（控制理论与控制工程专业论文）智能自动化及智能控制实验室软件平台设计与实现.pdf

摘要 学科专业：控制理论与控制工程 y 3 e s 7 彳9 论文题目：智能自动化及智能控制实验室软件平台设计与实现 硕士生：刘宇光导师：吕炳朝教授 本文阐述了智能自动化及智能控制实验室基于c a n 现场总线的控制网 络的硬件组成和它们之间的拓扑结构，分析了g 鲢现场盛线在控制领域的优 势、特点和各个硬件部分在整个智能自动化及智能控制实验室系统中的功能和 作用。在此基础上，进行了软件平台开发的可行性研究，着重阐述了软件平台 的设计思塑和部分编程实现，具体分析了该软件平台的开放性结构和环境、模 块化和稳定性三大特点的具体设计：利用w i n d o w s9 x 的d l l 技术来实现整个 软件平台的开放性和模块化设计；通过歼机自检、现场维护、访问权限设定等 措施来实现整个系统的稳定性。厂智能自动化及智能控制实验室软件平台集网 络维护、实验过程管理、实验课程设置于一身，创造了一个开放式的网络化实 验环境，为学生提供了一种直观、形象的现代化实验环境。 经过上机调试，采用面向对象的程序设计方法完成基本实验台的p c i l 7 1 0 数 据采集卡的功能开发包的设计与实现不仅有力地保证相关实验课程开发的顺 利进行，同时也提供了一套新的丌发方法，将来类似板卡的低层软件开发可以 利用类的继承继续使用相关函数，避免了重复开发和资源的浪费。当然也为其 他类型板卡的开发提供了一些借鉴和参考。夕、净 关键词：， 控制器局域一开放性面向对象v 软件平台数据采集 叠一蘸一 链蒜。燕穗螽谶翥谶蕊 a b s t r a c t s u b j e c ts p e c i a l i t y ：a u t o m a t i o n t h e o r ya n de n g i n e e r i n g t h e s i st i t l e ：t h e d e s i g n a n d d e v e l o p m e n t o f i n t e l l i g e n t a u t o m a t i o na n dc o n t r 0 1l a bs o f t w a r ep l a t f o r m m a s t e r ：y u g u a n g l i ut u t o r ：p r o f e s s o r b i n g c h a o l v t h i sp a p e rf o c u s e so ni l l u s t r a t i n gt h ed e s i g np r i c i p l e sa n dt h ep a r to f p r a c t i c a l p r o g r a m m i n go f i n t e l l i g e n ta u t o m a t i o na n dc o n t r o ll a b 一一o n ek i n do f s o f t w a r ep l a t f o r mb a s e do nt h ec o n t r o l l e ra r e an e t ，a n a l y z i n gt h ef e a t u r e s o ft h i ss o f t w a r e p l a t f o r m 一一t h eo p e n s t r u c t u r ea n d e n v i r o n m e n t ， m o d u l i z a t i o n s t a b i l i t y t h e i n t e l l i g e n ta u t o m a t i o na n dc o n t r o ll a b ) s o f t w a r e p l a t f o r m i s i n t e g r a t e d w i t ht h r e em a i nf u n c t i o n s - - n e t w o r k m a i n t e n a n c e ，e x p e r i m e n tm a n a g e m e n ta n dc u r r l c u f a ra r r a n g e m e n t i tb r i n g s u sa no p e nn e t w o r ks u r r o u n d i n g s ，a n dp r o v i d e st h es t u d e n t sw i t hav i s u a l a n dm o r d e r ne x p e r i m e n ti n t e r f a c e b y c e r t i f i c a t e di nc o m p u t e r , w ed e s i g na n df u l f i l lt h ed a t aa c q u i s i t i o np k e 卜 t h ei m p o r t a n tp a r to f ( i n t e l l i g e n ta u t o m a t i o na n dc o n t r o ll a b s o f t w a r e p l a t f o r m ，s os t r o n g l yg u a r a n t e et h es m o o t hr u no ft h ed e v e l o p i n go f r e l e v a n te x p e r i m e n t s k e yw o r d s ： c o n t r o l l e ra r e an e t s o f t w a r ep l a t f o r m o p e n0 b j e c t - o r i e n t e d d a t aa c q u i s i t i o n a 、蕊旗 电予科技大学顺l ：论文 第一章c a n 总线概述 1 1 控制器局域网技术 1 1 1 现场总线的发展 自动控制技术是当代发展最为迅速、应用十分广泛、最引人注目 的高技术之一，也是推动新技术革命和新产业革命的核心技术。