（信号与信息处理专业论文）基于现场总线的染整生产数据监控器的设计与实现.pdf

摘要 纺织厂设备多、人员多，长期以来管理手段较为落后，其产量和质量的管理 目前大多数厂家仍处在通过人工抄表、制表统计生产的低效状态。同时车间内环 境混乱，现场干扰严重，一些现有产品也不能满足其对车间现场监控稳定性及测 量精度的要求。 针对这一情况并根据纺织厂需求，本文设计了基于现场总线的染整车间生产 数据采集与监控器，本系统使用a r m 和单片机双核技术，采用适合于测控系统的 高性能单片机a d u c 8 4 8 通过稳定的信号调理电路对车间的温度、压力等模拟量信 号进行采集：采用内置c a n 总线控制器的p h i l i p s 公司的a r m 7 内核微控制器 l p c 2 2 9 2 作为c a n 节点控制器使得该节点体积小、功耗低、抗干扰性好。l p c 2 2 9 2 外接以太网控制器，也可以将数据直接上传至主控制系统，开关量信号的采集和 输出也由其完成。为了提高系统稳定性、软件抗干扰性能和系统的实时性，在 l p c 2 2 9 2 平台上移植了u c l i n u x 操作系统。本系统使用两套电源系统分别对单片 机和a r m 提供电源，使两部分工作时不至相互影响，进一步提高了系统的抗干扰 性能，非常适合于信号干扰状况比较严重的车间现场使用。 关键词：c a n 总线，l p c 2 2 9 2 ，a d u c 8 4 8 ，u c l i n u x ，数据采集 a b s t r a c t t h em a n a g e m e n tm e t h o di nt h et e x t i l em i l 】i sb a c k w a r df o ral o n gt i m eb e c a u s e t h e r ea r et o om a n ye q u i p m e n t sa n dp e r s o n n e li nt h ew o r k s h o p t h em a n a g e m e n t m e t h o do fy i e l da n dq u a l i t yo fm o s tm a n u f a c t u r e r si ss t i l li n e f f i c i e n tb ym a n u a l o p e r a t i o n a tt h es a m et i m e ，b e c a u s es i g n a li n t e r f e r e n c ei nt h ew o r k s h o pi ss e r i o u s ，a n u m b e ro fe x i s t i n gp r o d u c t sc a nn o tm e e tt e x t i l em i l ln e e d sf o rm o n i t o rs t a b i l i t ya n d m e a s u r e m e n ta c c u r a c y i nv i e wo ft h i ss i t u a t i o na n di na c c o r d a n c ew i t ht h ed e m a n df o rt e x t i l em i l l s ，t h e p a p e ri sd e s i g n e dy a m d y e dw o r k s h o pp r o d u c t i o n d a t aa c q u i s i t i o na n dm o n i t o r m a c h i n eo fb a s e do ns c e n ef i e l d b u s t h es y s t e mu s e dd u a l - c o r et e c h n o l o g yo f s i n g l e - c h i pm a c h i n ea n da r ma n du s e dh i g h - p e r f o r m a n c es i n g l e c h i pm a c h i n e a d u c 8 4 8w h i c hi ss u i t a b l ef o rm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mt oc o l l e c tw o r k s h o p t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r es i g n a la n ds oo nt h r o u 曲t h es t a b l es i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t ； p h i u p sc o m p a n y sa r m 7c o r em i c r o c o n t r o l l e r sl p c 2 2 9 2w h i c hi sb u i l tw i t h c a nb u sc o n t r o l l