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论文题目：基于 arm 的智能瓦斯传感器的研究 专 业：检测技术与自动化装置 硕 士 生：张婷婷 （签名） 指导教师：郭秀才 （签名） 摘 要 煤炭是我国经济发展不可或缺的资源，我国对煤矿安全生产的重视已达到了空前的 高度，时有发生的矿井事故，暴露出目前矿井安全生产管理上的漏洞，同时也反映出煤 矿安全监测监控技术的某些缺陷，其中高性能、智能化的瓦斯传感器亟待开发。本文利 用嵌入式微处理器和现场总线技术设计的智能瓦斯传感器，期望解决目前煤矿安全监测 监控存在的问题。 本文在分析和研究 can 总线通信协议的基础上， 设计了基于 can 总线技术的监测 监控网络，研制了以嵌入式 arm7 微处理器 lpc2131 为核心的智能瓦斯传感器系统。 通过对瓦斯浓度数据采集与处理、瓦斯浓度显示、瓦斯浓度超限报警、信号输出和风、 电、瓦斯闭锁以及 can 控制器节点等电路模块的设计构建了基于 arm 的智能传感器 的硬件系统；同时，设计了符合煤矿安全系统的软件代码；最后在实验室条件下对设计 的组装样机进行调试运行，验证其功能的可行性和性能的稳定性。设计的智能瓦斯传感 器系统不仅能为井下的工作人员提供实时的瓦斯浓度显示、超限报警和风、电、瓦斯闭 锁等功能；还可以经总线直接为监控人员提供实时的瓦斯浓度数据以及接收控制中心的 控制信息，组成了基于 can 总线的煤矿安全监测监控网络。 研制的智能瓦斯传感器经显示实验和报警实验验证：基本实现设计的各项功能，符 合煤矿环境的需求和煤安规程的相关技术要求；符合现代煤矿安全监测监控技术发展的 要求；具有先进性和实用性，对增强煤矿的安全生产有着重要的现实意义。 关 键 词：煤矿监测监控系统；智能传感器；can 总线技术；实时监测 研究类型：应用研究 subject : research of the intelligent sensor based on the arm speciality : detecting technology and automatic equipment name : zhang tingting (signature) instructor : guo xiucai (signature) abstract coal is an indispensable resource. for chinas economic development. chinas attention to coal mine safety production has reached to an unprecedented high degree. but the mine accidents are still ongoing, which exposed the current loophole of the safety management and drawbacks of monitoring and control system. so, the high-performance, intelligent gas sensor is needed. the gas intelligent sensor, which uses the cutting-edge embedded microprocessor and fcs, is designed to solve the defects of the current monitoring system. this paper has designed a can-bus monitoring and control system and the intelligent sensor used lpc2131 belonged to arm7 as its microprocessor on the base of analysis and learning of can-bus technology specification and communication protocols. through the design of gas density data collection and processing module, concentration display module, limit alarming module, wings, circuit and interlocked breaker module and can-bus controller; the paper built a arm-based hardware system. the paper also designed the software code, and at last verified the function and performance of assembled products though debugging and running. this intelligent gas sensor system that used in low gas mine can not only supply the real-time gas