（检测技术与自动化装置专业论文）基于can总线的测控网络系统及其在空调新风系统中的应用.pdf

基于c a n 总线的测控网络系统及其在空调新风系统中的应用 摘要 太阳能空调新风系统是利用相变材料的特性来存储太阳热量并用 以加热新风的一种节能系统。该系统在缓解现实能源供需压力和可 持续发展战略方面有重要的意义。c 伽吣c o n 劬l 觚an c 觚o r k ) 总线技 术是一种支持分布式实时控制的高安全性的串行总线。它主要解决工 业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通 信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。 本论文设计基于c a n 总线的智能节点。主要工作包括：智能节 点总体电路设计；器件选择和软件编程；c a n 总线通讯编程。该智 能节点主体由微处理器、c a n 总线控制器、c a n 集成模块、节点 地址设定电路、显示模块、键盘电路、控制接口电路、电源电路、复 位电路组成；另有扩展的加、d a 、e e p o i 洲、f l a s h 、d s l 8 8 2 0 、 i o 口等设备。节点总体功能是：接受执行和反馈上位机的命令；实 现温度、压力、流量参数的实时监测；根据需要实时控制电动阀和流 量调节阀。空调新风控制系统的设计。新风系统中主要测控设备有温 度传感器，流量传感器，压力传感器，流量调节阀，通断阀等。通过 智能节点对这些设备进行控制来实现6 种运行模式。 关键词：c a n 总线新风系统智能节点嵌入式系统 t h e 匝a s i 瓜e n 踟a n dc o n t r o ln e t w o r k s y s t e mb a s e d0 n c a nb u sa n di t sa p p l i c a t i o n i nf i 也s ha 瓜s y s t e m a bs t r a c t t h ef r e s hs y s t e mi ss c a n 够s y s t e mm a ta b s o r b ss o l a re n e i i g y 觚dh e a t s u p 矗c s ha 证t h e 印p l i c a t i o ni i lt l l ee n e r g ys u p p l ya n d e a s ep r e s s u r co nm e s t r i a t e g yo fs u s t a i l l a b l ed e v e l o p m e n th 嬲i i i l p o r t a n ts i g n i f i c 觚c e c a n ( c o n 们la r c an e 撕o r k ) f i e l d - b u st c c h n o l o g yi sav e r y8 疵哆s e r i a lb u s ，h i c ho a i ls u p p o nd i s t r i b u t e dr c a l t i l n ec 0 n t r 0 1 i tm a 抽l yr e a l i z e 8d i g i t a l c o m m u n i c a t i o nb e t 、) i r e e ni i l t e l l i g e n td e v i c c s 狮dr e s o l v et l l ep r o b l e m so f i l l f o r m a t i o nt r a n s f e rb e t w e e n6 e l dc o n t r o lc i c v i c e sa n dh i g h e rc o n 仃o l s y s t e m h it h i sp a p e r t h ed e s i g no fm t e l l i g e n tn o d eb a s e do no a nb u s n s m a i nt a s l ( si n c l u d e si i l t e l l i g e n tn o d eo v e r a l lc i r c u i td e s i g n ，c o m p o n e n t s s e l c c t i o na n ds o f h a r ep r o g r 锄，c a nb u sc o m m u n i c a t i o np r o g r a m t h e i i l t e l l i g e n tn o d ec o m p r i s e sm i c r o p r o c e s s o r ，c a nb u sc o n t r o l l e r ，i i l t e g r a t e d c a nm o d u l ec i r c u i to fs e t t i l l gn o d ea d d r e s s ，d i s p l a yc i r c u i t ，k e y b o a r d c 沁u i t ，c o n t r o lm t e 血c cc 讹u i t ， p o w e rs u p p l yc n u i ta n dr e s e tc i r c u i t m a i n l v 0 t h e r st h i sn o d ec o n s i s t so fa d ，d a ，e e p r o m ，f l a s h ， d s l8 8 2 0a n di o e q u i p m e n t s i n t e l l i g e n t n o d eo v e r a l l 如n c t i o ni s m o n i t o r i n gt e m p e r a t l l r e ，p r e s s u r e a