e ra sac a nn o d ec o n t r o l l e rm a k e st h en o d e ss m a l l ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o na n dh a v eg o o da n t i - j a m m i n gp e r f o r m a n c e t h en o d ec o u l du p l o a dt h e d a t at ot h em a i nc o n t r o ls y s t e md i r e c t l yt o ot h o u g ht h el p c 2 2 9 2e x t e m a ie t h e r n e t c o n t r o l l e r s w i t c ha n do u t p u ts i g n a l sa r ec o l l e c t e db yl p c 2 2 9 2 i no r d e rt oi m p r o v e t h es y s t e ms t a b i l i t y ，s o f t w a r ea n t i - j a m m i n gp e r f o r m a n c ea n dr e a l - t i m ep e r f o r m a n c e ， t h es y s t e mt r a n s p l a n t e du c l i n u xo p e r a t i n gs y s t e mi nl p c 2 2 9 2p l a t f o r m t h es y s t e m u s e st w os e t so fp o w e rs u p p l ys y s t e mf o ra r ma n ds i n g l e c h i pm a c h i n er e s p e c t i v e l y t of u r t h e ri m p r o v et h es y s t e mo fa n t i i n t e r f e r e n c ep e r f o r m a n c e ，s ot h et w op a r t sw i l l n o th a v em u t u a li n f l u e n c e t h es y s t e mi sv e r ys u i t a b l ef o rt h ew o r k s h o pw h i c ht h e s i g n a li n t e r f e r e n c ei ni ti ss e r i o u s k e yw o r d s ：c a nb u s ，l p c 2 2 9 2 ，a d u c 8 4 8 ，u c l i n u x ，d a t aa c q u i s i t i o n 独创性声明 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和取得的研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得云洼王些太堂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了谢意。 学位做作者躲极也淘 签字吼p 7 年3 月c 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权丢 洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者魏极蒜砑 导师躲 签字日期：u c l 年3 月呷日 叫睁 签字日期： 。c 7 年月7 日 学位论文的主要创新点 一、使用a r m 和单片机双核技术，采用适合于测控系统的高性能 单片机通过稳定的信号调理电路对车间的温度、压力等模拟 量信号进行采集。 二、为了提高系统稳定性、软件抗干扰性能和系统的实时性，在 a r m 平台上移植了u c l i n u x 操作系统。 三、使用两套电源分别对单片机和a r m 供电，使两部分工作时不 至相互影响，进一步提高系统的抗干扰性能。 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 纺织厂设备多、人员多，长期以来管理手段较为落后，其产量和质量的管理 目前大多数厂家仍处在通过人工抄表、制表统计生产的低效状态。同时车间内环 境混乱，现场干扰严重，一些现有产品也不能满足其对车间现场监控稳定性及测 量精度的要求。 温湿度工艺参数设定如何科学有效地满足产品质量要求，优化工艺参数达到 节能降耗的目的；人工抄表出现的错抄，漏抄，假抄等现象如何杜绝；怎样尽早 发现车间测量点超标，超标持续时间；如何做到在产品生产过程中适时跟踪测量 车间测量点参数，随时查看参数变化情况，如何长期保存生产车间的测量数据； 如何做到资源数据的共享；在染整机监测中，由于每台机器都有许多个数据，而 每个车间都有大量的染整设备，各设备的数据分散，由上层管理系统对其进行控 制和通信时如何兼顾距离和通信速率。