、低输出电阻、电压增益近似为1 ，所 以叫做电压跟随器。电压跟随器起到缓冲、隔离、提高带载能力的作用【1 1 。电平转 换与电压跟随器的连接的电路图如图3 2 所示： 1 4 第三章谐波分析节点没计 图3 2 分压电路 电阻与电容的选择是根据分压的需要设定，输入U i 为电网电压，经过分压环节 与电压跟随器之后得到的是幅值减小，频率与相位不变的信号。输入运算放大器一 般通过R C 网络与A D C 相连，该R C 网络虽然常常被称为滤波器，其目的是对A D C 输 入电路的电流脉冲的规范。最佳的电容器c 数值通常为A D C 的输入电容的1 0 , - , 5 0 倍。 电阻器R 的阻值则是以满足应用的速度或带宽要求为目标来选择即可。 3 2 2 电流信号调整电路 针对电流检测，应采用电流传感器。本课题采用北京森社电子有限公司生产的 宇波模块C H B 3 0 0 S ，它是一种闭环霍尔电流传感器，其主要参数如下： a ) 额定电流：3 0 0 A b ) 测量范围：o 5 0 0 A c ) 匝数比：l ：2 0 0 0 d ) 测量电流( 输出电流) ：额定电流1 5 0 m A ，对应原边电流3 0 0 A e ) 电源电压( V ) ：1 2 V - + 1 8 V f ) 精度：额定电流的0 5 g ) 线性度： 2 9 ，即g f o r ( k = J ；k 0 7 5 V c c 待机模式II R SI “ U K n i = 1 l3 K D I U K D ， A K D = 上L 万一 G K 。U KD 。 j = l 其中G 峰、G K t 、嗵D 分别为A K e 、巧、的量化因子。 于是可以得到：酢= 砟+ 砟 K I2 K I + 厶Ke K D = K D + 厶K D 其中K 尸、墨、K D 分别表示P I D 的初始值。 第四章通用回路调节器节点设计 4 3 4 通信节点软件设计 S J A l 0 0 0 的初始化主要是通过对S J A l 0 0 0 各寄存器的写操作，从而确定S J A 的 工作方式。在复位期间需要初始化的工作主要包括：工作方式的设置、接收滤波方 式的设置、接收屏蔽寄存器( A M R ) 和接收代码寄存器( A C R ) 的设置、波特率设 置和中断允许寄存器的设置等。初始化完成后就可以进行正常的通信。下面给出了 S J A 初始化的5 1 汇编程序。初始化前，必须确保系统进入复位状态，在初始化后，须 清复位请求位，使返回正常运行状态。S J A l 0 0 0 的初始化程序设计的流程图如图2 所示：S J A l 0 0 0 接收信息时，在接收中断使能的情况下，当总线上的信息满足报文 验收的接收条件，无论该信息是数据帧还是远程帧，都会将信息存放在接收缓冲区， 并产生接收中断通知A T 8 9 C 5 1 处理。A T 8 9 C 5 读取接收缓冲区中的信息并保存，然 后清空接收缓冲区，等待接收下一条信息。S J A l 0 0 0 中断方式接收与发送报文的流 程图如图4 5 ，4 6 所示。 当S J A l 0 0 0 的发送缓冲区为空时，A T 8 9 C 5 1 才可以将要发送的信息写入该缓冲 区。然后置命令寄存器的发送请求位，即可将信息发送到总线上。发送完毕后，清 空发送缓冲区，等待A T 8 9 C 5 1 写入新的信息。 N C A N 中断使能 将报文写入发 送缓冲区 置位发送请求位 否产生 送中断 将发送缓冲区的 报文发送出去 是否发 望皇! 置位发送请求位 N 图4 5 报文发送中断子程序流程图图4 6 报文接收中断子程序 4 5 第五章C A N 总线主节点设计 第五章C A N 总线主节点设计 C A N 总线是一种底层的协议，它对帧传输的优先权、帧格式、帧类型和目的地 址等方面制定了标准的规定。本节点在遵守C A N 2 0 B 协议的基础上开发了适合本 系统的协议。以C A N 总线组成的小型控制器局域网主要作用是把谐波分析节点和 通用单回路调节器节点的各种状态及时的反馈到主节点，然后对数据进行监控。采 集上来的数据需要传到P C 机上进行进一步处理，通过监控软件监控下位机节点的 工作状态。上位机和下位机智能节点通信以U S B C A N 卡为桥梁，它未能提供直接 的通信方式，需要根据C A N 2 0 B 协议开发适用于本系统的驱动【3 酗。U S B C A N 卡的 接口驱动软件，解决C A N 总线与P C 之间的通信问题。上位机的设计主要是软件方 面的编程，通过V c + + 6 0 调用C A N 卡的动态连接库程序实现与C A N 网络的连接。 5 1U S B C A N 转换器的基本结构【3 6 】 本系统采用的U S B C A N 卡是北京三兴达公司开发的一种单路C A N 非智能 U S B 卡，是连接P C 机与物理C A N 总线之间的通道。主机通过U S B 接口控制电路 来访问C A N 控制器，最终完成数据通信。为了提高系统的抗干扰能力，在C A N 控 制器和C A N 收发器增加了光电隔离电路。 C A N , 蝴 U S B , 黻 图5 1U S B C A N 工作原理 U S B C A N 卡性能指标【3 6 】 支持C A N 2 0 A 和C A N 2 0 B 协议，与I S 0 1 1 8 9 8 兼容 波特率可编程，最高1 M b p s 即插即用，资源自动分配 隔离电压1 0 0 0 V r m s 4 7 青岛大学硕士学位论文 C A N 总线接口为D B 9 针式插座，符合C I A 标准 外形尺寸1 1 5 m m X 7 0 m m 工作温度0 - - 7 0 电源功耗D C 5 V 2 0 0 m A 提供W I