n dn o wp a r a m e t e r sr e a l t i m e a c c o r d i i l gt 0n e e d si sa b l et oc o n t r o le l e c t r i cv a l v er c a l - t i n l e t h en o d e c a na c c 叩to r d e r sf r o mp ct oi m p l e m e n t “觚dr c t i l mt l l er e s u l t s t h e d e s i g no fm en e wa i rc o n t r o ls y s t e m t h en e wa i r8 y s t e mi i l c l u d e s t e m p e r a t u r es e n s o r s ，n o ws e n s o r s ，p r e s s u r es e n s o r s ，n o wc o n 仃0 1v a l v e ， t l l eo n - o 仃v a l v ec o m p o n e n t s h l t e l l i g e n tn o d ec o n t r o l st l l o s ee q u i p m e n t s i i io r d e rt oa c h i e v es 呔k i i l d s0 f 叩e r a t i o nn o d e k e yw o i 之d s ：c a nb u s f r c s ha i rs y s t e m i i l t e l l i g e n t n o ( i c e m b e d d e ds v s t e m 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电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了谢 意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：磁：猛落 日期： 迎旦8 ：3 ：驾 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论 文在解密后遵守此规定) 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：髓：堡蠡日期：丝堡：三：j 北京邮电大学硕上研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，传统的控制系统己越来越不 能满足现代工业的要求。以信息技术为基础的网络集成自动化系统已经成为当今 自动化领域技术发展的热点之一，它的出现标志着工业控制领域又一个新时代的 开始，并将对该领域的发展产生重要影响。现场总线( f i e l d b u s ) 就是顺应这一形 势发展起来的新技术。 1 2 课题研究背景 1 2 1 现场总线控制系统f c s ( f i e i d - b u sc o n t r o is y s t e m ) 的概念 根据国际电工委员会( i e c ) 和美国仪表协会( i s a ) 的定义：现场总线是连接 智能现场设备和自动化系统的数字、双向传输、多分支结构的通信网络，它沟通 了生产、过程领域的基本控制设备( 即现场级设备) 之间以及与更高层次自动控制 领域的自动化控制设备( 即车间级设备) 之间的联系【2 】。 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 了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个 测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多 个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输 与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，现场总线控制 系统f c s 是把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把 它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。 1 2 2 第五代控制系统 现场总线( f i e l d b u s ) 是用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域 的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过 程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。 一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作f c 卜现场总线控制系 统。人们一般把5 0 年代前的气动信号控制系统p c s 称作第一代，把4 2 0 m a 等电动模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三 代，而把7 0 年代中期以来的集散式分布控制系统d c s 称作第四代。现场总线控 北京邮电大学硕上研究生学位论文 制系统f c s 作为新一代控制系统，一方面，突破了d c s 系统采用通信专用网络 的局限，采用了基于公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷。 