（电路与系统专业论文）基于现场总线节点化的嵌入式远程网络控制与系统研究.pdf

2 01 1g r a d u a t es t u d e n td i s s e r t a t i o n l l u ll i lli lli l lii iiiii 、t19 0 2 6 9 9 s c h o o ln o ：10 2 6 9 n o ：5 1 0 8 1 2 0 2 0 4 4 ea s tch i n an o r m a l u n i v e r s i t y a p p l i c c a t i o n so fe m b e d e dn o d ec o n t r o ls y s t e mb a s e do n c a nb u sm a n a g m e n ta n dn e t w o r kr e m o t ec o n t r o l d e p a r t m e n t ： m a j o r ： s p e c i a l i t y ： s u p e r v i s o r ： c a n d i d a t e ： s c h o o lo fi n f o r m a t i o ns c i e n c ea n d t e c h n o l o g y c i r c u i ta n d s y s t e m c o m m u n i c a t i o na n de m b e d d e ds y s t e m p r o f l i uj i n - g a o z h o uc h e n y e a p r i l ，2 0 1 1 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文基于现场总线节点化的嵌入式远程网络控制与系统研 究，是在华东师范大学攻读硬住博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过 的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：日期：2 0 1 1 年3 月2 5 日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 基于现场总线节点化 位期间在导师指导下完成的 制与系统研究系本人在华东师范大学攻读学 学位论文，本论文的研究成果归华东师范大 学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部门和相关机 构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东 师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共 建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合 理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部 或“涉密一学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( 4 ) 2 不保密，适用上述授权。 导师签名本人签名 2 0 1 1 年3 月2 5 日 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位论文( 需 附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上述部门审定的学 位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用上述授权) 。 屋屋些硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 薛磐阪 私碡 锋末、i 印弘粤 主席 上胁i 王酬不哥颀华和獬 | 车韦莨良静】瓠捧华酗雠 | 摘要 伴随着电路以及芯片集成工艺的不断提高，嵌入式的应用范围和应用场合越 来越多。尤其在工业控制现场对嵌入式的依赖和需求尤为巨大。如今对工控现场 监控系统的要求是需要具有远距离监控，网络化，兼容性，管理自主化，可靠性 等要求。 为了满足上述要求，本文致力于研究并设计出一套对工控现场进行实时监控 以c a n 总线为系统通信方式的并具有通过网络与用户交互的节点化控制系统。 