（检测技术与自动化装置专业论文）基于can总线的智能检测系统的研究.pdf

论文题目： 专 业： 硕士生： 指导教师： 基于c a n 总线的智能检测系统的研究 检测技术与自动化装置 杨琨( 签名)捡丛 柴钰( 签名) 盛丑 摘要 随着计算机技术、通讯技术及控制技术的发展，现场总线技术随之产生。现场总线 技术的产生，推动了测控领域的网络化进程，也带动了仪器仪表的网络化发展。c a n 总线作为现场总线中的一种，有着实时性高、可靠性高等优点，在工业领域、医疗器械 等多个领域有着广泛的应用。 针对测控领域的网络化发展趋势，本文设计了基于c a n 总线通讯技术的智能检测 系统。本文以c a n 总线作为通信总线，并选用了高速、高集成度的c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机 设计了以数据采集为核心的c a n 总线检测系统。 整个智能检测系统由上位机( p c ) 、c a n 2 3 2 节点和数据采集节点组成。 通过对c a n 协议的分析，本文设计实现了c 8 0 5 1 f 0 4 0 芯片的c a n 总线接口函数。 并在此基础上设计完成了c a n 2 3 2 节点，实现了数据采集节点的c a n 总线与上位机之 间的数据交换。 针对本系统的需要，本文设计实现了电压电流的采集、转速的采集、c a n 总线的 隔离、键盘与显示等电路。 在k e i lc 5 1 的环境下，采用模块化方法，设计完成了各个模块：电压电流采集模 块、转速测量模块、c a n 总线通讯模块、l c d 显示模块、键盘扫描模块等各模块的设 计工作。通过对主程序的仔细分析与设计，实现了各个任务的合理调度，达到了系统的 设计要求。 通过对仪表进行全面的抗干扰分析与设计、系统自动校准设计、总线式数字通讯等 方法，使本文设计的检测系统中的模块具有较高的智能化。并通过对通讯方案的详细分 析与设计，提高了通讯的可靠性。 通过在p c 机上的v i s u a lc + + 的编程，本文在p c 机上实现了对数据采集节点的数 据记录、数据监控、报警等功能。 关键词：现场总线；c a n 总线；单片机；数据采集 研究类型：应用研究 s u b j e c t s p e c i a l t y ：r e s e a r c ha n dd e s i g no fi n t e l l i g e n td a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m b a s e do nc a nb u s ：d e t e c t i n gt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i ce q u i p m e n t n a m e ：y a n gk u n i n s t r u c t o r ：c h a iy u a b s t r a c t ( s i g n a t ur e ) ( s i g n a t u r e ) w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o n t r o l t e c h n o l o g y ，f i e l db u st e c h n o l o g ya p p e a r e d f i e l db u st e c h n o l o g yp r o m o t e st h ed e v e l o p m e n t o ft h ei n s t r u m e n t ，m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m c a nb u sa saf i e l db u s ，h a sal o to f a d v a n t a g es u c ha sr e a l t i m e ，h i g hr e l i a b i l i t y ，a sw e l lh a sal o to fa p p l i c a t i o n si nt h ef i e l do f i n d u s t r y ，m e d i c a le q u i p m e n t ，a n do t h e r s f o rt h ed e v e l o p m e n to ft h ef i l e db u s ，t h i sp a p e ru s et h ec a nb u sa st h ec o m m u n i c a t i o n b u s ，s e l e c tt h ec 8 0 51f 0 4 0w h i c hh a st h ea b i l i t yo fh i g hs p e e d ，h i g hi n t e g r i t y ，d e s i g n e dt h e d 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 t h ei n t e l l i g e n td a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mc