另一方面把d c s 的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了新型全分布 式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现 场总线系统最显著的特础3 1 。 1 2 3 现场总线的国际标准 ( 1 ) i e c t c 6 5 ( i e c 第6 5 技术委员会) 1 9 9 9 年底i e c 通过的现场总线标准i e c l l 5 8 共有8 种类型，2 0 0 3 年有了修 订版，将8 种类型增加了2 种，达l o 种类型。 ( 2 ) i e c t c l 7 ( i e c 第1 7 技术委员会) i e c 6 2 0 2 6 有4 中现场总线类型即a s i ( a c 姒炯rs e n s o r i n t e r f a c e 执行器 传感器接口) ，主要由s i e m e i l s 公司支持；d e v i e n e t ( r o c k w e l l 公司) ；s d s ( s m a nd i s t r i b u t e ds y s t e m 灵巧式分散型系统) ( h o n e y w e l l ) ；s 嘶l e x ( 串联多 路控制总线) 。 ( 3 ) i s 0 1 1 8 9 8 与i s o l l 5 1 9 i s o ( i n t e m a t i o n a ls t 锄d a r d i z a t i o no r g a l l i z a t i o n 国际化标准组织) 亦是制订国 际标准的3 个组织之一。 c a ni s o l l8 9 8 ( 1 m b i t s ) c a nl s 0 1 1 5 1 9 ( 1 2 5 k b i t s ) c a n 主要由德国r o b e nb o s c h 公司支持。 1 2 4 现场总线的发展现状 ( 1 ) 多种总线共存 现场总线国际标准i e c 6 1 15 8 中采用了8 种协议类型，以及其它一些现场总 线。每种总线都有其产生的背景和应用领域【4 1 。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 r o r l d f i p ) ，医药领域1 8 ( f f 、 p r o f i b u s p a 、w 6 r l d f i 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 ce _ n e t ) ，航空、国防3 4 ( p r o f i b u s f m s 、 l o n w b r k s 、c o n 缸d 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 w 旧p 、d e v i c e n e t 、c o n 仃o l n e t ) ， 楼宇未统计( l o n w o d ! 【s 、 p r o f i b u s f m s 、d e v i c c n e t ) 。由此可见，随着时间的推移，占有市场8 0 左 右的总线将只有六七种，而且其应用领域比较明确，如f f 、p r o f i b u s p a 适 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文 用于冶金、石油、化工、医药等流程行业的过程控制，p r o f i b u s d p 、d e v i c e n e t 适用于加工制造业，l o n w b r k s 、p r o f i b u s f m s 、d e v i c e n e t 适用于楼宇、交通 运输、农业。但这种划分又不是绝对的，相互之间又互有渗透。 ( 2 ) 总线应用领域不断拓展 每种总线都力图拓展其应用领域，以扩张其势力范围。在一定应用领域中已 取得良好业绩的总线，往往会进一步根据需要向其它领域发展。如p r o 舳u s 在 d p 的基础上又开发出p a ，以适用于流程工业。 ( 3 ) 不断成立总线国际组织 大多数总线都成立了相应的国际组织，力图在制造商和用户中创造影响，以 取得更多方面的支持，同时也想显示出其技术是开放的。如w r o r l d f i p 国际用户 组织、f f 基金会、p r o 助u s 国际用户组织、p - n e t 国际用户组织及c o n 仃o l n e t 国 际用户组织等。 ( 4 ) 每种总线都以企业为支撑 各种总线都以一个或几个大型跨国公司为背景，公司的利益与总线的发展息 息相关，如p r o 胁u s 以s i e m e n s 公司为主要支持，c o n 臼0 1 n e t 以r o c k w e l l 公司 为主要背景，w o d d f 口以a l s t o m 公司为主要后台。 ( 5 ) 一个设备制造商参加多个总线组织 大多数设备制造商都积极参加不止一个总线组织，有些公司甚至参加2 4 个总线组织。道理很简单，装置是要挂在系统上的。 ( 6 ) 各种总线相继成为自己国家或地区标准 每种总线大多将自己作为国家或地区标准，以加强自己的竞争地位。现在的 情况是：p - n e t 已成为丹麦标准，p r o f i b u s 已成为德国标准，w b 订d f i p 已成为法 国标准。上述3 种总线于1 9 9 4 年成为并列的欧洲标准e n 5 0 1 7 0 。其它总线也都 成为各地区的技术规范。 ( 7 ) 在竞争中协调共存 协调共存的现象在欧洲标准制定时就出现过，欧洲标准e n 5 0 1 7 0 在制定时， 将德、法、丹麦3 个标准并列于一卷之中，形成了欧洲的多总线的标准体系，后 又将c o n 仃o l n e t 和f f 加入欧洲标准的体系。各重要企业，除了力推自己的总线 产品之外，也都力图开发接口技术，将自己的总线产品与其它总线相连接，如施 耐德公司开发的设备能与多种总线相连接。在国际标准中，也出现了协调共存的 局面。 ( 8 ) 以太网成为新热点 以太网正在工业自动化和过程控制市场上迅速增长，几乎所有远程i o 接口 技术的供应商均提供一个支持t c p 口协议的以太网接口，如s i 锄e n s 、r o c k w e l l 、 g e f a l l u c 等，他们除了销售各自p l c 产品，同时提供与远程i o 和基于p c 的 北京邮电大学硕士研究生学位论文 控制系统相连接的接口。f f 现场总线正在开发高速以太网，这无疑大大加强了 以太网在工业领域的地位。 1 2 5 现场总线的技术特点 l 、系统的开放性。 开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信息 交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里 的开放是指对相关标准的一致、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个开放系 统，它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。一个具有总线功能的现 场总线网络系统必须是开放的，开放系统把系统集成的权利交给了用户。用户可 按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。 2 、互可操作性与互用性。 这里的互可操作性，是指实现互连设备问、系统问的信息传送与沟通，可实 行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似 的设备可进行互换而实现互用。 3 、现场设备的智能化与功能自治性。 它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成， 仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 4 、系统结构的高度分散性。 由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种 新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了现有d c s 集中与分散相结 合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 5 、对现场环境的适应性。 工作在现场设备前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为在现场环境工 作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具 有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要 求等。 1 2 6 现场总线的技术优点 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的 设计、安装、投运到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。 l 、节省硬件数量与投资。 由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控 制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算 单元等，也不再需要d c s 系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复 4 北京邮电大学硕+ 研究生学位论文 杂接线，还可以用工控p c 机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，由于控 制设备的减少，还可减少控制室的占地面积。 2 、节省安装费用。 现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多 个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的 工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连 接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。据有关典型 试验工程的测算资料，可节约安装费用6 0 以上。 3 、节省维护开销。 由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相 关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息， 以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简 化，连线简单而减少了维护工作量。 4 、用户具有高度的系统集成主动权。 用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品 牌的产品被框死了设备的选择范围，不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一 筹莫展，使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。 5 、提高了系统的准确性与可靠性。 由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了 测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化，设备与连 线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可 靠性。