（机械电子工程专业论文）基于现场总线与cpld的数据采集系统.pdf

西华人学硕士学位论文基于现场总线和c p l d 的数据采集系统机械电子工程研究生罗浚溢指导教师刘建新控制器局域网( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 是一种具有高实时性的现场总线，已经广泛地使用在工业控制、汽车电子等领域。以往的基于c a n 总线的数据采集系统无不例外都使用了c a n 控制器，但是现有的c a n 控制器只能实现c a n 2 0 协议，这样就会影响数据采集系统的扩展能力。本文提出的数据采集系统是在不使用现有的物理c a n 控制器芯片的情况下，依据实际情况设计符合自身需要的c a n 控制器。本文首先介绍了数据采集系统的总体结构和各部分的实现原理和硬件电路，着重介绍了使用p w m 实现a d 转换的原理并给出了仿真图和v h d l 源代码，总结了使用p w m 完成a d 转换更加符合工业测控技术发展趋势，然后详细分析了c a n 2 0 b 协议和c a n 控制器m c p 2 515内部结构、各部分功能，并依此提出了用c p l d 模拟m c p 2 5 1 5 时采用的整体构架。本文采用自顶向下的设计流程，将设计模块分为数据流处理器、验收滤波器、位时序处理器等3 部分，分步完成了整个系统的软硬件设计。本文对该c a n 控制器进行了验证，包括接收和发送数据两部分内容，并对一些功能进行了仿真。结果表明本次设计达到了预期的效果。最后，总结了该系统的不足之处，提出了改进的方案和措施。关键词：c a n 总线，c p l d ，数据采集系统，控制器模拟西华大学硕士学位论文r e s e a r c ho nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nc a nb u sa n dc p l dm e c h a n i c a le l e c t r o n i ce n g i n e e r i n gc a n d i d a t e ：l u oj u n y is u p e r v i s o r ：l i uj i a n x i nc a nb u sh a sh i 曲r e a l t i m ep e r f o r m a n c ea n dh a sb e e ne x t e n s i v e l yu s e di na u t o m o b i l ei n d u s t r ya n di n d u s t r yc o n t r 0 1 t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nc a nb u sa l lu s e dc a nc o n t r o l l e ri nt h ep a s t ，w h i c hi m p a c tt h es c a l a b i l i t yo ft h es y s t e m i na c c o r d a n c ew i t ht h ea c t u a la p p l i c a t i o n ，t h i sp a p e rp r o v i d e dak i n do fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nc a nb u s w h i c hu s i n gc p l dt os i m u l a t et h ef u n c t i o no fc a nc o n t r o l l e rc h i pm c p 2 515 w i t h o u tu s i n gt h ep h y s i c a lc a nc o n t r o l l e rc h i p t l l i sp a p e rs h o w st h eo v e r a l ls t u c t u r eo ft h es y s t e ma n dt h ec i r c u i to fv a r i o u sp a r to ft h es y s t e m a n dt h e ne x p l a i np r o t o c o lc a n2 o ba n di n t e r n a ls t u c t u r ea n ds o m ef e a t u r e so ft h ec a nc o n t r o l l e rm c p 2 515t h o r o u g h l y , w h i c hi st h eb a s et od e s i g nt h ec a nc o n t r o l l e ri nt h ed a t aa d q u i s i t i o ns y s t e m t h er t ld e s i g np r o c e s so ft h ec a nc o n t r o l l e ri sd o n ea c c o r d i n gt ot h es p e c i f i c a t i o n ，i tc o n t a i n sd a t af l o wp r o c e