（计算机应用技术专业论文）利用红外技术和现场总线将智能设备集群接入网络的研究.pdf

摘要 随着嵌入式技术的普及，各种智能设备都具有了嵌入网络的功 能，以便实现远程监控。这些设备包括各种工业设备、医院病房中的 医疗设备、家电设备和某些移动设备( 如公交车) 。一般而言，我们先 将一定范围内的智能设备集群，之后接入网络，继而实现远程监控。 本文的主要贡献有： l 、设计了以单片机为主控制器，s j a l o o o 为c a n 总线控制器， p c a 8 2 c 2 5 0 为c a n 驱动器的接口电路，能将智能设备接入c a n 总 线完成集群；并在此基础上增加了光媒介技术。本方法具有一定的创 新性。 2 、完成嵌入式微处理芯片s p c e 0 6 1 a 和网络芯片r t l 8 0 1 9 a s 的 硬件连接；移植实时嵌入式操作系统c o s i i 到s p c e 0 6 l a 中，使 得嵌入式系统具有实时多任务的处理能力；将t c p i p 协议移植以完 成网络功能，使得集群系统可以通过网络传输数据。 3 、给出了一个上述方案的实现实例：将上述的接入方案应用在 公交系统中。 本论文的研究工作对于今后进一步研究利用无线媒介将智能设 备接入网络具有一定意义。 关键词：现场总线，智能设备，红外线，单片机 a b s t r a c t a st h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yb e c o m e sm o r ea n dm o r ep o p u l a r ， v a d o u si n t e l l i g e n td e v i c e sa r ep r o v i d e dw i t ht h e 凡n c t i o no fe m b e d d i n g n e 俩o r k ，f o rt h es a k eo fi m p l e m e n t a t i o no fr e m o t em o n i t o r i n g t h e s e d e v i c e si n c l u d ei n d u s t r i a le q u i p m e n t s ，m e d i c a le q u i p m e n t s ，e l e c t r i c a l h o m e 印p l i a n c e sa 1 1 ds o m em o b i l ed e v i c e s ( s u c ha sb u s ) g e n e r a l l y t h e i n t e l l i g e n te q u i p m e n t si nc 宅r t a i ne x t e n ta r eg a t h e r e d ，t h e nt h e ya r em a d e c o n n e c t i n gt on e t w o r k ，f i n a l l yr e m o t em o n i t o 打n gi sr e a l i z e d t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h i sp a p e ri sg i v ea sf i o u o w s ： 1 ai n t e r f a c ec i r c u i ti sd e s i g n e dw h i c hu s e ss i n g l e c h i pc o m p u t e ra s m a i nc o n t r 0 1 1 e r ，s j alo o oa sc a nb u sc o n t r 0 1 l e r ，a n dp c a 8 2 c 2 5 0a st h e c a nb u sd r i v e r ni su s e dc o n n e c t i n gi n t e l l i g e n te q u i p m e n tt oc a nb u s ， w h i c hr e a l i z e sc l u s t e r b a s eo ni t ，t h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u eo fm e o p t i c a lm e d i a i si n c r e a s e dt h i sm e t h o di sp r o v i d e dw i t hi n n o v a t i o n 2 t h i ss y s t e ma l s or e a l i z e sh a r d w a r ec o n n e c t i o nb e t w e e ne m b e d d e d m i c r o - p r o c e s s i n gc h i p s p c e 0 61aa n dn e 撕o r k c h i p i 汀l 8 0l9 a s ， t r a n s p l a n t s r e a l t i m ee m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e mc