（计算机应用技术专业论文）基于虚拟仪器技术和can总线的监测系统设计.pdf

摘要 随着计算机技术、通信技术、控制技术及工业技术的发展，工业控制领域 逐渐向信号数字化、控制智能化、通信网络化的开放式系统方向发展。现场总 线与虚拟仪器技术在工业控制领域的应用越来越广泛。本文以虚拟仪器和现场 总线技术为基础，设计了控制器局域网c a n 总线与虚拟仪器技术相融合的监测 系统，该系统借助于c a n 总线技术，可以实现分布式监测，使得虚拟仪器技术 可应用于大型的监测系统。同时，本文设计了一种工业c a n 总线应用层协议， 开发了下位机与上位机通信的c a n 总线驱动程序，并利用l a b v i e w 实现了 c a n 总线的应用层协议及上位p c 机c a n 总线通信接口程序，系统结合了虚拟 仪器技术和现场总线技术，虚拟仪器技术的核心就是l a b v i e w 软件，集成了设 计、控制和测试各阶段的功能，是目前测控系统开发最强大的开发平台。 本文以实际项目“旋转机械智能监控保护系统”为基础，采用c 8 0 5 1 f 0 6 0 芯 片作为下位机的主控制芯片，以c a n 总线作为上位p c 机与下位机通信的总线， 通过c a n 2 3 2 m b 智能接口卡与上位p c 机进行通信，开发了基于s i l i c o n l a b o r a t o r i e si d e 集成开发环境和c 语言的下位机c a n 总线通信驱动程序和基 于l a b v i e w 的上位p c 机c a n 总线监测软件系统，以对通信数据进行采集和 管理。下位机主要负责现场数据的采集和转换，并与上位机进行c a n 通信，上 位p c 机监测软件系统主要对各个下位机的数据进行采集和管理，并对下位机的 工作状态进行监控。本文首先对课题的选题背景作了简单叙述，阐述了本课题 的研究目的、意义和国内外研究的现状，然后对现场总线技术和虚拟仪器技术 进行论述，从而为后续的研究奠定理论基础，接着深入探讨了监测系统的构建， 其中包括硬件环境的搭建、下位机c a n 总线应用层协议设计、下位机与上位p c 机通信的c a n 总线通信驱动程序的设计以及上位p c 机监测软件的设计，对监 测系统的通信协议设计与实现部分进行了重点分析，并简要介绍了现场监测数 据的数据管理方法，文章最后对课题所作的工作进行了总结和展望。 关键词：c a n 总线，虚拟仪器，监测系统，数据采集，串口通信 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n t so 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 y , c o n t r o lt e c h n o l o g ya n di n d u s t r i a lt e c h n o l o g y , m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lf i e l dt e n d s t ot h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a ls i g n a l ，c o n t r o l - i n t e l l i g e n t ，a n dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k o p e ns y s t e m f i e l d b u sa n dv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya r em o r ea n dm o r ew i d e l y u s e di nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lc o n t r 0 1 t h i st h e s i s ，b a s e do nt h ev i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g ya n df i e l d b u st e c h n o l o g y , d e s i g n sam o n i t o r i n gs y s t e mi n t e g r a t i n gc a n b u sa n dv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y t h r o u g ht h eu s eo fc a n b u st e c h n o l o g y , t h i s s y s t e mc a nr e a l i z ed i s t r i b u t e dm o n i t o r i n g , s ot h a tv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yc a n b ea p p l i e di nl a r g e s c a l em o n i t o r i n gs y s t e m t h i st h e s i sd e s i g n sak