（电路与系统专业论文）基于CAN总线的大型远程监控网络设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 目前我国正在深山峡谷地区建设一批水电站，地质地形条件复杂，边坡的稳 定性问题是这些工程项目所面临的共同技术难题。安全监测是掌握边坡稳定状况 的有效手段。但边坡监测和常规大坝监测相比有其特殊性，实现自动化监测存在 技术上需要克服的问题。 本文针对青海拉西瓦水电站大坝右岸高边坡安全监测的需要设计了一个大 型远程监控网络系统。整个系统包含通讯系统、上层软件和底层测量模块三个部 分。本文重点介绍通讯系统和上层管理软件的相关内容。 考虑到拉西瓦水电站高边坡安全枢纽监测系统的特殊性：测点多、仪器设备 多，而且测量设备之问距离差异较大，距离主控制室较远( 长达5 k i n ) 。因此，本 文选择c a n 总线作为通信系统报文协议的载体，主要实现两方面的功能：一方 面将上层用户的命令传送给底层测量模块；另一方面将底层测量模块采集到的传 感器数据准确无误的传送给上层管理软件，供上层用户分析和处理。 针对通信系统网络模块的设计，本文将介绍模块的硬件和软件设计。硬件设 计方面，本文选取c 8 0 5 1 f 0 4 0 微控制器作为通信系统的控制核心，还选取了一 些新型高速、功能强大的外围芯片，使硬件设计更为合理、简单和可靠。由于拉 西瓦水电站边坡监测系统覆盖面大( 1 0 k m x l 0 k m ) ，为了提高通信系统网络的抗 干扰性并保证适当高的通信速率，需要在网络中加中继器。本文首次在通信系统 网络中采用基于s p i 的双m c u 的c a n 网络中继器模块，以实现对通信链路中 的信号放大，并对数据报文进行路由和转发。此方法在国内尚处在试验阶段，但 其意义却显得非常重要。软件设计方面，根据c a n 2 0 a 、c a n 2 0 b 和s p i 的协 议规范，充分利用报文的帧格式，设计合理的通信协议，完成了主机节点、中继 器和底层通讯节点的通讯软件设计。上层管理软件方面，本文介绍了串口通讯的 相关内容。 另外，通过对远程网络等效电路的分析，搭建模拟远程电路，并对所设计的 系统进行测试实验，没有发现丢包情况，并且7 6 m s 成功发送接收一次数据，如 果加上中继器1 3 8 m s 成功发送接收一次数据，验证了通信系统网络模块具有良 好的稳定性和实时性，已经基本满足高边坡安全监测系统的要求。 关键字：边坡大型远程监控网络c 8 0 5 1 f 0 4 0c h n 中继器s p i 通讯 i a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，c h i n ai sb u i l d i n gan u m b e ro fd e e pg o r g eh y d r o p o w e rs t a t i o n s t h e c o m p l e xg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dt h es l o p es t a b i l i t yp r o b l e m sa r et h ec o m m o n t e c h n i c a lp r o b l e m si nt h et h e s ep r o j e c t s s a f e t ym o n i t o r i n gi st h ee f f e c t i v em e a n so f k e e p i n gt h es l o p es t a b i l i t y h o w e v e r , t h em o n i t o r i n go ft h es l o p e ，w i t hi t ss p e c i a l i t y , i s d e f i n i t e l yd i f f e r e n tf r o mt h a to ft h ed a m ，h e n c eo ft h et e c h n i c a lp r o b l e m se x i s t i n gi n t h ea u t o m a t e dm o n i t o r i n gn e e dt ob eo v e r c o m e i nt h i sp a p e r , al a r g e s c a l er e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ln e t w o r ks y s t e mi s d e s i g n e df o rt h eh i g hs l o p eo nt h er i g h tb a n ko ft h eq i n g h a il a x i w ad a mf o rt h en e e d o fs a f e t ym o n i t o r i n g t h es y s t e md e a l sw i t hc o m m u n i c a t i v es y s t e m ，u p p e rs o f t w a r e ， w h i c ha l et h ef o c u so f t h i sp a p e r , a n db o t t o mm e a s u r