value, alarming and interlocked breaker, but also offers the datum to control centre aboveground, and receive datum from control centre. those sensors constitute a monitoring and controlling network based on can-bus. through showing and alarm experiments on the developed intelligent gas sensor, testing results show that: the sensor can achieve default function basically, can meet the needs of the environment and coal mine safety regulations in the relevant technical requirements; meet modern coal mine safety monitoring and control technology requirements; is advanced and practical, has important practical significance in enhancing production of coal mine safety. keywords : monitoring system can-bus intelligent sensor real-time monitor thesis : application research 1 概述 1 1 概述 1.1 智能瓦斯传感器的研究背景与意义 煤炭工业是我国重要的基础能源产业，在中国能源供给结构中处于重要的战略地 位，在能源消费结构中也处于主导地位，同时也是工业生产中最危险、伤亡事故最严重 的行业之一，煤矿安全事故不仅严重影响煤炭企业生产经营和生产能力的发挥，同时也 关系到社会稳定，构建和谐社会的进程。我国从鼓励各种社会力量办矿以来，形成了国 营和个体并存的局面。由于乡镇、个体煤矿装备差，生产工业落后，管理不健全，人员 素质差，安全状况不好，从业人员流动性强等现状，使得国内矿井事故不断出现；虽然 近年来有所改善，但我国煤炭的安全情况与其他一些产煤大国相比存在很大的差距。据 专家估计，我国因各类煤矿伤亡事故造成的直接和间接经济损失达 250 多亿元；煤矿安 全问题已经成为我国煤炭行业发展的主要障碍，对煤炭安全事故的控制是煤炭行业健康 发展的一个重要课题。因此，煤矿安全监控系统是现代化矿井的重要安全保障。2007 年 的煤矿安全规程规定：“所有的矿井必须安装矿井安全监控系统；矿井安全监测监 控系统的安装、使用和维护必须符合本规程和相关规定的要求1。”随着我国对煤炭安 全生产要求的不断提高和企业自身建设的需要，我国各大、中、小型煤矿都陆续安装了 煤矿监测监控系统。目前煤矿安全监测监控系统生产厂家数量多、产品繁杂，相互之间 兼容性差，这就给设备的维护、扩容、更新升级等带来困难。现有厂家的监控系统几乎 都采用各自专用通信协议，很难找到两个相互兼容的系统，不仅造成矿井监控系统的重 复投资，也给维护增加了困难。随着煤炭事业的发展，工业过程控制对大量现场信号的 采集、传递，数据转换精度、可靠性有了更高的要求。而且现有的系统暴露出控制不能 彻底分散、故障相对集中、系统不彻底开放、成本较高等缺点，煤矿系统中的各类独立 设备已经不能够满足现代化煤矿生产安全的需求；组建一个技术先进的煤矿通讯网络， 对煤矿的工作人员、现场环境参数进行监测、控制，形成一个能够满足地域化控制、符 合煤矿安全要求的煤矿安全监测监控系统，这已经是煤矿行业发展的大趋势。 在各类煤矿安全事故中，瓦斯事故是发生最频繁的灾害事故之一；因此瓦斯的监测 监控对煤矿安全生产具有十分重要的意义。煤矿安全监控系统可以实现瓦斯浓度的实时 准确的检测以及超限报警和瓦斯闭锁等功能；达到“科学、规范、准确”的管理要求， 提高瓦斯防治的现代化管理水平。由于瓦斯灾害因素多、治理难度大，涉及技术装备、 管理水平等因素，矿井瓦斯监控历来是我国煤矿安全工作的重点和难点。近两年，煤矿 瓦斯治理得到了党和政府以及社会各界的高度关注，形成了煤炭行业内外合作、多学科 交叉、产学研结合探索研究瓦斯治理难得的可喜局面。瓦斯的防治管理是一项繁杂的系 西安科技大学硕士学位论文 2 统工程，涉及信息分析处理、预测预报、对人的行为和物的管控等，单凭人的经验和技 能很难做到；这就需要通过现代科技力量，完善煤矿安全监控系统。 加强瓦斯管理，还有很多方面的工作。近年来，为满足国民经济的快速发展对煤炭 能源的强劲需求，国内煤炭开采强度和深度普遍加大，多数矿井由原来的低瓦斯矿井转 变为高瓦斯或瓦斯突出矿井，这是近年来瓦斯事故多发的客观原因；另一方面，矿井安 全监控系统的弊端，也是导致瓦斯事故的重要原因。矿井监控系统中现场层的瓦斯传感 器是矿井瓦斯参数的检测工具，所以瓦斯传感器的选用十分重要，瓦斯传感器性能直接 影响到安全监控系统中瓦斯检测的准确性和实时性。瓦斯传感器挂在井下需要测量和检 测瓦斯的地点，如采掘工作面的回风流中。 