此外，由于它的设备标准化和功能模块化，因而还具有设计简单，易于重 构等优点。 1 2 7 典型现场总线简介 1 、基金会现场总线 基金会现场总线，即f o u d a t i o nf i e l d b u s ，简称f f ，这是在过程自动化领域得 到广泛支持和具有良好发展前景的技术。其前身是以美国f i s h * r o u s e m o u n t 公 司为首，联合f o x b o r o 、横河、a b b 、西门子等8 0 家公司制订的i s p 协议和以 h o n e y w e u 公司为首，联合欧洲等地的1 5 0 家公司制订的w r o r d f i p 协议。这两大 集团于1 9 9 4 年9 月合并，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。它以i s o o s i 开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路 层、应用层为f f 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。 基金会现场总线分低速h l 和高速h 2 两种通信速率。h 1 的传输速率为 3 1 2 5 k b p s ，通信距离可达1 9 0 0 m ( 可加中继器延长) ，可支持总线供电，支持本 北京邮电大学硕士研究生学位论文 质安全防爆环境。h 2 的传输速率为1 m b p s 和2 5 m b p s 两种，其通信距离为7 5 0 i i l 和5 0 0 m 。物理传输介质可支持比绞线、光缆和无线发射，协议符合i e c l l5 8 2 标准。其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码，每位发送数据的中心位置或是 正跳变，或是负跳变。正跳变代表0 ，负跳变代表l ，从而使串行数据位流中具 有足够的定位信息，以保持发送双方的时间同步。接收方既可根据跳变的极性来 判断数据的“1 ”、“o ”状态，也可根据数据的中心位置精确定位。 2 、l o n w 6 d ( s 它是由美国e c e l o n 公司推出并由它们与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于 1 9 9 0 年正式公布而形成的。它采用了i s o o s i 模型的全部七层通讯协议，采用 了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通讯 速率从3 0 0 b p s 至15 m b p s 不等，直接通信距离可达到2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞线) ， 支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，并开发 相应的本安防爆产品，被誉为通用控制网络。 l o n w b d ! 【s 技术所采用的l o n t a l k 协议被封装在称之为n e u r o n 的芯片中并得 以实现。集成芯片中有3 个8 位c p u ；一个用于完成开放互连模型中第1 2 层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理；第二个用于 完成第3 6 层的功能，称为网络处理器，进行网络变量处理的寻址、处理、背 景诊断、函数路径选择、软件计量时、网络管理，并负责网络通信控制、收发数 据包等；第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存 储信息缓冲区，以实现c p u 之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。 如m o t o r o l a 公司生产的神经元集成芯片m c l 4 3 1 2 0 e 2 就包含了2 认m 和 2 k e e p r o m 。 在开发智能通信接口、智能传感器方面，l o n w 6 r k s 神经元芯片也具有独特 的优势。l o n w b r l 技术已经被美国暖通工程师协会a s r e 定为建筑自动化协议 b a c n e t 的一个标准。根据刚刚收到的消息，美国消费电子制造商协会已经通过 决议，以l o n w b r k s 技术为基础制定了e i a 7 0 9 标准。 这样，l o n w r o r k s 已经建立了一套从协议开发、芯片设计、芯片制造、控制 模块开发制造、o e m 控制产品、最终控制产品、分销、系统集成等一系列完整 的开发、制造、推广、应用体系结构，吸引了数万家企业参与到这项工作中来， 这对于一种技术的推广、应用有很大的促进作用。 3 、p r o f i b u s p r 0 6 b u s 是作为德国国家标准d i n1 9 2 4 5 和欧洲标准p r e n5 0 1 7 0 的现场总 线。i s o o s i 模型也是它的参考模型。p o m b u s 支持主一从系统、纯主站系统、 多主多从混合系统等几种传输方式。主站具有对总线的控制权，可主动发送信息。 对多主站系统来说，主站之间采用令牌方式传递信息，得到令牌的站点可在一个 6 北京邮电人学硕上研究生学位论文 事先规定的时间内拥有总线控制权，共事先规定好令牌在各主站中循环一周的最 长时间。按p r o f i b u s 的通信规范，令牌在主站之间按地址编号顺序，沿上行方向 进行传递。主站在得到控制权时，可以按主一从方式，向从站发送或索取信息， 实现点对点通信。主站可采取对所有站点广播( 不要求应答) ，或有选择地向一组 站点广播。 p r o 舶u s 的传输速率为9 6 1 2 k b p s 最大传输距离在1 2 k b p s 时为1 0 0 0 m ， 1 5 m b p s 时为4 0 0 m ，可用中继器延长至1 0 k m 。