o n s i s t so fp c ，c a n 一2 3 2n o d ea n dt h ed a t a a c q u i s i t i o nn o d e s b ya n a l y z i n gt h ep r o t o c o lo fc a nb u s ，t h i sp a p e rd e s i g n e da n dr e a l i z e dt h ec a nb u s i n t e r f a c ef u n c t i o nb a s e do nc 8 0 51f 0 4 0 ，t h e nf i n i s h e dt h ed e s i g no ft h ec a n - 2 3 2n o d e ， f u l f i l l e dt h ed a t ae x c h a n g eb e t w e e nt h ed a t aa c q u i s i t i o nn o d e sb a s e do nc a nb u sa n dp c a c c o r d i n gt ot h en e e do f t h i ss y s t e m ，t h i sp a p e rd e s i g n e dt h ec i r c u i to fc u r r e n t ，v o l t a g e a n ds p e e da c q u i s i t i o n ，k e y b o a r da n dd i s p l a yc i r c u i ta sw e l la st h ec i r c u i to fi s o l a t i o no fc a n b u s i nt h ee n v i r o n m e n to fk e i lc 51 ，u s i n gt h em o d u l a rd e s i g na p p r o a c h ，t h i sp a p e r c o m p l e t e da l lm o d u l e s ，s u c h a s v o l t a g ea n d c u r r e n t a c q u i s i t i o nm o d u l e ，c a nb u s c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，s p e e dm e a s u r e m e n tm o d u l e ，l c dm o d u l e ，a n dk e y b o a r ds c a n n i n g m o d u l e t h r o u g ht h ea r r a n g e m e n to fa l lt h et a s k s ，t h i sp a p e ra c h i e v e dt h er e q u i r e m e n to ft h i s s y s t e m t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dd e s i g no fa n t i - j a m m i n g ，s e l f - a d j u s t m e n ta n dt h ed i g i t a l c o m m u n i c a t i o n ，t h en o d e si nt h i ss y s t e mh a v eh i g hi n t e l l i g e n c e t h ea p p l i c a t i o no fc a nb u s i nt h i ss y s t e mi m p r o v e dt h er e l i a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o n b ym o d u l a t i n gt h ep r o g r a mo ft h i ss y s t e mb a s e do nt h ee n v i r o n m e n to fv i s u a lc + + ，t h i s p a p e ra c h i e v e dt h ef u n c t i o no fd a t ar e c o r d i n g ，d a t am o n i t o r i n ga n da l a r m k e y w o r d s ：f i e l d b u sc a nb u s s i n g l e c h i p d a t a a c q u i s i t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 妻料技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：彻如 日期：v 9 扩t e f r 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。