这些都是纺织厂在生产中必须要解决的问 题。 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。非常适合用于现场仪表与控制系统和控制室之间的串行通信系统。 因此在工业自动化领域使用现场总线技术建立控制通信网络十分必要。它的出现 为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支 持。 c a n ( c o n t r o l l o ra r e an e t w o r k 控制器局域网) 是一种高性能串行数据局 域网通信网络，是国际上应用最广泛的现场总线之一c 2 3 。作为一种技术先进、可 靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式，c a n 总线已被广泛应用 于各个自动化控制系统中。例如，在汽车电子、自动控制、智能大厦、电子系统、 安防监控等各领域中，c a n 总线具有不可比拟的优越性其具有多主机、传输距离 远( 最远为l o k m ) 、传输速度快( 最快为i m b p s ) 、抗干扰能力强等诸多优点。 由其组成的现场总线网络可以将很多底层监测设备连接起来。 生产数据采集监控系统为解决纺织厂生产监控及管理问题，根据纺织厂需求 而设计，采用分布式三层网络结构，整个系统由管理计算机、服务器、区域处理 器、监控器等组成。具有结构简单、清晰、统一；布线少、安装简便；分布式使 得设备损坏、故障的风险分散；系统可扩充性强、扩充方便；性能优越、配置灵 活、可靠性高安装调试及维护维修方便等显著特点。监控器处于网络最底层，用 天津j ：业人学硕十学位论文 于车间现场生产数据的监测和设备控制，监控器通过c a n 总线与区域处理器相 连，可以和上层e r p 系统进行交互。 本系统通过对生产车间设备参数的适时集中检测，可以随时向各级生产管理 技术人员提供生产现场的情况，并将测量的数据进行统计、分析、保存。为产品 工艺参数的优化设计、设置、研究提供科学依据，做到了车间设备生产数据波动 的早预防、早发现、早调节、早控制。从而达到提高产品质量、节约能源、降低 消耗的目的。系统完全杜绝了人工抄表所带来的错抄、漏抄、假抄等现象，适合 纺织厂车间使用。 1 2 国内外研究现状 国内现在有不少车间生产数据采集和监控的系统。在硬件实现上，主要通过 单片机、d s p 等完成，有基于p c i 总线、基于v x i 总线的高速数据采集系统等。 在软件实现上，有l a b v i e w 图形化编程软件、v b 、v c 可视开发工具等h 1 。 以数据采集卡为核心的数据采集系统，采用的数据采集卡几乎都是p c i 卡， 必须插在上位机( p c 机) 上的p c i 槽上，由上位机( p c 机) 控制完成数据采集 工作。因此信号必须从信号现场传送到上位机( p c 机) 上，由于各种工业现场 条件的限制，现场到上位机( p c 机) 往往有很长的一段距离，信号在传送的过 程中会衰减，失真，混入干扰信号，产生误差，这是传统数据采集与监控系统的 一个缺点】。为了解决这一矛盾，人们开始使用工业现场总线互联，例如r s - 4 8 5 串行总线等，将现场采集的数据送到异地的中心处理机做进一步处理。 这种基于r s - 4 8 5 网络的分布式测控系统由于具有结构简单、抗干扰能力强、 传输距离远、成本低等优点，而被广泛应用于各种实时分布式测控现场。但在构 建复杂并且存在强干扰的实时测控网络时，必须保证系统具有良好的可靠性、抗 干扰性和实时性，以及足够的通信距离哺1 。而r s 一4 8 5 本身具有诸多缺点，不能 给出良好的解决办法。r s - 4 8 5 仅仅是一种半双工式通信的电气协议，其通信介 质为双绞线，信号在传输的双绞线上呈现一对相异的电平信号。由r s - 4 8 5 构成 的分布式测控系统，任何时候，只能允许一个节点向网络系统发送数据，系统中 每一个节点的r s 一4 8 5 驱动器都有一个发送使能端d e ，d e 的作用是驱动器在发送 数据时，控制该发送单元有效，使其向网络中的节点发送数据，数据发送完成后， 则禁止驱动器的发送单元工作，使其处于高阻状态，从而不影响网络中的数据传 输。如果发生故障，出现几个节点同时向网络发送数据，使整个网络回路呈现短 路状态，最终损坏其节点的驱动器。如果网络中的节点太多，超过了r s - 4 8 5 驱 动器的负载能力，或者各节点之间的距离大于r s - 4 8 5 规定的距离，则必须使用 第一章绪论 中继器来增加网络中的节点数或延长各节点之间的距离 。由于r s 一4 8 5 只是一 种电气协议，它本身并未提供可靠高效的通信协议的实现，加之这种网络的工作 方式是命令响应型坤1 ，因此，为了保证数据通信的准确性和系统运行的可靠性， 就必须编制完善的调度程序和通信协议旧1 ，这就增加了系统开发的难度和开发周 期。 因此虽然这些数据采集和监控系统的研制成功解决了用户需要，但这些系统 存在功能单一、可测量的种类少、可测量的范围小、采集通道少、采集速率低、 操作复杂，并对测试环境要求较高，安装、布线不方便等问题。在当今网络化时 代，网络化测量、采集和( 对网中仪器设备的) 控制技术正随着网络技术的发展而 迅速发展。