其传输介质可以是双绞线，也可 以是光缆，最多可挂接1 2 7 个站点。 4 、c a n c a n 是控制网络c o n t r o l a r e a n e t 、) l ，o r k 的简称，最早由德国b o s c h 公司推出， 用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现己被i s o 国际标 准组织制订为国际标准，得到了m o t o r o l a 、1 1 1 t e l 、p l l i l i p s 、s i 锄e i l s 、n e c 等公 司的支持，已广泛应用在离散控制领域。 c a n 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，不过， 其模型结构只有3 层，只取o s i 底层的物理层、数据链路层和顶上层的应用层。 其信号传输介质为双绞线，通信速率最高可达l m b p s 4 0 m ，直接传输距离最远 可达lo p s ，可挂接设备最多可达1 1 0 个。 c a n 的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8 个，因而传输时 间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能以切断该节点 与总线的联系，使总线c a n 支持多主方式工作，网络上任何节点均在任意时刻 主动向其它节点发送信息，支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收发送 数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个节点同时在网络上传输信息时，优先级 高的节点可继续传输数据，而优先级低的节点则主动停止发送，从而避免了总线 冲突。 已有多家公司开发生产了符合c a n 协议的通信芯片，如i n t e l 公司的8 2 5 2 7 ， m o t o r o l a 公司的m c 6 8 h c 0 5 x 4 ，p h i l i p s 公司的8 2 c 25 0 等。还有插在p c 机上 的c a n 总线接口卡，具有接口简单、编程方便、开发系统价格便宜等优点。 1 2 8 现场总线技术展望与发展趋势 现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成，涉及的内容十分广 泛。自动化系统的网络化是发展的大趋势，现场总线技术受计算机网络技术的影 响是十分深刻的。一些具有重大影响的网络新技术必将进一步融合到现场总线技 术之中，这些具有发展前景的现场总线技术有：智能仪表与网络设备开发的软硬 件技术；组态抗术，包括网络拓扑结构、网络设备、网段互连等；网络管理技术， 包括网络管理软件、网络数据操作与传输；人机接口、软件技术；现场总线系统 7 北京邮电大学硕士研究生学位论文 集成技术。总体说来，自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向前进， 就要向着趋于开放统一的方向发展，成为大家都遵守的标准规范，但由于这一技 术所涉及的应用领域十分广泛，几乎覆盖了所有连续、离散工业领域，如过程自 动化、制造加工自动化、楼半自动化、家庭自动化等等。众多领域，需求各异， 一个现场总线体系下可能不止容纳单一的标准。可能出现几大总线标准共存，甚 至在一个现场总线系统内，几种总线标准的设备通过路由网关互连实现信息共享 的局面。 上的其它节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。 在连续过程自动化领域内，f f 基金会现场总线将成为主流发展趋势， l o n w o r k s 将成为有力的竞争对手，h a r t 作为过渡性产品也能有一定的市场。 这3 种技术是从这一领域的工业需求出发，其用户层的各种功能是专业连续过程 设计的，而且充分考虑到连续工业的使用环境，如支持总线供电，可满足本质安 全防爆要求等。另外，f f 基金会几乎集中了世界上主要自动化仪表制造商， l 0 n w r o r k s 形成了全面的分工合作体系。这些因素对成为这一领域的主流技术是 十分关键的。 在离散制造加工领域，由于行业应用的特点和历史原因，其主流技术会有一 些差别。p r o f i b l l s 和c a n 在这一领域具有较强的竞争力。他们已经在这一领域 形成了自己的优势。 在楼宇自动化、家庭自动化、智能通信产品等方面，l o 州舾则具有独特 的优势。由于l o n w b 凼技术的特点，在多样化控制系统的应用上将会有较大的 发展。 虽然现场总线的标准统一还有种种问题，但现场总线控制系统的发展却已经 是一个不争的事实。基于现场总线的产品和应用的不断增多，现场总线控制系统 体系结构日益清晰，具体发展趋势表现在以下几个方面。 l 、 网络结构趋向简单化 早期的m a p 模型由7 层组成，现在r o c l ( 、) l ，e l l 公司提出了3 层结构自动化， f i s h e rr o s 锄o u i l t 公司提出了2 层自动化，还有的公司甚至提出1 层结构，由以 太网一通到底。目前比较达成共识的是3 层设备、2 层网络的3 + 2 结构。3 层设 备是位于底层的现场设备，如传感器执行器以及各种分布式i o 设备等，位于 中间的控制设备，如p l c 、工业在制计算机、专用控制器等；位于上层的是操作 设备，如操作站、工程师站、数据服务器、一般工作站等；2 层网络是现场设备 与控制设备之间的控制网，以及控制设备与操作设备之间的管理网。 2 、大量采用成熟、开放和通用的技术在管理网的通信协议上，越来越多 的企业采用最流行的t c p 口协议加以太网，操作设备一般采用工业p c 甚至普 通p c ，控制设备一般采用标准的p l c 或者是工业控制计算机等，而控制网络就 北京邮电大学硕上研究生学位论文 是各种现场总线的应用领域。 