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电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：帕轨 指导教师签名： 硼辱争其t s e t 1 绪论 l 绪论 1 1 研究背景和意义 随着控制技术、计算机技术和通信技术的发展，控制系统经历了从分散式到集中式， 从模拟信号到数字信号的发展过程。大致可以概括为：基地式监控系统、电动单元组合 式模拟仪表监控系统、集中式数字监控系统、集散监控系统d c s 、现场总线监控系统 f c s 。数字化作为一种趋势正从工业生产过程的决策层、管理层、监控层和控制层一起 渗透到现场设备，现场总线技术就是在这种需要下产生的。开放的、可互操作的现场总 线控制系统把许多现场设备连接在同一总线上，实现双向的数字通信，实现了信号传输 的全数字化和测控系统的网络化。 1 1 1 传统控制系统 基地式监控系统【lj ：在上世纪5 0 年代控制系统的基本控制单元是基地式气动控制仪 表，它以压缩空气为动力，采用简单的就地操作模式，主要用于大型阀门的启闭。 电动单元组合式模拟仪表监控系统：随着生产规模的扩大和系统复杂程度的提高， 以基于0 1 0 m a 或4 2 0 m a 电流信号的电动单元组合式模拟仪表为基本控制单元的第二 代控制系统随之出现。由于实际条件的限制，它只能实现比较简单的闭环控制，如单参 数的p i d 调节和简单的串级前馈控制，而无法实现如最优控制、自适应控制等复杂控制 功能。 集中式数字监控系统：7 0 年代随着计算机技术的出现和成熟，人们开始在测量以及 逻辑控制单元上率先使用计算机，计算机集中式数字监控系统随之出现。集中式数字监 控带来了集中管理、控制、监视、报警和收集历史数据等优点，同时也伴随着布线费用 高、不便于扩展、危险集中、可靠性低等缺点。这种系统可以实现复杂的控制运算，发 挥了计算机的特长；但一旦计算机发生故障整个控制系统都会瘫痪。因此这种控制方式 风险很大，在工业生产过程中没有广泛采用。 集散监控系统d c s t 2 】：随着计算机技术的进步，其性价比大幅度提高，出现了数字 调节器、可编程控制器p l c 等新型的控制设备，由多个控制设备递阶构成的集中分散 相结合的d c s 控制系统也随之出现。d c s 系统中，测量变送、执行器一般由模拟仪表 完成，它们与位于监控室、实现控制计算、监视的计算机一起共同构成监控系统，因而 是种其信号需在现场与监控室之间往返传递的模拟数字混合系统。这种系统在功能、 性能上较模拟仪表、集中式数字监控系统有了很大进步，可实现现场装置级、车间级的 优化监控，具有控制算法先进、精度高、响应速度快等优点，可以满足安全可靠、维护 西安科技大学硕士学位论文 方便、风险相对分散等要求，是目前广泛采用的一种控制结构 3 1 。 当今d c s 技术己经发展得相当成熟，但它仍存在着如下缺点： 1 仍然是一种模拟一数字混合系统，模拟信号传输不仅精度低，而且易受干扰。 2 结构上严格遵循主从式，没完全突破集中控制思想；一旦主机故障，系统可靠性 就无法保障。 3 d c s 系统一般是自成体系，属于非开放式专用网络，各系统互不兼容，不利于继 续提高系统组态的灵活性和可维护性。 4 一对一结构。一台仪表，一对传输线，单向传输一个信号。这种一对一结构造成 接线庞杂、工程周期长、安装费用高、维护困难。 5 操作员在控制室既不了解模拟仪表的工作状况，也不能对其进行参数调整，更不 能预测事故，导致操作员对其处于失控状态。由于操作员不能及时发现现场仪表的故障， 而由此引发的事故已屡见不鲜。 6 互操作性差。尽管模拟仪表统一了4 - 2 0 m a 的信号标准，可是大部分技术参数仍 由制造商自定，致使不同品牌的仪表无法互换。这就导致了用户依赖制造厂，无法使用 性能价格比最优的配套仪表，甚至出现个别制造商垄断市场的情况。 1 1 2 现场总线控制系统 ( 1 ) 现场总线控制系统的发展历史与现状 现场总线是一个数字通讯系统，它把现场的设备比如传感器、执行器、控制器等相 互连接成为一个统一的网纠4 1 。现场总线起始于2 0 世纪8 0 年代。欧洲、北美、亚洲的 许多国家都投入巨额资金与人力研究开发该项技术，出现了现场总线技术与产品百花齐 放、兴盛发展的态势【3 j 。例如丹麦p r o c e s sd a t a 公司1 9 8 3 年推出的p - n e t 、s i e m e n s 公司 1 9 8 4 年推出的p r o f i b u s 、法国a l s t o n 公司1 9 8 7 年推出的f i p 等都是早期推出且至今 仍有较大影响的总线技术。 在发达国家，现场总线技术从2 0 世纪8 0 年代开始出现并被逐步推广，现在己经被 广泛接受和使用。2 0 0 2 年欧洲有4 0 的自动化工程项目采用了现场总线控制系统，预 计到2 0 0 5 年将达6 5 7 0 。在国内，现场总线首先用在外国公司在华投资的生产线， 如外资汽车生产企业的生产线大多用到了现场总线技术，后来啤酒灌装、烟草加工、机 械装配、产品包装等生产线也大量使用现场总线。此外，市政工程、楼宇、智能化小区 建设也开始使用现场总线。 现场总线技术的推出虽然只有短短二十几年，但其技术的先进性已经得到了工业界 的广泛认可，其良好的应用前景和广阔的市场受到诸如s i e m e n s ，m o t o r o l a ，h o n e y w e l l 等诸多世界大公司的高度重视。