i n do fc a n b u s a p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o l ，d e v e l o p sc a nb u sc o m m u n i c a t i o nb o t t o md r i v e rp r o g r a m ， a d o p t sl a b v i e wt or e a l i z et h ec a nb u sa p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o la n dc a nb u s c o m m u n i c a t i o ni n t e f f a c ep r o g r a mo nt h ec o m p u t e r t h i ss y s t e mi n t e g r a t e sv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n df i e l d b u st e c h n o l o g y , a n da d o p t st h el a b v i e ws o f t w a r et o d e v e l o p t h em o n i t o r i n gs o f t w a r es y s t e mo nt h ep c t h i st h e s i si sb a s e do nt h ea c t u a lp r o j e c t ”i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n go fr o t a t i n g m a c h i n e r yp r o t e c t i o ns y s t e m ”，a d o p t i n gc 8 0 5 1 f 0 6 0c h i pa st h em a i nc o n t r o l l e ri n t h ef i e l dm o n i t o r sa n dc a nb u sa si t sb o t t o mc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k c o m p u t e r c o m m u n i c a t e sw i t ht h ef i e l dm o n i t o r st h r o u g hc a n 2 3 2 m b p r o t o c o lc o n v e r t e r , t h e c a nb u sc o m m u n i c a t i o nd r i v e rp r o g r a mf o ft h em o n i t o r si s d e v e l o p e dw i t ht h ec l a n g u a g ei nt h es i l i c o nl a b o r a t o r i e si d ei n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，a n d t h em o n i t o r i n gs o f t w a r es y s t e mo nt h ec o m p u t e ri sd e v e l o p e dw i t ht h el a b v i e w l a n g u a g et or e a l i z ed a t aa c q u i s i t i o na n dm a n a g e m e n ta n dt h em o n i t o r s w o r k i n g c o n d i t i o n s i nt h i s t h e s i s ，f i r s t l yt h eb a c k g r o u n dk n o w l e d g eo ft h ei s s u ei ss i m p l y d e s c r i b e d ，i n c l u d i n gt h er e s e a r c hp u r p o s e ，s i g n i f i c a n c ea n ds t u d yo ft h ec u r r e n ts t a t u s a th o m ea n da b r o a d s e c o n d l y , f i e l d b u st e c h n o l o g ya n dv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y a l ee x p o u n d e dt ol a yat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rl a t e r t h i r d l y , t h ec o n s t r u c t i o no f m o n i t o r i n gs y s t e mi se x p l o r e d ，i n c l u d i n gt h ec o n