煤矿安全规程第一百六十九条规定： “低 瓦斯矿井的采煤工作面，必须在工作面设置甲烷传感器。高瓦斯和煤（岩）与瓦斯突出 矿井的采煤工作面，必须在工作面及其回风巷中设置甲烷传感器，在工作面上隅角设置 便携式甲烷检测报警仪。 ”目前，瓦斯传感器存在着使用寿命短、工作稳定性差和调校 频繁的缺点， 制约着矿井瓦斯的检测； 在研制新型传感器时应充分利用当前的高新技术， 提高传感器的智能化程度。智能传感器技术是一门现代综合技术，是当前世界正在快速 发展的高新技术，还没有形成规范化的定义。智能传感器的特点是把计算机技术和现代 通讯技术融入传感器系统。使传统的传感器能更好的进行信息检测，又能通过软件的控 制使传感器具备较强的信息处理和通讯能力，极大地提高传感器系统的性能。 1.2 智能传感器技术在国内外的研究现状 智能传感器技术的概念最初是美国宇航局在开发宇宙飞船的过程中形成的，为了保 证宇宙飞船在整个太空飞行过程中的安全，要求传感器的精度高、响应快、稳定性好， 同时具有一定的数据存储和处理能力，能够实现自诊断、自校准、自补偿及远程通信等 功能；而传统的传感器在功能、性能和数据容量方面显然不能满足这样的要求，于是智 能传感器便应运而生。 1.2.1 智能传感器组成系统 智能传感器以微处理器为核心，扩展了传统传感器的功能；把敏感元件、信号调理 电路，以及微处理器单元集成到一块芯片上。智能传感器具备一定的判断、分析和信息 处理、记忆，逻辑思维能力，能够根据整个系统的工作情况调节各部分与上位计算机的 数据传送，使系统工作在最优低功耗和传送效率优化的状态。 智能传感器的实现结构形式既可以是分离式的，也可以是集成式的，按实现结构形 式的不同，智能传感器可以分为模块式、混合式和集成式三种形式2。模块式智能传感 器有许多相互独立的模块组成，是初级的智能传感器；混合式智能传感器将传感器、控 制芯片和数据调理电路等集成到不同的芯片上；集成式智能传感器将一个或多个敏感元 1 概述 3 件与微处理器、信号处理电路集成在同一硅片上，集成度较高、体积小，是智能传感器 的发展的方向。智能传感器的组成主要有传感器、微处理器（或计算机）以及相关电路 组成，其基本结构如图 1.1 所示： 软件 部分 数据输入准备： 数据的调整、选择 数据的处理： 分析、保存 数据输出准备： 输出格式和界面 定制 被测量 信 号 调 理 电 路 传 感 器 微 处 理 器 输 出 接 口 数 字 量 输 出 前处理后处理 图 1.1 智能传感器基本结构框图 智能传感器在功能上比传统传感器有极大的拓展，几乎包含仪器仪表的全部功能， 主要表现在以下几点2： (1)逻辑判断和统计处理 智能传感器能够对检测数据进行分析、统计和修正，能进行非线性、温度、噪声、 响应时间、交叉感应以及缓慢漂移等误差补偿，还能根据工作情况调整系统状态，使系 统工作在低功耗和传送效率优化的状态。 (2)自检和自校准 这是智能传感器的标志之一，智能传感器可以通过对环境的判断和自诊断进行零位 和增益等参数的调整。 (3)组态软件 智能传感器设置多种模块化的硬件和软件，用户可以通过操作指令，改变智能传感 器的硬件模块和软件模块的组合形式，已达到不同的应用目的，完成不同的功能，实现 多传感器、多参数的符合测量。 (4)双向通信和标准化数字输出 智能传感器具有数字标准化数据通信接口， 能与计算机或总线相连， 相互交换信息。 (5)人机对话 智能传感器与仪表等组合在一起，配置各种显示装置和输入键盘，使系统具有灵活 的人机对话功能。 西安科技大学硕士学位论文 4 (6)信息存储与记忆 可以存储各种信息，对检测数据的随时读取，大大加快了信息的处理数据。 目前， 根据应用场合的不同， 推出的智能传感器选择具有上述全部或者一部分功能， 确保智能传感器具有高的准确性、灵活性和可靠性；同时采用廉价的集成电路工艺和芯 片以及强大软件来实现，提高智能传感器的性价比。 1.2.2 智能传感器国内外研究现状 作为工业不可缺的重要器件，传感器所承担的任务越来越重，智能传感器已经越来 越受到人们的关注。不论智能传感器是分离式还是集成式的结构形式，其智能化核心都 是微处理器。不仅要具备对数据信息的分析处理能力，还要具有数字标准化数据通信接 口，能与计算机直接或通过接口总线相连，互交信息。它的出现，使人们不再满足传感 器单一的探测信息的功能，而是要求传感器能够将大量的信息分析处理优化，过滤错误 或者干扰产生的数据，将最优的信息传递控制中心或上位机。 随着工业程度的高速发展，越来越多的地方需要智能传感器。这也对传感器的智能 化提出了更高的要求，提高智能传感器的可靠性和抗干扰能力，保证传感器的现场故障 率最低是现在智能传感器的研究重点。 微机械电子、 人工智能、 计算机技术的快速发展， 智能化传感器技术正处于蓬勃发展时期，智能传感器的“智能”含义不断的深化，许多 智能传感器新模式陆续出现。近年来嵌入式智能传感器和阵列式智能传感器成为研究的 热点。阵列式智能传感器为多个传感器排布成若干行列的阵列结构，并行提取检测对象 相关特征信息，并进行处理的新型传感器。阵列中的每个传感器都能测量来自空间不同 位置的输入信号，提供给使用者不同的空间信息。嵌入式智能传感器一般是指应用了嵌 入式系统技术、智能理论（模糊理论和神经网络技术）和传感器技术，具备网络传输功 能，并且集成了多样化外围功能的新型传感器系统。