就国内而言，自二十世纪术以来，现场总线技术的研究 开始进入起步阶段，1 9 9 7 年5 月中国现场总线( f f ) 专业委员会建立，并筹建f f 现场 2 1 绪论 总线产品认证中心；同年7 月中国现场总线( p r o f i b u s ) 专业委员会组建，同时开始筹 建现场总线( p r o f i b u s ) 产品演示及认证实验室。此后，包括清华大学、浙江大学在内 的许多高校、科研院所先后建立自己的现场总线实验室，用于现场总线控制技术的教学 实践与研究开发。2 0 0 1 年1 1 月，国家发展计划委员会在当前优先发展的高技术产业 化重点领域指南( 2 0 0 1 年度) 中将现场总线技术及其智能仪表的研究、开发及推广应 用列为优先发展的高科技重点领域之一。 现场总线控制系统( f c s ，f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 是继基地式气动仪表控制系统、 电动单元组合式模拟仪表控制系统、计算机集中式数字控制系统和集散式控制系统 ( d c s ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 后的新一代控制系统。f c s 是信息数字化、控制功 能分散化、开放式可互操作的工业自动化控制系统，同时也是智能化、数字化、网络化 在实际生产中的发展结果。现代工业控制思想的核心是“分散控制，集中监控。现场 总线控制系统把控制彻底下放到现场，由现场的智能仪表完成诸如数据采集、数据处理、 控制运算和数据输出等大部分功能，只有一些现场仪表无法完成的高级控制功能才由上 位机完成，而且现场节点之间可以相互通信实现互操作，现场节点也可以把自己的诊断 数据传送给上位机，有益于设备管理【5 1 。 作为新一代的过程控制系统，现场总线控制系统无疑具有十分广阔的发展前景。它 的出现，必将对控制领域产生深刻的变革，并对社会生产力的发展起到极大的促进作用。 ( 2 ) 现场总线控制系统的特点 与传统控制系统相比较，f c s 的特点具体表现如下【6 】【7 】： 1 开放性：现场总线系统克服了分布式控制系统( d c s ) 采用专用网络通信所造成 的系统封闭的缺陷。现场总线标准保证了不同厂家的产品可以互换。 2 全数字化：现场总线设备在总线上传输的是数字信号。数字化信号固有的高精度、 抗干扰特性能提高了控制系统的可靠性。 3 全分布式：在f c s 中各现场设备有足够的自主性，它们彼此之间相互通信，完 全可以把各种控制功能分散到各种设备中，而不再需要一个中央控制计算机，实现真正 的分布式控制。 4 双向传输：传统的4 2 0 m a 电流信号，一条线只能传递一路信号。现场总线设备 则在一条线上既可以向上传递传感器信号，也可以向下传递控制信息。 5 自诊断：现场总线仪表本身具有自诊断功能，而且这种诊断信息可以送到中央控 制室，以便维护。 6 节省布线及控制室空间：在f c s 中多台现场设备可串行连接在一条总线上，这 样只需极少的线缆进入中央控制室，大量节省了布线费用，同时也降低了中央控制室的 造价。 7 多功能仪表：可在一个仪表中集成多种功能，做成多变量变送器，集检测、运算、 西安科技大学硕士学位论文 控制于一体。 8 智能化与自治性：现场总线设备能处理各种参数、运行状态信息及故障信息，具 有很高的智能化，能在部件甚至网络故障的情况下独立工作，大大提高了整个控制系统 的可靠性和容错能力。 ( 3 ) 主要的现场总线 现场总线技术出现于8 0 年代，经过二十多年的发展，据分析目前世界上已经出现 过的现场总线超过了1 0 0 种，自主开发型的就有4 0 多种。有几种现场总线技术已经逐 步形成其影响并在一些特定的应用领域中显示了自己的优势，主要是： 1 l o n w o r k s ：l o n w o r k s 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。其通信速率从3 0 0 b p s 到1 5 m b p s 不等，直接通信距离可达2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞线) 。它支持双绞线、同轴 电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通讯介质。l o n w o r k 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 的神经元芯片中而得以实现。l o n w o r k s 是由美国e c h e l o n 公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，在1 9 9 0 年正式公布而形成的。目前 它已被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过 程控制等行业。 2 c a n - c a n 是控制局域网络( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 的简称，其模型结构采 用了i s o o s i 底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。