em o d u l e t h eh i g hs l o p es a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e mf o rt h es p e c i f i c i t yo ft h eq i n g h a il a x i w a d a mh a sb e e nc o n s i d e r e d ，a n di tn e e d sl o t so f m e a s u r i n gp o i n t sa sw e l la se q u i p m e n t s ， a n dt h ed i s t a n c e sb e t w e e nt h em e a s u r e m e n te q u i p m e n t sa r el o n g ，f a ra w a yf r o mt h e m a i nc o n t r o lr o o m ( 5 k m ) s oi nt h i s p a p e r , t h ec a nb u si s s e l e c t e da st h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t h ef u n c t i o n sa r e ：1 t h ec o m m a n do ft h et o pu s e r sw i l lb e s e n tt ot h eb o t t o mm o d u l e ；2 t h ed a t ac o l l e c t e db yt h eb o t t o mm e a s u r e m e n tm o d u l e s w i l lb et r a n s m i t t e dt ot h eu p p e rm a n a g e m e n ts o f t w a r ea c c u r a t e l y , f o rt h ea n a l y z i n g a n dp r o c e s s i n g f o c u s i n go nt h en e t w o r km o d u l ef o rc o m m u n i c a t i o ns y s t e md e s i g n ，t h i sp a p e rw i l l i n t r o d u c et h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h i sm o d u l a r o nm eh a r d w a r ed e s i g n a s p e c t , t h ec 8 0 51f 0 4 0m i c r o c o m p u t e ri ss e l e c t e da st h ec o r eo ft h ec o m m u n i c a t i o n c o n t r o ls y s t e m c e r t a i nn e w , h i g h s p e e d ，p o w e r f u l f u n c t i o nc h i p sa r ea l s ou s e df o rt h e r e a s o n a b l e ，e a s ya n dr e l i a b l ed e s i g nc o n s i d e r a t i o n b e c a u s et h ec o v e r i n ga r e ao ft h e q i n g h a il a x i w ad a mi sl a r g e ( 10 k m 1o k r a ) ，i no r d e rt oi m p r o v ea n t i - j a m m i n g c o m m u n i c a t i o ns y s t e mo ft h en e t w o r ka n dt oe n s u r e a p p r o p r i a t e l yh i 曲- s p e e d c o m m u n i c a t i o n s ，w ei n c r e a s et h en u m b e ro ft h er e p e a t e r si nt h en e t w o r k i nt h i sp a p e r , i ti st h ef i r s tt i m et h a ti nt h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w ea m p l i f yt h es i g n a li n t h ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e lu s i n gc a nn e t w o r kr e p e a t e rm o d u l eb a s e do nd u a l m c u su s i n gs p i ，a n df o rt h er o u t i n ga n df o r w a r d i n go ft h ed a t ap a c k e t t h i sm e t h o