s s o r , a c c e p t e n c ef i l t e ra n dt i m i n gp r o c e s s o r f i n a l l y , t h i sp a p e rv e r i f i e st h ec a nc o n t r o l l e r t h ev e r i f i c a t i o np r o c e s sc o n t a i n sf u n c t i o n a lv e r i f i c a t i o n k e y w o r d ：c a nb u s ，c p l d ，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，s i m u l a t i o ni i西华大学硕士学位论文声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成果归西华大学所有，特此声明。作者签名：多磋呸0 2 年乡月，。日导师签名西华大学硕士学位论文1 绪论1 1 引言测量和控制是人类认识世界和改造世界的两项工作任务，而测控系统则是人类实现这两项任务的基木手段。测控系统的基木特征表现为测控系统特性与输入、输出的关系。测控系统可分为三大类：以检测为目标的检测系统、以控制为目标的控制系统、检测和控制一体化的测控系统。传统的测控系统主要由测控电路组成，因此，具备的功能少而弱。随着电子技术的发展以及在测控系统中的应用，使传统的测控系统发生变革。m c u d s p 代替了传统测控系统中的电子线路，成为了测控系统的主体和核心，解决了传统测控系统不能解决的问题。目前，测控系统已经发展到了计算机自动测量与控制系统( 计算机测控系统) 阶段。它是自动控制技术、计算机科学、微电子学和通信技术有机结合、综合发展的产物。现代测控系统包含了数据采集和处理系统、自动测量系统、生产过程控制系统等，被广泛用于航空、航天、核科学研究、工厂自动化、实验室自动测量和控制、办公自动化、商业自动化、家庭自动化等各领域。测控系统在很大程度上推进了人类社会的进步和发展。现代测控技术的总线接口方法是采用硬件和软件结合的方法，研究微处理器与外围器件进行通讯，实现m c u 与外围器件进行高效可靠的信息交换的一门技术。它应用于数据采集、实时控制、通讯、智能仪器等方面。通信总线类型有很多，如u s b ，p c i ，r s 2 3 2 c ，f i r e w i r e ，m i d i ，以太网，i d e ，a g p 等，用于工程中的总线技术还有s p i ，i z c ，r s 4 8 5 等。随着c p l d 技术发展，许多接口都可以通过c p l d 技术实现，而且c p l d 技术实现的接口具有体积小、可靠性高，方便调试等优点心儿3 引，这给通信接口技术注入了新的活力。目前，通信接口技术正向高速度、高可靠性、高性能、通用性等方向发展。在飞速发展的计算机接口技术推动下，测控系统已经从2 0 世纪5 0 年代前的“基地式仪表系统发展到了如今的“工业过程计算机集成制造测控系统”畸1 。目前，测控系统正向网络化、智能化、数字化、总线化、微型化的方向发展。1 2 国内外发展现状和发展趋势以往所用的最多的方法是应用m c u 或d s p ，通过软件控制数据采集的模1西华大学硕十学位论文数转换完成的，这样做的优点是设计简单，价格便宜，但是这样做必须频繁中断，从而减弱系统的运算能力，数据采集能力也受到影响【6 】- 【8 1 。最近北京理工大学的龙姝颖、哈尔滨理工大学曲震宇提出了一种基于d s p m c u + f p g a c p l d的数据采集系统的方案【9 】【1 0 】。这种方法由硬件控制模数转换和数据存储，从而可以最大限度地提高系统的数据运算能力和数据采集速度，如图1 1 所示。这种数据采集系统是用v h d l 语言设计的自动状态机去控制硬件a d 转换以及自动向f i f o 中存储数据，当采集数据达到要求时，向c p u d s p 申请中断，c p u d s p系统启动d m a 完成数据读取。待c p u d s p 取走数据后给状态机一个复位信号，同时对采集到的数据进行高速处理。这期间数据采集不中断，从而实现连续的实时性数据采集和实时数据处理。在工业控制中，我们不仅需要进行模数转换，同样也需要进行开关量的采集和数模转换【1 1 1 。在生产自动化中我们不仅仅需要随时知道现场所发生的一切以及原因，还必须针对不同的情况给出相应的命令，实际的控制中心很可能离工作现场很远，这就要求很高的实时性。f i g1 1d a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m图1 1 数据传输系统为了解决这个问题，国内外一些研究者提出了c p l d f p g a + 单片机d s p + c a n 控制器的做法( 如图1 2 所示) ，不但可以进行数据采集，还可以根据现场的情况发出相应的命令以保证生产的顺利进行【1 2 】【1 5 】。由于c a n 总线良好的远程通信能力( 信号传输距离达到1 0 k m 时，c a n 仍然可以提供1 k b s的数据传输速率) ，这样就可以很好的解决远距离通信的问题。