c a n 最早由德国的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。目前已得到m o t o r o l a ，i n t e l ， p h i l i p s ，s i e m e n s ，n e c 等公司的支持，广泛应用在离散控制领域。其信号传输介质为 双绞线。通信速率最高可达1 m b p s ( 对应传输距离为4 0 m ) ，直接传输距离最远可达1 0 k m ( 对应的传输速度为5 k b p s ) 。可挂接设备数最多可达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，使总线上的其它节点及其 通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。 3 h a r t ：h a r t 是h i g h w a ya d d r e s sr e m o t et r a n s d u c e r 的缩写，即可寻址远程传 感器高速通道的开放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字信号通道。 协议规定了一系列的命令，按命令方式工作，并采用统一的设备描述语言d d l 。h a r t 最早由r o s e m o u n t 公司开发并得到八十多家著名仪表公司的支持。 4 i n t e r b u s ：它是由德国p h e o n i x 公司二位德国工程师于1 9 8 5 年开始开发，于1 9 8 7 年在汉诺威( h a n n o v e r ) 展会上提出的将p l c 并联接线方式改为串联的新概念。它的技 术特点有：可传输实时i o 数据和离散性长数据；环形拓扑结构，扩展方便；b k 模块 方便地实施支路通行，不会因中间环路损坏而影响网络使用；在与远程总线连接时，不 必停止总线上的节点；可使用多种介质，如双绞屏蔽电缆、光缆等。 4 1 绪论 5 c o n t r o l n e t ：它的基础技术是由美国r o c k w e l la u t o m a t i o n 公司自动化技术研究发 展起来的，于1 9 9 5 年1 0 月开始面世。它的技术特点有：在单根电缆上支持两种信息传 输，一种是对时间有严格苛求的信息传输，另一种是对时间无苛求的信息发送和程序的 上传下载；采取新的通信模式生产者客户的模式取代了传统的源目的的模式。它支持 点对点通讯，而且允许同一时间向多个设备通信；可使用同轴电缆，长度达6 0 0 0 m ，可 建起节点最多达9 9 个，两节点间最长距离达1 0 0 0 m 。网络拓扑结构可采用总线、树型 和星型，安装简单、扩展方便，具有介质冗余、本质安全、诊断功能良好的特点。 此外还有f f 、s w i f t n e t 、w o r l d f i p 等现场总线。 ( 4 ) 现场总线控制技术的发展前景 集散型控制系统d c s ( d i s t r i b u t i o n c o n t r o ls y s t e m ) 自7 0 年代中期问世以来，已在 过程控制领域成功地应用了3 0 多年。d c s 以其体系结构上的优势，如集中控制、分级 管理、危险分散，在各个领域的实际应用中取得了相当大的成效，并为业界人士所认同。 然而，由于d c s 本身以及控制设备存在一些实际问题，诸如系统综合信息能力差、系 统构成复杂、各生产商的产品互操作性差以及现场仪表与控制设备不具备双向通信能 力、控制速度不能满足实际要求等，使d c s 系统应用受到一定约束【引。 随着控制技术、计算技术、通信技术、网络技术以及模块化集成技术的发展，在8 0 年代中后期出现现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。它是企业的底层数 字通信网络，是连接微机化仪表的开放系统。随着科技水平的日益提高，多种现场总线 技术己经在各自的领域发挥了优势，显示了强大的生命力。现场总线使现场仪表与控制 系统和控制室实现了网络互连和全分散、全数字化、智能、双向、多变量、多点、多站 的通信，改变了传统上运用的4 2 0 m a 的模拟信号标准，是工控系统全数字化的一个变 革。可以预见，随着现场总线技术发展及其在工业自动化领域的不断深入，传统的d c s 必将为f c s 所全面取代一j 。 ( 5 ) 现场总线技术对仪器仪表的影响 仪器仪表作为控制系统的底层单元，起着数据获取、处理与传输的作用。早期的仪 表是模拟式仪表，现在通常称之为传统仪表。这种仪表一般由传感元件和信号调整与转 换电路组成。它由模拟电路组成，只能进行信号处理，基本不具备信息处理能力和自我 管理能力。 随着计算机技术、通讯技术与控制技术的发展，智能仪表应运而生。智能仪表的出 现，极大地扩充了传统仪表的应用范围。智能仪表凭借其体积小、功能强、功耗低等优 势，迅速在家用电器、科研单位和工业企业等诸多领域得到了广泛的应用【l o 】1 0 。 现场总线技术的出现，进一步推动了仪器仪表的发展。