经典智能传感器一般是单片机再加 上控制规则进行工作的，较少涉及智能理论（人工智能技术、神经网络技术和模糊技术 等） 。因此，基于嵌入式系统来应用智能理论的嵌入式智能传感器，具有更高智能化程 度。一个完整的嵌入式智能传感器总体结构如图 1.2 所示2，有单（多）传感器系统、 嵌入式系统两大部分组成。 1 概述 5 多 传 感 器 传感器2 传感器1 传感器n 嵌入式系统 人机互交模块 知识库 知识获取 推理引擎 综合数据模块 智能模块 网 络 接 口 模 块 图 1.2 嵌入式智能传感器 我国的智能传感器的生产和发展已经有了一定的突破，但整体实力还比较弱，与发 达国家相比还有很大的差距。但是在发展中国家里，我国是智能传感器行业中最大最齐 全、综合实力最强的国家。智能传感器技术及应用还需要经历一个较为漫长的发展成熟 期，对于国内智能传感器技术及产品开发面临着更大的挑战，这种局面需要国内传感器 行业共同探讨，应对激烈的国际竞争市场。在日益优厚的国家及政府扶持政策下，坚持 产、学、研的密切结合，继续加大国内智能仪表的开发投入。 国外智能传感器占据了传感器国际应用市场的绝大比重。比如美国 st-3000 系列智 能变送器和德国斯特曼公司的二维加速度传感器，以及另外一些含有微处理器(mcu) 的单片集成压力传感器、具有多维检测能力的智能传感器和固体图像传感器(ssis)等。 如何结合目前智能仪表的工业应用经验，并快速跟踪国际智能前沿技术，应用于我国智 能仪表的开发研究成为振兴民族智能仪器仪表的一大突出问题。 智能传感器代表了传感器的发展方向，也符合了传感器未来的发展方向。显然，在 现代化工厂逐步走向智能化的今天，传感器的智能化趋势已越来越明显。 1.3 研究的问题 本课题设计的智能瓦斯传感器，采用理论研究和实验研究相结合的方法；其技术依 据是智能传感技术和总线技术，并在实验室环境下对其进行调试运行。主要工作包括总 线技术、传感器技术和嵌入式技术的研究，以及系统软硬件的设计。本小节就智能传感 器技术、can 总线技术和本文的主要工作做概括性的介绍。 1.3.1 智能传感器技术 随着国家煤矿安全生产的规范管理，煤炭管理部门加强了对煤矿安全生产的监管力 度，要求对所属矿井的安全生产与管理能够实时监控，及时了解与查询现场监测信息。 煤矿安全监控系统得到了快速的发展。 目前我国比较有代表性的研究机构有， 煤科总院、 西安科技大学硕士学位论文 6 辽宁工程大学、北京中煤、中国矿业大学、平顶山煤业集团等，国内煤矿装备的监控系 统有数十种，比较成熟的有下列几种： (1)传统煤矿监控系统。 如重庆安仪厂的 ayj-i 瓦斯遥测系统、 上海电表厂的 abd-2 瓦斯遥测系统和西安煤矿仪表厂生产的 mjc-100 煤矿集中检测系统等， 技术成熟， 功能 简单适合中小型煤矿使用。 (2)国外引进系统。“六五” 期间我国引入了多种国外煤炭监控系统， 如美国的 feco、 英国的 minos、法国的 ctt 等系统，技术先进，能够适应现代化矿井的要求，但是价 格昂贵，在某些方面与我国矿井环境并不兼容。 (3)新开发的系统。在借鉴与消化引进国外煤矿监控系统的基础上，我国开发了一系 列煤矿监控系统，比如：航天航空部 634 所开发的 kj4 煤矿安全生产监测系统和天地科 技有限责任公司常州分公司开发的 kfl、 kj2、 ai、 a2、 kj95、 系统和 tf200、 himass 等。这些监控系统较好地解决了先进技术与煤矿落后生产条件的矛盾，比较适合我国国 情，但尚需进一步完善。比如：目前国内普遍使用的 kj95 煤矿综合监控系统，仍然采 用电信号传输方式为主的传感器。 在煤矿安全监控系统中，传感器是处于现场级的设备，对矿井环境参数进行采集。 传统的传感器通常由敏感元件、转化元件和转换电路组成；将表征环境的物理量转换成 可使用的电量（电流、电压、频率等） 。这种传感器只能进行简单的探测信息功能，有 的传感器能进行简单的数据处理功能。目前国产监控系统的配套传感器，主要存在两大 问题：一是品种不全，用于监测环境参数的传感器较多，而用于监测生产设备工作运行 状况参数的传感器少；二是现有的传感器不同程度存在精度差、可靠性不高的缺陷3。 特别是用于瓦斯综合治理和灾害预测的甲烷传感器，一直存在使用寿命短、工作稳定性 差和调校频繁等缺点，严重制约着矿井瓦斯的实时检测。 随着人们对传感器各方面性能要求的不断增高，在研制新型传感器时应本着高起 点、高智能化，应充分利用微处理器的优点，做到自诊断、自校正、自调零、配置标准 远程接口，统一传感器的输出信号，以提高传输的可靠性、数据简单性和传感器的互换 性。随着计算机技术和网络技术的发展，智能传感器开始逐渐得到人们的青睐4。智能 传感器具有更高的安全性、更方便的可操作性以及更强的恶劣环境的适应能力；还具有 一定的数据判断、分析和信息处理能力，能够根据整个系统的工作情况调节各部分与上 位机的数据传输， 使系统工作在最优低功耗状态和传送效率优化的状态； 发展配置齐全、 高可靠性的矿用智能传感器是监控系统发展的关键技术之一。 1.3.2 can 总线技术 计算机技术与网络技术的飞速发展，将分散在不同地理位置、不同功能的设备联系 在一起，使得硬件设备检测的数据和软件系统在网络上得以共享，减少了设备的重复投 1 概述 7 资。