网络化、分布式的数据采集优势体现在：采集范围扩大，处理能力增 强，信息索取更加方便，并且能够适应场合变更的需要n 引。凭借这些优良的性能， 网络化测量和控制已经成为数据采集技术发展的必然趋势。传统的数据采集与监 控系统显然不能满足对测试系统灵活、高效、高速、多通道、网络化等要求和适 应复杂测量环境的需要。 1 3 本课题研究的目的和内容 本课题的目的是设计基于现场总线的染整生产数据监控器，以满足纺织厂染 整车间生产监测与管理的需要。监控器需要达到的技术指标和性能要求有： 1 8 路模拟量输入( 1 6 位转换精度) ，可接模拟量输出的传感器信号如温度、 压力传感器信号等。 2 8 路开关量输入可接开关量信号如开车、上电信号等；可接编码器如测 车速、长度用编码器等。 3 8 路开光量输出用于一定情况下需要输出控制信号的场合。 4 1 个c a n b u s 通信口，用于和区域处理器通信。 5 1 个以太网接口，用于和上层管理系统直接通信。 6 必须保证数据包在传输工程中的可靠性和真实性；保证命令包在系统运 行过程中对监测点的实时监测；所有采集到的物理量与e r p 平台无缝连接；监测 设备可以和e r p 进行交互。 本论文作的主要工作是： 1 设计基于现场总线的染整生产数据监控器硬件平台 本系统使用a r m 和单片机双核技术，模拟量数据采集以a d i 公司的a d u c 8 4 8 作为主控芯片，前端接信号调理电路对车间的温度，压力等模拟量信号进行采集。 采用内置c a n 总线控制器的p h i l i p s 公司的a r m 7 内核微控制器l p c 2 2 9 2 作为c a n 节点控制器使得该节点体积小、功耗低、抗干扰性好。l p c 2 2 9 2 外接以太网控制 天津工业人学硕士学位论文 器，也可以将数据直接上传至上层管理系统，开关量信号的采集和输出也由其完 成。l p c 2 2 9 2 外部扩展了4 m bn o rf l a s h 和8 m bp s r a i v l ，用于操作系统的移植和 数据的存储。a d u c 8 4 8 和l p c 2 2 9 2 通过1 2 c 总线进行通信。电源部分使用两套电 源系统分别对单片机和a r m 提供电源，使两部分工作时不至相互影响，进一步提 高了系统的抗干扰性能，非常适合于信号干扰状况比较严重的车间现场使用。 2 基于现场总线的染整生产数据监控器的软件设计 ( 1 ) a d u c 8 4 8 的程序设计。 ( 2 ) 为了提高系统稳定性、软件抗干扰性能和系统的实时性，在l p c 2 2 9 2 平台上移植了u c l i n u x 操作系统。 ( 3 ) l p c 2 2 9 2 基于u c l i n u x 操作系统相关设备驱动程序的开发。 ( 4 ) 制定c a n 总线应用层的通信协议。 3 实验验证 以a d u c 8 4 8 单片机实验板和周立功m a g i c a r m 2 2 0 0 试验箱为开发平台对主要 系统功能进行验证。 第二章c a n 总线简介及应用层通信协议的制定 第二章c a n 总线简介及应用层通信协议的制定 2 1c a n 的技术规范 随着c a n 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，1 9 9 1 年9 月p h i li p ss e m i c o n d u c t o r s 制订并发布了c a n 技术规范 ( v e r s i o n 2 0 ) 。该技术规范包括a 和b 两部分。2 o a 给出了c a n 报文标准格式， 而2 o b 给出了标准格式和扩展格式两种格式。此后，1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁 布了道路交通工具一数据信息交换一高速通信控制器局域网( c a n ) 国际标准 i s o l l 8 9 8 ，为控制局域网的标准化、规范化铺平了道路n 。 2 1 1c a n 的体系结构 c a n 总线是开放系统，但没有严格遵循国际标准化组织i s o 的开放系统互连 的七层参考模型o s i ，出于对实时性和降低成本等因素的考虑，c a n 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l l c 和媒体访问控制子层m a c ，而应用层则包含了 i s o o s i 模型中物理层和数据链路层外其余各层的功能。c a n 总线的体系结构如 图2 - 1 所示n 朝。 发送节点接收节点 图2 - ic a n 总线的体系结构图 c a n 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c a n 2 o a b 中对物理层的部分内容作了规定，而在i s 0 1 1 8 9 8 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、 天津丁：业人学硕十学位论文 同轴电缆或光纤。物理层规定了c a n 的电平为两种状态：“隐性”( 表示逻辑1 ) 和“显性”( 表示逻辑0 ) ；而且还规定了通过特定的电路在逻辑上实现“线与” 的功能。 