（制浆造纸工程专业论文）基于can现场总线的造纸实验室测试信息管理系统的研究.pdf

华南理工大学 位论文原创性声明 删 y 1814 8 6 3 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：易绳镭 日期：。鹕缉月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学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。 保密西，在j 乞年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：易磨匆务 日期：眄绛彳月o ) 日 聊戳：惭吲嗍一r “月2 7 日 ； 摘要 摘要 造纸行业中，从原料准备、制浆到造纸、纸加工等过程中，需要分析检测的 参数与性质有很多，分析的方法与流程也是复杂多样，导致实验室每时每刻都会 产生大量的信息，这些复杂、海量的数据信息在记录、传输、分析、贮存过程中 需要大量的人力和物力来维护，效率十分低下；同时数据的错误不可避免，更谈 不上数据的快速科学分析。而且随着实验室认证和造纸企业信息化的要求，造纸 行业实验室传统运作模式的弊端越来越明显。正是在这样一种背景下，本论文提 出了造纸实验室测试信息管理系统的研究内容。 本文结合当今实验室信息管理系统( l i m s ) 的先进思想和技术，确定了“智 能数据节点一上位机一w e b 服务器 三层体系结构的开发方案，整个系统的研究 包括两个方面的内容：测试数据的自动采集、传送和服务器端的w e b 服务开发。 本文首先对智能数据节点与上位机之间的数据通信进行了详细的研究。通过 对国内造纸实验室测试过程的详细分析，结合现场总线c a n 2 0 a 协议规范的特 点，详细探讨了本系统中智能数据节点与上位机之间的数据通信流程、数据帧格 式、标识符与验收屏蔽码的设置、多报文的发送与接收以及通信中使用的命令字 等。基于这些通信协议内容的约定，本文利用f r a n k l i nc 5 1 和m s v i s u a lc + + 6 0 开发工具分别开发了智能数据节点和上位机的通信软件，其中主要包括系统初始 化程序、数据发送程序、接收程序和中断服务程序等。上位机与w e b 服务器之间 则是通过流行的以太网t c p i p 协议来通信，在v i s u a lc + + 6 0 中利用相关的数 据库函数即可实现上位机与w e b 服务器之间的数据通信。 本文在完成测试数据信息的自动采集与传送之后，又采用l i n u x + a p a c h e4 - p h p + m y s q l 组合开发平台实现了系统的w e b 服务功能。针对国内造纸实验室 分析测试过程的特点，对存储测试信息的后台数据库进行了详细的需求分析与结 构、功能设计，然后用p h p 语言的函数操作m y s q l 数据库记录，实现了测试数 据信息的查询、管理、统计分析等多种w e b 服务功能，用户浏览器界面美观、实 用、友好。 最后，在华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室纸页性能测试室对系统 进行了整体的调试，实验证明本系统可以成功连接不同厂商、不同数据形式的多 台分析测试仪器，数据通信速度快、准确无误，同时测试信息的w e b 服务稳定、 快捷、友好，实现了国内造纸实验室测试信息管理系统的功能要求和设计目标。 关键词：制浆造纸；实验室信息管理系统；c a n ；通信协议：数据库设计 r e f e r r e d ：s m a r td a t an o d e ，u p p e rc o m p u t e ra n dw e bs e r v e r i nt h i s p a p e rt w o s e c t i o n sw e r em a i n l yd i s c u s s e d ：( 1 ) a u t o m a t i c a lc o l l e c t i o na n dt r a n s f e r r i n go ft e s t i n g r e s u l ti n f o r m a t i o n ( 2 ) d e v e l o p m e n to fw e bs e r v i c e s f i r s to fa l l ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e ns m a r td a t an o d e sa n du p p e rc o m p u t e r w a sp a r t i c u l a r l yd i s c u s s e d t h ec o m m u n i