d i ss t i l li ne x p e r i m e n tn o w a d a y s ，b u ti ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c e o nt h es o f t w a r ed e s i g n i i a s p e c t ，a c c o r d i n gt oc a n 2 0 a ，c a n 2 0 ba n ds p ip r o t o c o ls p e c i f i c a t i o no f t h ef u l l u s eo ft h e 矗a m ef 0 n n a tm e s s a g e ，t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sd e s i g n e dt oc o m p l e t e n l em 孤沌e rn o d e ，r e l a yn o d e sa n dt h eu n d e r l y i n gc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ed e s i g no f c o m m u n i c a t i o n o nt h eu p p e rm a n a g e m e n ts o f t w a r ea s p e c t ，t h i sp a p e rd e s c r i b e st h e r e l e v a n tc o n t e mo fs e r i a lc o m m u n i c a t i o n s i na d d i t i o n ，t h r o u g ht h ee q u i v a l e n t c i r c u i ta n a l y s i so ft h er e m o t en e t w o r k , s i m u l a t i o no ft h el o n g d i s t a n c ec i r c u i ts t r u c t u r e s ，a n d t e s tt h ed e s i g n e ds y s t e m ，t h e r e s u i t ss h o wt h a tt h e r ei sn op a c k e tl o s s ，a sw e l la st h es u c c e s so f7 6 m st os e n dd a t a a n dt or e c e i v e u s i n gt h er e p e a t e rw ec a ns u c c e s s f u l l ys e n da n d r e c e i v ed a t at h r o u g ha d i s t a n c eo f138 m s t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sag o o d s t a b i l i t ya n dr e a l t i m ef e a t l ea n dh a sb a s i c a l l ym e tt h en e e do ft h eh i g hs l o p es a f e t y m o n i t o r i n gs y s t e m k e yw o r d s ：s l o p e ，l a 唱e s c a l er e m o t em o n i t o r i n gn e t w o r k ，c 8 0 5 1f 0 4 0 ，c a n ，r e p e a t e r , s p i ，c o m m u n i c a t i o n i i i 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：础签字日期：2 殳堡妣 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定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，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 导师签名： 签字日期：2 竺登：堂：尘 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 本论文的研究内容来自于青海拉西瓦水电站右岸高边坡安全监测项目。拉 西瓦水电站工程为i 等大( 1 ) 型工程，枢纽安全监测的测点、仪器设备、测站多。 拉西瓦水电站右岸高边坡的相对高差4 0 0 米以上，右岸高边坡的稳定性将直接 影响大坝施工、进水口施工的安全以及缆机的j 下常运行。因此，快速、准确地 了解、掌握右岸高边坡变形特性显得尤为重要。对现有监测资料的分析表明， 边坡位移受到开挖爆破和降水等环境量的影响较大，特别是在坝区施工高峰期 或环境条件十分恶劣时，右岸高边坡安全监测必须建立一套可靠的自动化系统。 我国大约有5 0 0 0 个大中型人坝，水利资源利用率约2 0 ，然而西方很多国 家已经达到9 0 以上。