现场总线技术对当今仪器仪 表的影响主要体现在以下几个方面j ： 1 用一对通信线连接多台数字仪器仪表代替一对信号线只能连接一台模拟仪器仪 西安科技大学硕士学位论文 表： 2 用多变量、双向、数字通信方式代替单变量、单向、模拟传输方式； 3 用多功能的现场数字仪器仪表代替单功能的现场模拟仪器仪表。 当今，现场总线及由此而产生的现场总线智能仪器仪表和控制系统已成为全世界范 围自动化技术发展的热点，这一涉及整个自动化和仪表工业“革命 和产品全面换代的 新技术在国际上引起人们广泛的关注。随着国际现场总线标准的实施，现场总线技术的 成熟以及现场总线控制系统的推出，它将对我国仪器仪表和自控领域产生巨大的影响。 1 2 本文的主要研究内容 本文主要以我校的开关磁阻电机实验平台为应用背景，针对现场总线技术的发展与 智能仪表技术的发展，采用c a n 总线为通讯协议，研究了基于c a n 总线实现数字通讯 的智能检测系统。它主要由上位机与多个数据采集模块构成。其中，数据采集模块完成 数据的采集、数据的处理、数据的发送、数据的就地显示和报警，上位机完成数据接收、 显示、记录与监控。采用基于c a n 总线的通讯技术，以提高系统通讯的稳定性与可靠 性。具体包括以下几个方面的工作： 1 分析研究了c a n 2 0 b 协议，并针对c 8 0 5 1 f 0 4 0 的具体特点，完成了c a n 通讯 在c 8 0 5 1 f 0 4 0 上的实现。 2 采用s i l a b s 公司的高速单片机c 8 0 5 1 f 0 4 0 构建数据采集模块，实现了数据采集与 处理功能。 3 设计完成了c a n 2 3 2 节点，实现了上位机( p c ) 通过r s 2 3 2 接口完成c a n 消 息的接收与发送。 4 在v i s u a lc + + 的环境下，设计完成了具有数据采集、数据监控与数据记录功能的 上位机监控软件。 5 利用数据采集节点、c a n 2 3 2 节点与上位机，构建了基于c a n 总线的分布式数 据采集网络，实现了上位机与数据采集节点之间的数字通讯。 1 3 本章小结 本章主要介绍了本文研究的背景、目的和意义。在分析了现场总线技术的产生、发 展与现状，以及现场总线对控制系统和仪器仪表产生的影响后，本文给出了一个基于 c a n 总线的智能检测系统的设计方案。 6 2 控制器局域网总线c a n 2 控制器局域网总线c a n 2 1c a n 总线简介 c a n ，全称为”c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的 现场总线之一。 1 9 8 6 年2 月，b o s c h 公司在s a e ( 汽车工程协会) 大会上介绍了一种新型的串行 总线c a n 控制器局域网，c a n 由此诞生。今天，在欧洲几乎每一辆新客车均装配有 c a n 局域网。同样，c a n 也用于其他类型的交通工具，从火车到轮船。c a n 也用于工 业控制。目前，c a n 已经成为全球范围内最重要的总线之一。 2 0 世纪9 0 年代初，b o s c hc a n 规范( 2 0 版) 被提交作为国家标准。在1 9 9 3 年1 1 月公布了c a n 的i s 0 1 1 8 9 8 标准。定义了2 9 位的扩展标识符，最高波特率1 m b p s 。 为促进c a n 以及c a n 协议的发展，1 9 9 2 年3 月，“自动控制中的c a n ”c i a ( c a n i n a u t o m a t i o n ) 用户组织j 下式成立。在c i a 的努力推广下，c a n 技术在汽车电控制系统、 电梯控制系统、安全监控系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输等方面均得到了广泛的 应用。现已有4 0 0 多家公司加入了c i a ，c i a 已经成为全球应用c a n 技术的权威。 c a n 由于采用了新的技术和独特的设计，使该总线于一般的通信总线相比，具有 突出的可靠性、实时性和灵活性，能有效支持分布式控制及实时控制【1 2 】，并支持多主机 方式，具有低层解决通信冲突的能力。其特点具体概括如下： 1 低成本 2 极高的总线利用率 3 c a n 的直接通讯距离最远可达1 0 k m ( 速率在5 k b p s 以下) ；通信速率最高可达 1 m b p s ( 此时通信距离最多为4 0 m ) 4 可根据报文的i d 决定接收或屏蔽该报文 5 可靠的错误处理和检错机制 6 发送的信息遭到破坏后，可自动重发 7 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能 8 报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息 9 c a n 是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。 1 0 多主方式工作，网络上任意节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送 信息 1 1 在报文标识符上，c a n 上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求， 优先级高的数据最多可在1 3 4 微秒内得到传输。 