c a t i o na p p l i c a t i o np r o t o c o lo ft h es y s t e m w a sp r o d u c e da f t e rd r a w i n gt h ep a p e rl a bt e s t i n gf l o wa n dm a s t e r i n gt h ef i e l db u s p r o t o c o lc a n2 0 a a sf o rt h ea p p l i c a t i o np r o t o c o l ，d a t ac o m m u n i c a t i o nr e g u l a t i o n ， d a t af r a m ef o r m a t ，f r a m ei d e n t i f i e r , c h e c ks h i e l dc o d e ，m u l t i f r a m et r a n s f e r r e c e i v e a n dr e l a t e dc o m m a n d sa r es t u d i e di n d e p t h t h e ns y s t e mi n i t i a l i z a t i o np r o g r a m ，d a t a s e n d i n gp r o g r a ma n dd a t ar e c e i v i n gp r o g r a mw e r ep r o g r a m m e dw i t ht h ed e v e l o p e n v i r o n m e n tf r a n k l i nc 5 1a n dv i s u a lc + + 6 0 t h eu p p e rc o m p u t e rc o n n e c t t e dt h e t o pw e bs e r v e rb yt h ee t h e r n e tt c p i pp r o t o c 0 1 t h er e l a t e dd a t a b a s ef u n c t i o n si n v i s u a lc + + 6 0e n v i r o n m e n tc o u l dh e l pt or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nt a s k sb e t w e e n u p p e rc o m p u t e ra n dt o pw e bs e r v e r s e c o n d l y ，t h i sp a p e rb u i l tt h es y s t e m st o pw e bs e r v e rp l a t f o r mw i t ht h eg r o u p t o o l s ：l i n u x + a p a c h e + p h p + m y s q l t h es y s t e md a t a b a s ep l a y e di m p o r t a n tr o l e f o rt h ew e bs e r v i c e s r e q u i r e m e n ta n a l y s i s ，c o n c e p t i o nd e s i g na n df u n c t i o nd e s i g n w e r ei n c l u d e db e f o r et h ed a t a b a s ew a sp h y s i c a l l yr e a l i z e di nm y s q l t h e np h pw a s s y s t e ms u c c e s s f u l l y d a t ac o m m u n i c a t i o nw a sr a p i da n da c c u r a t e w e bs e r v i c e sw e r e s t a b l e ，f a s ta n df r i e n d l y t h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n t sa n dd e s i g na i m so fp a p e r l a b o r a t o r yt e s t i n gi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mw e r eo b t a i n e d k e yw o r d s ：p u l p & p a p e r ；l i m s ；c a n ；c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ；d a t a b a s ed e s i g n 1 1 1 华南理工大学硕士学位论文 目三互 目习弋 摘要i a b s t r a c t 。