我国目f j ，j 还有不少正在建设的和准备建设的水电站，如 果大坝失事不仅将影响工程的正常施工和运营，而且还会在人员和财产上造成 损失，甚至会导致社会性灾难。大坝的安全监测对大坝的运行、施工和设计有 着比较重要的作用，而高边坡的安全监测在大坝( 主要是深山峡谷中建设的大坝) 整个安全监测中占有十分重要的地位。因此，设计出高边坡安全监测系统有着 十分重要的意义，主要表现在： 1 高边坡的特征是区域大、边坡高而陡。人工测量困难很大，特别是在气 候恶劣和夜间监测难度特别大。尤其是在强风暴雨等恶劣气候条件作用下，高 边坡的稳定性受到影响比较大，而此时人工观测是无法正常进行的，很有可能 会因此丧失最佳预报时机。 2 监测人员的职责和工作经验都将影响监测结果。采用人工观测时，人为 误差或错误是不可避免的，对监测资料的后期分析可能会带来不必要的误导和 麻烦。还有采用人工观测会耗费大量的人力和物力，一定程度上造成资源不必 要的浪费。而且高边坡人工监测周期太长，根据目前的要求监测周期一般在1 0 天左右。边坡失稳状况出现仅仅在三五天内就能发生，而按照人工观测的周期 判断，人工观测可能无法及时捕捉边坡失稳的变位信息，从而无法及时发出预 警预报，很可能会给工程造成巨大的损失。 3 高边坡人工监测时，监测人员自身的安全问题也很重要。由于边坡陡而 峭，监测人员每次监测都冒着很大的生命危险。根据以往的经验，多雨季节时， 每次雨后边坡的落石比较多，而此时往往又是边坡变位发展最快的时候，需要 及时监测并掌握边坡变形动态信息。另外，当边坡变位有加速趋势时，需要全 第1 章绪论 天侯紧密监测，这时夜间监测对监测人员和施工设备的安全构成了很大的威胁。 4 高边坡安全监测系统能保证监测数据的可靠性和完整性。如果数据不完 整可靠，数据处理分析就成无本之木和无法正确评估高边坡的安全性。高边坡 系统的支护设计、传感器的选择和高边坡应力应变理论的分析都要建立在多年 大量可靠的数据积累之上，进行分析、验证设计及计算理论。为日后的设计施 工提供可靠的理论基础数据。 5 一座大坝一般要运行百年以上，在运行期间，很可能会遇到天灾( 地震、 水灾和战争等等) ，此时就需要对大坝进行分析、判断和处理设计。只有精确可 靠的数据才能为人们提供实时分析、评估以及最优的决策支持( 许波，2 0 0 8 ) 。 高边坡的稳定问题是我国目前正在深山峡谷地区建设水电站工程所面临的共 同技术难题，安全监测是掌握边坡稳定状况的有效手段之一。但是，高边坡监测 和常规的大坝监测相比有其特殊性的一面，顺利实现自动化监测需要克服技术上 的难题。例如，拉西瓦大坝的8 0 0 多个传感器分布在方圆1 0 k m 以内，进行实时监 控，难度很大。 1 2 控制系统的发展 控制系统的结构从最初的计算机集中控制系统( c e n t r a l i z e dc o n t r o l s y s t e m ，c c s ) ，到第二代的集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) ，以计 算机为核心的控制系统结构经历了“集中”、“分散”和“集散”几个变化。伴随着 较流行的现场总线控制系统( f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 的出现，控制系统朝 着网络化方向发展。控制系统经历了从简单到复杂，从低级到高级，很大程度 上提升了自动化控制水平。 随着i n t e m e t 技术发展和不断的壮大，i n t e m e t 正在把世界范围内的办公系 统和通信系统连接组合起来，这使底层信息的远程访问和控制成为可能。而现 场总线也正在把底层控制网络i n f r a n e t 集成起来，这为远程控制底层信息提供 了基础。这样人们就可以通过i n t e m e t 和i n f r a n e t 的集成，实现远程监控。现场 总线控制系统作为底层控制的网络，是自动监控和仪器仪表领域研究的热点， 到目前为止国际上还没有统一的现场总线标准，世界格局是多种总线并存。 1 3 现场总线的定义和技术特点 1 现场总线( f i e l db u s ) 定义 国际电工委员会i e c l l 5 8 的定义是：安装在制造或过程领域的现场装置与 2 第1 章绪论 控制室内自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总 线。现场总线已经不是单单一利，通信技术，也不仅仅是数字仪表代替模拟仪表， 关键是实现现场通信网络、计算机技术与控制系统的集成。以现场总线为基础 的全数字控制系统称为现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。 2 现场总线的技术特点 ( 1 ) 系统的开放性 开放是指对于相关标准的一。致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。一个 开放系统，是指它可以与世界上二任何地方遵守相同标准的其他设备或系统连接。 通信协议一致公开，不同厂家的设备之间可实现信息交换。用户可按自己的需要 和考虑，用不同供应商的产品组成大小随意的系统，通过现场总线构建自动化领 域的开放互连系统。现场总线丌发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开 放系统。 ( 2 ) 互可操作性与互用性 互可操作性是指实现互连的设备之间、系统之间信息的传送和沟通。