s t r u c t i o n o fh a r d w a r ep l a t f o r m c o n s t r u c t i o n ，t h ed e s i g no fc a nb u sa p p l i c a t i o nl a y e rc o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n d n c a nb u sc o m m u n i c a t i o nd r i v e ro nt h eb o t t o mm o n i t o r s ，a n dt h ed e s i g no ft h e m o n i t o r i n gp r o g r a m o nt h e c o m p u t e r t h i sp a r t f o c u s e so n a n a l y z i n g t h e c o m m u n i c a t i o np a r to ft h em o n i t o r i n gs y s t e ma n dg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h e m a n a g e m e n tm e t h o do ft h ef i e l dd a t a f i n a l l y , t h i st h e s i sg i v e sas u m m a r ya n d p r o s p e c tt h a tt h ew o r k sh a v eb e e nc a r r i e do u ta n dt ob ec a r r i e do u ti nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) b u s ，v i r t u a li n s t r u m e n t ，m o n i t o r i n gs y s t e m ， d a t aa c q u i s i t i o n ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n i l i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ；王建塞日期：j 塑乒厶罩 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：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，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：王避 导师( 签名) ： 午嗍删 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景与课题来源 旋转机械是工业上应用最广泛的机械，许多大型旋转机械，如：离心泵、 电动机、发动机、发电机、压缩机、汽轮机、轧钢机等，是石化、电力、冶金、 煤炭、核能等行业中的关键设备。机械运行中经常由于强度、结构、振动、噪 声、控制的可靠性以及材料与工艺等原因引起设备运行故障甚至损坏，造成严 重经济和人员损失。因此对旋转设备的监测和保护已成为安全生产和保障企业 经济效益的关键措施i 。 五十年代，各种类型和性能的传感器和监测仪在国外相继研制成功，并开 始应用于科学研究和实际工程。六、七十年代，数字集成电路技术的发展、“信 号数字分析处理技术”的形成，推动了电子检测技术在机械设备上的应用。七十 年代至八十年代，机械设备的状态监测与故障诊断技术在许多发达国家开始研 究。同时，随着计算机技术、现代测试技术、信号处理技术、信号识别技术与 故障诊断技术等现代科学技术的发展，机械设备的运行状态监测研究跨入系统 化阶段。特别是九十年代以来，理论上数字信号处理的计算方法不断优化，使 数据处理速度大为提高，同时由于电子新材料的发现和采用，电子制造工艺的 巨大进步，计算机处理器的集成度、运算速度、抗干扰性能大幅度提高，功耗、 工作电压不断降低且价格迅速下降，因此各种计算机处理器、可对海量数据进 行高速处理的专用芯片以低廉的成本，大量进入监测应用领域，这一点为在工 业现场直接应用状态监测技术创造了条件。丹麦、美国、德国、日本等发达国 家的专家学者对旋转机械工作状态监测技术进行了深入研究，已经研制出了不 同系统，以美国b e n t l y ( 本特利) 公司的3 3 0 0 、3 5 0 0 系列监测系统为代表， 已经达到较高的水平【2 】。 目前，国内安装的监测保护系统分国产设备和进口设备两大类。从国外引 进的大型机组，配套引进其监测系统，但国外设备价格昂贵，配备的软件多数 为英文界面，操作方法复杂，不符合国内运行维护人员的通常的使用习惯，且 数据采集模式是透明的，无法被国内的各种诊断分析软件利用。国产设备仅在 武汉理工大学硕士学位论文 一些小型旋转机械上应用，主要包括仿本特利早期产品7 2 0 0 或飞利浦r m s 7 0 0 产品设计和数据采集器加通用计算机的后台式监测诊断系统这两种类型，该类 系统多由科研院所开发，一般并接在进口旋转机械监测保护系统的信号缓冲输 出上，作为进口旋转机械监测保护系统的补充部分，仅具有数据采集、波形显 示、计算分析等后台功能，而不具有旋转机械监测保护系统必需的标准输出和 监测保护功能i ) j 。 