ii 第一章绪论1 1 1 系统开发背景1 1 1 1l i m s 的发展与趋势1 1 1 2 造纸行业实验室实施l i m s 的必要性4 1 1 3 测试信息管理系统是造纸实验室l i m s 的重要组成部分5 1 2 系统实现方案的选择6 1 3 本研究的主要内容6 第二章c a n 现场总线的技术与特点8 2 1c a n 现场总线的介绍8 2 2c a n 现场总线的技术规范9 2 2 1c a n 节点的分层结构9 2 2 2c a n 总线的报文传送及其帧结构1 0 2 2 3c a n 总线网络仲裁和优先权的实现1 2 2 3 本章小结1 2 第三章系统的体系结构与功能设计13 3 1 系统的目标功能1 3 3 2 系统的结构设计1 4 3 3 本章小结1 5 第四章网络通信协议的设计16 4 1c a n 通信控制器1 6 4 2 发送( 接收) 缓冲器1 7 4 3 本系统的协议设计。1 9 4 3 1 测试系统中智能节点与上位机间的通信流程。1 9 4 3 2 协议设计2 0 4 3 3 测试数据传送中用到的命令2 5 4 4 本章小结2 6 i v 2 7 ：1 7 ：1 8 ：1 8 ：；：! 3 4 ：；6 ：；6 5 3 1c a n 适配卡的结构3 8 5 4 上位机软件的设计3 9 5 4 1 主程序流程图。3 9 5 4 2s c 2 1 0 2 p c i 卡的控件编程4 0 5 4 3 上位机接收程序举例4 3 5 5 本章小结4 4 第六章服务器端w e b 服务的实现和系统调试4 5 6 1w e b 服务器开发技术的选择与安装4 5 6 1 1l i n u x 操作系统与a p a c h e 服务4 6 6 1 2p h p 4 8 6 1 3m y s q l 4 9 6 2w e b 数据库的设计与实现5 0 6 2 1 数据库应用系统开发的一般过程5 0 6 2 2 系统需求分析5 1 6 2 3 数据库结构设计5 2 6 2 4 应用系统设计5 5 6 3w e b 服务的实现。5 6 6 4 系统的应用调试6 2 6 5 本章小结6 5 结论6 6 参考文献6 8 在学期间发表与学位论文内容相关的学术论文7 1 致谢7 2 附录1 智能节点的程序代码7 3 v 华南理工大学硕士学位论文 附录2 上位机的v c 程序代码7 7 附录3w e b 服务的p h p 代码8 3 第一章绪论 第一章绪论 1 1 系统开发背景 1 1 1lim s 的发展与趋势 微电子技术、计算机信息技术的发展使得分析与测试技术发生了重大变革。 2 0 世纪8 0 年代前期我国实验室引进了大批带内置微机处理器和外置计算机的先 进科学仪器，从而使我国实验室形成了以现代仪器分析为主的格局，经过结构重 组和优化，以中国科学院、高校、各部委研究所为基础建立起了百余所国家级测 试中心和重点实验室，加上各厂矿企业的测试检验中心，总共拥有3 0 多亿元的现 代化仪器设备t ，它们在科学研究、产品生产和商品流通中发挥了重要作用。由 于科学仪器的自动化、智能化水平日益提高，愈来愈多的分析结果转为数字量， 使实验室的信息流以几何级数增长。实验室的工作对象是形态各异的样品，实验 室的信息化资源由数据、信息和知识三部分组成【2 1 。在传统模式下，实验数据在 记录、传输过程易于出现人为的差错，数据的保存和历史查询非常不便，数据处 理的效率也很低。如何高质、快速、准确的收集、处理、传输、存储、共享和管 理实验室的数据与资源，成了现代实验室建设和运行中急需解决的重要课题，正 是在这种背景下，实验室信息管理系统l i m s ( l a b o r a t o r yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t s y s t e m ) 问世了【3 l 。 l i m s 是随着计算机技术发展而产生的专门应用于实验室各类信息，尤其是 样品分析信息管理的网络化系统，是计算机技术、管理科学技术、分析技术和信 息技术结合的产物【4 l 。l i m s 技术的应用，可以为实验室的高效和科学运作以及实 验室各类信息的保存、交流和加工提供平台，并可对实验室工作的各个环节进行 全面量化和质量管理。 l i m s 的技术包括两个方面：其一是管理思想：其二是实现这一思想的技术 手段。各类实验室管理规范( 如i s 0 9 0 0 0 的导则2 5 、优良实验室管理规范g l p 等) 均属第一个方面的内容，而为实现这一思想的软硬件环境( 如：网络系统、 终端服务器、操作系统、数据库等) 则是构成l i m s 技术的另一重要平台。