o s i i t o s p c e 0 61as ot h a te m b e d d e d s y s t e m s c a nd e a lw i mr e a l t i m e m u l t i t a s l ( i n g ，t r a n s p l a n t s t c p i pi no r d e rt o c o m p l e t e 如n c t i o no f n e t w o r kt r a n s f e rs ot h a tt h ec l u s t e rs y s t e mc a ni n p u to ro u t p u td a t a t h r o u 曲t h en e t w o r k 3 g i v ea ni n s t a n c eo fi m p l e m e n t i n gp l a na b o v e ，w h i c hi sa p p l i e dt o p ：u b l i ct r a n s p o r ts y s t e m s t h er e s e a r c hi nt h i sp 印e ri sp r a c t i c a lg u i d ea b o u tt h ed e v e l o p m e n t a n d 印p l i c a t i o no fi n t e l l i g e n td e v i c e si nn e 觚o r ku s i n gt h et e c h n i q u eo f l l i w i r e l e s sm e d i a k e y w o r d s ： f i e l db u s ， i n t e u i g e i l td e v i c e s ， i n 缸a r e dr a y ； s i n g l e c h i p c o 埘【p u t e i v 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：必、沙口，年6 月p 日 湖南师范大学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， 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大学。 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。本人授权湖南师范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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：参蛰日期：沙 年参月口 日 导师签名：渴弓一日期：吗年6 月l p日“ 利j f j 红外技术和现场总线将智能设备集群接入网络的研究 1 1 课题意义和背景 1 绪论 随着嵌入式技术向各行业的渗透，要求各种智能设备都具有嵌入 网络的功能，以便实现远程监控。这些设备包括各种工业设备、医院 病房中的医疗设备、家庭的家电和防盗设备、某些移动设备( 如公交 车) 等等。远程监控的实施可以这样进行：先将一定范围内的智能设 备集群，而后接入网络，继而实现远程监控。此“实施”的技术基础 为嵌入式技术、现场总线技术、针对减少“集群现场连线”或“现场 设备间无法连线”而采用的无线连接技术等等。 利用网络技术实现远程监控，对企业降低生产成本，提高劳动生 产率，提高企业产品的科技含量，以及增强企业的综合竞争实力等方 面都具有十分重要的意义。同时，随着生产力的进步，设备的分布越 来越离散，大量的物理量、环境参数、工艺数据、特性参数需要进行 实时监测、监督管理和自动控制，而单一的、各自独立的监测系统己 不能适应工业化的需求。远程监控是本地计算机通过网络系统对远端 进行监视和控制，完成对分散控制网络的状态监控及设备的诊断维护 等功能。借助于远程监控可以实现现场数据的实时采集和快速集中， 为远程故障诊断提供了数据基础；通过远程监控，技术人员无须亲临 现场或恶劣的环境就可以监视并控制生产系统和现场设备的运行状 态及各种参数，使受过专业训练的人员，虚拟地出现在许多监控地点， 方便地利用本地丰富的软硬件资源对远程对象进行控制，以维护设备 的正常运营，从而减少值守工作人员，最终实现远端的无人或少人值 守，达到减员增效的目的。 硕十学位论文 1 2 远程监控技术研究现状和趋势 网络技术的迅速发展，大大推动了信息技术的进步。以i n t e m e t 为应用背景的分布式计算机技术也随之受到重视，作为这技术的一个 具体应用，远程监测与故障诊断正开展得如火如荼。监控系统的演变， 是一个从集中监控向网络监控的发展历史。目前，实施远程监控主要 有如下几种方法【2 】- 5 】： ( 1 ) 基于p s t n 的传统方法，即通过m o d e m 连接异地的现场设备； ( 2 ) 基于o p c 技术。采用支持多种现场总线规范的0 p cs e e r ，通 过o p c 接口实现现场总线到i n t e m e t 网络的无缝连接： ( 3 ) 基于嵌入式平台实现远程监控。