设计工作是基于m d kc o r t e x 3 平台的s t m 3 2 控制器为核心的，通过对s t m 3 2 对 w 5 1 0 0 网络控制器的控制从而实现t c p i p 的网络通信。并实现了s t m 3 2 控制c a n 总线传输，实现了信息与数据在各个监控对象之间能够任意的点对点传输，从而 实现了信息的共享和向上回馈。通过对原有c a n 协议中的节点网络通信方式进 行优化，并提出了改进算法，实现了工控现场设备通信的网络化，并提出了以节 点为模块单位的节点管理体系和节点地址分配算法。在整个系统物理底层的外设 通信基础上，制定了一套适用的数据传输协议和命令协议。 关键词：实时性；s t m 3 2 ；w 5 1 0 0 ：c a n 通信；节点化 a b s t r a c t w i t ht h ei n t e g r a t e dc i r c u i ta n dc h i pt e c h n o l o g yc o n t i n u e st oi m p r o v e , t h ef i e l do f a p p l i c a t i o no fe m b e d d e da p p l i c a t i o n si si n c r e a s i n g e s p e c i a l l yi nt h ef i e l do f e m b e d d e di n d u s t r i a lc o n t r o l t h ed e m a n do fe m b e d d e ds y s t e mi s p a r t i c u l a r l yl a r g e a n do fg r e a td e p e n d e n c e t o d a yt h er e q u i r e m e n to ft h ei n d u s t r i a lc o n t r o la n d m o i t o r i n gs y s t e mi n c l u d el o n g 。r a n g em o n i t o r i n & n e t w o r k , c o m p a t i b i l i t y ，a u t o n o m y m a n a g e m e n t ，r e l i a b i l i t y t om e e tt h e s er e q u i r e m e n t s , t h i sp a p e rd e d i c a t e dt ot h er e s e a r c ha n dd e s i g nas e t o fr e a l - t i m en o d em a n a g e m e n ta n dm o n i t o r i n gc o n t r o ls y s t e mb a s e do nc a nb u s c o m m u n i c a t i o nw i t ht h ea b i l i t yo fn e t w o r ki n t e r a c t i o n ，w h i c hm a i n l ya p p l yf o r i n d u s t r yc o n t r o is i t e t h em ai nd e s i g ni sb a s e do nt h emd kc o r t e x 3s t m 3 2 p l a t f o r m a st h ec o r ec o n t r o l l e r t h r o u g hc o n f i g i n ga n dc o n t r o l l i n gt h es t m 3 2a n dw 5 1 0 0 n e t w o r kc o n t r o l l e r , w ec a na c h i e v et c p i pn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n s i na d d i t i o n ， w ea l s oa c h i e v ec a nb u st r a n s f e rc o n t r 0 1 t h r o u g ht h i sc a nb u st r a n s e f e rc o n t r o l , i n f o r m a t i o na n dd a t ai na l lm o n i t o r e do b j e c t sc a nr e a c ha n y o t h e ro b