l i m s 系统一般包括如图1 1 所示的功能模块。 华南理工大学硕士学位论文 资源冒理 图1 1l i m s 系统功能模块 f i g u r e l 1f u n c t i o n a lm o d e l so fl i m ss y s t e m 仪器管理模块：集中存储了实验室仪器相关技术指标、标准操作规程、维护 和校验记录、配件的更换情况记录，并提供查询、归类和统计功能。 样品管理模块：通过样品的登记、调度和审核系统，组织和规范实验室的工 作程序，确保实验室以最优化的方式运行，并提供各类样品的测试标准、方法和 处理技术，是l i m s 系统的一个核心所在。 数据管理模块：针对一个完整的实验室环境而设计，系统地组织关于实验样 品、实验人员、测试结果、分析方法、费用等全部实验室相关信息，并为查询和 形成报告提供最快速方便的手段，而且还包含测试结果的数据分析功能模块。数 据管理模块又名测试信息管理子系统，是l i m s 系统的重要组成部分。 通讯管理模块：负责信息的进入以及在系统内部的通讯和对外部的发送，确 保以最少的时间将相关的信息送到相关的工作人员、决策人、过程控制系统及用 户处。 质量管理模块：通过对人员的上岗合格、仪器设备的确认有效、方法的规范 和对分析数据的跟踪审核等管理，对影响质量的诸因素进行有效的控制，并通过 相关的统计分析来加强质量管理。 资源管理模块：组织对人员、环境、标准物质、药品、试剂等管理，分析相 关的成本核算、实验室产量及效益统计、订货计划、科研项目的开题报告、进度 和经费等管理。 2 第一章绪论 系统管理模块：系统管理模块对保证l i m s 系统的正常运行具有重要的意义， 系统管理包括系统初始化、设定用户权限、系统设定、日志管理、论坛管理和数 据维护。 系统帮助：现代软件系统帮助功能的好坏在某种意义上已经成了衡量系统性 能的重要指标。 l i m s 历经研究、发展、商品化三个阶段，引发了实验室在分析测试技术、 组织结构、管理机制方面的重大变革，并已经成为实验室信息化的关键技术。国 外从6 0 年代末开始进行l i m s 的研究 5 1 ，当时主要是集中式结构系统，采用i b m 大型机为中央主机，星形网络拓扑结构，应用软件和数据库均在中央机上运行。 8 0 年代末期，伴随着个人计算机系统的不断发展，l i m s 技术的应用系统进入了 一个崭新的发展时期。c s 构架的模式成为主流，普遍采用s q l 网络数据库，大 大提高了数据处理能力；l i m s 功能方面则增加了系统管理、工作计划安排、数 理统计分析、图形软件，状态跟踪、审计、仪器管理，并能与e r p ，m r p 集成。 9 0 年代末，采用i n t e r n e t 、i n t r a n e t 和w e b 技术的新一代l i m s 也已经开始出现， 浏览器，服务器( b s ) 体系结构，统一的浏览器界面和以w e b 服务器为中心的分 布式管理体系是这一代产品的主要特点嘲，它采用三层结构：用户界面层，业务 规则层，数据库层。通常将业务( 逻辑) 规则和数据库驻留在服务器上，客户机驻 留w e b 浏览器和用户界面，需处理业务逻辑时会将它自动下载到客户端。这种体 系的优点是伸缩性好，易管理，安全，软件重用性好，业务逻辑可被所有用户共 享，它代表了最新的计算机网络技术在l i m s 系统中的应用 7 1 。 实验室按功能可分为研究型、生产过程控制型和测试服务型三大类型。在发 达国家l i m s 在这三类实验室中均得到广泛的应用，遍及了石油化工过程监控， 冶金工业过程控制，新产品性能检测，食品饮料，医药，环保，水质监控，废物 和污水处理，陆上和海洋资源调查，电站，商检和科学实验等诸多领域c 引。在当 前信息时代，对信息的拥有和控制是事业成败的重要因素，实验室产生的信息流 成为信息采集、传输、处理、集成这一链路的源头，对于工农业生产的质量管理 质量监控、优化科学实验、推动科学理论发展起着举足轻重的作用嗍。西方发达 国家的l i m s 市场在9 0 年代就已经完全打开，现在l i m s 已经成为一个标准词汇 为大家广为接受。在美国每年要召开一次l i m s 大会，讨论l i m s 的有关问题。 英国实验室系统公司( t h e r m o l a b s y s t e ml t d ) 是当今世界上最大的实验室信息 管理系统( l i m s ) 制造商，其产品s a m p l em a n a g e m e n tl i m s 、n a u t i l u sl i m s 目 前已被全球的3 0 0 0 多个实验室所采用。大连海关化验中心就购买了该公司的 n a u t i l u sl i m s 实验室信息管理系统，取得了良好的经济效益。