数据链路层的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。c a n 总线的数据链路层包 括逻辑控制子层l l c 和媒体访问控制子层m a c 。其中m a c 子层的主要功能是定义 传输规则，它是c a n 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) 。l l c 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u 3 。 c a n 总线的物理层和数据链路层的功能在c a n 控制器中完成。 2 1 2 连接和传递方式 c a n 是一种多主机串行通信局域网络，其通信链路采用一条多个单元均可连 接的总线。连入的单元数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 l o 个。 c a n 总线中，各节点使用相同的位速率。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。而两个相位缓冲段的长度可以自由控 制，以保证采样的可靠性。除此之外，由于各节点的时钟总有小的差异，c a n 总 线使用时钟同步技术来保证通讯的同步性，并在实际传送中采用位填充规则进行 编码，即当发送器在发送的位流中检测到5 位连续的相同数值时，就自动的在实 际发送的位流中插入一个补码位n 劓。 2 1 3 报文传送及其帧结构 1 报文传送 c a n 总线以报文为单位进行信息传送。报文中包含标识符i d ，它也标志了报 文的优先权。c a n 的通信介质访问方式为带优先级的c s m a c a 。它采用多主竞争 式结构：网络上任意节点均可在任意时刻主动向网络上其他节点发送信息，而不 分主从，即当发现总线空闲时，各个节点都有权使用网络。它在发生冲突时，采 用非破坏性总线优先仲裁技术：当几个节点同时向网络发送信息时，运用逐位仲 裁规则，借助帧中起始部分的标识符，优先级低的节点主动停止发送数据，而优 第二章c , a 3 q 总线简介及应用层通信协议的制定 先级高的节点可不受影响地继续发送信息，从而有效地避免了总线冲突，使信息 和时间均无损失，在总线再次空闲后，这些节点将自动重发原报文。例如，规定 0 的优先级高，在节点发送信息时，c a n 总线做与运算，每个节点都是边发送信 息边检测网络状态。当某一个节点发送l 而检测到0 时，此节点知道有更高优先 级的信息在发送，就停止发送信息，直到再一次检测到网络空闲。见图2 - 2 ， 为a ，b ，c ，d 4 个节点同时发送信息，最后优先级高的节点d 有权发送信息， 其他节点主动停止发送数据。 节点ai 正旦圃 节点b 【丑互互亚卫 节点c 【正匝夏亟匝卫 节点dt 正哑夏互亚互工d l 圈_ 0l2 34 56 7 891 01 11 2 1 3 1 4 1 5 图2 - 2c a n 总线报文优先级仲裁 c a n 系统中，个c a n 节点不使用有关系统结构的任何信息( 如站地址等) ， 报文中的标识符i d 并不指出报文的目的地址，而是描述数据的含义。网络中的 所有节点都可由i d 来自动决定是否接收该报文。每个节点都有工d 寄存器和屏蔽 寄存器，接收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收报文， 否则它将不理睬i d 后面的报文。这使c a n 系统非常灵活，可任意扩展或改变网 络组成。 c a n 的传输信号采用短帧结构( 有效数据最多为8 个字节) 和带优先c s m a c a 的通信介质访问方式。对高优先级的通信请求来说，在1 m b p s 的通信速率时，最 长的等待时间为0 1 5 m s ，完全可以满足现场控制的实时性要求。 2 c a n 帧结构 c a n 支持4 种不同类型报文帧： ( 1 ) 数据帧 数据帧用于在各个节点之i 日j 传送数据或命令，它由7 个不同的位场组成： 帧起始、仲裁场、控制场、数据场、c r c 场、应答场和帧结束。在c a n 技术规范 2 0 a 中规定了标准数据帧的格式；而在2 0 b 中则规定了两种格式：标准格式和 扩展格式。因为本论文支持的是c a n 技术规范2 o b 版本，采用2 9 位扩展帧标识 符结构。其结构如图2 - 3 。 天津j f 业人学硕十学位论文 帧 帧 起 仲裁场 控制场 数据场c r c 场应答场 结 始束 2 9 位d l c s o fr t ri d el u o 0 8 个字节1 6 位2 位7 位 标识符( 4 位) 图2 - 3c a n 扩展帧结构 帧起始( s o f ) ：标志数据帧的开始，它由一个显性位构成。 仲裁场：由2 9 位标识符( i d ) 和远程发送请求位( r t r ) 组成。i d 决定了报文 的优先权。如显性位为0 ，隐性位为l ，则i d 的数值越小，优先权越高。对数据 帧，r t r 为显性位，而在远程帧中则必须为隐性位。 控制场：控制场由6 位组成，在标准格式中，一帧包括数据长度码d l c ，发 送显性电平的i d e 位和保留位r b o 。