该系统设计采用多级模块化、总线化和智能化设计，在精简系统硬件的同时，具备系统功能的可扩充性和可维护性；该系统也采用先进成熟的现场总线，作为各控制设备之间系统连接，使现场数据信息的传递完全数字化，保证数据采集的准确性和控制2西华大学硕士学位论文功能的可靠性：同时该系统完善了设备故障的自诊断能力，能提高设备运行质量水平，顺应自动化控制技术的发展。c a n 总线在现场控制中起到越来越重要的作用6 1 。 ，d厂 1 。_ 一d i a口扣开关量厂 伟1 一口箸口f i g1 2d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nc p l da n dc a nc o n t r o l l e r图1 2 基于c p l d 和c a n 控制器的远程采集系统作为一种设备级总线网络，c a n 的国际标准中只定义了物理层和数据链路层，而其他的高层协议则交给用户完成，这样，对于c a n 的开发就有更大的灵活性【1 1 7 1 。图1 2 所示的采集系统使用了c a n 控制器，但是目前市面上所有的c a n 控制器最多只能实现c a n 2 0 协议，对于更高层的协议如t t c a n 协议，只能依靠软件来模拟【19 】【2 0 1 ，而软件模拟的运行速度相对硬件实现较慢，这样就会影响到整个传输系统的实时性，使这种系统不具备良好的扩展能力。i n t e l 在1 9 8 7 年开发出了第一枚c a n 总线控制器8 2 5 2 6 ，这是c a n 协议的第一次硬件实现。1 9 9 3 年1 1 月，i s o 正式颁布了道路交通运载工具一数字信息交换一高速通信控制器局域网( c a n ) 国际标准( ( i s o1 1 8 9 8 ) ，为c a n 标准化、规范化推广铺平了道路。之后，c a n 控制器芯片的研制有了日新月异的发展，不断有新的芯片问世。近几年，随着可编程a s i c 的发展，c a n 控制器的硬核和软核不断出现。由于c a n 总线具有通信速率高、可靠性高、连接方便和性价比高等诸多特点，从而推动其应用开发的迅速发展，推广应用反过来又促使器件生产厂商不断推出新的c a n 总线产品。表1 1 列出了主要的c a n 控制器型号和生产厂家。西华大学硕士学位论文从各种资料和杂志中可以看出，在国内只是进行c a n 总线方面应用开发的较多，但是在c a n 总线产品开发上缺乏标准化的指导，应用程度和高度与国外同行有很大的差距，而依据c a n 总线协议进行c a n 控制器设计的较少，尚未看到国内设计的c a n 控制器面市的报道。国内有关c a n 的应用基本都是采用国外的芯片，而没有自主知识产权的c a n 控制器硬件实现，因此设计具有自主知识产权的控制器对我国的工业发展具有重要意义。电子科技大学的谷小刚用f p g a 实现了c a n 2 0 a 协议【2 1 1 ，依据具体工程项目实际情况设计符合自身需要的c a n 控制器，一方面可实现c a n控制器的国产化，另一方面可以利用实现c a n 控制器的f p g a c p l d 芯片的剩余资源集成其它自行设计的数字电路，这样使得总线节点设备实现了小型化、集成化并提高了其工作可靠性。表1 1 常见的c a n 器件t a b l e1 1f a m i l i a rc a nd e v i c e s制造商产品型号功能特点8 2 5 2 6c a n 控制器，2 0 a ，b a s i c c a ni n t e l8 2 5 2 7c a n 控制器，2 0 b 。f u l l c a n8 7 c 1 9 6 c a8 位c p u + 8 2 5 2 7 + 10 位+ i o8 7 c 1 9 6 c b8 7 c 1 9 6 c a 的高性能版本p 8 2 c 2 0 0c a n 控制器，2 0 a 。b a s i c c a np h i l i p ss j a l 0 0 0c a n 控制器，2 0 bp 8 x c 5 9 28 0 51 c p u + c a n 控制器+ a d + p w m ，2 0 ap 8 x c e 5 9 88 0 51 c p u + c a n 控制器+ a 肼p w m ，2 0 a 电磁兼容m o t o r o l at o u c a n6 8 3 x x x ，带微控制器，2 0 b ，f u l l c a nm s c a n6 8 h c 0 8 系列a z o 和a z 2 3 2 ，2 0 b ，b a s i c c a nm c a n6 8 h c 0 5 x 4 x l6 c p u + c a n 控制器，2 0 as i m e n s8 1 c 9 0 9 1 9 2c a n 控制器，2 0 as a b c l6 7 c微控制器+ c a n 控制器。2 0 b4西华大学硕士学位论文1 3 主要内容和研究难点本论文主要研究设计内容如下：第一章主要介绍数据采集模块和c a n 控制器的发展现状，以及几种常见的采集系统的实施方案。