l a b w a r e 公司是另 一家专门为各行业、各种用途的实验室提供l i m s 系统的跨国公司，其产品坚持 以客户为本，实行本土化的策略，在世界l i m s 市场上也很有竞争力。可以说l i m s 3 华南理工大学硕士学位论文 已经成为欧美国家经济增长的亮点，这也促使他们不断的吸取先进技术，快速推 出新产品【t o 】。 在国内，实验室的信息化技术( l i m s ) 的研究工作起步于8 0 年代中期，与 发达国家相比要晚1 5 2 5 年，石油化工科学研究院从1 9 9 4 年开始这方面的工作， 经过多年的探索和应用试验，结合国际l i m s 的最新发展技术及国内分析实验室 的实际状况，开发出了商业版l i m s 系统一r i p p l i m s 。国内也有一些l i m s 产 品代理和供应商，如：北京泰立化电子技术有限公司，艾迪科技国际有限公司， 北京维恩德科技发展有限责任公司等等，它们为我国各行业实验室的信息化改造 起到了推波助澜的作用。但总的来说国内商品化l i m s 的开发及其应用尚处在萌 芽时期，还远没有达到普及的程度。这当然也受到了各种条件的制约：体制、观 念、经费等等，但其中起根本作用的是硬件基础条件和人们的观念。而市场、商 品经济观念的落后也制约了l i m s 的推广，如果一个企业不把经济效益放在第一 位，他是不会考虑l i m s 的。可喜的是，通过近几年的信息化建设，国内大部分 实验室都配备了自己的局域网系统，各种计算机设备的配置也都是很高档的，但 是运行于网上的软件系统却没有! 这实际形成了这样一种局面：实验室花大量经 费建好局域网后却不知道拿他来干什么! 当然，更多的则是在考虑下一步如何上 l i m s 这一问题1 1 1 。特别是经过近几年互联网热潮的影响，网络、信息化等观念 已经深入人心。随着全球经济一体化进程的加快，国家在大力提倡，资助各行业 的信息化进程，可以说目前国内l i m s 市场处于一种天时、地利、人和的最佳时 机。抓住这一机遇，在政府政策的引导下，研究开发具有自主产权、性能先进的 l i m s ，不仅将成为我国软件产业的新亮点，而且为我国实验室的信息化，提高商 品竞争力做出贡献。 1 1 2 造纸行业实验室实施l im s 的必要性 造纸行业中，从原料准备、制浆到造纸、纸加工等过程中，需要分析检测的 参数与性质有很多，分析的方法与流程也是复杂多样，导致实验室每时每刻都会 产生大量的信息，这些复杂、海量的数据需要大量的人力和物力来维护，而且效 率还十分低下，在记录、传输、分析、贮存过程中数据的错误不可避免，更谈不 上数据的快速科学分析，这些都是因为缺乏一种有效的、快捷的、使用方便的管 理工具所致。随着造纸企业生产规模扩大、速度提高、d c s q c s 系统的引入，传 统的分析测试方法与管理模式已经难以适应企业发展的要求。同时，造纸行业的 实验室也面临实验室认证的压力，怎样保证所提供的测试服务具有权威性、可靠 性和必要的产出率? 现代企业生产过程实践中提出实验室论证的概念m ，它围绕 实验室数据产出率和数据质量这一中心问题，通过规范实验室的管理，来保证实 验室分析数据的可靠性与及时性，并在此基础上进一步提高实验室的整体水平。 4 第一章绪论 中国国家实验室论证委员会为此专门提出了与国外标准接轨的实验室论证细 则，大大促进了这方面的工作。解决这些问题的有效办法就是引入实验室信息管 理系统l i m s 。它可以通过提供规范、合理的管理流程，使样品分析的各个环节 有机地协调起来；通过实验室自动化系统结合先进的实验设备，使测量数据、测 量结果等均通过网络界质进行传输，实现造纸实验室无纸化操作。同时，通过建 立完备的质量保证体系，提供便捷的查询手段，使造纸实验室的质量控制能真正 落到实处；同时为实验室提供了一个全方位实时监控平台，可以对纸浆检测实验 室各个环节的运行状态随时查询；为造纸实验室的论证工作奠定一个良好的基础。 目前很多企业都在向整体解决方案发展，即全方位实现信息化。造纸作为一 个典型的传统产业，要在这种趋势中追上，迎接入世的挑战，同样要加快企业信 息化改造和实验室信息化的步伐，以前基于人工管理的实验室管理模式便受到了 极大的挑战，而基于网络平台的实验室信息管理系统( l i m s ) 自然成了造纸行业 实验室首选的方案。l i m s 在造纸企业整体信息化中的作用、定位和逻辑关系十 分重要。l i m s 遵循i s 0 9 0 0 0 、g m p 、g a m p 、g l p 、g a l p 、i s o f l e c1 7 0 2 5 和” 中国实验室认可委员会”制定的实验室认可准则等各种国际和国内管理规范1 1 3 1 ， 全面承担和实施具备校验和检验能力实验室的管理任务，对影响实验室质量的要 素进行全面的管理和控制，从而实现与e r p ，m r p 集成，进一步实现造纸行业企 业级信息化。 