在嵌入式平台上完成对现场数 据的实时采集，通过现场总线与数据网的互连，将s e r v e r 端的数据通 过t c p i p 协议提供给远端的监控主机( 即c 1 i e n t 端) ； ( 4 ) 采用其它自定义方法实施远程监控。 远程监控是国内外研究的前沿课题，国内外都展开了积极的研究 【6 】- 【9 1 。1 9 9 7 年1 月，首届基于i n t e m e t 的远程监控诊断工作会议由斯坦 福大学和麻省理工学院联合主办，有来自3 0 个公司和研究机构的5 0 多位代表到会。会议主要讨论了有关远程监控系统开放式体系、诊断 信息规程、传输协议及对用户的合法限制等，并对未来技术发展作了 展望，由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发基于i n t e m e t 的下一代监 控诊断示范系统，这项工作同时也得到了制造业、计算机业和仪器仪 表业的s u n 、h p 、b o e i n g 、i n t e l 、f o r d 等1 2 家大公司的热情支持和通 力配合。法国a l a 蹦研究组对生产过程的智能报警和监控系统进行 了长期研究，并在多个项目中进行了应用。2 0 0 0 年4 月在上海举行的 第四届i a c 展览会上，法国施耐德公司展出了完全以e t h e m e t 为基础的 控制系统。 国内对于远程监控技术也开展了积极的研究，目前西安交大、华 中科技大学、哈尔滨工业大学、南京理工大学等高校已取得了较为先 利j f j 红外技术和现场总线将智能设备集群接入网络的研究 进的研究成果。目前，大多软件都是基于某一设备的视频监控。例如 现在市场中有鹰眼远程监控，“虎视通”网络监控管理系统，“天眼”数 字远程监控等多种监控软件【l0 1 。目前的远程监控系统结构大多比较复 杂，分布距离远，而且还存在着不同局域网，不同平台，甚至在同一 局域网中的操作平台以及编程语言也可能有不同的问题，这就要求集 成网络中的不同平台，实现相互之间的通信，而这些问题采用传统方 法是难以解决的。嵌入式监控系统可以使信息实现本地化处理，改善 服务器性能，可以使每一个设备具备上网与服务功能，即每一个设备 都可以独立进行服务，从而大大提高监控的质量和范围。 传统的远程监控系统采用c s 模式【l l 】，由服务器( s e r v e r ) 和客户端 ( c l i e m ) 应用程序组成，也称为“胖客户”模式。在这种模式下，需要开 发专门的客户端应用程序，而且不同的系统需要不同的客户端应用程 序，操作风格不一致，可移植性差，难以维护，难以升级，系统更新 所需要的工作量非常大，而且能够处理的数据类型不易扩展。目前， 基于w e b 的b s 模式是监控系统的发展方向之一。b s 模式监控系统由 浏览器、应用服务器和数据库服务器组成，也称为“瘦客户 模式。客 户端使用通用的w e b 浏览器，通过i n t e m e t 对现场进行监控，无须开发 各种各样的客户端应用程序，使客户端操作界面得到统一，简洁美观。 数据信息和应用程序都放在服务器上，客户端的功能可以通过服务器 上应用程序得到动态扩展。 监控技术的发展始终与最新技术的发展息息相关，使用者不断对 监控的简便性及实时性提出了更高的要求。因此必须要更好地、更及 时地应用最新技术，这样才能使得监控不断地发展，不断地满足人们 的需求。而基于嵌入式w e b 服务器，采用的b s 模式监控的远程监控 系统为监控系统的网络化、小型化提供了有效途径，嵌入式网络监控 已成为监控系统未来发展的重点方向之一。 硕+ 学位论文 1 3 本论文的研究思路和结构 本课题主要是研究将设备通过现场总线集群后连接到网络来实 现远程监控这样一种方法：先将一定范围内的智能设备集群，而后接 入网络，继而实现远程监控。本课题提出了一个改进的将设备具体到 车载系统，在原有车载设备增加一个红外接入技术即可以实现进站红 外发射数据。 总而言之，利用无线媒介对传统控制领域进行革新，是市场的需 求。在这个过程中，嵌入式系统因其体积小、处理能力强，支持以太 网技术和网络服务器等功能，无疑要扮演重要角色。相信无线媒介与 嵌入式系统的结合，将是后p c 时代的新的市场技术增长点。同时我 们可以想象随着仪表、控制器、家电等嵌入式设备连到i n t e m e t 上， 网上设备将是现在的数百倍、数千倍。与此同时，随着制造工艺的进 步，智能控制芯片和智能传感器的成本越来越低，功能却越来越强大， 这使嵌入式微处理器与i n t e m e t 连接的费用降低到了完全可以接受的 程度，智能将下移到设备，大量的嵌入式设备将连接到i m 啪e t 上， 并通过网络相互通信，自动操作，而无需人的干预。因此，利用红外 技术将智能设备接入网络将有十分广阔的应用前景。 本文的内容组织如下： 第一章绪论首先介绍了选题背景和科学意义，进而介绍远程监控 技术研究现状和趋势。 第二章对所用到的嵌入式技术、现场总线技术、红外技术进行了 详细的阐述，对后面章节做技术准备。 第三章以单片机为主控制器，完成了c a n 总线控制器和c a n 驱 动器的连接电路设计。通过无线媒介设计出工业设备接入网络的方 案，详细的阐述了各个接口模块的设计和功能。 第四章完成嵌入式微处理芯片和网络芯片的硬件连接，实现嵌入 式系统的硬件设计和体系的搭建；移植实时嵌入式操作系统c 0 s i i 利用红外技术和现场总线将智能设矫集群接入网络的研究 到s p c e 0 6 l a 中，使得嵌入式系统具有实时多任务的处理能力；将 t c p i p 协议移植以完成网络功能，使得系统可以通过网络传输数据。 