j e c t s w i t ht h i st e c h n o l o g yi te n a b l e st h en o d eu n i ts h a r ei n f o r m a t i o na n df e e d b a c k i n f o r m a t i o n t hr o u g ho p t i m i z i n gc a nb u sp r o t o c o lu s e di nt h e o r d i n a ln o d en e t w o r k c o m m u n i c a t i o n sa n di m p r o v e i n ga l g o r i t h m ，w ea c h i e v en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nf o r t h ed e v i c ei ni n d u s t r i a lf i e l d ，a n dw ep r o p o s e dn o d em a n a g e m e n ts y s t e ma n dn o d e a d d r e s sa s s i g n m e n ta l g o r i t h m b a s e do nt h ep e r i p h e r a lc o m m u n i c a t i o n so fp h y s i c s u n d e r l y i n go ft h ee n t i r es y s t e m ，w ea l s od e v e l o p e dac o m p a t i b l ep r o t o c o lf o rd a t a t r a n s f e ra n dc o m m a n d p r o t o c o l s k e yw o r d s ：r e a lt i m e ；s t m 3 2 ；c a nb u sc o m m u n i c a t i o n ；w 5 1 0 0 ；n o d em a n a g e m e n t 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 引言。1 1 2 国内外研究现状2 & 1 3 基于现场总线的嵌入式网络控制研究对象。2 1 4 基于现场总线网络控制研究解决的关键技术和创新点3 1 s 基于现场总线的嵌入式网络控制研究的应用介绍4 1 6 论文的组织结构s 1 7 本章小结6 第二章基于节点的嵌入式网络监控的系统和硬件设计。7 & 2 1 基于现场总线节点化的嵌入式远程网络控制系统的定义与作用7 2 2 节点化的核心微控制器s t m 3 2 简介7 2 2c a n 控制器简介9 2 3网络控制器w 5 1 0 0 简介1 1 2 4 系统整体硬件结构综述1 2 & 2 5 本章小结1 3 第三章基于节点的嵌入式网络监控下行端设计1 4 & 3 1 现场总线c a n 通信方式的设计1 4 3 2 嵌入式网络控制下行端的定义，作用和总体结构一1 9 & 3 2 1 嵌入式网络控制下行端的定义和作用1 9 3 2 2 嵌入式网络控制下行端的总体结构2 1 3 3 对c a n 2 0 协议的优化设计2 3 3 4 嵌入式网络控制的节点管理和设计2 4 3 4 1 节点地址自生成算法。2 4 & 3 4 2 节点地址自更新算法2 9 3 5 本章小结3 2 第四章 基于网络控制器w 5 1 0 0 的上行主控端的设计一3 3 & 4 1 网络控制器w 5 1 0 0 网络通信设计3 3 & 4 1 1 网络控制器w 5 1 0 0 基本设置3 3 i i i 4 1 2 网络控制器w 5 1 0 0 设置网络信息和设置端口信息和存储信息 3 6 & 4 1 3 网络控制器w 5 1 0 0t c p i p 数据通信4 s 4 2 嵌入式网络控制上行主控端的定义和硬件架构，以及功能制定和程序 设计5 3 4 2 1 嵌入式网络控制上行主控端的定义和硬件架构5 3 4 2 2 嵌入式网络控制上行主控端的具体功能一s 7 4 3 各层之间上下行通信协议的制定和命令设计5 8 4 5 基于现场总线的网络控制设计的程序总体设计和流程图6 4 4 4 本章小结6 9 第五章系统测试与报告7 0 5 1 数据高速处理和传输测试。7 0 & 5 2 数据高速显示测试。