：第二章进行数据采集模块设计，其中包括模拟量采集模块和数字量采集模块设计，以及模拟量输出模块和数字量输出模块设计：第三章对c a n 协议和c a n 控制器m c p 2 5 1 5 功能进行详细的分析；第四章建立基于c p l d 的c a n 控制器模块的总体结构模型，并分步模块化实现整个c a n 控制器的软硬件设计：第五章实现c a n 控制器的部分仿真；第六章对本论文工作的总结并指出需要进一步修改的地方；针对这个系统，研究的主要难点在于：在不使用c a n 控制器的情况下，如何用v h d l 语言完成对c a n 控制器的部分功能的模拟，以实现正常的数据传送。西华大学硕士学位论文2 数据采集系统的方案设计与实现2 1 系统总体设计方案远程数据采集系统主要是针对工程中的实际问题而设计的。由a d ( 模拟量采集) 模块、d i ( 数字量采集) 模块、d a ( 模拟量输出) 模块、d o ( 数字量输出) 模块、c a n 通信模块等组成，其系统组成结构图如图2 1 所示。数据采集系统f i g2 1d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nc p l da n dc a nb u s图2 1 基于c p l d 和c a n 总线的远程数据采集系统2 2c a n 通信模块设计本文所研究的c a n 通信模块是在不用c a n 控制器、c p l d 与c a n 收发器直接连接的情况下完成的。由c a n 总线特点可知，c a n 现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一个全分布控制系统。作为智能设备的联系纽带，它把挂接在现场总线上作为网络节点的智能设备连接成为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及控制管理一体化的综合自动化功能。要实现这些功能，集检测、控制、执行、通信于一身的智能模块就显得十分重要。c a n 总线模块作为分布式控制系统的智能节点起着承上启下的作用，它位于传感器和执行机构所在的现场，6唧口西华大学硕士学位论文一方面和上位机c p u 或m c u 进行通信，完成数据交换；另一方面又根据系统的要求对现场的执行机构或者传感器进行控制或数据采集。即一个c a n 总线模块的基本功能有两大部分：通信和i o 管理。在现场总线控制系统中，常常将一些过程控制交由下位机完成，可以大大减少通信量、提高系统控制的实时性。因而在模块程序中还应该包含过程控制部分。开发c a n 总线模块综合了基于c p l d 的模拟量输入、模拟量输出、开关量输入、开关量输出、i o 端口操作等问题。c a n 总线网络接口使用总线收发器t j a l 0 5 0 。t j a l 0 5 0 可以提高对总线的驱动能力以及差动发送能力和差动收能力。2 2 1c a n 收发器t j a l 0 5 0 芯片t j a l 0 5 0 是c a n 协议控制器和物理总线之间的接口，它最初是应用在波特率范围在6 0 k 到1 m 的高速自动化应用中。t j a l 0 5 0 可以为总线提供不同的发送性能，为c a n 控制器提供不同的接受性能，而且它与i s 0 1 1 8 9 8 标准完全兼容。t j a l 0 5 0 具有如下特性：( 1 ) 完全符合i s 0 1 1 8 9 8 标准；( 2 ) 高速率( 最高达1 m b i t s ) ；( 3 ) 电磁辐射极低；( 4 ) 不上电的节点不会对总线造成扰动；( 5 ) 电磁干扰极低；( 6 ) 静音模式中提供了只听模式和“b a b b l i n gi d i o t ”保护；( 7 ) 保护总线引脚，防止汽车环境中的瞬态干扰；( 8 ) 输入级和3 3 v 以及5 v 的器件兼容；( 9 ) 输入驱动受到温度保护；( 1 0 ) 防止电池对地的短路；( 1 1 ) 至少可以连接1 1 0 个节点；同时，由于t j a l 0 5 0 是p c a 8 2 c 2 5 0 高速c a n 收发器的后继产品，t j a l 0 5 0与p c a 8 2 c 2 5 0 相比，在以下方面作了重要的改进：( 1 ) c a n h 和c a n l 理想配合，使电磁辐射减到更低；7西华大学硕士学位论文( 2 ) 在有不上电的节点时，性能有所改进；t j a l 0 5 0 是塑料小型封装8 引脚集成收发器件，其外型和管脚排列如图2 2所示，各引脚的功能如表2 1 所示。一t x dsg n dc a n hv c cc a n lr x dv r e ft j 1 0 5 0f i g2 2p i nf u n c t i o no ft j a l 0 5 0图2 2t j a l 0 5 0 引脚功能图表2 1 引脚功能描述t a b l e 2 1d e s c r i b i n gp i nf u n c t i o no f t j a l 0 5 0助记符引脚描述t x d1发送数据输入g n d2接地v c c3电源r x d4接受数据输入v 诧f5参考电压输出c a n h6低电平c a n 总线c a n l7高电平c a n 总线s8选择进入高速模式还是静音模式通过引脚s 可以选择两种工作模式：高速模式或者静音。高速模式就是普通工作模式，将引脚s 接地可以进入这种模式。如果引脚s 没有连接，高速模式就是默认的工作模式。在静音模式中，发送器是禁能的。但i c 的其他功能可西华大学硕士学位论文以继续使用。将s 引脚连接到v c c 就可以进入这种模式。