第五章给出了一个智能设备接入网络实例化的架构，并将上述的 接入方案应用在公交系统中。实现由无线媒介构成的网络传输任务， 将公交车上的数据通过到站红外传输送到主控机中进行显示和处理。 并实现了r s 2 3 2 与c a n 总线之间的数据通信。 最后对全文进行了总结并指出了下一步工作。 利川红外技术和现场总线将智能设备集群接入网络的研究 2 1 嵌入式技术的概念 2 技术准备 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁 剪的适应应用系统，是对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求 的专用计算机系统。它结合了先进的计算机技术、半导体技术、电子 技术及各个行业的具体应用，被看作技术密集、不断创新的知识集成 系统。其主要特点： ( 1 ) 嵌入式系统面向用户、面向产品、面向应用其处理器各方而均 受到应用要求的制约。 ( 2 ) 嵌入式系统的软件一般具有较长的生命周期。 ( 3 ) 嵌入式处理器的发展也体现出稳定性。 2 2 嵌入式发展概述 嵌入式系统至今已经有4 0 多年的历史了，它的发展与计算机技 术、半导体技术、电子技术以及网络技术的发展有很大的关系。我们 可以把嵌入式系统的发展分为以下的三个阶段： ( 1 ) 嵌入式系统的出现和兴起( 1 9 6 0 年一1 9 7 0 年) ：当时计算机以 开始采用集成电路，也就是通常所说的第三代计算机，军事和航空航 天领域的需求，推动了嵌入式系统的出现和兴起。 ( 2 ) 嵌入式系统走向繁荣，软件和硬件日臻完善( 1 9 7 1 年一1 9 8 9 年) ： 微处理器问世，单片机和d s p 出现，软件技术的进步更使嵌入式系 统日臻完善。 ( 3 ) 嵌入式系统走向纵深( 1 9 9 0 年至今) ：面向不同应用领域，功能 强大、集成度高、种类繁多、价格低廉和低功耗的3 2 位芯片已大量 硕十学位论文 应用12 1 。 2 3 现场总线技术 现场总线可定义为一种“安装在生产过程区域的现场设备仪表 与控制室内的自动控制装置系统之间的一种串行、数字式、双向传 输和多分支结构的通信网络 【l3 1 。或者说，现场总线是以单个分散的、 数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线连接，实现 信息互换，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统，是计算机 控制与通信技术汇合的产物，是新一代全数字、全分散和全开放的现 场控制系统【1 4 1 。 2 3 1 现场总线的技术特点睁1 6 1 ( 1 ) 用数字化通信取代4 2 0 i i 认模拟仪表。传统的自动化控制技 术的现场设备与控制设备是通过一对一的方式( 一个i o 点对现场设 备的一个测控点) 连接，即所谓i o 接线方式，信号以4 2 0 m a ( 传送模 拟信号) 或2 4 v d c ( 传送开关量信号) 传递。 ( 2 ) 控制功能下移，实现彻底的分散控制。现场总线技术是计算机 网络通信向现场级的延伸，通过现场仪表和装置就可以构成控制回 路，实现了彻底的分散控制，提高了控制系统的可靠性、自治性和灵 活性。 ( 3 ) 具有互操作性。由于功能分散在多台现场仪表中，并且可以统 一组态，供用户灵活地选用各种功能模块。这样，用户也能自由地集 成现场总线控制系统。 ( 4 ) 集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体的现场总线 技术采用计算机数字通信技术连接现场设备。 ( 5 ) 真正的开放式系统现场总线为开放式互联网络所有技术和标 准都是公开的，用户可以自由地集成不同厂商的通信网络，既可与同 利用红外技术和现场总线将智能设备集群接入网络的研究 层网络互联，也可与不同层网络互联。 2 3 2 总线的选择 目前比较流行的各种总线，都有各自的性能特点，适用场合以及 优缺点。下面将它们与c a n 总线进行一下比较： 以c a n 和l o n w o r k 采用的介质访问控制方式属于c s m c d 方 式，只不过在c s m c d 方式的基础上有所改进。l o n w o r k s 采用的 带预测的p 坚持c s m c d 介质访问协议，它的优点是根据网络繁忙 程度等待若干个时间片来访问介质，较轻负荷时插入的时间片较少， 而重负荷时相反，从而有效地避免了网络的频繁碰撞。c a n 总线也 采用c s m a 总线争用技术，但将网络上的节点分成不同的优先级， 采用支配位( o ) 和避让位( 1 ) 以及总线回读的方法实现非破坏总线仲 裁。即当两个节点同时向网络传递信息时，优先级低的节点主动停止 发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输，这可以有效地避免 总线碰撞。f f 采用了控制访问方式中的令牌总线工作方式，即链路 活动调动器l a s 控制的令牌传递方式。p r o 硒u s 总线存取协议采用的 是混合介质存取方式，即主站之间采用令牌传递方式，主站和从站之 间按主从方式工作。