7 0 & 5 3 体像素测试k 一7 1 s 4 参数f 测试7 1 第六章总结与展望7 4 & 6 1 工作总结7 4 6 2 工作展望7 5 参考文献7 6 致谢7 9 第一章绪论 & 1 1 引言 现在计算机终端、通信控制、网络技术不断迅猛的发展，信息交换沟通的范 围迅速的扩大，已经覆盖了现场设备到控制管理各个层次网络化，工业控制监控 已经不仅局限于现场的监控，现场的调度。工业监控控制系统的发展，是一个从 集中监控和控制向网络监控控制的发展历史。之前的系统，采用大型仪表集中对 各个重要的设备状态进行监视。工业生产过程控制中要求的高环境适应性、高实 时性、和高可靠性等特性，测控领域所使用的通信手段都自成体系，而且大多数 系统都只是面向单台，或单一类型的设备。 因为工业设备的分布越来越趋于离散以及单一的，各自独立的监测系统已经 不能适应工业化的高需求。在现场设备分布广泛或者数据不易采集的场合，需要 能够及时地监视设备的运行状态并进行有效控制，由此工业控制远程监控技术的 概念也就随之应运而生，伴随着物联网的思潮，工业控制也需要能够网络化，嵌 入式化。从远地通过互联网对工业现场进行控制调度和监控已经成为可能，也已 成为工业控制发展的趋势。因此，实现工业监控系统的网络化，节点化具有巨大 的实际应用意义。 嵌入式与网络技术的结合形成嵌入式网络监控系统有着其天然的优势，低成 本，低耗能，系统简洁化，高可靠性等等，这些特点也是嵌入式系统发展的方向。 研究基于t c p i p 协议栈的i n t e r n e t 互联的嵌入式系统，可以实现上述所说的远程 监控，管理，诊断和现场控制，实现各种职能设备，例如智能家居，工业控制， 安全监控系统，汽车电子之间的i n t e r n e t 网络互联。 在工业或大型设备控制网络体系的结构上，如果可以实现工业控制网络和 i n t e r n e t 网络的无缝，可靠，高效连接，那么整个工控网络或大型设备之间就好 像只有一种通信协议，可以满足控制系统各个层次的要求，实现生产，管理，控 制一体化，从而使嵌入式应用于工控的领域上开创出美好的未来和发展方向。 & 1 2 国内外研究现状 经过多年的嵌入式系统和专用工控系统的开发，嵌入式系统和专用工业控制 系统的应用范围变得相当广泛了。嵌入式远程监控和控制是国内外研究的前沿课 题，国内外都已经展开了积极的研究。美国的斯坦福大学和麻省理工学院早前已 合作开发基于i n t e r n e t 的下一代远程监控诊断示范系统，并提出了一个实验性的 系统t e s t b e d 。t e s t b e d 运用嵌入式的w e b 组网、用实时的j a v a 和b a y e s i a nn e t 技 术初步形成在i n t e r n e t 范围内的信息监控和诊断推理。国内也已经有了相关的研 究和应用，比如已经在单片机，d s p 平台上实现的嵌入式网络控制，也已经有了 相关的应用。 比如天津大学的宗群教授在嵌入式网络控制已经有了相关的研究和应用 【埘，他用d s 8 0 c 4 0 0 微处理器作为嵌入式网络节点的处理器，实现了嵌入式网 络节点的c a n 总线、4 8 5 总线、2 3 2 串行总线以及e t h e r n e t 网络接口，同时能 够通过远程工作站计算机通过e t h e r n e t 网络对嵌入式网络节点进行控制，并将 该系统应用于在电梯远程监控( r e m s ) 系统中。另外，国内也已有相当的企业和 公司已致力于嵌入式网络控制器的研究，并已嵌入式网络监控控制的应用案例， 比如嵌入式网络控制器在油田变频抽油控制系统的应用等等 1 8 1 。但目前国内外的 相关文献和论文中并没有对嵌入式远程网络监控的多节点控制系统的研究，以及 嵌入式远程网络多节点传输性能优化，这也是本次论文的研究重点之一，另外一 点就是对于应用于工控现场的嵌入式网络控制系统的可移植性在国内外的研究 中也未曾提及，这也是本论文的另一个重点。 & 1 3 基于现场总线的嵌入式网络控制研究对象 本次设计的研究目标包括下列几个： 1 实现基于a r m 芯片s t m 3 2 的网络远程通信。 2 实现网络远程介入并控制嵌入式a r m 控制器，包括对其进行远距离烧写执行 程序。 3 实现基于w 5 1 0 0 和s t m 3 2 芯片的整套嵌入式网络监控系统，并将此套系统移 植应用于“三维体扫描大型成像显示系统”项目 2 本次设计的研究内容包括以下几个： a 实现嵌入网络控制的上下行系统的管理方式，包括上行网络终端与嵌 入式主控端( 主节点) 之间的通信衔接，下行一一嵌入式主控端( 主节点) 与 各个下层模块( 分节点) 之间的通信。 