通过网络，不仅可以完成单机不能完成的工作，而且通过远程数据库的强大功能和 海量存储，实现对数据的存取和共享，同时更加了数据的安全性。另外，网络化使得传 感器可以远程监控，实现异地调试。 目前，工业控制系统中使用最多的是 dcs（集散控制）系统和 fcs（现场总线）系 统两种。传统的控制系统与现场设备的连接方式，采用硬接线将模拟信号通过 i/o 卡转 换成数字信号进入系统内部处理。现在的 dcs 系统是一种分散控制、集中管理的方式， 这种系统允许不同地理位置的用户互联，达到资源共享、协同工作、分散操作、集中管 理、测量过程监控等；但是系统内部如果使用不同厂家或协议的产品时，这种系统使得 各层次上的互操作变得相对困难6。现场总线的出现解决了这一难题，并且使现场设备 实现数字化，将信号以数字方式直接传送到上位机。例如，很多电气保护装置采用了 can 通讯接口。 现场总线技术的应用特征就是采用数字式通信方式取代传统设备级的开关量信号， 要求现场设备具有总线接口，控制模块通过总线和地上控制中心相连构成控制网络。每 个现场设备都要具有微处理器和通信单元，使得控制系统在现场直接完成，而不依赖中 央控制计算机，实现分散控制。can 总线是现场总线的一种，具有通信速率高、容易 实现、性价比高等优点，在众多领域中具有较强的竞争力7。本课题设计的智能瓦斯传 感器的通讯方式采用的 can 总线。 can 总线的特点适合中小规模的工业过程监控设备的互联和交通运载工具电气系 统，受到工业界的重视，并被公认为最有前途的现场总线之一。can 总线技术将在下 一章中详细介绍。 1.3.3 本文的主要工作 基于 arm 的智能瓦斯传感器设计的基本出发点是利用现有的工艺条件，采用嵌入 式微处理器技术，提高传感器的精度等级和工作稳定性，拓展其功能并赋予其智能化特 征，不仅使传感器及时准确的检测瓦斯的质量浓度，还可以减少不必要的人工操作，提 高工作效率。针对仪表的发展方向，结合实用性和经济性提出了设计方案；并充分利用 了现代计算机技术，在仪表的 can 总线通讯方面做了一定的研究工作。 在硬件研制方面，以菲利普公司的 lpc2131 微处理器为核心，采用催化气敏元件， 增加调理电路，lcd 显示电路，声光报警和通讯接口，能够实现数据采集和实时数据的 显示功能，can 总线接口的设计使得传感器的性能得到提高。在软件方面，使用功能 强大的 ads1.2 进行软件的编写和跟踪调试，在程序中增加了系统自检和滤波等功能， 使其具有测量精度高，标定简单，可维护性好等特点，克服传统的瓦斯检测设备存在的 问题。本文所要完成的主要工作如下： (1)论述课题的研究背景、目的与意义，国内外现状与目前现有系统存在的问题，以 西安科技大学硕士学位论文 8 及本课题主要的研究内容和全文结构。 (2)介绍 can 总线技术特点及技术规范。 (3)系统总体方案的设计； 将智能瓦斯传感器系统的设计步骤分为硬件电路设计和软 件程序的设计两部分。 (4)对智能瓦斯传感器系统的软硬件的调试与实现。 (5)针对论文的具体工作对全文进行总结， 对后续的研究工作进行了展望并提出一些 改进要求。 1.4 小结 本章通过基于 arm 的智能瓦斯传感器的相关的技术发展和研究背景的介绍引出了 本课题的研究意义，并对国内外智能瓦斯传感器的发展进行了分析比较，分析了国内现 有的监测监控系统存在的问题，论述了本课题的研究意义，最后总结了本课题的主要工 作，为本文起到了指导作用。 2 fcs 系统及 can 总线技术 9 2 fcs 系统及 can 总线技术 现场总线是当前自动化技术中的一个热点，它的出现给自动化领域带来了又一次的 革命， 使得工业控制系统开始向网络化的方向发展。 现场总线是以现场总线技术为核心， 以基于现场总线的智能 i/o 或智能传感器、智能仪表为控制主体，以计算机为监测指挥 中心的系统编程、组态、维护、监控等功能为一体的工作平台。 2.1 fcs 系统与 dcs 系统的比较 现场总线 （fieldbus） 是 80 年代末、 90 年代初国际上发展形成的一种新型控制技术， 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9。随 着现场总线技术的发展，基于现场总线的控制系统与传统的分布式控制系统也逐渐相互 融合，这也是现场总线技术给工业控制系统带来的最直接的变革。 现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站点的通信 系统。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。它作为工业 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之间 的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布控制系统9。这是 以智能传感、控制、计算机、数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已经受到世界范 围的关注，成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。 