它的优点是保证在任意时刻只能有一个站发送数 据，而且任意一个主站在一个特定的时间片内都可得到总线操作权， 完全避免了冲突。 c a n 标准很好的解决了以上的问题，它是一种有效支持分布式 控制或实时控制的串行通信网络。c a n 标准可采用多主方式，网络 上任意节点均可主动向其它节点发送信息。网络节点可按系统实时性 要求分成不同的优先级，一旦发生总线冲突，会减少总线仲裁的时间。 其数据链路层采用短帧结构，每一帧为8 个字节，易于纠错，而且每 一帧信息都有c r c 校验等检错手段，有效的降低了数据的错误率。 另外，信号调制解调方式采用n i 屹编码解码方式，并且采用插入填 硕十学位论文 充位( 位填充) 技术17 1 。 c a n 很明显地每个报文都带有优先权，1 1 位的i d 号将使报文有 2 0 3 2 种优先权，由此可见两者都有很好的实时处理能力，不会因为 网络冲突而导致紧急信息不能及时发送出去。如果说两者真有差别的 话，l o n 的优先权级别不够丰富，在一些特殊情况下可能不会满足 应用要求。可以认为l o n 比较适用于一些大型的，对响应时间要求 不太高的分布式控制系统，而c a n 则适用于小型的，实时要求高的 系统。 从上述看到，尽管c a n 总线在传输速率上处于劣势，由于c a n 总线技术的种种优点，它是一种可靠性极高、结构简单的高新技术， 非常适用于智能设备的集群。 2 4 无线接入技术研究方法与内容 2 4 1 目前的几种无线技术 电气和电子工程师协会i e e e 制定的无线局域网标准规定了三种 发送及接收技术：两种采用射频技术扩频( s p r e a ds p e c t m m ) 技术和 窄带( n a 仃c l wb a n d ) 技术，频带为2 4 0 0 2 4 8 3 5 m h z ；另一种是红外 i r ( i n 觑l r e d ) 技术，用红外光来传输。在无线通信中，无线电和红外线 是互相补充的两种传输媒介，适用于不同场合。两者的对比如下： ( 1 ) 无线电适用于用户流动性大，要求传输信号能通过墙壁，进行 长距离传输而发射功耗又能做到最小的各种场合。 ( 2 ) 红外线适应于短距离的各种场合【1 8 】，其优点是：首先红外线 方式不受电磁场和无线电干扰，且红外线的使用不受国家无线电管理 委员会f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) 的限制；其次红外 通信的特点是结构简单、耗电少，能稳定地进行高速数据通信。也就 是说，只要红外线通信组件能内置在便携式信息终端，那么勿需随身 携带解调器和综合数字数据网络终端连接器以及连接线缆，就能进行 利用红外技术和现场总线将钾能设备集群接入网络的研究 高速数据通信；最后能高速运转的红外发射器和接收器成本很低。 于是红外无线局域网将来可以达到很高的聚集能力，而且它们的 设计可以简单化，传输不需要协调。 目前的无线技术规范、标准和方案主要有以下几种：i e e e 8 0 2 1 l 标准家庭射频h o m er f 、蓝牙技术、超宽带射频u w b 、红外数据 通信协会规范i r d a 和德州仪器t i 公司的光无线方案。前四种属于无线 电传输方式，后两种采用光的传输方式。 2 4 2 红外技术研究现状 红外技术发展的先导是红外探测器的发展。1 8 0 0 年，f w 赫 歇尔发现红外辐射时使用的是水银温度计，这是最原始的热敏型 红外探测器。l8 3 0 年以后，相继研制出温差电偶的热敏探测器、 测辐射热计等。在1 9 4 0 年以前，研制成的红外探测器主要是热敏 型探测器。1 9 世纪，科学家们使用热敏型红外探测器，认识了红 外辐射的特性及其规律，证明了红外线与可见光具有相同的物理 性质，遵守相同的规律。它们都是电磁波之一，具有波动性，其 传播速度都是光速、波长是它们的特征参数并可以测量。2 0 世纪 初开始，测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、发射和反射 光谱，证明了红外技术在物质分析中的价值。3 0 年代，首次出现 红外光谱代，以后，它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。4 0 年代初，光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的 这类探测器，其性能优良、结构牢靠。5 0 年代，半导体物理学的 迅速发展，使光电型红外探测器得到新的推动。到6 0 年初期，对 于1 3 、3 5 和8 1 3 微米三个重要的大气窗口都有了性能优良 的红外探测器。 在红外技术的发展中，需要特别指出的是：6 0 年代激光的出 现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外 硕十学位论文 波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和 通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信 息容量。