1 1 3 测试信息管理系统是造纸实验室l im s 的重要组成部分 l i m s 系统以实验室管理为核心，集成了多种技术与学科，其中最根本、不 可缺少的便是样品分析测试信息的自动化、网络化管理，它也是l i m s 起初发展 的雏形。把成熟的商品化l i m s 系统应用到造纸行业实验室中来，其二次开发即 用户化改造工作的核心就是有关制浆造纸参数、性能测试信息的自动采集、传送、 存储与w e b 查询、管理和分析等，相当于图l 一1 所示的数据管理子模块，即为 测试信息管理系统。 目前国外已有l o r e n t z e n & w e t t r e ，m e s s m e rb u c h e l ，v a l m e t 三家公司已经 开发出来基于仪器的造纸实验室测试管理系统，几分钟就可以自动分析造纸行业 样品的3 0 多种参数、性能数值，。但是它们共同的缺点就是软件系统与测试仪器 是捆绑在一起的，不能兼容其他公司的测试仪器，所以必须成套购买，如果单买 软件，其前提是联网测试仪器必须是该公司的产品，而我国造纸行业多数实验室 的设备通常是由几家生产厂或供应商提供，这意味着现有实验室的信息化改造必 须摒弃现有的一些测试仪器，花高价再去重复购置测试设备，这显然难以接受。 同时，它们都未提供测试数据的w e b 服务，使得测试结果信息还是局限在本地实 验室，不符合l i m s 的技术规范，针对以上两点，结合实际国情，我们在制浆造 5 华南理工大学硕士学位论文 纸工程国家重点实验室研究开发基于c a n 总线的测试信息管理系统，以期望可 以连接国内造纸实验室所有的分析设备，实现分析测试信息的自动采集、传送， 并提供快捷、稳定的w e b 服务，从而提高造纸行业的测试水平和管理水平，以提 升造纸企业的竞争力。 1 2 系统实现方案的选择 国外造纸行业实验室测试信息系统平台不能算做完全意义上的l i m s 系统， 只完成了样品与数据的自动测量记录、报表分析，而且只能在现场才能获取到这 些测试数据信息，反馈到控制室、管理中心的速度较慢，因此本项目研究首先在 技术路线上遵循l i m s 先进技术与系统结构框架，采用浏览器服务器( b s ) 体 系结构，从而使得我们开发的造纸测试信息管理系统今后具有可拓展性，可进一 步实现造纸实验室的完整l i m s 系统，并可与造纸企业的m i s 、e r p 管理实现无 缝联接。在这种体系架构下，各个分析测试设备产生的数据结果经现场的智能节 点采集后，需要与上位机之间进行通信。而上位机的监控软件通过接受测试数据， 并作初步分析处理后发送到远程w e b 服务器。因此，智能节点与上位机之间，上 位机与远程服务器之间的通信以及测试数据w e b 服务的开发是本系统的重要内 容。 对于本地通信，传统的方式一般是通过r s 2 3 2 或r s 4 8 5 总线来实现上下位机 之间的数据通信，基于这两种总线进行通信在设计和实现方面较简单，且技术成 熟，在工业控制中永得很普遍；但是使用这种技术也有一定的缺陷，如传输距离 短，在通信中容易受到干扰，系统布线复杂等 1 5 1 。基于此，我们在本地通信中采 用了一种工业控制中较新型的通信技术，即c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k 控制器 局域网) 现场总线技术。该总线技术能较好的克服通信过程中的外界干扰，且传 输距离远，布线简单，能满足造纸企业的需求。 对于远程客户，由于大多企业、高校实验室的网络基础建设较好，我们采用 t c p i p 网络传输方式，这种方式跨越距离范围较大。 对于w e b 服务，本论文采用流行的l i n u x + a p a c h e + p h p + m y s q l 组合平台 进行开发。 1 3 本研究的主要内容 ( 1 ) 上位机与智能节点通信协议的设计要实现两者快速准确的通信，必须 制定相关的通信协议，上位机和智能节点遵照所规定的通信协议来实现数据通信。 在本系统中通信协议主要就是基于c a n 现场总线的本地通信监控协议，这是本 论文的一个关键内容。 6 第一章绪论 ( 2 ) c a n 智能节点的开发智能节点用来自动采集各分析设备产生的数据， 并发送到c a n 总线上，并提供键盘接口和条形码扫描接口，供人工输入数据和 样品条码信息。本实验中主要涉及智能节点的数据采集软件设计。 ( 3 ) 上位机监控软件的实现上位机软件是智能节点和远程服务器的中介， 实现本地实验室的系统初始化和数据传送，使用v i s u a lc + + 平台，针对c a np c i 适配卡进行相关的软件开发。 ( 4 ) 数据库的设计与实现在整个系统中，如何实现样品、人员、分析项 目、实验结果等众多信息的有效存储、查询与分析，并保证数据访问方便、快速、 安全，都与数据库的设计与实现密切相关。