其中数据长度码为4 位，指明数据场的字节 数目，可由o 至8 变化。 数据场：由数据帧中被发送的数据组成，可包括从o 至8 个字节，每个字节8 位， 首先发送最高位。 c r c 场：采用1 5 位c r c ，其生成多项式为x 1 5 + x 1 4 + x 1 0 + x 8 + x 7 + x 4 + x 3 + 1 。c r c 场的最后一位为c r c 分隔符，它为隐性电平。 应答场：包括应答位和应答分隔符，发送站发出的这两位均为隐性电平。而 正确地接收到有效报文的接收站，在应答位期间应传送显性电平给发送站，应答 分隔符应为隐性电平。 帧结束：由7 位隐性电平组成。 ( 2 ) 远程帧 当一个节点希望接收某些信息时，可以借助于传送一个远程帧起动信息源节 点的数据发送。远程帧有6 个位场组成：帧起始，仲裁场，控制场，c r c 场，应 答场，和帧结束。与数据帧相反，远程帧的r t r 位为“1 ”( 总线上为隐性电平) ， 并且没有数据场，数据长度码是独立的。它的其它场与数据场相同。 ( 3 3 出错帧 出错帧由错误标志表和错误分隔符组成。接收站在发现总线上的报文出错 时，将自动发出“活动错误标志”，它为6 个连续的显性位。由于各个接收站发 现错误的时间可能不同，总线上的实际错误标志可能由6 - - 一1 2 位显性位所组成。 在错误标志后为8 个隐性位组成的错误分隔符。每个站发送错误标志后，开始发 送隐性电平，并监视总线，在检测到出错误条件时，将发送“认可错误标志”， 它为6 个连续的隐性位。 ( 4 ) 超载帧 超载帧由超载标志和超载分隔符组成。超载帧只能在一个帧的结束开始。在 第二章c a n 总线简介及应川层通信协议的制定 一个接收站要求延迟下一个数据帧或远程帧，或在帧问空间的间歇场的第l 、2 位 检测到显性位及在错误、超载分隔符的最后一位采样到显性位，开始发送超载帧。 超载标志由6 个显性位组成，而总线上的实际超载标志为6 - 7 位，超载分隔符 为8 个隐性位。 ( 5 ) 帧间空间 数据帧和远程帧与自订面的任何帧用帧i 、日j 空i 日j 分隔开。它包括间歇场和总线空 闲场。间歇场由3 个隐性位组成。总线空闲场可为任何长度，此时总线处于空闲 状态，允许发送站发送新报文。 对于己发送“认可错误标志”的站，它在间歇场后还将送出8 个隐性位。 2 1 4 错误检测 c a n 具有突出的差错检验机理，如5 种错误检测、出错标志和故障界定，c a n 传输信号为短帧结构，因而传输时间短，受干扰频率低。这些保证了系统的出错 率极低，剩余错误概率为报文出错率的4 7 1 0 _ 1 。另外，c a n 节点在严重错误 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受影响。因 而提高了抗干扰能力和数据的可靠性。5 种错误检测如下： 1 发送监视一发送站时刻检测它发送的每一位数值，如监视到的总线数值与 送出的数值不同时，则为位错误。 2 填充错误一在应用位填充方法进行编码的报文字段中出现第6 个连续相 同的位电平。 3 c r c 错误一接收站计算得出的c r c 序列与接收到的不同。 4 格式错误一固定格式的位场的格式与规定不同。 5 应答错误一在应答位期间，发送站未检测到显性位。 发现出错误时，接收站将发送活动出错标志。而发送站将发送认可出错标志。 为进行错误界定，在总线上的每个单元中都设置有两种计数器，发送出错计数和 接收出错计数，c a n 总线上各节点还有能力监测是短期的干扰还是永久性的故障， 并采取相应的应对措施，这种特性被叫做“故障界定隔离”。采取了这种故障界 定隔离措施后，故障节点将会被及时关断，不会永久占用总线。这一点对关键信 息能在总线上畅通无阻地传送是非常重要的。 2 1 5 基于“多主竞争总线仲裁”的通信方式 c a n 总线是一种多主总线，总线上的任一节点均可作为主节点与其他节点进 行广播式的通信，在这种情况下，就有可能出现几个节点同时要求发送数据的情 况。c a n 总线解决访问冲突的机理是基于竞争的仲裁，是靠标识符和紧随其后的 r t r 位来完成的：从标志符起始开始，进行总线的仲裁，各节点通过“线与 的 天津1 ：业人学硕十学位论文 逻辑关系连接到总线上，数据位“o ”可以覆盖数据位“l 。所以，当某一节 点发送的地址段中的某一位为“1 ，而其他节点发送的相应位为“0 时，发送 “1 ”的节点则失去仲裁，退出竞争而转为接收状态。此外，c a n 总线解决冲突 还有下列的原则可依： 1 在一个系统内，每条信息只能有唯一的一个标志符； 2 具有给定标识符和非零d l c 的数据仅可由一个节点启动； 3 远程帧只可以由系统内确定的d l c 发送，该数据长度为对应数据帧的d l c ， 具有相同标识符和不同d l c 远程帧的同时发送将导致不能解决的冲突n 朝。 2 2c a n 总线应用层通信协议的制定 应用层通信协议规定了c a n 网络中各设备之间进行通信的规则。本协议通信 报文采用c a n 2 0 b 扩展帧格式，对于c a n 报文的2 9 位标识符和报文数据作了详 细的规定，通信报文的帧标识符格式规定如表2 - 1 。 