静音模式可以防止在c a n 控制器不受控制时对网络通讯造成堵塞。2 2 2c a n 模块硬件电路设计t j a l 0 5 0 与c p l d 的接口电路如图2 3 所示f i g2 3t j a l 0 5 0i n t e r f a c ec i r c u i t图2 3t j a l 0 5 0 接口电路为了增强c a n 总线节点的抗干扰能力，t j a l 0 5 0 的t x 0 和r x 0 并不是直接与c p l d 相连接的，而是通过高速光耦6 n 1 3 7 后与之相连，这样就很好的实现了电气隔离。9西华大学硕+ 学位论文2 3 模拟量输出模块设计模拟量输出就是d a 转换，在工业测控系统中，被控对象往往是由一些连续变化的模拟量进行控制，如温度、压力、流量、速度等。输出模拟量必须先经d a 转换后才能驱动相应的执行机构。模拟量输出通道也和模拟量输入通道一样，有单通道和多通道之分，由于在分布式监控系统中，需要模拟量进行控制的对象很多，因此进行模拟量输出通道设计时，应设计成多通道方式。2 3 1 模拟量输出硬件设计本文所研究的d a 转换是用脉冲宽度调制( p w m ) 实现的，基于c p l d 的d a转换电路如图2 4 所示。f i g2 4d a cc i r c u i t图2 4d a 转换电路图p w m 波通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样值成比例。图2 5 所示为p w m 系统的原理框图和波形图。该系统由一个比较器和一个周期为t s 的锯齿波发生器组成。输入信号如果大于锯齿波信号，比较1 0西华大学硕士学位论文器输出正常数a ，否则输出o 。因此，从图2 5 中可以看出，比较器输出- - y 0 下降沿调制的脉冲宽度调制波。x ( t )p w m( a )x ( t )= 口兰口口= 口= 口口k t s t rf i g2 5p w mp r o c e s s i n g( a ) p w mp r i n c i p l e ( b ) p w mw a v e f o r m图2 5 脉冲宽度调制过程( a ) 调制原理图( b ) 调制波形对图2 5 b 的分析可以看出，生成的矩形脉冲的宽度取决于脉冲下降沿时刻时的信号幅度值。因而，采样值之间的时间间隔是非均匀的。在系统的输入端插入一个采样保持电路可以得到均匀的采样信号，但是对于实际中t k k t 。 c o l m t lt h e nq - 1 ；e l s eq = 0 ；e n di f ；i fc o u n t ( 6 ) = 1tt h e ni f k e y l = 1 t h e nc o u n t l v ，时，比较器输出为1 ，反之，输出为0 。由8 个电阻组成的分压电阻链。两端的电阻为r 2 ，中间6 个电阻为r 。比较电压v ，由基准电压v f e f 经该电阻链分压获得。所分得的7 个v r 分别为( 1 1 4 )v r e f 、( 3 1 4 ) v r e f 、( 5 1 4 ) v r e f 、( 7 1 4 ) v r e f 、( 9 1 4 ) v l 饼、( 1 1 1 4 ) v r e f 、( 1 3 1 4 )v r e f 在输入时钟下降延，由取样一保持电路提供一个稳定的取样电压值，作为v i 送入比较器，使它在保持时间内进行量化。然后软件完成对量化值的采样和编码。2 5 开关量输出模块设计在分布式监控系统中，对被控设备的驱动常采用模拟量输出驱动和开关量( 数字量) 输出驱动两种方式，其中模拟量输出是指其输出信号幅度( 电压、电流)可变，根据控制算法，使设备在零到满负荷之间运行，在一定的时间t 内输出所需的能量p ：开关量输出则是利用控制设备处于“开或“关”状态的时间来运行控制目的。如根据控制算法，同样要在t 时间内输出能量p ，则可控制设备满负荷工作时间t ，即采用脉宽调制的方法来达到控制要求。以前的控制方法常采用模拟量输出的方法，由于其输出受模拟器件的漂移等影响，很难达到较高的控制精度。随着电子技术的迅速发展，特别是计算机进入测控领域后，开关量输出控制也越来越广泛地被应用：由于采用数字电路和计算机技术，对时间控制可以达到很高精度，因此，在许多场合开关量输出控制精度比一般的模拟量输出控制精度高，而且，利用开关量输出控制往往无须改动硬件，而只需改变程序就可用于不同的控制场合，如在d d c ( d i r e c td i g i t a l1 6西华大学硕士学位论文c o n t r 0 1 ) 直接数字控制系统中，利用微机代替模拟调节器，实现多路p i d 调节，只需在软件中每一路使用不同的参数运算输出即可。由于开关量输出控制的上述特点，目前，除某些特殊场合，这种方式也逐渐取代了传统的模拟量输出的控制方式。因此在该远程多路数据采集系统中，必须进行开关量输出模块的设计。f i 9 2 8a d cm m f f a c ec k c u “图2 8 a 仍转换接口电路分布式监控系统的开关量信号，往往是通过芯片给出的低压直流信号，如t t l 电平信号，这种电平信号一般不能直接驱动外设，而需经接口转换等手段处理后才能用于驱动设备开启或关闭：许多外设如大功率交流接触器、制冷机等在开关过程中会产生强的电磁地干扰信号，如不加隔离可能会串到测控系统中造成系统误动作或损坏；因此在接口处理中亦应包括隔离技术。