国际上许多实力强、有影响的公司都先后在不同程度上进行了现场总线技术与产品的开 发。现场总线设备的工作环境处于过程控制的底层，作为工业设备级基础通讯网络，要 求具有协议简单、容错能力强、安全性好、成本低；具有一定的时间确定性和较高的实 时性要求，还要具有网络负载稳定，短帧传送、信息的交换频繁等特点。由于上述要求， 现场总线系统从网络结构到通讯技术，都具有上层高速数据通信网的特色。 一般把现场总线系统称为第五代控制系统，也称作 fcs现场总线控制系统。人 们一般把 50 年代前的气动信号控制系统 pcs 称作第一代， 把 420ma 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 70 年代中期以 来的集散式分布控制系统 dcs 称作第四代10。现场总线控制系统 fcs 作为新一代控制 系统，一方面，突破了 dcs 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 dcs 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征。 分散控制系统的基本思想是利用分散控制、 集中管理； 将系统分为分散过程控制级、 西安科技大学硕士学位论文 10 集中操作监控级和综合信息管理级等。典型的分散系统原理图如图 2.1 所示： 管理微机 现场工作站 网间链接 工程师操作站 其他装置 监控计算机 plc控制器智能传感器 操作员操作站网间链接 综合信息 管理级 集中操作 监控级 分散过程控 制级 到其他局 域网 图 2.1 dcs 分散控制系统原理框图 而 fcs 控制系统的结构是两层结构形式，可分为工作站和现场总线智能仪表两层， 实现真正的开放式互联系统结构。其原理图如图 2.2 所示： 操作站 网桥 服务器 现场总线 现场设备32 现场设备124 现场总线 现场总线 现场设备32 h2 h1 h1 h1 h1 lan 图2.2 fcs控制层原理图 与 dcs 系统相比较，fcs 控制系统具有以下特点： (1)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，强调对统一标准的共识与遵从。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 fcs 系统及 can 总线技术 11 (2)互可操作性与互用性。这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息 传送与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。 (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 dcs 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。 现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领 域；一对双绞线上可挂接多个控制设备，减少了 dcs 系统的信号调理、转换、隔离等 功能单元和复杂的系统连接。不仅使得控制系统简化，节省硬件设备的安装费用和维护 的开销，另一方面提高了系统的可靠性，减少了传送误差，易于重构，也为用户提供了 更为灵活的系统集成主动权。 现场总线体现了分布、开放、互联、高可靠性的特点，而这些正是 dcs 系统的缺 点。dcs 通常是一对一单独传送信号，其所采用的模拟信号精度低，易受干扰，位于操 作室的操作员对模拟仪表往往难以调整参数和预测故障，处于“失控”状态，很多的仪 表厂商自定标准，互换性差，仪表的功能也较单一，难以满足现代工业控制的要求，而 且几乎所有的控制功能都位于控制中心站。fcs 则采取一对多双向传输信号，采用的数 字信号精度高、可靠性强，设备也始终处于操作员的远程监控和可控状态，用户可以自 由按需选择不同品牌种类的设备互联，智能仪表具有通信、控制和运算等丰富的功能， 而且控制功能分散到各个智能仪表中去。由此可以看到 fcs 相对于 dcs 的巨大进步。 也正是由于 fcs 的以上特点使得其在设计、 安装、 投运到正常生产都具有很大的优 越性12： 首先， 由于分散在前端的智能设备能执行较为复杂的任务， 不再需要单独的控制器、 计算单元等，节省了硬件投资和使用空间；fcs 的接线简单，而且一条传输线可以挂接 多了设备，大大节约了安装费用；由于现场控制设备一般是智能设备，具有自诊断自校 正功能，并能将故障信息发送至控制室，减轻了维护工作；同时，由于用户拥有高度的 系统集成自主权，可以通过比较灵活选择合适的厂家产品；整体系统的可靠性和准确性 也大为提高。这一切都帮助用户实现了减低安装、使用、维护的成本，最终达到增加利 润的目的，符合工业控制和经济发展的趋势。 西安科技大学硕士学位论文 12 2.2 常用的 fcs 架构及性能比较 工业自动化控制系统被划为不同的层次，可以用一个垂直分层模型的形式来描述， 如图 2.33： 现场层 过程控制层 生产控制层 公司控制层 图 2.3 工业自动化的分层模型 现场总线系统作为工厂数字通信网络的底层现场层，实现了生产过程现场设备 装置之间的互联互通，并使生产过程的控制与更高层的管理层紧密联系在一起；是当今 工业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。