1 2 9 嵌入式系统概念 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应于 应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。它 一般由微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统和用户应用程序四部分组成。 与通用型计算机系统相比，嵌入式计算机系统具有以下特点： l 、嵌入式系统通常面向特定应用 嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群设计的系统中，通常具有功耗低、 体积小、集成度高的特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯 片内部，从而傻嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大太增强，与网络的耦合 也越来越紧密。 2 、嵌入式系统是多种技术的集成系统 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技求和各个行业的具 体应用相结合后的产物。这一点决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度 分散、不断创新的知识集成系统。 3 、嵌入式产品的生存能力很强 嵌入式系统与具体应用有机结合，它的升级换代也和具体产品同步进行，因 此嵌入式产品一旦进入市场，具有较强的生命周期。 4 、嵌入式系统的软件通常作为固件形式存在 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统的软件一般固化在存储器芯片 或单片机中，而不是存储在磁盘等外部载体中。 5 、嵌入式系统需要特定的开发环境和开发工具 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成后用户也不能对其中的 程序功能进行修改，必须利用特定的开发环境和开发工具。 1 2 1 0 嵌入式系统的组成 嵌入式系统通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入 式应用软件等几大部分组成。 1 、嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处理器的 最大不同点在于嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中。它通常把 通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设 计趋于小型化，并具有高效率、高可靠性等特征。嵌入式处理器可分为低端的嵌 入式微控制器( m i c r 0c o n 仃0 1 1 e ru i l i t ，m c u ) 、中高端的嵌入式微处理器( e h l b e d d e d m i c r op r o c e s s o ru i l i t ，e m p u ) 、常用于计算机通信领域的嵌入式d s p 处理器 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文 ( e m b e d d e dd i 西t a ls i g i l a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 和高度集成的嵌入式片上系统 ( s y s t e m o n c h i p ，s o c ) 。几乎每个大的硬件厂商都推出了自己的嵌入式处理器， 因而现今市面上1 0 0 0 多种嵌入式处理器芯片，其中以删，p o w e r p c ，m c 6 8 0 0 0 ， m i p s 等使用得最为广泛。 2 、这里所说的嵌入式外围设备，指在一个嵌入式硬件系统中，除了中心控 制部件( m c u 、d s p ，e m p u ，s o c ) 以外的完成存储、通信、保护、调试、显示 等辅助功能的其他部件。 3 、在嵌入式大型应用中，为了使嵌入式开发更方便、快捷，就需要具备相 应的管理存储器分配，中断处理，任务间通信和定时器响应，以及提供多任各处 理等功能的稳定的、安全的软件模块集合，即嵌入式操作系统。嵌入式操作系统 的引入大大提高了嵌入式系统的功能，方便了嵌入式应用软件的设计，但向时也 占用了宝贵的嵌入式资源。一般在比较大型或需要多任务的应用场合才考虑使用 嵌入式操作系统。当今流行的嵌入式操作系统包括v x w b r k s ，p s o s ，l i n u ) 【，d d t a o s 等。每一种嵌入式操作系统都有自身的优越性，用户可根据自己的实际应用 选择适当的操作系统。 4 、嵌入式应用软件是针对特定的实际专业领域的，基于相应的嵌入式硬件 平台的，并能完成用户预期任务的计算机软件。用户的任务可能有时间和精度的 要求。有些嵌入式应用软件需要嵌入式操作系统的支持，但在简单的应用场合下 不需要专门的操作系统。嵌入式应用软件和普通的应用软件有一定的区别。由于 嵌入式应用对成本十分敏感，因此为减少系统的成本，除了精简每个硬件单元的 成本外，尽可能地减少嵌入式应用软件的资源消耗也是不可忽视的重要因素。这 就要求嵌入式应用软件不但保证准确性、安全性、稳定性以满足应用要求，还要 尽可能地优化。 1 2 1 1 嵌入式系统软件意义上的分类 在软件方面嵌入式系统明显的可以分为两类： l 、无操作系统 这些系统多为8 1 6 位系统，硬件能力有限，不足以支持一个操作系统。在 这些系统中，不分系统软件和应用软件，运行的软件就是一个简单的控制循环， 无法实现象t c p p 这样复杂的网络协议，并由设计者提供所有必要的低级i o 方面的处理。 