在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差 接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。 另外，由于这类应用的需要，促使出现新的探测器件和新的辐射 传输方式，推动红外技术向更先进的方向发展【l9 1 。 2 4 3 红外网络接口 目前，实现计算机红外无线互连的途径主要有以下三种【2 0 1 。 ( 1 ) 基于专用红外无线网卡的无线通信 专用的红外网卡是将计算机网络通信模块与红外收发模块集于 一体来完成无线互连功能。目前，i e e e8 0 2 1 l 委员会对这种通信方式 制定了相应的规范，即i e e e8 0 2 1 1 协议，其支持的基带频谱为 旺1 0 m b i t s ，推荐使用p p m 技术，并且采用c s m a c d 的冲突检测。 已有许多公司如i b m 、h p 等在研制这种方式，并有部分产品已经上市。 ( 2 ) 基于现有网卡的无线通信 这种方式是在现有网卡的基础上，增加红外收发端口来实现红外 无线互连。提出这种方案的主要目的是充分利用现有的网络资源，其 实质是将现有局域网物理层从有线互连转变为空间互连。这种方式所 采用的通信协议仍是现有的局域网协议，如t c p i p ，但其物理层无线 传输的某些工作方式，如调制解调技术等都可以采用i e e e8 0 2 1 1 所推 荐的工作方式。 ( 3 ) 基于计算机串行口的无线通信 这种无线通信的解决方案是给串行口配置红外收发器来完成互 连功能。从计算机串行口发出的电信号经电平转换、调制等处理后， 送入红外发射器激励红外脉冲，完成发射功能。反之完成接收功能。 这种方式所遵循的规范是由红外通信协会制定的i r d a 协议。这种通信 利刚红外技术和现场总线将智能设备集群接入网络的研究 方式支持的码速率为2 4 k 4 m b i t s ，通信方式为半双工，调制方式有 3 1 6 占空比的r z i 和4 p p m 。 以上三种通信方式都是计算机的通信端口( 网卡、串口) 和红外 收发器共同完成无线互连功能。计算机通过其通信端口向红外收发器 发送或接收信号，红外收发器完成红外脉冲的收发。 2 5 本章小结 本章简单的介绍了嵌入式技术、现场总线和无线技术的概念及其 特点，并且对现场总线了比较和选型。最后对无线接入技术方法和红 外接口的方法做了简要的介绍。 利j | j 红外技术和现场总线将智能设备集群接入网络的研究 3 1 引言 3 智能设备对c a n 总线接入的方法及实现 本课题设想用图3 1 的方式将智能设备集群并接入网络，图中的 曲线表示用无线的方式将接口l 与接口2 联系起来，然后再由c a n 总线通过接口3 集群接入网络，于是主要技术就集中在接口l 、接口 2 和接口3 的研制。 对于原来已能接入c a n 总线的设备，若打算采用图3 1 的接入 c a n 总线的方式，只需将相应接口更换成接口l 和接口2 即可；对 于新研发的智能设备除接口l 、接口2 设计之外，还应考虑c a n 总 线协议的实现。本章主要介绍接口l 和接口2 的实现。 e t h e r n e t 图3 1 光媒介接入c a n 总线 硕十学位论文 3 2 c a n 协议 3 2 1 c a n 协议的概念和特征 依据国际标准化组织开放系统互连( i s o o s i ) 参考模型【2 1 1 ，下 面对c a n 协议的媒体访问控制子层的一些概念和特征做如下说 明： ( 1 ) 报文( m e s s a g e ) 总线上的报文以不同报文格式发送，但长度 受到限制。当总线空闲时，任何一个网络上的节点都可以发送报 文。 ( 2 ) 信息路由( i n f o 彻a t i o nr o u t i n g ) 在c a n 中，节点不使用任 何关于系统配置的报文，比如站地址，由接收节点根据报文本身 特征判断是否接收这帧信息。因此系统扩展时，不用对应用层以 及任何节点的软件和硬件作改变，可以直接在c a n 中增加节点。 ( 3 ) 标识符( i d e n t i f i e r ) 要传送的报文有特征标识符( 是数据帧 和远程帧的一个域) ，它给出的不是目标节点地址，而是这个报文 本身的特征。信息以广播方式在网络上发送，所有节点都可以接 收到。节点通过标识符判定是否接收这帧信息。 ( 4 ) 数据一致性应确保报文在c a n 里同时被所有节点接收或 同时不接收，这是配合错误处理和再同步功能实现的。 ( 5 ) 位传输速率不同的c a n 系统速度不同，但在一个给定的系 统里，位传输速率是唯一的，并且是固定的。 ( 6 ) 优先权由发送数据的报文中的标识符决定报文占用总线 的优先权。标识符越小，优先权越高。 ( 7 ) 远程数据请求( r e m o t ed a t ar e q u e s t ) 通过发送远程帧，需 要数据的节点请求另一节点发送相应的数据。回应节点传送的数 据帧与请求数据的远程帧由相同的标识符命名。 ( 8 ) 仲裁( a r b i t r a t i o n ) 只要总线空闲，任何节点都可以向总线发 利川红外技术和现场总线将钾能设备集群接入网络的研究 送报文。如果有两个或两个以上的节点同时发送报文，就会引起 总线访问碰撞。通过使用标识符的逐位仲裁可以解决这个碰撞。 仲裁的机制确保了报文和时间均不损失。当具有相同标识符的数 据帧和远程帧同时发送时，数据帧优先于远程帧。