b 通过网络t c p i p 以及5 1 0 0 网络芯片，在t c p i p 的协议基础上，根据主 节点的硬件条件( 包括本文中用到的a r m 芯片s t m 3 2 ) 定义一套与网络终端通 信的可靠上层协议，包括协议中帧结构的定制，控制命令的定义，保证较高的 传输效率，同时通过该协议的c r c 保证传输的可靠性。 c通过u a r t , s p i ，c a n 等通信手段实现了主节点与各分支时下行交互通信， 首先定制了与下行端通信( 正常工作时与l a p 时) 的通信协议，包括协议中帧 结构的定制，控制命令的定义，以及可靠传输的实现。 d 在通信层中的c a n 协议和c a no p e n 协议基础上，对这两个协议进行部分 优化，使c a n 通信更加高效，在网络中的排队延迟时间能明显减少。 e 根据“三维体扫描大型成像显示系统”的硬件接口以及系统控制功能要求， 进行嵌入式远程监控系统的移植。 1 4 基于现场总线网络控制研究解决的关键技术和创新点 基于目前嵌入式网络控制的现状以及存在的某些问题，本次设计也进行了关 键技术的改进和创新 本次设计解决的关键技术如下： 1 嵌入式网络传输的速率问题，确定系统所能达到的传输最高速率。 2 在高速传输以及大批量数据包传输的条件下，传输的可靠性( 正确性) 和传 输数据的纠错校验问题。 3 以节点为系统管理单位的节点自动化管理问题，包括节点地址地址自生成算 法，节点退出控制，节点识别，节点出错等管理。 本次设计的主要创新处如下： 提出并实现了嵌入式网络监控系统，包括上行网络终端与嵌入式主控 端( 主节点) 之间的通信，下行一一嵌入式主控端( 主节点) 与各个下层模块 ( 分节点) 之间的通信一整个体系，整个系统可以应用于不同环境的工控现场和 3 大型设备。利用网络，可以对嵌入式芯片程序进行远程的管理( 包括对片内执行 程序的烧写，覆盖等) ，从而使远程升级嵌入式程序，远程修改系统软件成为现 实本嵌入式网络远程监控系统从下层来看，是以节点为监控对象，能够实现节点 的自动识别，节点自动管理操作，从而大大提高了系统的自动化和智能化。 & 1 5 基于现场总线的嵌入式网络控制研究的应用介绍 本次设计将基于现场总线的嵌入式网络控制这套系统应用于“三维体扫描 大型成像显示系统 这个大型项目中，现在简单介绍一下这个项目。 三维体扫描大型成像显示系统着重进行大尺寸基于体扫描的立体显示系统 的研究。将像源的产生和处理( 包括显示格式和帧率转换、尺度变换等) 、图像 存储与压缩、大容量数据传输、高速输出成像技术、体素均匀化矫正补偿技术等 加以综合考虑设计，研制国内首批大型基于体扫描的立体显示系统，适应市场的 真三维显示应用需求。三维体扫描大型成像显示系统是基于缜密的理论分析和广 泛的新技术调研，融合真三维显示机理与大容量数据存储和传输，提出了具有完 全自主知识产权的自由立体显示的实现方案，旨在赶超国际先进水平、填补国内 研究的空白。系统总体结构模型如图： 4 图一三维体扫描大型成像显示系统结构模型 三维体扫描大型成像显示系统主要包括l e d 显示面板、控制系统板、电机等 基础部件。l e d 显示屏由电机驱动高速旋转。l e d 显示屏由控制面板与搭载l e d 的显示面板a 组成。旋转平面位于l e d 阵列的中心。当屏幕扫掠圆柱体显示空间 时，可提供依次出现的二维显示平面。同时系统对机械旋转周期进行监控，精确 控制嵌入式软件读取和显示数据的时间，保证屏幕旋转周期和图像显示的时序同 步。在规定的时间节点上输出预定的二维图像，便可将原始三维图像稳定再现于 真实空间中。 从上述论述中我们可以看到，对三维体扫描大型成像显示系统的控制其实施 就等价于控制一个完备的工控现场，包括了各种需要控制的对象，因此本设计对 于该项目的成功应用也能证明本次设计的可行性和可靠性。 1 6 论文的组织结构 本次论文包括6 个主要章节 第一章绪论 讲述了本次设计的研究背景，国内外研究情况，论文的创新和关键技术，并 讲述了基予本次嵌入式是网络控制的应用的领域 第二章系统的整体设计和硬件结构 主要叙述了本次设计的硬件组成结构，讲述了基于现场总线节点化的嵌入式 远程网络监控的作用，并简单描述了所用的的控制芯片，网络控制器，现场总线 控制器的特点和选用缘由 第三章基于节点的嵌入式网络监控下行端设计 主要讲述了基于现场总线通信方式的程序设计，定义了本次设计的设计分 层，即上，下行端的设计结构，并叙述了下行端的功能，作用，以及程序构成， 并解释了节点管理，以及节点算法的原理 第四章基于网络控制器w 5 1 0 0 的上行主控端的设计 5 第四章阐述了在w 5 1 0 0 网络控制器下的网络通信原理，叙述了上行端的具 体功能作用，并讲述了本次设计所专门设计的通信协议和命令操作。