互用性 则意味着不同生产厂家性能类似的设备可实现相互替换。 ( 3 ) 现场设备的智能化与功能自治性 是指将补偿计算、传感测量、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完 成，只需要靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并随时诊断设备的运行状 态。 ( 4 ) 系统结构的高度分散性 现场总线构成一种新的具有全分散性的控制系统的体系结构，从根本上改变 了现有集中与分散相结合的集散控制系统d c s ，简化系统结构，从而提高了可靠 性。 ( 5 ) 对现场环境的适应性 作为生产现场前端的工厂网络底层的现场总线，是专门为现场环境而设计 的，可支持电力线、双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线等，具有较强的抗 干扰能力，能采用两线制实现供电与通信，并基本上可满足本质安全防爆等要求 ( 张培仁，2 0 0 9 ) 。 1 4 几种有影响的现场总线 自现场总线出现以来，有儿种现场技术已逐渐形成其影响并在一些特定的 3 第1 章绪论 领域显示了自己的优势。 1 4 1c a n 总线 c , m q 简称是控制器局域网( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) ，是由德国b o s c h 公司 最早推出的，用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信。其总线规范已被 i s o 国际标准组织定为国际标准。由于得到了m o t o r o l a 、p h i l i p 、i n t e l 、n e c 等 公司的支持，广泛应用于离散控制系统。 c a n 总线的优点，表现在其结构简单、抗干扰能力强、稳定性能高、扩展 性以及开放性好，还有成本低廉等方面。目前正在向较为复杂的高级应用的方 向发展。c a n 总线更深入了解请参见第2 章。 1 4 2p r o flb u s 总线 p r o f i b u s 是欧洲标准e n 5 0 1 7 0 和德国国家标准d i n 9 2 4 5 的现场总线标 准。由p r o f i b u s d p ，p r o f i b u s p a ，p r o f i b u s f m ：s 组成了p r o f i b u s 系列。d p 型用于分散外设间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。 f m s 意为现场信息规范，适用于纺织、科编程控制器、楼宇自动化、低压开关 等。而p a 型则使用于过程自动化的总线类型，它遵从i e c l l 5 8 2 标准。该项技 术是由西门子公司为主的十三家德国企业和五家科研机构联合制订的标准化规 范。采用了o s i 模型的数据链路层、物理层。f m s 还采用了应用层。传输速率 为9 6 k b p s 1 2 m b p s ，最大传输距离在1 2 m b p s 时为1 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 。其传输介质可以是光纤或双绞线。最多可挂1 2 7 个节 点。可实现总线供电与介质安全防爆。 1 4 3l o n 总线 l o n w o r k s 技术由美国e c h e l o n 公司开发研制，并由e c h e l o n 与m o t o r o l a 、 东芝公司共同倡导，在1 9 9 0 年正式公布。它采用i s o o s i 模型的全部7 层通讯 协议，采取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。通信速率范围从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 ) 。 支持双绞线、射频、光缆、红外、同轴电缆、电力线等多种通信介质，并开发 了相应的本质安全防爆产品，被誉为“通用控制网络”。 l o n w o r k s 技术所采用的l o n t a n ( 协议被封装在被称为n e u r o n 的神经元芯 片中而得以实现。n e u r o n 芯片中有3 个8 位c p u ，其中一个完成互联开放模型 中的物理层、数据链路层功能，称作媒体访问控制处理器，实现介质访问的控 4 第1 章绪论 制与处理。第二个c p u 完成氮3 6 层功能，称作网络处理器，进行网络变量的 寻址、软件计时、处理、路径选择、背景诊断、网络管理，并负责网络通信控 制以及收发数据包等。第三个c p u 执行操作系统服务和用户代码，称为应用处 理器。而且芯片中还有存储信息缓冲区，用以实现各c p u 之间的信息传递并作 为网络缓冲区和应用缓冲区。 1 4 4r s - 4 8 5 总线 为扩展应用范围电子工业协会( e i a ) 于1 9 8 3 年，在r s - 4 2 2 基础上制订并发 布了r s 4 8 5 标准，增加了双向、多点通信能力，即允许多个发送器连接到同一 条总线上，同时增加了发送器的冲突保护和驱动能力特性，扩展了总线共模范 围，命名t i a e i a 一4 8 5 a 标准。由于e i a 提出的建议标准都是以“r s ”作为前缀， 所以在通讯工业领域仍然将上述标准以“r s 作前缀。 