7 西安科技大学硕士学位论文 1 2 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出现冲突时， 优先级较低的节点就会主动地退出发送，而最高优先级的节点就会不受影响的继续传输 数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间 1 3 c a n 节点只需通过对报文标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播 等几种方式传送接受数据 1 4 c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个。标准帧的报文标 识符有1 1 位，而扩展帧的报文标识符( 2 9 位) 的个数几乎不受限制。 1 5 报文采用短帧结构，每一帧8 个字节，传输时间短，受干扰概率低，保证了数 据出错率极低。 1 6 c a n 每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施，具有极好的检错效果。 1 7 c a n 的通信介质选择灵活，可为双绞线、同轴电缆或光纤。 1 8 c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的 操作不受影响。 1 9 c a n 总线具有较高的性能价格比。它结构简单，器件容易购置，每个节点的价 格较低，而且开发技术容易掌握，能充分利用现有的单片机开发工具。 2 0 信号调制解调方式采用不归零( n r z ) 编码解码方式，并且采用插入填充位( 位 填充) 技术。 c a n 总线上任意两个节点之间的最大传输距离与其位速率有关，具体数值见表 2 一l 。 表2 - 1c a n 位速率与最大传输距离的关系 2 2c a n 总线技术规范 c a n 总线遵循i s o o s i 的模型，以保证c a n 器件之间的兼容性。c a n 被细分为 以下不同的层次： 1 c a n 对象层 8 2 控制器局域网总线c a n 2 c a n 传输层 3 物理层 对象层和传输层包括所有由i s o o s i 模型定义的数据链路层的服务和功能。对象层 的作用范围包括： 1 查找被发送的报文。 2 确定由实际要使用的传输层接收哪一个报文。 3 为应用层相关硬件提供接口。 传输层的作用主要是传送规则，也就是控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标 定、故障界定。总线上什么时候开始发送新报文及什么时候开始接收报文，均在传输层 里确定。位定时的一些普通功能也可以看作是传输层的一部分。 物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位信息的实际传输。 应用层 对象层 报文滤波 报文和状态的处理 传输层 故障界定 报文检验 应答 仲裁 报文分帧 传输速率和定时 物理层 信号电平和位表示 传输媒体 图2 1c a n 节点的层结构 2 2 1c a n 总线报文传输 c a n 总线的报文传输由以下4 个不同类型的帧所表示和控制： 数据帧：数据帧携带数据从发送器到接收器。 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。 错误帧：任何单元检测到一个总线错误就发出错误帧。 过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧( 或远程帧) 之间提供一附加的延时。 ( 1 ) 数据帧 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、c r c 场、应答场、帧结尾。数据场的长度可 9 西安科技大学硕士学位论文 以为0 。 c a n 2 0 a 数据帧的组成如图2 - 2 所示： 数据帧 帧间窄间 帧问空间 或超载帧 帧起始仲裁场控制场数据场c r c 场应答场帧结束 图2 2 数据帧的组成 帧起始，它标志着数据帧或远程帧的起始，由一个单独的“显性 位组成。只有在 总线处于空闲状态时，才允许站开始发送，所有站都必须同步于首先开始发送的那个站 的帧起始前沿。 仲裁场包括识别符和远程发送请求位( r t r ) 。识别符的长度为1 1 位。这些位的发 送顺序是从i d 一1 0 到i d 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 位在数据帧里必须为“显性”，而在远程帧里必须为“隐性 。 仲裁场 帧起始 控制场 标识符 r t r 位 图2 3 仲裁场的组成 控制场由6 个位组成，包括数据长度代码和两个将来作为扩展用的保留位。所发送 的保留位必须为“显性。接收器接收所有由“显性 和“隐性 组合在一起的位。数 据长度代码指示了数据场中字节数量。数据长度代码为4 个位，在控制场旱被发送。数 据字节允许数目为0 8 。数据长度码中数据字节数目编码如表2 1 所示。其中，d 表示 显性位，r 表示隐性位。 控制场 数据场或 仲裁场 r lr 0d l c 3d l c 2d l c ld l c 0 c r c 场 图2 - 4 控制场的组成 表2 - 2 数据长度码中数据机直接编码 数据场由数据帧中的发送数据组成。