8 路数字量输出电路原理图如图2 9 所示，r p l ，r p 2 ，r p 3 ，r p 4 等为排阻，做上拉电阻用，t l p 5 2 1 - 4 为4 通道的光电耦合器，以实现电气隔离。西华大学硕士学位论文f i g2 98 c h a n n e ls w i t c ho u t p u tc i r c u i t图2 98 路开关量输出原理图由于驱动被控制的执行装置不但需要一定的电压，而且需要一定的电流，c p l d 的i o 口驱动能力很有限，此数字量输出通道末端必须配接能提供足够驱动功率的输出驱动电路。对于采用继电器隔离的数字量输出电路，由于继电器线圈需要一定的电流才能动作，所以，必须在输出锁存器与继电器之间接驱动器，驱动器可以用简单的三极管构成，但考虑到系统的可靠性以及系统维护简单等，采用u l n 2 8 0 3 驱动芯片。u l n 2 8 0 3 驱动芯片每路可提供5 0 0 m a 的输出电流，输出电压最高可达5 0 v ，但由于是控制1 2 v 直流继电器，因此使u l n 2 8 0 3 驱动芯片工作在1 2 v 状态。每片u l n 2 8 0 3 驱动芯片可驱动8 路数字量输出。另外，继电器线圈是电感性负载，当电路开断时，会出现电感性浪涌电压。所以，在继电器两端要如图2 1 0 所示并联一个泄流二极管以保护驱动器不被浪涌电压所损坏。对于交流继电器，该系统是通过直流继电器来间接控制的，这样不但使用便利，而且能使电路简化。2 6 开关量输入模块设计在分步式监控系统中所采集的数字量几乎都是开关量，所以数字量输入模块的设计主要就是开关量输入模块的设计，如果是其它形式数字量信号( 比如有些光栅尺输出的就是脉冲信号形式的数字量) ，则既可以通过脉冲记数通道输入，也可以通过开关量输入通道输入，只不过在软件上有些差别，所以本系统西华大学硕士学位论文的数字量输入输出模块的设计就主要是针对开关量输入输出模块的设计。f i g2 10r e l a yo u t p u tc i r c u i t图2 1 0 继电器输出原理图众所周知，在工业测控系统中，常应用各种按键、继电器和无触点开关( 晶体管、可控硅等) 来处理大量的开关量信号，这种信号只有开和关，或者高电平和低电平两个状态，相当于二进制数码的l 和o ，处理较为方便。但是，这些开关量信号一般不能直接输入到系统，因此必须进行数字量输入模块的设计。该数字量输入模块可以对8 路数字量进行采集，开关量输入模块电路原理图如图2 1 1 所示，r p 9 ，r p l 0 ，r p l 3 ，r p l 4 为排阻，做上拉电阻用，t l p 5 2 1 - 4为4 通道的光电耦合器，以实现电气隔离。1 t 童5 2 i 鼍r 翼p l il 譬f i g2 118 一c h a n n e ls w i t c hi n p u tc i r c u i t图2 1 18 路开关量输入原理图1 9西华大学硕士学位论文3c a n 协议及控制器功能分析c a n 总线是德国b o s c h 公司在8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线，c a n 总线属于现场总线范畴，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。由于其高性能、高可靠性及独特的设计，c a n 总线是目前国内外最普及和实时性最高的现场总线之一。现场总线具有如下特点 2 3 】：( 1 ) 现场总线实现了信号传输的全数字化：( 2 ) 现场总线的系统结构是全分散式，它不仅结构是分散的，软件编程和功能执行也是分散式的：( 3 ) 现场总线的现场设备具有互操作性，彻底改变了传统控制系统的封闭性和专用性；( 4 ) 现场总线的技术和标准实现了全开放性。c a n 总线由于采用了许多新技术及其独特的设计，与一般的通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。c a n 本身的特点可概括如下：，( 1 ) 多主方式传送和接收数据，利用这一特点可方便地构成多机备份系统；( 2 ) c a n 总线网络上的节点信息具有不同的优先级，可满足不同的实时要求；( 3 ) 采用短帧结构，传输时间短，受干扰率降低，具有极好的检错效果；( 4 ) 每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施，保证了数据出错率极低；( 5 ) 采用非破坏性总线仲裁技术，保证了在网络负载重的情况下不会出现网络瘫痪；( 6 ) 通信介质可灵活选择、通讯距离最远可达1 0 k m ( 传输率为l k b p s ) 、通讯速率最高可达1 m b p s ( 传输距离为4 0 m ) ；( 7 ) 总线节点数可达1 1 0 个；( 8 ) 实时性强、抗电磁干扰能力强、成本低。3 1c a n 协议介绍幽33 1 1c a n 协议标准c a n 协议包括数据链路层和物理层，已有两个版本的协议规范：c a n l 0 和c a n 2 0 。其中的c a n 2 0 标准又分成两个部分：p a r t a 和p a r t b 。