1 2 监测技术及监测方法研究概况 从技术发展过程看，现代监测技术大致经历了两个阶段【1 儿训。 第一阶段是以传感器技术和动态测试技术为基础，以信号处理技术为手段 的常规技术发展阶段，这一阶段的技术已在工程中得到应用，它吸收了大量的 现代科技成果，随着传感器技术的飞跃发展，基本解决了振动、噪声、力、温 度、电、磁、光、射线等多种信号的采集与处理。 第二阶段是以微电子技术为基础，人工智能技术为手段的嵌入式计算机技 术、网络技术的发展阶段。计算机人工智能技术为设备监测和故障分析的智能 化发展提供了可能。这一阶段的研究内容与实现方法已开始并正在继续发生着 重大变化，以数据处理为核心的过程将被以知识处理为核心的过程所替代，开 展了专家系统、神经网络和模糊分析等理论、方法和应用技术的研究。 目前，国内外较典型的状态监测方式主要有3 种1 5 儿6 1 。 1 离线定期监测方式。测试人员定期到现场用一个传感器依次对各测点进 行测试，并用磁带机记录信号，数据处理在专用计算机上完成，或是直接在便 携式内置微处理器的仪器上完成；这是当前利用进口监测仪器普遍采用的方式。 采用该方式，测试系统较简单，但是测试工作较烦琐，需要专门的测试人员； 由于是离线定期监测，不能及时处理突发性故障。 2 在线检测离线分析的监测方式。亦称主从机监测方式，在设备上的多个 测点均安装传感器，由现场微处理器从机系统进行各测点的数据采集和处理， 在主机系统上由专业人员进行分析和判断。这种方式是近年在大型旋转机械上 采用的方式。相对第一种方式，该方式免去了更换测点的麻烦，并能在线进行 实时检测和报警；但是该方式需要离线进行数据分析和判断，而且分析和判断 需要专业技术人员参与。 2 武汉理工大学硕+ 学位论文 3 自动在线监测方式。该方式不仅能实现自动在线监测设备的工作状态， 及时进行故障预报，而且能由计算机系统，根据预先存储在设备中的专家系统 库( 库中存放专家经验和相关关系规则) ，在线进行数据处理和分析判断；中 等文化程度的操作人员经过短期培训后就能掌握使用方法。该方式技术最先进， 不需要人为更换测点，不仅不需要专门的测试人员，也不需要专业技术人员参 与分析和判断，但是软硬件的研制工作量很大1 7 j 。 1 3 课题研究的监测系统总体架构 本文研究的旋转机械监测保护系统采用先进的自动在线监测方式。该系统 由数据采集管理模块和组合式下位机功能模块组成。本方案所涉及的旋转机械 智能监控保护系统在保持传统的监控保护系统已有功能的基础上，结合现代科 技的最新发展，采用分布式人工智能技术、嵌入式微处理器技术、d s p 技术以 及计算机网络技术开发的新一代智能化、模块化、组态化旋转机械监测保护组 合仪表。 远程监控 | i 麟式计笪机| d a 漱 | i 更萋嚣 诊断系统 1 。 一 l1 1以大同 二一喜一一登曼一 e 千 j - 1 1 哐百日b 。1 一l ，_ 膛。鱼一沌l 空保栌系境 雎刀”“l 一l 一一一”一 l c a n t r s 2 3 2 l 一 一lllll ， ltfl 卜 并行蔻线i vi 】c i 】clnl1 【l cl1 lhi 【l 酽 4 通道振4 通道振4 通道4 遁道 4 通道魉道 2 通道趣道动位移，动埘多，轴向位轴句位 继电器 转速键相 速度伪口速度伽移，差胀移差胀 过程信过程信 报警傈 梗块梗块速度监速度监监控梗监控梗 号监控 号监控 护梗决 模块1梗块n 控模块1控梗块n块1块n 图1 - 1 旋转机械智能监控保护系统总体结构框图 通信管理模块为系统的主控单元，它与其它各模块通过背板并行总线以及 c a n r s 2 3 2 接口实现信息交互，实现整个监控保护系统的维护和管理、采集数 据的存储管理以及常见故障的在线诊断。 3 武汉理：f 大学硕士学位论文 1 4 本文主要研究内容与创新点 针对工业现场中目前对旋转机械振动监测模式工作效率低和很多监测计算 机中没有c a n 接口的特点，而且随工厂规模的扩大，机器数的增加，这种模式 的局限性日益突出，本文设计的系统采用若干测点为一组，由一个下位机( 微 控制器) 采集测点数据，然后通过c a n 总线网络将这些测点数据传输到上位p c 机监测软件系统进行存储与管理。同时，下位机接收并执行上位p c 机下传的命 令。本文设计的基于l a b v i e w 的c a n 总线监测系统是基于l a b v i e w 技术的通 信，利用c a n 2 3 2 m b 协议转换接口卡可通过这种方式快速扩展现有的c a n 网 络，解决接口不统一的问题。 本文研究的内容主要有以下四部分： 1 基于c a n 总线的下位机设计 以c 8 0 5 1 f 0 6 0 作为下位机信号处理的核心的处理器，利用它自带a d 做数 据采集后做数字信号处理，包括数字滤波，通过c 8 0 5 1 f 0 6 0 带的c a n 控制器将 处理的结果传输给b 上位p c 机。 2 基于c a n 总线的网络通信系统 利用现场总线技术的c a n 总线构建分布式网络结构并与上位p c 机进行数 据传输，包内部的通信接口程序及外部c a n 通信接口程序。