r s 4 8 5 标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、电缆或协议， 在此基础上用户可以建立自己的高层通信协议。因此在视频界的应用，许多厂 家都建立了一套高层通信协议，或厂家独家使用或公开。 1 。4 5 基金会现场总线 基金会现场总线( f f ，f o u n d m i o nf i e l d b u s ) 也是工程应用较为广泛的一种现 场总线。它在过程自动化领域得到广泛应用，具有良好的发展前景。其前身是 以美国f i s h e r - r o s e m o u n t 公司为首，联合f o x b o r o 、a b b 、横河等八十多家公司 制定的i s p 协议，和以h o n e y w e l l 公司为首，联合欧洲等1 5 0 多家公司制定的 w o r l df i p 协议。后来两大集于1 9 9 4 年9 月合并，成立了现场总线基金会， 着手开发出国际上统一的现场总线协议。 f f 总线以i s o o s i 开放系统互连模型为基础，取其数据链路层、物理层、 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。用户层主要针 对自动化测控领域的应用需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语 言规定了通用功能模块集。由于这些公司是该领域自控设备的主要供应商，对 工业底层网络的功能需求了解十分透彻，也具备足以左右该领域自控设备发展 方向的能力，由他们组成的基金委员会颁布的现场总线规范具有一定的权威性。 f f 总线分低速h 1 和高速h 2 两者通信速率。其中h l 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 质安全防爆环境。h 2 的传输速率可为1 m b p s 和2 5 m b p s ，通信距离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m ，物理传输介质支持无线发射、双绞线和光缆，协议符合i e c l l 5 8 2 标 第1 章绪论 准，物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。 基金会现场总线的主要技术内容，包括f f 通信协议，用于完成开放互连模 型中第2 至7 层通信协议的通信栈，用于描述设备特征参数属性和操作接口的 d d l 设备描述语言、设备描述字典。用于实现测量、控制、工程量转换等应用 功能的功能块，实现系统组态、调度以及管理等功能的系统软件技术和构筑集 成自动化系统、网络系统的系统集成技术( 王黎明，2 0 0 8 ) 。 1 5c a n 总线与其他总线性能比较 1 5 1 c a n 总线与d c s 、p l 0 控制系统性能比较 c a n 总线是一种全数字化、全分散、全透明、标准化、规格化的总线，不 同传感器和不同设备都可以与之相连接。改变了过去那种封闭的、集中式的、 不灵活的控制体系，由于开放性导致网络中设备的增多从而形成远比p l c ( 可编 程序逻辑控制器) 和分布式控制系统d c s 功能更为强大的控制系统。c a n 总线 控制系统与d c s 、p l c 系统性能比较如表1 1 。 1 5 2c a n 现场总线与r s - 4 8 5 总线比较 c a n 现场总线监控系统比目前r s - 4 8 5 为主的控制系统有以下几个主要优 势： 1 误码率比r s 4 8 5 总线在强噪音环境下的安全性高 c a n 总线发送回收电平都相校验，每帧有响应位。有硬化c r c 校验比 r s 4 8 5 的奇偶校验要可靠的多，还有插入位校验，使总线在短路或断路时很快 检测出来，c a n 总线也有报文格式校验和报文响应校验。因此c a n 总线上各 个节点能够检测到总线每帧上五个以下随机分布错误和小于十五个突发错误及 任何奇数个数错误。误码率比r s 4 8 5 总线小几个数量级。同时通讯出错可以精 确定位。 2 系统具有良好的故障隔离能力 按照c a n 2 0 规范，在任意时刻c a n h 端的电平只能是高电平和悬浮状态， 而c a n l 端的电平则只能是低电平和悬浮状态。c a n 的这种电平特性，使得即使 多个节点同时向总线发送数据，也不会使总线呈现像r s 4 8 5 总线那样的短路状 态，从而就不会把单个节点的故障“传染”给总线上的其它节点。另外，c a n 总线的节点在错误严重时能够及时的关闭与总线的连接，保护各节点。使总线在 有节点损坏时，不会导致整个总线停止工作( 史延春，2 0 0 7 ) 。 6 第i 章绪论 表1 1c a n 总线控制系统与d c s 、p c l 控制系统比较图 比较内容 c a n 总线d c s 系统p l c 系统 数字化全数字化、| ，数字化半数字化 开放性 个jr 放封c d j 半封闭 硬件分散型全分散集中和分散集合集中 极强较强极强 抗干扰 ( 误码率1 0 川)( 误码率1 0 。