c a n1 0 和c a n 2 0 a2 0西华大学硕士学位论文中规定，帧标识必须是l l 位二进制数：c a n 2 o b 中规定，帧标识既可以是l l 位二进制数( 称为标准标识) ，也可以是2 9 位二进制数( 称为扩展标识) 。相应的具有扩展标识的帧称为“扩展帧 。c a n 的物理层和数据链路层一般在c a n 控制器中实现。c a n 控制器一般要求与c a n 2 0 标准兼容，它要么是c a n 2 o b 被动的( 需要忽略扩展帧) ，要么是c a n 2 o b 主动的( 此时允许收发扩展帧) 。c a n 控制器收发两类帧的兼容性规则如下：( 1 ) c a n 2 o b 主动控制器( a c t i v ec o n t r o ll e r ) 可以收发两类帧：( 2 ) c a n 2 0 b 被动控制器( p a s s i v ec o n t r o l l e r ) 可以收发标准帧，忽略扩展帧；( 3 ) c a n1 0 在遇到扩展帧时，产生错误。c a n 技术规范2 0 a 和2 o b 以及国际标准i s o l l 8 9 8 是设计c a n 应用系统的基本依据，也是应用设计的基本规范。3 1 2c a n 节点分层结构c a n 节点的分层结构如图3 1 所示。为了设计的透明性及实现的灵活性，c a n划分为不同层次：c a n 目标层、c a n 传输层及物理层。在c a n 协议中未定义物理层，以便传输媒介和信号电平实现，根据应用进行优化。物理层定义了实际的信号是通过什么方式传输的。传输层是c a n 协议的核心。它将接收的报文传输给目标层并接收来自目标层发送的报文。目标层在于报文滤波以及状态和报文处理。3 1 3 帧类型与帧空间c a n 总线中报文按帧在总线上传送。有两种帧格式：标准帧和扩展帧，标准帧有1 1 位标识符，扩展帧有2 9 位标识符。信息传输由4 个不同的帧类型来表示和控制，这四个帧类型是：数据帧、远程帧、错误帧和过载帧。数据帧把数据从发送器传到接收器。远程帧由具有相同标识符并且请求传输数据帧的总线节点来发送。错误帧由检测到总线错误的任一节点来发送。过载帧在发送数据帧或远程帧时提供额外的延迟。另外，数据帧与前面帧的隔离是通过帧间空间实现的。2 1两华大学硕士学位论文f i g3 1d i a g r a mo fd i s t r i b u t i o no fc a n _ n o d图3 1c a n 节点分布图l 数据帧数据帧格式如图3 2 所示，它由7 个位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、c r c 场、应答场、帧结尾。数据场的长度可以为0 。帧间空间数据帧。帧间空间或过载帧起始仲裁控制数据c r c应答结尾f i g3 2d a t af r a m ef o r m a t图3 2 数据帧格式帧起始：它标志数据帧和远程帧的起始，由一个单独的“显性位组成。只在总线空闲时，才允许站开始发送信号。所有的站必须同步于首先开始发送信息的站的帧起始前沿。西华大学硕士学位论文标准帧的仲裁场如图3 3 所示，仲裁场包括识别符和远程发送请求位( r t r ) 。识别符：识别符的长度为11 位。这些位的发送顺序是从i d 10 到i d 一0 。最低位是i d 0 。最高的7 位( i d 1 0 到i d - 4 ) 必须不能全是“隐性。r t r 位：该位在数据帧里必须为“显性”，而在远程帧里必须为“隐性”。帧起始伸裁场控制场一1 l 位标识符r t r f i g3 3s t a n d a r df r a m ea r b i t r a t i o nf i e l d图3 3 标准帧仲裁场扩展帧的仲裁场如图3 4 所示，它有2 9 位的标示符，标识符的范围几乎不受限制。s r r 位为替代远程请求位，它在扩展格式中代替标准帧的r t r 位，扩展帧为隐性值，标准帧为显性值。i d e 位为识别符扩展位，扩展帧为隐性值，标准帧为显性值。1l 下- t w t x , 嗍71 1 位标识符s r ri d e1 8 位标识符r t rf i g3 4e x t e n df r a m ea r b i t r a t i o nf i e l d图3 4 扩展帧仲裁场控制场如图3 5 所示，由6 位组成，标准帧的控制场格式和扩展帧的不同，标准帧的控制场包括数据长度代码、i d e 位及保留位r o 。扩展帧的控制场包括数据长度代码和两个保留位：r l 和r 0 。其保留位必须发送为显性，但是接收器认可“显性”和“隐性 位的组合。数据场i仲裁场控制场c r c 场i d e i - 1r od l c 3d l c 2d l c id l c of i g3 5c o n t r o lf i e l d图3 5 控制场西华大学硕士学位论文数据长度代码指d l c 3 d l c 0 示数据场的字节数量。表3 1 列出数据代码长度设置范围。表3 1 数据代码长度设置范围t a b l e3 1l i m i t so fd a t ac o d e sl e n g t h数据长度d l c 3d l c 2d l c ld l c 0odddd1dddr2ddrd3ddrr4drdd5drdr6drrd7drrr8rddd注：d 代表显性，逻辑电平0 。