表2 - 1 报文格式 i d 2 8 一i d 2 6i d 2 6 i d 2 0i d l 9 - i d l 3 i d l 2 - i d l 0 i d l 9 i d l 8 - i d l 7i d l 6 - i d l 4 优先级源节点目的节点帧类型虑答数据类型 通道编号 编号编号 要求 i d l 3 一i d 0r t rd l c 保留位 0 数据长度 d a t a 0 d a t a 7 数据区域 协议将2 9 位i d 分为以下几个功能段： 1 优先级：i d 2 8 i d 2 7 ，报文的标识符决定了报文的传送优先级，报文标 识符越小，发送优先级越高。一个节点可以发出多种信息，根据信息的重要性和 报文类型，需要2 位i d 即可提供2 2 种优先级：0 0 ，0 1 ，1 0 ，1 1 。0 0 优先级最高， 常用于紧急信息；0 1 优先级次之，用于控制信息；而1 0 优先级最低，用于数据 信息；1 1 保留。 2 源节点编号和目的节点编号：c a n 总线上设备最大容量为1 1 0 个，地址 号可以采用7 位数据表示，表示发送和接收信息的节点编号，0 0 0 0 0 0 1 主控制器， 依次为底层监控器编号( 除0 0 0 0 0 0 0 ) ；若是广播帧目标节点定义为0 0 0 0 0 0 0 。 3 帧类型：i d l 2 i d l 0 ，可用于单帧多帧连续传送。其中i d l 2 用于区分是 点对点还是广播通信，“1 ”表示点对点信息，“o ”则是广播信息。i d l l i d l 0 具 体含义见表2 2 。 第二章c a n 总线简介及应用层通信协议的制定 表2 - 2 帧类型说明 i d l li d l 0 说明 00 单帧，无后续 o1 多次传输的第一帧数据 10数据传输中，还有后续帧 1l多次传输的数据最后一帧，再无后续 4 应答要求：只有1 位i d 。“0 ”表示接收到一帧报文后不需应答操作；“1 ” 表示接收点需要对发送节点做出应答。 5 数据类型：i d l 8 i d l 7 ，0 0 表示模拟量输入，0 1 表示开关量输入，1 0 表 示开关量输出，1 1 保留。 6 通道编号：设备内部8 路输入输出通道的编号，依次编号0 x 0 0 - 0 x 0 7 。 r t r 位一直为“0 ”，表示数据帧，协议规定不进行远程数据请求。 协议中一帧最多传送8 个字节数据，对于一般的系统来说已经足够用了。因 此，d l c 最大值为8 ，大于8 则无效，仅按8 个字节的数据域进行发送。数据 域占用部分字节，而协议占用数据域的d a t a0 ，其余7 个字节用于实际测量数据 的传递。 2 3 本章小结 本章首先从c a n 的体系结构、连接和传递方式、报文传送和帧结构及通信方 式等方面介绍了c a n 总线的技术规范，然后阐述了本系统c a n 总线应用层通信协 议的制定。 第三章染整生产数据监控器硬件设计 第三章染整生产数据监控器硬件设计 3 1 染整车间现场生产数据采集监控系统设计 生产数据采集监控系统采用分布式三层网络结构。底层为监控器，中间层为 区域处理器，上层为服务器，整体构成一监控子网。监控器与区域处理器用c a n 总线连接，区域处理器与服务器通过以太网连接。c a n 总线所连监控器数量依据 具体所采集信号的数量、位置、方式而定。区域处理器的数量依据信号隶属关系 划分情况而定，隶属关系相同的信号对应一个区域处理器。 染整车间的现场生产数据或者信号由监控器通过c a n 总线发送到区域处理 器，由区域处理器进行处理后传送至上层e r p 控制系统进行管理和控制，控制信 号由上层控制系统发出，再由区域处理器通过c a n 总线传送至底层监控器，对车 间现场设备进行控制。同时底层生产数据采集与监控器预留了以太网口，也可通 过以太网直接与上层e r p 管理系统进行通信。染整车间现场生产数据采集监控系 统设计如图3 - 1 所示。 服务器 图3 1 染整车间现场生产数据采集监控系统设计 底层监控器作为一个c a n 节点连接在c a n 总线上，通过模拟量i 开关量输入 口采集信号，将所采信号转换并处理成数据，将数据进行存储；根据需要通过 天津i ：业人学硕十学位论文 c a n 总线将数据主动上传至区域处理器或接受命令将存储的数据上传至区域处理 器：根据需要或接收命令通过开关量输出口输出控制信号。监控器安放在相对靠 近信号采集点的地方，隶属于相同的监控器通过一条c a n 总线与区域处理器相 连。 3 2 染整生产数据监控器硬件整体设计 染整生产整数据监控器硬件整体设计如图3 - 2 所示，监控器有8 路模拟量输 入通道，测量精度为1 6 位，可接模拟量输出的传感器信号如机器车速、温度、 p h 值、碱浓度、蒸汽流量、水流量、压力等；8 路开关量输入，可接开关量信号 如开车、上电信号等，可接编码器如测车速、长度用编码器等；8 个开关量输出， 用于一定情况下输出控制信号的场合。1 个c a n b u s 通信口，用于和区域处理器 通信；预留了1 个以太网口，可以使底层监控器直接和上层e r p 管理系统进行通 唐 1 日o c a n 总线 电流 信号 电压 信号 图3 - 2 染整生产整数据监控器硬件整体设计 以太网 本系统采用a d u c 8 4 8 单片机和l p c 2 2 9 2a r m 双核结构，共有8 路模拟量输入 通道，输入的模拟量可能是电压或电流信号，如果是电流信号需要先通过i v 变 换电路转换为电压信号后再经过放大和滤波处理传送到控制器，控制器选用美国 a d i 公司的a d u c 8 4 8 。