2 、有操作系统 基于e m p u 的嵌入式系统，硬件能力强大，如p o w e rp c8 6 0 的寻址空间 位4 g ，速度可达8 7 m i p s ，能够支持操作系统来合理的调度任务、利用系统资源、 降低应用设计的复杂性。 l o 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 2 1 2 空调新风系统简介 随着我国的高速发展，对能源的需求量也不断曾加因此要实现可持续发展就 必须提高能源的利用率。据调查城镇民用建筑运行耗电为全国总发电2 0 2 4 。 北方城镇采暖消耗燃煤超过1 3 亿吨标煤，为我国非发电用煤量的1 5 以上。保 温措施较好的建筑。开窗换气损失的热量成为冬季热负荷的主要部分。排风热回 收显热回收装置回收效率达到7 0 时，可使节能住宅与节能的一般性非住宅 建筑的采暖能耗降低4 0 5 0 。利用太阳能加热新风，既可降低采暖负荷，还 可提高房间空气品质。 以太阳能资源丰富、且利用价值较高的地区为研究对象。构筑一套冬季空调 节能复合体系太阳能热水一相变蓄热一空气水新风换热体系，如图l 所示。 将已研制的相变蓄热装置应用于该系统中，结合采用太阳能集热系统、热回收系 统实现房间有组织的通风换气、排风热量回收以及太阳能加热新风。使新风具有 承担部分室内采暖负荷的能力，实现可再生能源直接应用于空调供热系统的节能 目的。 太 焦 1 3 课题研究内容 图1 1 空调新风系统原理框图 目前，现场总线中的智能节点( 智能控制设备、仪器仪表等) 多选用早期的 8 位微控制器，仅可完成简单、低速的数据传输，不能满足工业现场的实时性和 可靠性要求，特别在连接请求较多或控制任务较复杂时，可靠性较差。本课题的 研究目标就是希望能够在现场总线的体系结构下，选用功能更强的a t 8 9 s 5 2 微 北京邮电大学硕士研究生学位论文 控制器，运行基于特定应用的嵌入式实时操作系统，进行合理的任务调度，从而 满足工业现场中对多任务、实时性和可靠性的要求。具体实现是构造一个测控系 统。在该系统中底层控制网络由c a n 总线构成，c a n 总线智能节点的功能主 要是接收控制信息实现对现场设备的控制。 课题具体完成的内容是： l 、c a n 控制网络中的多功能智能节点的具体实现进行研究和设计，主要包 括基于a t 8 9 s 5 2 单片机的多功能智能节点的硬件设计方法，硬件设计电路和软 件编程。节点总体功能是：实现温度、湿度、流量的实时监测；根据需要实时控 制电动阀门；接受执行和反馈上位机的命令。 2 、空调新风系统的模式研究和描述，新风控制系统的设计。新风系统中主 要测控设备有温度传感器，流量传感器，压力传感器，流量调节阀，通断阀等。 合理的分配智能节点对这些设备进行控制来实现6 种运行模式。 1 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章基于嵌入式系统的c a n 控制网络方案设计 2 1c a n 总线介绍 2 1 1c a n 总线特点 c a n 总线是德国b o s c h 公司从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协议，它是一种多主总线， 通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。c a n 总线通信接口中集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、 数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。 c a n 属于总线式串行通信网络，由干其采用了许多新技术及独特的设计， 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。其持点可概括如下： c a n 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数 据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制， 数据块的标识码可由1 1 位或2 9 位二进制数组成，因此可以定义2 1 1 或2 2 9 个不 同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数 据。数据段长度最多为8 个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及 测试数据的一般要求。同时，8 个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信 的实时性。c a n 协议采用c r c 检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据 通信的可靠性。c a n 卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业 过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并己公认为最有前途的 现场总线之一。 c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其 他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。利用 这一特点可方便地构成多机备份系统。 c a n 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1 3 4 “s 内得到传输。 c a n 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