它可以为0 8 个字节，每字节包含了8 个位， 1 0 2 控制器局域网总线c a n 首先发送最高有效位( m s b ) 。 c r c 场包括c r c 序列，其后是c r c 界定符。如图2 5 所示。 c r c 场 数据场或 c r c 场 c r c 序列c r c 界定符 图2 - 5c r c 场的组成 c r c 序列由循环冗余码求得的帧检查序列组成，最适用于位数小于1 2 7 的帧。为实 现c r c 计算，被除的多项式系数由包括帧起始、仲裁场、控制场、数据场在内的位给 出，其1 5 个最低位的系数为0 ，此多项式被发生器产生的多项式除( 系数为模2 运算) ， 该多项式除法的余数即为发向总线的c r c 序列。c r c 界定符必须为“l 。c r c 的位填 充均由硬件实现。 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“隐性 位来作出回答。 应答界定符：应答界定符是应答场的第二个位，并且是一个必须为“隐性 的位。 帧结尾由由7 个“隐性 位组成。每一个数据帧和远程帧均由这一标志序列界定。 ( 2 ) 远程帧 需要获得数据的节点可以借助发送一个远程帧来请求对应的节点发送数据给它。 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 8 的任何数值。远程帧的组成如图2 - 6 所 不。 远程帧 帧间空间或 帧间空间 起始帧 帧起始仲裁场控制场 c r c 场 应答场帧结束 图2 6 远程帧的组成 ( 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。错误帧的组成如图2 7 所示。 西安科技大学硕士学位论文 错误帧 数据帧 帧间空问或 错误标志及 错误界定符 起始帧 错误叠加标志 图2 7 错误帧的组成 有两种形式的错误标志，主动错误标志和被动错误标志。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。 检测到错误条件的“错误主动”的站通过发送主动错误标志，以指示错误。错误标 志的形式破坏了从帧起始到c r c 界定符的位填充规则，或者破坏了应答场或帧末尾场 的固定形式。所有其他的站由此检测到错误条件并与此同时开始发送错误标志。因此， “显性 位的序列导致一个结果，这个结果就是把各个单独站发送的不同的错误标志叠 加在一起。这个顺序的总长度最小为6 个位，最大为1 2 个位。 检测到错误条件的“错误被动”的站试图通过发送被动错误标志，以指示错误。“错 误被动”的站等待6 个相同极性的连续位( 这6 个位处于被动错误标志的开始) 。当这6 个相同的位被检测到时，被动错误标志的发送就完成了。 错误界定符包括8 个“隐性 的位。 错误标志传送了以后，每一站就发送“隐性”的位并一直监视总线直到检测出一个 “隐性”的位为止。然后就开始发送7 位以上的“隐性 位。 ( 4 ) 过载帧 过载帧包括两个位场：过载标志和过载界定符。其组成如图2 8 所示。 帧结束或 过载帧 帧间空间或 过载界定符 过载标志及过载叠加过载界定过载帧 错误界定符 标志符 图2 - 8 过载帧的组成 有两种过载条件都会导致过载标志的传送： 1 接收器的内部条件( 此接收器对于下一数据帧或远程帧需要有一延时) 。 2 间歇场期间检测到一“显性 位。 由过载条件l 而引发的过载帧只允许起始于所期望的间歇场的第一个位时间开始。 而由过载条件2 引发的过载帧应起始于所检测到“显性 位之后的位。 过载标志由6 个“显性”的位组成。过载界定符包括8 个“隐性的位。 ( 5 ) 帧问空间 数据帧( 或远程帧) 与其前面帧的隔离是通过帧间空间实现的，无论其前面的帧为 何类型( 数据帧、远程帧、错误帧、过载帧) 。所不同的是，过载帧与错误帧之前没有 帧间空间，多个过载帧之间也不是由帧间空间隔离的。 1 2 2 控制器局域陬总线c a n 2 2 2c a n 总线编码方式 帧的部分，诸如帧起始、仲裁场、控制场、数据场以及c r c 序列，均通过位填充的 方法编码。无论何时，发送器只要检测到位流罩有5 个连续识别值的位，便自动在位流 里插入一补码位。数据帧或远程帧的剩余位场( c r c 界定符、应答场和帧末尾) 形式相 同，不填充。错误帧和过载帧的形式也相同，但并不通过位填充的方法进行编码。 报文里的位流根据“不返回到零 ( n i 屹) 的方法来编码。这就是说，在整个位时 间里，位电平要么为“显性”，要么为“隐性 。“显性表示逻辑“0 ”，“隐性”表示逻 辑“1 ”。当“显性 和“隐性 位流同时发送时，总线数值将表现为“显性”。在“隐 性 状态下，一日和一l 被固定于2 5 v 左右，c a n - h 与c a n - l 的差分电平近似 为0 。在“显性状态下，吃以大于最小阈值的差分电压表示，近似为2 v 。c a n 总线 电平的数值表示如图2 9 所示。 u 3 5 平均电压水平2 5 1 5 t ( s ) 图2 - 9c a n 总线电平 2 3 本章小结 本章研究分析了c a n 2 0 b 协议，研究了c a n 总线的技术特点、报文结构、编码方式 等内容，为实现c 8 0 5 1 f 0 4 0 上的c a n 通讯进行了深入的理论研究。 西安科技大学硕士学位论文 3 检测