编写了上位机通过 c a n 2 3 2 m b 接口卡进行通信的接收和发送程序，并采用s q ls e r v e r2 0 0 0 标准数 据库存储采集数据。 3 基于l a b v i e w 上位机监测软件设计 利用l a b v i e w 可视化开发平台，实现本方案所设计的c a n 2 0 b 应用层协 议的通信，显示下位机监测器所采集的数据和结果，并按照方案中设计的数据 采集方案存储现场数据。 4 数据管理设计 系统自动判别机组运行的状态，采用时间间隔和参数变化间隔相结合的方 式存储监测器采集的数据，设计了基于时间和事件的数据表。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章现场总线和虚拟仪器技术 2 1 现场总线技术 随着计算机、网络、通信、控制等技术的发展，信息交换的领域正在迅速 覆盖从工厂的现场设备到控制、管理的各个层次，覆盖工段、车间、工厂、企 业乃至世界各地的市场。现场总线作为过程自动化、制造自动化、楼宇自动化、 交通等领域现场智能设备之间的互联通信网络，实现了生产过程现场控制设备 之间及其与更高控制管理层网络之间的通信，是顺应工业控制系统的分散化、 网络化、智能化发展方向起来的新技术f 8 j f 9 1 。 2 1 1 现场总线的概念 按1 e c ( i n t e m a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，国际电工委员会) 和现场总 线基金会的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向 传输、多分支结构的通信网络【1 0 1 。现场总线应用于生产现场，实现现场设备之 间及现场设备和控制装置之间的双向、串行、多节点的一种数字通信技术。 现场总线把通用或专用的微处理器置入传统的测量控制仪表，使之具有数 字计算机或数字通信能力，采用一定的介质( 如双绞线、同轴电缆、光纤、无 线等) 作为通信总线，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个设备之 间以及现场设备与远程监控计算机之间，实现数传输和信息交换，形成各种适 应实际需要的自动化控制系统【引。 基于现场总线的控制系统被称为现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m ，简称f c s ) ，它既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它 把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自 动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及 控管一体化的综合自动化功制1 1 】。 2 1 2 现场总线网络体系结构 现场总线系统既是工业设备自动化控制领域的一种开放的计算机局域网络， 又是一种全分布控制系统，现场总线控制系统的体系结构如图2 - 1 所示。其作为 5 武汉理工大学硕士学位论文 智能设备的通信纽带，使挂接在总线上的网络节点智能设备连接成网络系统。 最底层是现场总线控制网络，各控制器节点下放分散到现场，构成一种彻底的 分布式控制体系结构，依靠具有检测、控制、通信能力的数字化设备在现场彻 底分散控制。 企业管理层 ( 数据网络) 现场控制层 ( 控制网络) 信号监测嚣l 信号监测器2 信号监测器3 其他信号监测器 图2 - 1 现场总线控制系统体系结构图 2 1 3 几种有影响的现场总线 现场总线的发展现处于群雄并起、竞争激烈的阶段。目前国际上存在几十 种现场标准，比较流行的主要有f f 、d e v i c e n e t 、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、h a r t 、 i n t e r b u s 、m o d b u s 、c c l i n k 、c o n t r o n e t 、w o r l d f i p 、p n e t 、a 蝌等。这些 现场总线技术各具特点，以下列出了几种典型的现场总线【1 0 】1 1 2 】1 1 3 】【1 4 1 。 1 p r o f i b u s p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ，过程现场总线) 是由德国西门子公司于1 9 8 7 年推出，是作为德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线，由 p r o f l b u s d p 、p r o f l b u s f m s 、p r o f i b u s p a 组成了p r o f i b u s 系列。 由于p r o f i b u s 开发生产的现场总线产品开发时间早至1 0 年前，限于当时 计算机网络水平，大多建立在i t 网络标准基础上，随着应用领域不断扩大和用 户要求越来越高，现场总线的产品只能在原有r r 协议框架上进行局部的修改和 补充，以致在控制系统内增加了很多的转换单元( 如各种耦合器) ，这为该产 品今后的进一步发展带来了一定的局限性。 6 层黔 一 ，黼。 ， 程踬瓣 ，1( 武汉理1 = 大学硕士学位论文 2 h a r t h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ，可寻址远程传感高速通道 的开放通信协议) 美国r o s e m o u n t 公司1 9 8 9 年推出，主要应用于智能变送器。 h a r t 为一过渡性标准，它通过在4 2 0 m a 电源信号线上叠加不同频率的正弦波 ( 2 2 0 0 h z 表“0 ”，1 2 0 0 h z 表“1 ”) 来传送数字信号，从而保证了数字系统和传统 模拟系统的兼容性，因此这种现场总线在当前的过渡时期具有较强的市场竞争 能力，得到了较快的发展。但这种模拟数字混合信号制，导致难以开发出一种 能满足各公司要求的通信接口芯片。 3 l o n w o r k s l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) 局部操作网络技术是美国e c h e l o n 公 司1 9 9 1 年推出的现场总线技术，主要应用于楼宇自动化、工业自动化和电力行 业等。l o n w o r k s 现场总线技术核心是具备通信和控制功能的n e u r o n 芯片， n e u r o n 芯片实现完整的l o n w o r k s 的l o n t a l k 通信协议。e c h e l o n 公司推出的 n e u r o n 神经元芯片实质为网络型微控制器，该芯片强大的网络通讯处理功能配 以面向对象的网络通讯方式，大大降低了开发人员在构造应用网络通讯方面所 需的时间和费用，而将精力集中在所擅长的应用层进行控制策略的编制，因此 业内许多专家认为l o n w o r k s 总线是一种颇有希望的现场总线。 4 m o d b u s m o d b u s 是m o d i c o n 公司最先倡导的一种数据通信规约，其定义了消息域 格式和内容的公共格式，使控制器能认识和使用消息结构，而无需考虑通信网 络的拓扑结构。由于大多数公司的广泛应用，成为一种事实上的标准通信协议， 只要按照这种协议进行数据通信或传输，不同的系统就可以相互通信。 5 c a n c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ，控制器局域网络) 是由德国b o s c h 公司于 2 0 世纪8 0 年代为解决汽车中各种控制器、执行机构、监测仪器、传感器之间的 数据通信而提出并开发的总线型串行通信网络。c a n 协议遵循i s o o s i 模型， 采用了其中的物理层、数据链路层与应用层，网络的物理层和链路层的功能由 c a n 接口器件完成，应用层的功能由处理器来完成。c a n 协议采用多主工作方 式，节点之间不分主从，但节点之间有优先级之分，通信方式灵活，可实现点 对点、一点对多点及广播方式传输数据，无需调度，c a n 是所有总线中最为可 靠的。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 4c a n 现场总线技术规范概述 由于c a n 技术应用的普遍推广，进一步要求通讯协议标准化。为此，1 9 9 1 年9 月b o s c h 公司制定并发布了c a n 技术规范( v e r s i o n2 。1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运载工具、数据信息交换、高速通信控制器局部网( c a n ) 国际标准i s o1 1 8 9 8c a n 高速应用标准，i s o1 1 5 1 9c a n 低速应用标准，这为 控制器局部网标准化、规范化的推广铺平了道路【1 2 j 【1 5 l 【1 6 】。 c a n 采用了c s m a c d 技术。c s m c d 是“载波侦听多路访问冲突检 测”( c a r d e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t ) 的缩写。利用c s m a 访问 总线可对总线上信号进行检测，只有当总线处于空闲状态时才允许发送。利用 这种方法可以允许多个节点挂接到同一网络上。当检测到一个冲突位时，所有 节点重新回到“监听”总线状态，直到该冲突时间过后才开始发送。在总线超载的 情况下，这种技术可能会造成发送信号经过许多延迟。为了避免发送时延，可 利用c s m c d 方式访问总线。当总线上有两个节点同时进行发送时，必须通 过“无损的逐位仲裁”方法来使有最高优先权的报文优先发送。在c a n 总线上发 送的每一条报文都具有唯一的一个1 1 位或2 9 位数字的i d ，当发生冲突时，仲 裁器是根据l d 值的大小决定优先级最高的i d 发送，其它的退出总线。 2 1 4 1c a n 的分层结构 国际标准组织的开放系统互连( i s o o s i ) 模型将各种协议分为七层，自下 而上依次为：物理层、链路层、网络层、传送层、会话层、表达层、应用层【l 引。 c a n 遵从o s i 参考模型，由于c a n 总线主要应用于工业控制底层网络， 其单次传输的信息量较小，实时性要求较高，因此综合考虑i s o o s i 基准模型， c a n 规范定义了模型的最下面两层：数据链路层和物理层，其分层结构如图2 - 2 所示，而应用层可以由用户自行定义旧。