7 )( 误码率1 0 7 ) 通信协议硬化全硬化软件白定义软件自定义 电缆2 条众多众多 微信u 损失很小 较火较大 校准方式颂什c r c奇偶奇偶 通信速率 lm1 0 0 k 有无控制器无有无 比较内容现场总线d c s 系统p l c 系统 通讯距离 l o k m1k m5 0 m 软件分散程度分敞 集中 集中 与以太网接口容易较容易 较容易 总线方式多土，士从土从集中 接收和发送缓冲区大小 1 3 6 x 3 2 位2 x 8 位2 x 8 位 上位机指定上位机指定 系统中增加模块方式即插即用 人i r 完成人工完成 通讯出错定位硬什定义无此功能无此功能 与上位机接口u s l 3 ，并行口 r $ 2 3 2r $ 2 3 2 总线短路、断路的影响【，j 行火c 4 j 脱离损上1 ：系统损坏系统 软件分敝程度分散集中分散 集中 3 c a n 网络具备良好的可靠性设计 c a n 总线工作方式，可以主从，也可以多主，在多主时网络中的任意节点在 任意时刻均可向总线发送数掘，这就保汪了基于c a n 总线可以构成多主结构或冗 余结构的系统，从而可使系统具有良好的可靠性。利用r s - 4 8 5 只能构成主从式结 构的通信网络，系统的总体可靠性较低。 1 5 3 专用和通用c a n 总线系统性能比较 1 专用边坡c a n 总线监控系统比通用c a n 总线所用模块数量要少一倍，就 可以完成相同任务。 2 通用系统用恒流、恒压模块、a d 转换模块，d a 模块，i o 模块组成测 第1 章绪论 一个传感器通道，这样外部连线大大增加，这是因为通用c a n 模块不是专门 为水利系统设计，一般要测物理量距离只有几米，所以与传感器测量使用两 线制或一线制。而边坡传感器与测量模块距离远( 1 0 0 m ) 并且远近不定( 决定于 地形、传感器与测量模块距离) 只能采用5 线制或者4 线制，这样通用c a n 模块测量造成随机误差，通常很难达到万分之一的精度。因此通用c a n 总线 模块测量精度和实用性不如专用c a n 总线模块。 3 通用c a n 总线组成，通用经常是一条总线或用中继器延长的一条总线组 成测控系统，专用高边坡c a n 总线可以组成树形或环形结构，这样使测量范 围、速度以及可接入节点数大大提高。 4 通用c a n 总线是为工业控制用的，都是室内工作。所以没有防雷击的措 施，通用c a n 总线模块是为一般工业过程的测量用的，没有边坡传感器所需 要各种校准，单位转换，因温度影响而做的温度补偿算法等软件，这些工作 只要在上位机去做，软件可靠性不如专业边坡c a n 总线模块。水利专用c a n 总线系统与通用c a n 性能比较如表1 2 。 表1 2 水利系统高边坡专用c a n 总线系统与工业通用c a n 总线比较 项目水利系统高边坡专用c a n 总线工业通用c a n 总线 测量精度可达万分之一二千分之一 传感器测量辅助装置可变恒流源和恒压原无 每一模块测量传感器数量1 6 支1 - - - 2 支 can 总线个数 多条可以组成树形网络一条 按水利水电系统传感器类型设计 设计思路 按i o 、a d 、d a 功能设计 每一个通道 模块与传感器最远的距离 最高可达5 0 0 m 几米以内 多种模块组成测量一支传 成本价格低 感器 与传感器接线方式4 线、5 线制、6 线制2 线、1 线制 使用模块数量少多 防雷击模块 通讯、传感器、电源都有无 注：通用c a n 总线主要以台湾研华和北京华控自动控制公司的为例。 1 6 本文所做的主要工作 基于以上的分析和大坝高边坡安全监控的现状，本文开发了以c a n 总线现场 总线为基础，嵌入式系统为开发目标的拉西瓦大坝右岸高边坡安全监控系统。本 文研究的主要内容包括以下几点： 1 分析不同的总线结构，与c a n 总线进行比较，根据c a n 总线自身的特点， 8 第1 章绪论 设计出基于c a n 总线的远程监控网络系统。 2 根据应用的需要，设计合理的通信协议，给出报文传输的帧格式，确定节 点的仲裁码和屏蔽码，优化分配c a n 消息队列。 3 进行硬件设计：包括m c u 选型、c a n 总线接口电路和中继器设计等外围 电路的设计，绘锘i j p c b 电路原理图。 4 进行软件设计：包括主机节点、中继器节点和底层多功能通讯节点，实现 所需通讯功能。 5 进行调试与实验，完善系统设计。 9 第2 章c a n 总线技术规范 第2 章c a n 总线技术规范 c a n 的全称为“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。由于具有高性 能、高可靠性以及独特的设计，c a n 总线越来越受到广大用户的重视，是国际 上应用最广泛的现场总线之一。c a n 总线能有效地支持具有比较高安全等级的 分布式实时控制系统。 2 1c a n 总线产生与发展 c a n 总线最初出现在2 0 世纪8 0 年代末的汽车工业中，由德国b o s c h 公司 最先提出。当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实 现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意 味着需要更多的连接信号线。提出c a n 总线的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，德国b o s c h 公司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。