在仲裁期间， 每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。 如果电平相同，则这个单元可以继续发送，如果发送的是“隐性 电平而监视到的是“显性 电平，那么这个单元就失去了仲裁，必须 退出发送状态。 ( 9 ) 总线状态总线有“显性 和“隐性”两个状态，“显性 对应逻 辑“o ，“隐性 对应逻辑“l 。“显性”状态和“隐性 状态与为“显性” 状态，所以两个节点同时分别发送“o ”和“1 ”时，总线上呈现“o 。 c a n 总线采用二进制不归零( n r z ) 编码方式，所以总线上不是“o ， 就是“1 ”。但是c a n 协议并没有具体定义这两种状态的具体实现 方式。 ( 1 0 ) 故障界定( c o n f i n e m e n t ) c a n 节点能区分瞬时扰动引起的 故障和永久性故障。故障节点会被关闭。 ( 1 1 ) 应答接收节点对正确接收的报文给出应答，对不一致报文 进行标记。 3 2 2c a n 总线协议内容 c a n 总线的物理层【2 2 】是将e c u 连接至总线的驱动电路。e c u 的总数将受限于总线上的电气负荷。物理层定义了物理数据在总 线上各节点间的传输过程，主要是连接介质、线路电气特性、数 据的编码解码、位定时和同步的实施标准。b o s c hc a n 基本上 没有对物理层进行定义，但基于c a n 的i s 0 标准对物理层进行了 定义。设计一个c a n 系统时，物理层具有很大的选择余地，但必 须保证c a n 协议中媒体访问层非破坏性位仲裁的要求，即出现总 硕 ：学何论文 线竞争时，具有较高优先权的报文获取总线竞争的原则，所以要 求物理层必须支持c a n 总线中隐性位和显性位的状态特征。在没 有发送显性位时，总线处于隐性状态，空闲时，总线处于隐性状 态；当有一个或多个节点发送显性位，显性位覆盖隐性位，使总 线处于显性状态。在此基础上，物理层主要取决于传输速度的要 求。在c a n 中，物理层从结构上可分为三层：分别是物理层信令 ( p l s ) 、物理介质附件( p m a ) 层和介质从属接口( m d i ) 层。其中p l s 连同数据链路层功能由c a n 控制器完成，p m a 层功能由c a n 收 发器完成，m d i 层定义了电缆和连接器的特性。目前也有支持c a n 的微处理器内部集成了c a n 控制器和收发器电路，如 m c 6 8 h c 9 0 8 g z l 6 。p m a 和m d i 两层有很多不同的国际或国家或 行业标准，也可自行定义，比较流行的是i s o l l 8 9 8 定义的高速c a n 发送接收器标准。理论上，c a n 总线上的节点数几乎不受限制， 可达到2 0 0 0 个，实际上受电气特性的限制，最多只能接1 0 0 多个 节点。 c a n 的数据链路层是其核心内容，其中逻辑链路控制( l l c ) 完成 过滤、过载通知和管理恢复等功能，媒体访问控制( m a c ) 子层完成数 据打包解包、帧编码、媒体访问管理、错误检测、错误信令、应答、 串并转换等功能。这些功能都是围绕信息帧传送过程展开的。 3 3 智能设备直接接入c a n 总线的设计 本设计的协议转换电路主要由s j a l o o o 、p c a 8 2 c 2 5 0 两个部分 组成，先考虑将智能设备直接连到c a n 总线的方式，设单片机为某 智能设备的c p u ，其连接示意图如图3 2 所示。 3 3 1 s j a l o o o 的引脚说明及主要性能 c a n 的通信协议主要由c a n 控制器完成。c a n 控制器主要由 利用红外技术和现场总线将智能设备集群接入网络的研究 实现c a n 总线协议的部分和实现与微处理器接口部分的电路组成对 于不同型号的c a n 总线通信控制器实现c a n 协议部分电路的结构 和功能大多相同而与微处理器接口部分的结构和方式存在一些差异 这里主要以s j a1 0 0 0 为代表对c a n 控制器的功能作一个简单介绍。 图3 - 2 系统连接框图 s j a l o o o 是一种独立c a n 控制器它是p h i l i p s 公司的p c a 8 2 c 2 0 0 c a n 控制器的替代产品s j a1 0 0 0 具有b a s i c c a n 和p e i i c a n 两种工作 方式，p e i i c a n 工作方式支持具有很多新特性的c a n2 o b 协议。 s j a l o o o 在软件和引脚【2 3 】上都是与它的前一款p c a 8 2 c 2 0 0 独立 c a n 控制器兼容的s j a l o o o 引脚功能，在此基础上增加了很多新的功 能为了实现软件兼容s j a l o o o 采用了两种工作方式b a s i c c a n 方式 p c a 8 2 c 2 0 0 兼容方式p e i i c a n 方式扩展特性方式工作方式通过时钟 分频寄存器中的c a n 方式位来选择上电复位。