其中，数据链路层包括逻辑链路控制 子层l l c 和媒体访问控制子层m a c 。数据链路层和物理层的功能在c a n 控制 器中完成。数据链路层中的u c 子层的主要功能包括：帧接收滤波，超载通告 和恢复管理；m a c 子层的主要功能包括：控制帧结构、执行仲裁、错误检测、 出错标定、故障界定。物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进 行位的实际传输。 8 武汉理丁大学硕士学位论文 图2 - 2c a n 的分层结构及功能 2 1 4 2c a n 报文传输格式 c a n 技术规范包含a ，b 两部分。c a n 2 0 a 给出的标准c a n 标识符长度 是1 1 位，c a n 2 0 b 规定c a n 控制器的标识符长度可以是1 1 位( 标准帧) 或 2 9 位( 扩展帧) ，如果禁止c a n 2 0 b ，则c a n 控制器只能发送和接收1 1 位标 识符的标准格式报文而忽略扩展格式的报文。c a n 总线的技术规范之所以在标 准格式的基础上还有扩展格式，是因为串行通信进入更多领域要求各应用领域 通信功能报文标识符标注的标准化。由于对标准格式中由1 1 个标识符的地址范 围加以扩展，达到2 9 位定义，所以c a n 总线对于各种应用服务将更加周到。 虽然标准格式和扩展格式有所区别，但是在相同网络中这两种格式可以同时存 在同时使用。报文传输格式按功能分可以具体分为以下四种【1 8 】【1 9 l ： 数据帧( d a t af r a m e ) ：数据帧携带数据从发送器至接收器。 远程帧( r e m o t ef r a m e ) ：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( e r r o rf r a m e ) ：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。 过载帧( o v e r l o a df r a m e ) ：过载帧用于在先行的和后续的数据帧( 或远程 帧) 之间提供一个附加的延时。 其中数据帧( 或远程帧) 通过帧与帧之间的空间与前述的各帧分开。本设 计使用的c 8 0 5 1 f 0 6 0 单片机的c a n 控制器接口按c a n 2 0 b 协议设计，采用数 据帧格式，所以下面主要介绍c a n 2 0 b 数据帧格式。 9 武汉理工大学硕士学位论文 数据帧由7 个不同的区域组成：帧起始s t a r to f f r a m e ) 、仲裁区域( a r b i t r a t i o n f i e l d ) 、控制区域( c o n t r o lf i e l d ) 、数据区域( d a t af i e l d ) 、c r c 区域( c r c f i e l d ) 、应答区域( a c kf i e l d ) 、帧结尾( e n do f f r a m e ) 。其结构如图2 4 所 示。标准数据帧和扩展数据帧帧格式如图2 3 所示。 数据帧 l l 位i d s r ri d e1 8 位i dr t r 帧起始 仲裁场 图2 3 标准格式和扩展格式数据帧 2 0 1 帧 结 束 1 帧起始。它标志数据帧或远程帧的起始，由一个单独的“显性”位组成。 只在总线空闲时，才允许节点发送信号。所有节点必须同步于首先开始发送信 息的节点的帧起始前沿。 2 仲裁区域。仲裁区域包括识别符( i d ) 和远程发送请求位( r t r ) 。识 别符( i d ) 的长度为1 1 位或2 9 位。在本系统使用的c a n 2 0 b 协议中，报文分 为标准帧( 1 1 位) 和扩展帧( 2 9 位) 两种格式。当为标准帧时，这些位的发送 顺序是从i d 1 0 到i d 0 ，最低位是i d o ，最高的7 位( i d 1 0 到i d 4 ) 必须不能 全是“隐性”。扩展帧的报文结构与标准帧相似，不同之处是所使用的仲裁区域的 长度，仲裁区域由已存在的1 1 b i t 基本仲裁区域和1 8 b i t 扩展仲裁区域组成。标 准帧与扩展帧的不同还来自于对标识符扩展( 1 d e ) 位的使用，当其位于r t r 位之后且为显性时，则报文作为标准帧来发送，而当其位于r t r 位之前且为隐 性时则报文作为扩展帧来发送。当两种格式的报文同时出现在总线上时，并且 它们具有相同的确认区或基本确认区，那判断报文优先级的方法通常为：标准 帧的报文总是比扩展帧的报文优先级高。支持扩展帧格式的c a n 控制器( c a n c o n t r o l l e r ) 同样也能发送和接收标准帧，当仅仅支持标准帧的c a n 控制器被用 在网络上时，则只有标准帧能在整个网络上传送，扩展帧将不能被识别，但是 会被当作标准帧处理。 3 控制区域。控制区域由6 位组成，包括数据长度代码和两个将来作为扩 1 0 武汉理工大学硕+ 学位论文 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( d l c ) 指示了数据场中字节数量。数据长 度代码由4 位构成，数据帧允许数据字节数目范围为o 到8 ，具体分配如表2 - 1 所示。 