最后结合第 三章的阐述，给出了基于现场总线的节点化网络控制的整体程序流程图 第五章测试报告 第六章总结和展望 对本次设计的工作作出总结，包括优势和不足之处，并展望下一步研究工作 的重点和需要改进之处 1 7 本章小结 本章介绍了论文的研究背景，相关课题的研究现状，本次设计的基本概念和应用 范围等 6 第二章基于节点的嵌入式网络监控的系统和硬件设计 & 2 1 1 基于现场总线节点化的嵌入式远程网络控制系统的定义与作用 本次课题的主要目标是实现一个基于现场总线节点化的嵌入式远程网络控 制系统，该系统能够应用于工控现场，以及对工控现场的各种设备进行监控和操 作，该系统适用于用户面和可控设备之间，形成一个完整的从用户( 管理者) 到 对设备( 监控对象) 进行实时的远程的监控或操作的运行体系，该体系可以看做 一个中间环节或者中间桥梁，可以整体移植到其他工控现场而不需要对工控现场 的监控设备进行任何的修改，因此本课题在“三维大型体显示旋转屏”项目上的 应用就是从与用户面交互控制到对底层显示模块控制的一个成功应用案例。从该 现场总线节点化的嵌入式远程网络控制系统的硬件构成上说，其具体作用能细分 为： 1 通过系统自带网络控制器实现用户面通过互联网等远程方式与监控对象进行 远程的异地的交互操作，从而实现对工控现场远距离操作和控制。 2 通过现场总线c a n 等通信方式的介入，能够对工控设备进行实时的操作以及 实时状态信息的回馈。 3 通过节点化的设计，各设备有自己唯一的识别号，并且能够对其进行个别的 操作和监控，并且节点之间能够互相通信，分享各个节点之间的状态信息。 由于网络的介入以及s t m 3 2 控制器的介入，能够实现整个系统的软件程序可 以通过网络自动更新，以便和不同的工控现场相适应，更好的应用于不同环境和 控制要求的工业现场。 & 2 2 节点化的核心微控制器s t m 3 2 简介 本次毕业设计选用s t m 3 2 系列的s t m 3 2 f 1 0 3 v e t 6a r m 控制芯片，其对外设 有很好的支持能力，并且它有非常好的处理速度和可靠性。这些都与现今的工控 系统要求相一致，也是本次设计选择s t m 3 2 的缘由。s t m 3 2 系列的3 2 位闪存 m c u 控制器是使用来自a r m 公司的具有飞跃性的c o r t e x m 3 堋内核，该款内核 是专门设计用于满足低功耗、高性能、实时性的应用，具有能满足竞争性价格于 一体的嵌入式领域的要求。c o r t e x m 3 在系统结构上的增强和改善，让s t m 3 2 受 7 益无穷；而且t h u m b 2 指令集带来了更高的指令执行效率和更高的性能；并通 过紧耦合的嵌套矢量中断控制器，对于中断事件的响应比以往更为迅速； s t m 3 2 p o 系列结合了高性能、实时、低功耗、低电压等等特性，同时又保持了高 集成度和易于开发的优势。内含的c o r t e x - m 3 内核工作在7 2 m h z ，这使得系统能 实现高端的运算。 s t m 3 2 控制器的现有的产品有s t m 3 2 f 1 0 x 系列，其中分为s t m 3 2 f 1 0 1 x x 和 s t m 3 2 f 1 0 3 x x 。本次设计便是选用的s t m 3 2 f v t 6 ，s t m 3 2 f 1 0 3 x x 是增强型系列， 工作在7 2 m h z ，并带有片内r a m 和丰富的外设。增强型系列的s t m 3 2 将3 2 位 微控制器性能和功效引向了一个崭新的境界。 s t m 3 2 控制器的主要优点： s t m 3 2 使用a r m 最新的、先进架构的c o r t e x m 3 内核删。 哈佛结构。 1 2 5d m i p s m h z 和0 1 9m w m h z 。 t h u m b 2 指令集以1 6 位代码的密度实现了3 2 位的性能。 单周期的乘法指令和硬件的除法指令。 内置了高速中断控制器，中断间的延迟时间降到只需要6 个c p u 周期，从 低功耗模式唤醒的时间仅只需6 个c p u 周期，并且提供了很好的实时特性。 与a r m 7 t d m i 相比运算速度最大可快至3 5 且代码最多可节省4 5 。 除了以上的特点外，s t m 3 2 还具有很好的功耗控制。s t m 3 2 针对应用中三种 主要的能耗需求进行了很好的优化，这三种能耗需求分别是待机状态时极低的电 能消耗机制、电池供电时的低电压和运行模式下高效率的动态耗电机制的工作能 力。