它是控制、 计算机、通讯技术的交叉与集成，涉及的内容十分广泛，现场总线技术的兴起，开辟了 工厂底层网络的新天地。它将促进企业网络的快速发展，为企业带来新的效益，因而会 得到广泛的应用，并推动自动化相关行业的发展。目前，信息网络已经向着范围更广的 浏览器/服务器（b/s）结构方向发展，网络的操作系统、网络的管理工具、网络协议和 网络上提供的服务等技术和手段也更规范和完善。 现场总线技术在历经了群雄并起，分散割据的初始阶段之后，尽管已有一定范围的 磋商合并， 但至今尚未形成完整统一的国际标准。 其中有较强实力和影响的有 foudation fieldbus（ff）、lonworks、profibus、hart、can、dupline 等；它们具有各自的特 色，在不同应用领域形成了自己的优势。 (1)基金会现场总线 基金会现场总线 （ff） 是国际上几家现场总线经过激烈竞争后形成的一种现场总线， 由现场总线基金会推出，与私有的网络不同，它不附属于任何一个企业或者国家。 ff 现场总线结构是参照 iso 的 osi 模型中的物理层、数据链路层和应用层，并增 加了用户层而建立起来的通信模型。提供了 h1 和 h2 两种物理层标准。h1 的传输速率 为 31.25kbps，可支持总线供电和本质安全防爆环境。支持双绞线、光缆和无线发射， 2 fcs 系统及 can 总线技术 13 协议符号 iec1158-2 标准。 传输信号采用曼切斯特编码， 其突出特点是设备的互操作性、 改善的过程数据、更早的预测维护及可靠的安全性。 (2)lonworks 它由美国 echelon 公司推出，它采用 iso/osi 模型的全部 7 层通讯协议，采用面向 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。 其核心是神经元芯片， 完成节点的事件处理，使得低成本的控制网络成为可能，实现了完整的 lonworks 的 lontalk 通信协议。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质，并开发了本 质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。采用 lonworks 技术和神经元芯片的产品，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。 (3)profibus profibus是德国标准 （din19245） 和欧洲标准 （en50170） 的现场总线标准。 由 profibus -dp、profibusfms、profibuspa 组成。dp 用于分散外设间高速数据传输，适用于 加工自动化领域。 fms 适用于一般自动化的中速数据传输， 主要用于纺织、 楼宇自动化、 可编程控制器、低压开关、传感器、执行器等。pa 用于过程自动化的总线类型，服从 iec11582 标准。profibus 是一种比较成熟的总线，在工程上的应用十分广泛。 (4)hart hart（highway addressable remote transducer）最早由 rosemount 公司开发。hart 通信模型由 3 层组成：即物理层、数据链路层和应用层。被称为可寻址远程传感高速通 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信，属于模拟系 统向数字系统转变的过渡产品。 hart 采用统一的设备描述语言 ddl； 由于它采用模拟 数字信号混和，难以开发通用的通信接口芯片。hart 能利用总线供电，可满足本质安 全防爆的要求，并可用于由手持编程器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。 (5)can can 是控制局域网络的简称，由德国 bosch 公司推出，是国际上应用最广泛的现 场总线之一，是一种多主方式的串行通信总线。它广泛用于离散控制领域。can 的信 号传输采用短帧结构，传输时间短，具有自动关闭功能，具有较强的抗干扰能力。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信控制方式，can 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 力系统、安防监控等各领域，都具有不可比拟的优越性。本课题即采用 can 总线实现 智能瓦斯传感器的网络化。 现在网络技术日新月异，发展十分迅猛，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 西安科技大学硕士学位论文 14 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、现场总线系统集 成技术。不仅保证了它完全可以适应目前工业界对数字通信和自动控制的要求，而且也 使控制网络与 internet 互联成为可能，可以使现场总线技术和计算机网络技术的主 流技术很好的融合起来，形成现场总线技术和计算机网络技术相互促进的局面。 