1 9 9 1 年9 月p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 制定并发御了c a n 技术规范。该技术规范包括a 和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 给出了标准和 扩展的两种格式。1 9 9 3 年1 1 月，c a n 已成为国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ( 高速应用) 和 i s 0 1 1 5 1 9 ( 低速应用) ，这为控制器局域网的标准化、规范化铺平了道路( 饶运涛， 2 0 0 7 ) 。 c a n 总线以其独特的设计，低成本、高可靠性、实时性、抗干扰能力强等 特点得到了广泛的应用。其应月f | 范围也不再局限于汽车行业，而向纺织机械、 机械工业、过程工业、航空工业、农用机械、传感器及安全防护等领域发展。 并被公认为最有前途的现场总线之一。 c a n 总线是一种串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电 磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。数据传输速率最高可达1 m b p s ， 信号传输距离达到4 0 m ；当信号传输距离达到1 0 k m 时，c a n 仍可提供高达 5 k b p s 的数据传输速率。 2 2c a n 总线的相关概念 1 位速率 c a n 的数据传输率在不刚的系统中是可以不相同的，而在一个给定的系统 第2 章c a n 总线技术规范 中，此速度是唯一的，并且是固定的，不能改变的。 2 信息路由 在c a n 系统中，节点不使用任何关于有关系统结构的任何信息。以下是几 个重要的概念： 系统灵活性：节点可在不要求所有节点及其应用层改变任何软件和硬件的 情况下，直接被接至c a n 网络；报文路由：一个报文的内容由其标识符( i d ) 命名。i d 不指出报文的目的，但i d 描述数据的含义，以便网络中的所有节点 有可能借助报文滤波决定是否应对该数据做出反应。c a n 2 0 ai d 为1 1 位， c a n 2 0 bi d 为2 9 位；数据相容性：在c a n 网络中，可以确保报文同时被所 有节点或者指定节点接收( 或同时不被接收) 。因此，系统的数据相容性是通过 多播和错误处理的原理实现的。 3 报文 总线上的信息以不同的固定格式报文发送，但其长度有规定限制的。当总 线开放时，任何连结的单元节点均可以开始发送一个新报文。 4 远程数据请求 通过发送远程帧，需要数据的节点可以请求另一个节点发送一个相应的数 据帧，该数据帧和相应的远程帧，要以相同的i d 命名。 5 故障界定 c a n 总线节点有能力识别永久性故障和突发干扰，可自动关闭故障节点。 6 安全性 为了尽可能提高系统的数据传送安全性，在c a n 总线挂接的每个节点中均 设有错误检测、标定以及自检的措施。检测错误措施主要包括：发送自检、位 填充、报文格式和循环冗余校验检查。错误检测特性：发送器的所有局部错误 均可被检测，所有全局性错误均可被检测。 7 优先权 在总线访问期间，标识符定义静态的报文优先权，从而确定节点报文的优 先级。 8 位插入和位删除 在进行传输串行数据流时，有些位流区间中的位码具有特定的含义，这些 位码起到识别报文起止的作用。同时对总线发生短路或者开路接受方，可以识 别出插入错误位。可以在c a n 总线发送前连续的六位、七位或者八位同态位码 中进行位插入，在接收后进行位删除。位插入和位删除保证了数据的透明。在 c a n 总线中，每连续五个同态电平插入一位与它相反的电平，当接收时每五个 连续的同态电平后的相反电平再被删除。 1 2 第2 章c a n 总线技术规范 9 出错标注和恢复时间 对检验出错误的节点报文进行标注，该报文将失效，并进行自动重发送。 如果没有新的错误，恢复时间最多为2 9 个位时间，即从检出错误到下一个报文 开始发送。 1 0 睡眠方式( 唤醒) 为使系统功耗降低，c a n 总线单元节点可被设置为睡眠方式( 不响应任何 命令除了唤醒命令) ，相当于未连接在总线上的驱动器。睡眠方式可借助任何总 线激活或者系统的内部条件被唤醒而解除。系统内任意一个处于睡眠状态的节 点，可使用具有最低等级的标识符专门唤醒报文( 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 b ) 。 1 1 连接 c a n 串行通信链路是可以连接众多单元的总线。理论上，单元数目是无限 的。实际上，连接单元总数受限二f 延迟时间和总线线路上的电气负载，因此连 接单元的数量是有限的。 1 2 应答 所有接收器均对接收报文的连贯性进行检查。对于连贯的报文，接收器应 答；对于不连贯的报文，则接收器做出标志。 1 3 多主机 总线空闲时，任何单元都可以传送报文。具有较高优先级报文的单元可以 获得总线控制权。( 邬宽明，1 9 9 6 ) 2 3c a n 总线特性 c a n 总线由于采用了许多新技术及其独特的设计，与一般通信总线相比， 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。其特点可概括如下 ( 史久根等，2 0 0 4 ) ： 1 c a n 总线节点优先级有等级之分，可满足多种实时系统的要求，高优 先级的数据最长可在1 3