为此s t m 3 2 提供了三种低功耗模式和灵活的时钟控制机制，用户可以根据 自己所需的耗电性能需求进行合理的优化。 s t m 3 2 的另外一个优点来自于两路高级外设总线( a p b ) 结构，其中一个高速 a p b ( 可达c p u 的运行速率) ，连接到该总线上的外设可以以更高的速度运行。 最后，易于开发也是s t m 3 2 的独特优势。s t m 3 2 固件库提供了易用的函数 库，能够使用户方便地访问s t m 3 2 的各个标准外设，并简易的使用它们的所有 特性。该固件库提供的驱动覆盖了从g p i o 到定时器，再到c a n 、1 2 c 、s p i 、u a r t 等等的所有标准外设。而这些都归功于s t 公司提供了完整、高效的开发工具和 8 库函数，这样帮助了开发者大大缩短了系统开发时间。因此也一定程度上方便了 本设计对于微控制器的外设操作。 可见s t m 3 2 控制器是实现整个系统高效，快速，可靠的关键因素之一。 2 2c a n 控制器简介 c a n 是i s o 国际标准化的串行通信协议【埘。c a n 控制器工作于多主方式，网 络中的各节点都可根据总线访问优先权( 取决于报文标识符) 采用无损结构的逐位 仲裁的方式竞争向总线发送数据，c a n 协议废除了站地址编码，而取而代之对通信 数据进行编码，这样能够使不同的节点同时接收到相同的数据，因此这些特点能够 使得c a n 总线构成的网络各节点之间的数据通信变得实时性更强，提高了系统的 可靠性和系统的灵活性。 基于上述原因，嵌入式的工控现场控制系统中选择c a n 通信方式是最为可 靠以及实时的。目前对于c a n 通信的应用一般均会采用在总线上接入c a n 控制 器来达到单个节点对总线的电平状况进行检测和判别，从而实现单个节点在总线 上的物理层面上的电平转换，发送和读取。基于上述原因本次设计采用的c a n 控制器是s n 6 5 h v d 2 3 0 芯片o l 。 s n 6 5 h v d 2 3 0 是美国t i 公司生产的3 3 v c a n 总线控制器，该控制器最大传输 速率可达1 m b s ，并具有差分收发能力。它广泛应用在汽车、工业自动化，u p s 控制等领域。s n 6 5 h v d 2 3 0 可应用于较高干扰环境下。该器件在不同的传输速率 下均表现出良好的收发能力，其主要特点如下： 低电流的等待模式，典型的电流为3 7 0 u a ； 完全兼容i s o l l 8 9 8 标准； - 很高的输入阻抗，允许有1 2 0 个节点； 信号传输速率最大可达1 m b s ； 具有抗瞬间干扰，保护总线的功能； 差分接收器，具有抗宽范围的共模干扰、电磁干扰( e m i ) 能力。 具有热保护，开路失效保护等功能； 斜率控制，很好的降低射频干扰( r f i ) ； 因此s n 6 5 h v d 2 3 0 对本设计中的核心通信方式c a n 总线传输有很好的支持 性。 9 下面介绍一下s n 6 5 h v d 2 3 0 的硬件结构，首先是引脚功能： 引脚号引脚名称引脚功能 描述 ld 输入c a 啦制器发送数据输入端 2回4 d地接地 3v c c+ 3 憾源+ 3 吨源电疆 4r输出c 舳1 总线接收数据输出端 5v r e f参考电压参考电压输出 6c n lc a n 总线低低电平c a n 电压输入输出 7c 硼 c h 总线高高电平c 鹏压输入输出 8 r s 方式选择 斜率电阻嚣输入 表ls n 6 5 h v d 2 3 0 的引脚功能 其次s n 6 5 h v d 2 3 0 具有控制逻辑，s n 6 5 h v d 2 3 0 采用正逻辑控制方式，有发 送收和接受二种方式，具体控制逻辑如表2 所示。 发 送接收 输出 输入d 黜 总线状态差分输入 鼬输出r c a 腻c 越4 l l hl 显性 v i n ；0 9 vx l x r s 1 2 v 0 5 v v 工d s f i l t e r r e g i s t e r o f r 2 = i d l i s t m o d e 2 1 ： n it i a l i s em e s s a g et os e n d 爹f o r f 立 嚣 o ， j8 ， i + 十吨姚9 d a t a f j ， 暑d x a 五， 鍪c a n _ t x m s g e d a t a 0 1 ；d a t a t x ； 爹c a n _ 2 x m s g e d a t a 1 1 一d a t a t x ； 爹c a n _ t x m s g e 1 e n 一2 j “ 萋c a 也戤9 n e 如删她= s t a n d a r d _ f o r m a t ； 7 蓁吨蛐g e 矗y p e 2d a t a _ f 脚； 爹，一c a nr e g i s t e ri n i t 卉。 