本论文需要进行w e b 数据库的概念设 计、逻辑设计和应用程序的设计工作，并用m y s q l 数据库管理系统实现。 ( 5 ) 服务器的构建与w e b 服务的功能实现为了降低系统成本，并保证服 务器的稳定性，采用l i n u x + a p a r c h e 构建w e b 服务器平台，提供w e b 服务，并用 p h p 网络开发语言进行后台数据库的编程，实现各种w e b 服务，包括测试数据信 息的添加、修改、删除、查询、报表、曲线分析和安全管理等等。 7 华南理工大学硕士学位论文 第二章c a n 现场总线的技术与特点 2 1c a n 现场总线的介绍 近几年来，现场总线技术的发展迅速，在工业控制方面取得了广泛的 现场总线的重要性也正得到越来越多人的认识。随着现场总线技术的发展 过程控制应用中的不断深入，现场控制系统f c s ( f i e l dc o n t r o ls y s t e m ) 已成为 控制系统发展方向，传统d c s 系统必将会被新一代的现场总线式集散控制系统 f d c s ( f i e l dd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 所取代。目前，国内的工业控制系统普通 采用传统的现场通信技术，通信速率和可靠性的进一步提高受到限制，因此现场 总线技术在工业控制系统中的应用已具有十分重要的现实意义。 随着分析测试与控制技术的发展，以多主方式进行通信的c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k 控制器局域网) 现场总线成为了热门的研究课题，它是一种有效支持 实时数据采集和实时控制的串行通信网络u 们。 c a n 总线是德国奔驰公司8 0 年代为解决汽车众多控制设备与仪器仪表之间 数据交换的一种串行通信协议。由于其高性能、高可靠性、实时性好以及独特的 设计，已广泛应用于控制系统中各检测和执行机构之间的数据通信。c a n 总线通 信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。c a n 总线具有以下主要特征【 1 ： 1 任一节点均可在任一时刻主动向网络上的其它节点发送数据，而不分主 从，无需上位机不停轮寻，节省了网络上的数据流量，提高了传输效率。同时发 送的信息遭到破坏后可自动重发，节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的 功能。 2 c a n 总线上的节点可分为不同的优先级，可以满足不同的实时要求。 3 系统可扩充性能好，c a n 总线面向数据而不是面向节点，报文标志符可 达2 0 3 2 种，而扩展标准的报文标志符几乎不受限制，采用这种方法可使网络中的 节点个数在理论上不受限制，加入和减少设备不影响系统的工作。总线上实际可 挂设备数主要取决于总线驱动电路，一般可达儿o 个，完全可以满足造纸行业分 析测试仪器的连接需要。 4 c a n 总线的接收数据长度最多为8 个字节，因而不存在占用总线时间过长 的问题，可以保证通信的实时性。通信速率最高可达1 m b p s ( 通信距离4 0 m ) ， 通信距离最远可达l o k m ( 传输速率5 k b p s ) 。而且每帧信息都有c r c 校验及其它 检错措施，保证高噪声干扰环境下数据传送的高效可靠。 c a n 总线是很有发展前景的一种现场总线，得到国际上许多大公司的支持， 8 第二章c a n 现场总线的技术与特点 女f l m o t o r o l a 、p h i l i p s 、i n t e l 等厂商生产的具有c a n 总线接1 3 的芯片，其硬件接口 简单，编程方便，系统构成容易，用户操作简便，开发系统廉价1 1 5 1 。 2 2c a n 现场总线的技术规范 c a n 现场总线技术规范分为a 、b 两部分，c a n 2 0 a 给出了c a n 报文标准 格式，而c a n 2 0 b 给出了标准的和扩展的两者格式。该规范详细规定了c a n 总 线在通信中的实施细节。 2 2 1c a n 节点的分层结构 c a n 现场总线遵循i s o o s i 标准模型，分为数据链路层( 包括逻辑链路控制 子层l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 和媒体访问控制子层m a c ( m e d i u ma c c e s s c o n t r 0 1 ) 和物理层( p h y s i c a ll a y e r ) ，如图2 1 所示1 1 9 1 。 