开关量信号的采集和输出由l p c 2 2 9 2 完成，l p c 2 2 9 2 进行 所有数据的存储并可通过c a n 总线或以太网进行数据的收发和接收控制中心发 来的命令。a ：i d u c 8 4 8 与l p c 2 2 9 2 通过1 2 c 总线进行通信。电源部分使用两套电源 系统分别对单片机和a r m 提供电源。 第二章染整生产数据监控器硬件设计 3 3a d u c 8 4 8 介绍 a d u c 8 4 8 是美国a d i 公司最新推出的一款具有军品标准，单片最多可带8 路 模拟信号输入转换通道，扩展主机从机模式最多可达1 6 路模拟输入通道的微控 制器。 a d u c 8 4 8 芯片的5 2 引脚m q f p 封装仅为1 4 m m x1 4 r a m ，最高工作温度为1 2 5 ， j 下常工作最大电流为4 8 m a 且节电模式最大电流为2 0ua 。所以a d u c 8 4 8 特别适 用于开发在高温恶劣环境下长时间作业的小型数据采集系统。 a d u c 8 4 8 具有以下特点： 1 高分辨率一型a d c 1 6 位无失码a d c ：1 0 个a d c 输入通道； 2 存储器 6 2 k b 片内闪速电擦除程序存储器：4 k b 片内闪速电擦除数据存储器；闪速 电擦除可使用1 0 0 年，重复擦写1 0 万次；3 级i 、人j 速电擦除程序存储器安全； 在线串行下载( 无须外部硬件) ；高速用户下载( 最长5 s ) ，2 3 0 4 b 片内数据r a m 。 3 基于8 0 5 1 的内核 与8 0 5 1 兼容的指令系统；高性能单指令周期内核；3 2 k h z 外部晶振；片内 可编程锁相环p l l ( 最高时钟频率为1 2 5 8 m h z ) ；3 个1 6 位定时计数器；2 6 条 可编程输入输出线；11 个中断源，2 个优先级：双数据指针，扩展的1 l 位堆栈 指针。 4 片内外围设备 内部电源复位电路；1 2 位电压输出d a c ；双1 6 位一d a c p w m ；片内温度 传感器；双激励电流源；时间间隔技术其( 唤醒r t c 定时器) ：t a r t 、1 2 c 和s p i 串行接口；高速波特率发生器( 包括1 1 5 2 0 0 b p s ) ；看门狗定时器( w d t ) ：电源 监视器( p s m ) 。 5 电源 采用3 v 和5 v 电压工作；正常情况下为2 3 r a a 3 6 v ( 核心时钟频率为 1 5 7 m h z ) ；掉电保持电流为2 0 u a ，唤醒定时运行”引。 3 4 信号转换电路设计 信号转换采用有源i v 变换电路，完成信号的i v 变换，转换电路如图3 - 3 所示。 天津r ：业人学硕十学位论文 ? 图3 - 3 信号i v 转换电路 该电路采用跳线连接，当输入为电流信号时从1 端输入进行i v 转换，当输 入为电压信号时可直接从2 端输入。 该电路电压发大倍数a 为： a = i 手坐 ( 3 1 ) 尺3 输出电压为： 时2 肼别 ( 3 2 ) 电路分别选取r 1 = 2 0 0q ，r 3 = l o o kq ，r 4 = 2 5 kq ，当输入电流信号为0 l o m a 时，对应输出0 - - 2 5 v 电压，电路中电容起滤波的作用，r 2 ，r 5 限流作用。 3 5 信号放大电路设计 信号放大部分电路采用a d 6 2 3 仪表放大器，a d 6 2 3 是一款性能非常好的仪表 放大器，它有以下特点： 1 在单电源3 1 2 v 下提供满电源幅度输出，使设计更为简单： 2 虽为单电源工作方式优化设计，但在2 5 - _ + 6 v 双电源时，仍有优良性 能； 3 增益通过一只外接电阻可方便地调节。无外接电阻时，被设置为单位增 益( g = i ) ，接人电阻时，增益可高达1 0 0 0 ； 4 共模抑制比随增益的增加而增大，保持最小误差； 5 低功耗，宽电源电压，适合电池供电电路，线性度、温度稳定性、可靠 性好： 6 具有较宽的共模输入范围，可以放大具有低于地电平1 5 0 m y 的共模电压 信号： 7 高精度直流、交流性能。 第二章染整生产数据监控器硬件没计 a d 6 2 3 的连接电路如图3 - 4 所示。 r g 图3 - 4a d 6 2 3 连接电路 a d 6 2 3 为双端差分输入，由于本系统输入信号为单端信号，所以将负输入端 接地，以o 电位为参考电位，则将r e f 端接地，调节电阻尺g 可获得不同的电压 放大倍数，放大公式为： r g = i o o k 佑一 ( 3 3 ) g 为电压放大倍数。电源引脚处需要连接0 1 u f 的电容( 最好是表面安装的 陶瓷片状电容) 和1 0 u f 电容( 最好为钽电解电容) 。 3 6 信号滤波电路设计 滤波部分电路采用m a x 7 4 0 1 ，m a x 7 4 0 1 为8 阶低通贝塞