雾c a n _ r d c a n _ i d 一工， c o n f i go w nc a ni di s7 甏c a nd e i n i t ( c 醐l i ? c a n _ s t r u c t i n i t ( & c a n _ i n i t s t r u c t u r e ) ； ，+ c a nc e l li n i t 素，。 ；c a n i n i t s t r u c t u r e c a n _ t t c m = d i s a b l e ； jc a n i n i t s t r u c t u r e c a na b o m = e n a b l e ； ? 二c a n i n i t s t r u c t u r e c a n _ a w u m = e n a b l e ； ， c a ni n i t s t r u c t u r e c a nn a r t = d i s a b l e ； c a n i n i t s t r u c t u r e c a n _ r f l m = d i s a b l e ； 毅c a ni n i t s t r u c t u r e c a nt x f p = e n a b l e ；， 1 7 ，。 。； 孵 叠荔-墨秀痿霪髫曩蠢缓i缓墨。鬃鼙爨兹餮落缓矮嚣鬟锈囊磁缓锈锄鹜锈霪麓缓荔缓秀疆落霪缓锈缓缓缰缓霪锤霪缓譬罐秀鸳l罐孳荔髻lf秀， ， “ 斯， ：一 q l 融 肋 ， 级 数 锄 一一 一一 ， 一 一一 力 一 咄 一 一 一 一 一 妒 妒 一 妒 妒 妒 擞 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一一 ，黔孔r；磐r。=a 彩“ 一4 。： 臻 ；c a _ 如j s t r u c t u r e 啪d e = c 五_ 肋d t 五。o p b a c 七? c a _ 尬d e n o r m a 工，震 爹c a n i n i t s t r u c t u r e c a n m o d e = c a n _ m o d e _ n o r m a l ；墨 i ，；，； c a n i n i t s t r u c t u r e c a n s o w = c a n s 咀1 t q ； c a n i n i t s t r u c t u r e c a nb s i = c a _ b s i _ 8 t q ； c a n i n i t s t r u c t u r e c a n b s 2 = c a n _ b s 27 t q ； c a n i n i t s t r u c t u r e c a n p r e s c a l e r = 1 ， ，c a nf i l t e ri n i t 素， c a n f i l t e r i n i t s t r u c t u r e c 2 h w _ f i i t e r n u m b e r = l 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到对工控现场控制设备的接口这整个部分都属于 下行端，下行端的命名顾名思义就是相对嵌入式网络控制上行端而言的，如 1 9 果说上下端的作用简单的概括是“人机网络交互 ，那么下行端的作用就是 “命令执行，状态回馈”。下行端的另一层含义就是，数据和命令都是向下 ( 从第二层传至第三层) 方向的，所以也叫下行。嵌入式网络控制下行端的 在整个系统中的具体作用和运行如下： 1 以节点的方式与主控端进和其他节点行u a r t 方式的通信，通过该次通 信确定该节点自身的标识号或者说地址，也就是节点i d 号( 如何获知自 身的地址将会在后文中进一步阐述) 。 2 得到自身地址后，将地址配置给其节点自身的c a n 标识符，并通过c a n 总线的通信方式回馈并告知第二层( 主控节点) ，地址分配操作完成。 3 收到回馈消息，主控节点( 第二层) 将通过s p i 传输方式传输由上行段下发 来的数据文件，或者是命令。并经由s p i 广播至第三层各个节点。 4 第三层中的每个节点收到报文，通过已配置的节点标识号判断是否是发 给自身的数据或者指令，从而