图2 1c a n 的i s o o s i 参考模型的层结构 f i g u r e 2 1l a y e rs t r u c t u r eo fc a n i s o o s ir e f e r e n c em o d e l l l c 子层主要为数据传送和远程数据请求提供服务，确认由l l c 子层接受的 报文实际已被接受，并为恢复管理和通知超载提供信息。m a c 子层是c a n 协议 9 华南理 的核心， 定以及故障界定。 开始接收。 c a n 协议的物理层主要定义信号怎样发送，涉及到位定时、位编码解码和 同步的描述，它支持以不同通信介质如双绞线、同轴电缆或光线进行通信。 2 2 2c a n 总线的报文传送及其帧结构 总线上信息以不同格式的报文发送，在进行数据传送时，发送报文的单元称 为发送器，如果一个单元不是报文发送器且不处于空闲状态则称该单元为接收器。 在c a n 现场总线中报文由4 种不同类型的帧表示和控制：数据帧( d a t af r a m e ) 、 远程帧( r e m o t ef r a m e ) 、出错帧( e r r o rf r a m e ) 和超载帧( o v e r l o a df r a m e ) 。其 中数据帧携带数据由发送器至接收器；远程帧通过总线单元发送以请求具有相同 标识符的数据帧；出错帧由检测出总线错误的任何单元发送；超载帧用于提供当 前的和后续的数据帧的附加延迟。各种帧的具体格式如下 2 0 1 ： 1 数据帧数据帧由以下7 个不同的位域组成：帧起始、仲裁场、控制场、 数据场、c r c 场、a c k 场和帧结束，如图2 - 2 所示。 帧问空问 数据帧 -帧间空问 戚过囊帧 il 犏始i l 仲裁域l 控制城i 曩据壤 c l l c 域 应各壤 帧结尾 图2 - 2 报文的数据帧结构 f i g u r e 2 - 2s t r u c t u r eo fc a n d a t af r a m e 其中帧起始标志数据帧和远程帧的起始，仅由一个显性位组成。只有当总线 为空闲状态时才允许节点开始发送，所有站必须都同步于首先开始发送的那个站 的帧起始前沿；仲裁场由来自l l c 子层的标识符和r t r 位构成。在数据帧中r t r 1 0 第二章c a n 现场总线的技术与特点 位为“0 ，在远程帧中为“1 ”，图2 3 是数据帧标准格式中的仲裁域结构；控制 场由六位构成，包括两位保留位，另四位用来指定数据场中数据的字节数；数据 场由数据帧内被发送数据组成，它可包括o 一8 个字节数据。c r c 场包括c r c 序 列、后随c r c 界定符；应答域a c k 为两位：a c k 应答间隙和a c k 界定符，在 应答场中发送器送出两个隐位。一个正确地接收到有效报文的接收器，在应答间 隙( 送a c k ) 期间，将此信息通过传送一个显性位报告给发送器。所有接收到匹 配c r c 序列的站，通过在应答间隙内把显性位写入发送器的隐性位来报告。应答 界定符是应答场的第二位，并且必须是隐性位，因此应答间隙被两个隐性位( c r c 界定符和应答界定符) 包围。帧结束：每个数据帧和远程帧均由7 个隐性位组成 的标志序列界定。 图2 3 数据帧标准格式中的仲裁结构 f i g u r e 2 - 3a r b i t r a t i o ns t r u c t u r eo fd a t af t a m ei ns t a n d a r df o r m a t 2 远程帧激活为数据接收器的站可以借助于传送一个远程帧初始化各自 源节点数据的发送。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、应答场和帧结束。远程帧中的r t r 位必须是隐位。 3 出错帧出错帧由两个不同场构成，第一个场由来自不同节点的错误标志 叠加给出，第二个场位错误界定符。 错误标志：错误标志有两种形式，即活动错误标志和认可错误标志，其中活 动错误标志由6 位连续的显位构成，而认可错误标志由6 位连续的隐性位构成， 认可错误标志的一些或所有位可由来自其他节点的显位改写。一个检测到出错状 态的“错误一激活 节点借助发送活动错误标志标注，此错误标志形式违背填充 规则或破坏了要求固定形式的位场，当所有其他节点将检测到一个出错条件，并 在它们的部件上开始发送一个错误标志。由发送器启动的认可出错标志，当它们 在以位填充方法进行编码的帧场中启动时，将在接收器中引起错误，因为它们将 导致由接收器检测的填充错误。 错误界定符：错误界定符由8 位隐性构成，发送错误标志后，每个节点送出 隐位，并监控总线，直至其检测到隐位，此后开始发送剩余的7 个隐位。 4 超载帧超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符。当要求延迟下一 个数据帧或远程帧以及在间歇场到显位时都将导致发送超载帧。 华南理1 = 大学硕士学位论文 超载标志由6 个显位组成，全部形式对应于活动错误标志形式，超载帧破坏