现场总线属于尚在发展之中的技术，我国在这一技术领域还刚刚起步，了解国际上 现场总线技术的现状与发展动向， 对我国相关行业的发展， 对自动化技术、 设备的更新， 无疑具有重要的作用。既然是总线，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。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，这 一发展趋势是肯定的。 国际上现场总线的研究、开发，使测控系统冲破了长期封闭系统的禁锢，走上开放 发展的征程， 这对我国现场总线控制系统的发展是个极好的机会， 也是一次严峻的挑战。 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。 2.3 can 总线技术 典型的分散式控制系统由现场设备、接口与计算设备以及通信设备组成。现场总线 （fieldbus）能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，因而现场总线已成为工业 数据总线领域中最为活跃的一个领域。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。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 3。尽管目前对现场总线的 研究尚未能提出一个完善的标准，但现场总线的高性价比将吸引众多工业控制系统采 用。同时，正由于现场总线的标准尚未统一，也使得现场总线的应用得以不拘一格地发 挥， 并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据。 作为发展成熟的现场总线之一， can 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化控制、船舶、医疗设 备、工业设备等领域。 can 总线具有以下主要特征13： (1)can 总线的通信方式非常灵活，可以是点对点或者广播的方式，可以是单主方 式也可以是多主方式。特别是 can 以多主方式工作时，网上任意一个节点可在任意时 刻向网上其它节点发送信息；利用这个特点能够容易地构成多机冗余系统，来提高系统 的可靠性。 (2)can 协议不采用传统的站地址编码方式，而代之以对通信数据块进行编码，用 一个 11 位或 29 位二进制数组成的标志符来区分不同的数据块。这种编码方式使得系统 设置非常灵活，无需站地址等节点信息。 (3)can 采用非破坏性总线仲裁技术。 通过 can 总线传送的信息帧可以设定成不同 2 fcs 系统及 can 总线技术 15 的优先级，并依据总线仲裁机制使高优先级的信息能够优先发送，从而增强了 can 总 线通信的实时性。 (4)can 的数据帧采用短帧结构，传输时间短、数据段的最大长度为 8 个字节，这 样不但能够满足工业控制领域中传送控制命令、工作状态和测量数据的一般要求，而且 保证了通信的实时性。 (5)can 的节点有能力识别永久性故障和暂时扰动，对错误做出界定，对已损报文 进行标注并自动最新发送，对故障计数大于 255 时，节点被“脱离总线” ，脱离总线状 态不允许对总线有任何影响。 (6)can 总线的通信介质多样化，组合方式灵活。can 的通信媒体有双绞线、同轴 是缆、光缆、无线等在实际系统的应用中，往往可以灵活地混合使用。can 的通讯速 率最高可达 1mbps，通讯距离最远可达 10km。 can 总线在通信能力、可靠性、实时性、灵活性、易用性、传输距离远、成本低 等方面有着明显的优势，成为业界最有前途的现场总线之一。与国内广泛使用的 rs485 总线与 can 总线相比具有以下优势18： 表表 2.1 rs485 总线与总线与 can 总线比较总线比较 特性 rs485 can 成本 低廉 稍高 2050 元/节点 总线利用率 低 高 网络特性 单主网络 多主网络 数据传输率 低 高 容错机制 无 可靠地错误处理和检错机制 通信失败率 高 极低 节点错误的影响 导致整个网络的瘫痪 无任何影响 通信距离 1.5km 可达 10km 网络调试 困难 非常容易 开发难度 大 小 后期维护成本 高 低 can 属于工业现场总线的范畴，与一般的通信总线相比，can 总线的数据通信具 有突出的可靠性、实时性和灵活性。其良好的性能及独特的设计，can 总线越来越受 到人们的喜爱。 2.3.1 can 总线的发展历程 can 最初出现在 80 年代末的汽车工业中，由 bosch 公司为现代汽车应用领先推 西安科技大学硕士学位论文 16 出的一种多主机局部网，最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的 通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器 件可以被挂接在该总线上。由于其高性能、高可靠性、实时性等优点，现已广泛应用于 工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。 1993 年11月出版了 can 的国际标准 iso11898