r 代表隐性，逻辑电平1 。数据场由数据帧中被发送的数据组成，允许长度为0 - 8 个字节，每个字节8位。c r c 场包括c r c 序列，其后是c r c 界定符。c r c 序列：由循环冗余码求得的帧检查序列最适用于位数低于12 7 位( b c h 码) 的帧。为进行c r c 计算，被除的多项式系数由无填充位流给定，组成这些位流的成分是：帧起始、仲裁场、控制场、数据场( 假如有) ，而1 5 个最低位的系数是0 。将此多项式被下面的多项式发生器除( 其系数以2 为模) ：x1 5 + x1 4 + x1 0 + x8 + x7 + x 4 + x3 + 1 这个多项式除法的余数就是发送到总线上的c r c 序列。在传送，接收数据场的最后一位以后，c r c r g 包含有c r c 序列。c r c序列之后是c r c 界定符，它包含一个单独的“隐性”位。应答场长度为2 个位，包含应答间隙和应答界定符。在应答场里，发送站西华大学硕士学位论文发送两个“隐性”位。当接收器正确地接收到有效的报文，接收器就会在应答间隙期间( 发送a c k 信号) 向发送器发送一“显性”的位以示应答。应答间隙：所有接收到匹配c r c 序列的站会在应答间隙期间用一“显性的位写入发送器的“隐i 生 位来作出回答。a c k 界定符：a c k 界定符是a c k 场的第二个位，并且是一个必须为“隐性 的位。因此，应答间隙被两个“隐性的位所包围，也就是c r c 界定符和a c k 界定符。帧结尾：每一个数据帧和远程帧均由一标志序列界定。这个标志序列由7 个“隐性”位组成。2 远程帧通过发送远程帧，作为某数据接收器的站通过其资源节点对不同的数据传送进行初始化设置。远程帧由6 个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、c r c 场、应答场、帧末尾。与数据帧相反，远程帧的r t r 位是“隐性 的。它没有数据场，数据长度代码的数值是不受制约的( 可以标注为容许范围里0川的任何数值) 。此数值是相应于数据帧的数据长度代码。驯l 口j 工lu j1，il“r驯l 竺铋。i 驯起始仲裁控制c r c应答结尾f ig3 6f o r m a to fr e m o t ef r a m e图3 6 远程帧格式r t r 位的极性表示了所发送的帧是一数据帧( r t r 位“显性”) 还是一远程帧( r t r “隐性”) 。3 错误帧错误帧由两个不同的场组成。第一个场用作为不同站提供的错误标志的叠加。第二个场是错误界定符。西华大学硕士学位论文篓蓥囊羹蒋界定符一错误帧耿也瓤。舰j 飘- r 呗io j错误标志的叠加错误界定符f ig3 1 7f o r m a to fe r r o rf r a m e图3 7 错误帧格式为能正确地终止错误帧，“错误被动”的节点要求总线至少有长度为3 个位时间的总线空闲( 如果“错误被动”的接收器有本地错误的话) 。因此，总线的载荷不应为1 0 0 。有两种形式的错误标志，主动错误标志( a c t i v ee r r o rf l a g ) 和被动错误标志( p a s s i v ee r r o rf l a g ) 。主动错误标志由6 个连续的“显性”位组成。被动错误标志由6 个连续的“隐性”的位组成，除非被其他节点的“显性 位重写。错误界定符由8 个连续的隐性位组成，检测到错误的节点在发送完错误标志以后，就发送隐性位并一直监视总线，直到检测到一个从“显性”位到“隐性”位的跳变为止，然后就开始发送其余7 个隐性位。当节点监测到总线错误时，通过发送错误帧来中止当前报文的发送，并标识总线错误。4 过载帧过载帧包括两个位场：过载标志和过载界定符。如图3 8 所示。过载标志由6 个“显性”的位组成。过载标志的所有形式和主动错误标志一样。过载界定符包括8 个“隐性 位，其形式和错误界定符的形式一样。过载标志被传送后，节点就一直监视总线直到检测到一个从“显性”位到“隐性”位的跳变。此时，总线上的每一个站都完成了过载标志的发送，并开始同时发送其余7 个“隐性”位。蒋萎委襄摹鋈蒋也超载帧或过载帧过载标志的叠加过载界定符f i g3 8f o r m a to ff r a m e图3 8 过载帧格式2 6西华大学硕士学位论文当某接收站因内部原因要求缓发下一个数据帧或远程帧时，向总线发送过载帧。过载帧还可以引发另一次过载帧，但以两次为限。5 帧空间数据帧及远程帧与前而一帧报文之间被帧间空间隔开。帧间空间由间歇场和总线空闲场组成，对于前而已经发送过报文的错误被动节点还包括挂起传送场，如图3 9 所示。帧帧问空间帧间歇场总线空闲a ) e r r o ra c ti v en o d ea ) 错误主动节点帧帧问空间帧间歇场挂起传送总线空闲b ) e r r o rp a s si v en o d eb ) 错误被动节点f i g3 9i n t e r f r a m es p a c eo fe r r o rn o d e图3 9 错误节点的帧间空间间歇场由三个隐性位组成，在此期间，c a n 节点不进行帧发送。间歇场的存在为的是使c a n 控制器在下次消息发送前有时间进行内部处理操作。总线空闲场可为任意长度，此时总线处于空闲状态，允许任何节点开始报文发送。等待报文发送的节点紧随间歇场后启动报文发送，即