表2 - 1 由d l c 表示的数据字节数目编码 d l cd l c 数据字节数 d l cd l cd l cd l c 数据字节数 d l cd l cd l cd l c 3 ， 1o32lo ooooo5o101 1o0ol6o11o 20o1o7 01l1 30o118 1 0 o0 4 01oo 4 数据区域。数据区域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，首先发送最高有效位。 5 c r c 区域。c r c 区域包括c r c 序列( c r cs e q u e n c e ) ，其后是c r c 界定符( c r cd e l i m i t e r ) 。由循环冗余码求得的帧检查c r c 序列最适用于 位数低于1 2 7 位 b c h 码) 的帧。为进行c r c 计算，被除的多项式系数由无填 充位流给定，组成这些位流的成分是：帧起始、仲裁场、控制场、数据场( 若 有) ，而1 5 个最低位的系数是0 。 6 应答区域。应答区域长度为2 个位，包含应答间隙( a c ks l o t ) 和应 答界定符( a c kd e l i m i t e r ) 。在应答场里，发送节点发送两个“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( a c ks l o t ) 期间( 发 送a c k 信号) 向发送器发送一“显性”的位以示应答。所有接收到匹配c r c 序 列( c r cs e q u e n c e ) 的节点会在应答间隙( a c ks l o t ) 期间用一个“显性” 的位写入发送器的“隐性”位来作出回答。 7 帧结尾。每一个数据帧或远程帧均可由一标志序列界定。这个标志序列 由7 个“隐性”位组成。 2 2 虚拟仪器及其软件平台l a b v i e w 简介 2 2 1 虚拟仪器及其构成 1 9 8 6 年美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p o r a t i o n ) 成功研制了虚 武汉理工大学硕士学位论文 拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v 1 ) ，所谓虚拟仪器，就是在以通用计算机为 核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟面板、测试功能由测试软件实 现的一种计算机仪器系统。其基本思想就是在测试系统或仪器设计中尽可能地 用软件代替硬件，即“软件就是仪器”( t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) ，通过应 用程序将通用计算机与功能模块化硬件结合起来，充分利用计算机系统强大的 数据处理能力，在基本硬件的支持下，利用软件完成数据地采集与控制、数据 处理与分析和测试结果输出与显示等。虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化 硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用【1 3 儿2 1 j 。 从开发角度来看，虚拟仪器系统主要由硬件系统和软件系统两部分构成， 其中硬件系统包括计算机系统、功能模块化硬件；软件系统主要包括应用程序 ( 包括仪器面板控制软件和数据分析处理软件) 、功能模块化硬件驱动软件和 通用i o 接口软件。功能模块化硬件主要解决信号的输入输出，可通过u s b 、 g p i b 、串口、v x i 、p x i 及以太网等标准接口与计算机通信，计算机对被测量信 号进行采集、分析、判断、显示及数据存储，通用v o 接口软件是为功能模块化 硬件与其驱动程序提供信息传递的底层软件层。在v p p ( v x ip l u g & p l a y ) 系统规 范中，将虚拟仪器系统i o 接口软件定义为v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n t ss o f t w a r e a r c h i t e c t u r e ) 软件，也称v i s a 库，本质上就是一个可调用的操作函数集【2 2 l 【2 3 1 i 驯： 功能模块化硬件驱动程序是完成对某一特定功能模块化硬件控制与通信的软件 程序集，它是应用程序实现功能模块化硬件控制的桥梁。每个功能模块化硬件 都有自己的驱动程序；应用软件建立在驱动程序之上，直接面对操作用户，为 用户提供直观、友好的操作界面和丰富的数据分析与处理功能。虚拟仪器系统 的层次结构图如图2 4 所示。 应用程序 计算机系统 ( 仪器面板控制软件、数据分析处理软件) - 功能模块化硬件驱动软件 j 芒- 通用i o 接口软件功能模块化硬件 图2 4 虚拟仪器系统的层次结构图 对于虚拟仪器应用软件的编写，大致可分为两种方式【2 5 】： 1 用通用编程软件编写。主要有m i c r o s o f t 公司的v i s u a lb a s i c 与v i s u a l 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 c + + 、b o r l a n d 公司的d e l p h i 、s y b a s