s j a1 0 0 0 的主要新功能 如下【2 4 】： ( 1 ) 标准结构和扩展结构报文的接收和发送 ( 2 ) 6 4 字节的接收f i f o ( 3 ) 标准和扩展帧格式都具有单双接收滤波器含接收屏蔽和接收 硕十学位论文 码寄存器 ( 4 ) 可进行读写访问的错误计数器 ( 5 ) 可编程的错误报警限制 ( 6 ) 最近一次的错误代码寄存器 ( 7 ) 每一个c a n 总线错误都可以产生错误 ( 8 ) 具有丢失仲裁定位功能的丢失仲裁中断 ( 9 ) 单发方式当发生错误或丢失仲裁时 ( 1o ) 只听方式监听c a n 总线无应答 ( 1 1 ) 支持热插拔无干扰软件驱动位速率 所以s j a1 0 0 0 的功能有了大大增强，能完成高性能的通信。 3 3 2c a n 驱动器p c a 8 2 c 2 5 0 说明及主要性能 p c a 8 2 c 2 5 0 驱动收发器是c a n 控制器( s j a l o o o ) 和物理传输 线路之间的接口。它们可以用高达1 m b s 的位速率实现在两条差动电 压电缆上的传输数据。其主要特性【2 5 】如下： 与i s o d i s l l 8 9 8 标准完全兼容； 高速( 最高可达l m b s ) ； 具有抗瞬间干扰，保护总线能力； 降低射频干扰( i 强i ，r a d i of r e q u e n c yi n t e 哦r e n c e ) 的斜率控制； 过热保护； 对电源或地的短路保护； 支持低电流待机方式； 某一个节点掉电不会影响总线； 可连接1 1 0 个节点。 p c a 8 2 c 2 5 0 最初在汽车高速数据传输中( 至1 m b s ) 应用。该器 件向总线提供差动发送能力和向c a n 控制器提供差动接收能力。它 与i s o d i s l1 8 9 8 标准完全兼容。 利用红外技术和现场总线将智能设备集群接入网络的研究 片内限流电路可防止发送输出级对电源电压的正端和负端短路。 在这种故障出现时，功耗增加，但不会对发送输出级造成损坏。 如果结温超过1 6 0 ，两个发送器输出端的极限电流将减小。由 于发送器功耗是芯片功耗的主要部分，因而输出电流的减小将使功耗 降低，从而降低芯片温度。芯片的所有其他部分继续保持在工作状态。 当总线短路时，具有过热保护功能。 3 4c a n 接口硬件电路设计 本文中所设计的c a n 总线通信接口中，采用p h i l i p s 公司的 s j a l o o o 和8 2 c 2 5 0 芯片。s j a l o o o 是独立c a n 通信控制器，8 2 c 2 5 0 为高性能c a n 总线收发器。 图3 3 所示为c a n 总线系统智能节点硬件电路原理图【2 6 1 。 8 0 c 5 1 系列 s j a l 0 p c a 陀。驹o a d 0 _ f ，0 0a d 0t x 0 t x dc a n h l 叫 a d l ，p 0 1a d lt x l a d 2 仟，0 2a d 2r x 0 r x dc a n l a d 3 ，p 0 3a d 3r x l1 r l h l a d 4 ，p 0 4a d 4 a d 5 ，p 0 5 a d 5 m o d ev d d a d 6 ，p 0 6a d 6v d d l 、，n n 上 a d 7 ，p 0 7a d 7v s s l _ _ _ _ 一 v v d d 2 上 p 2 7c sv s s 2 。r - a l 邑p r o ga l ev d d 3 上 r d ，p 3 7r dv s s 3 t w r ，p 3 6 1 f r c 1 i ii i n t 0 ，p 3 2l n tx 1 a l ll x t a l lc l k o u t r s tr s tx 1 a l 2ti i g z 线 图3 - 3c a n 总线节点馒件电路原理图 从图3 3 中可以看出，电路主要由两部分构成：独立c a n 通信控 制器s j a l o o o 和c a n 总线收发器8 2 c 2 5 0 。微处理器8 9 c 5l 负责 s j a l o o o 的初始化，通过控制s j a l o o o 实现数据的接收和发送等通信 任务。 s j al o o o 的a d o a d 7 连接到8 9 c 51 的p o 口。c s 连接到8 9 c 5 l 的p 2 7 ，c p u 通过这些地址可对s j a l o o o 执行相应的读写操作。 硕+ 学位论文 s j a l o o o 的r d 、w r 、a l e 分别与8 9 c 5 1 的对应引脚相连，i n t 接 8 9 c 5 1 的i n t o 。8 9 c 5 1 也可通过中断方式访问s j a l o o o 。 一般来说为了增强c a n 总线节点的抗干扰能力，s j a l o o o 的t x o 和r x o 并不是直接与8 x 2 5 0 的t x d 和r x d 相连，而是通过高速光 耦与8 2 c 2 5 0 相连，这样就很好地实现了总线上各c a n 节点间的电 气隔离。不过，应该特别说明的一点是本课题是利用光媒介将智能设 备接入c a n 总线，因此不需要电气隔离，所以在实际应用中不考虑 这部分功能。 3 5c a n 接口软件设计 系统软件设计的关键是通信程序的设计。通信软件由三部分组成： 初始化程序、发送程序、接收程序。由于系统中任意一节点在任意时 刻均可主动与其它节点通信，所以，各节点的通信程序相同。 3 5 1 初始化子程序 c a n 控制器在c a n