随着计 算机软硬件技术以及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已成为计 算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大进步。由于对 系统可靠性和灵活性的要求，出现了分散式的工业控制系统，典型的分散 式控制系统由现场设备、计算设备以及通讯设备组成。 在计算机数据传输领域内，长期以来使用的是r s 2 3 2 和c c i t t v 2 4 通讯标准，尽管它们被长期使用但却是一种低数据传输速率和点对点的 数据传输标准，无能力支持更高层次的计算机之间的功能操作。同时在 复杂或大规模的应用，如：工业现场控制或生产自动化领域中需要使用大 量的传感器、执行器和控制器等它们通常分布在非常广的范围内，所以 在最低层次上确实需要设计出一种造价低、可靠性高的适合工业现场环 境使用的通讯系统，这就是现场总线( f i e l db u s ) 。现场总线能同时满足 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分支。 现场总线网络体系结构及标准的研究和制定始于1 9 8 5 年。按照i s o ( 国际标准化组织) 的o s i ( 开放系统互连) 规定网络结构由七层构成， 但现场总线仅定义了其中最重要的和必须考虑的物理层、数据链路层以 及应用层。这是因为：面向控制的信息通常十分有限，当要求这种信息 必须快速可靠地到达目的站时七层模型的数据转换远远慢于对数据处理 的实时性要求。 在现场总线的三层网络结构中，流量控制和差错控制在数据链路 层执行；报文的可靠传输在数据链路层或应用层执行。因此，虽然现场 总线是一种开放的实时系统，但它只有简化了的网络结构与o s i 的定 义不完全一致。 按照i s a ( 美国仪器协会) s p - 5 0 规范所定义：现场总线是在制造 过程现场和安装在生产控制室的先进自动化控制装置中所配置的主要 自动化装置之间的一种串行数字通信链路。 对于工业控制领域，采用现场总线的最大优点是可以大大节约连 接导线、维护和安装费用，同时脱场总线能够传送多个过程变量，数字 电了科技大学硕士论义 信号的精确性是现场总线的又一个优点，减少了模拟量在传输过程中的 误差。由于数字通信和智能仪表的采用从而使远程维护成为可能，用户 可以在中心控制室对智能仪表进行标定调整和诊断。 1 i 2 控制器局域网 控制器局域网( c a n ：c o n t r o l l e ra r e an e t ) 是现场总线的一种。c a n 总线是德国b o s c h 公司在1 9 8 6 年为解决现代汽车中众多的控制与测试 仪器之间的数据交换而开发的种串行数据通讯总线。1 9 9 3 年，c a n 总 线成为国际标准( i s o l l 8 9 8 ：道路车辆的高速控制器局域网数字信息交换 标准) 。现在，c a n 总线仍然广泛应用于自动化电子领域的汽车发动机 控制部件、传感器和抗滑系统中。c a n 总线的一个最大特点是废除了 传统的站地址编码而代之以对通讯数据块进行编码，采用这种方法的优 点是可使网络内的节点个数在理论上不受限制。这种按数据块编码的方 式还可使不同的节点同时收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中 非常有用。 c a n 总线的数据段长度最长为8 个字节，可满足通常工业领域中控 制命令、工作状态以及测试数据的要求，同时8 个字节不会占用总线时 间过长，从而保证了通讯的实时性。c a n 总线所采用的强大的纠错功能 保证了通讯的可靠性。c a n 总线的卓越特性以及极高的可靠性、和独 特的设计特别适合工业过程监控设备的互连，因此越来越受到工业界的 重视并成为公认的最有前途的现场总线之一。 c a n 总线具有下列主要特点： 夺多主站依据优先权进行总线访问 夺非破坏性的基于优先权的总线仲裁 夺借助接收滤波的多地址帧传送 夺远程数据请求 夺配置的灵活性 夺全系统的数据相容性 夺错误检测和出错信令 夺可自动重发 夺暂时错误和永久性故障节点的判别以及故障节点的自动脱离 c a n 总线中的总线路数值为两种互补逻辑数值之一：”显形 2 l l i y - 利披大学倾士论文 ( d o m i n a n t ) 或隐形( r e c e s s i v e ) ”。显形表示逻辑0 ，隐形表示逻辑l 显形和隐形位同时发送时最后总线数值将为显形。 1 1 3 c a n 的分层结构 c a n 结构划分为三层：应用层、数据链路层和物理层。数据链路层 又划分逻辑链路层( l l c ：l o g i c l i n k c o n t r 0 1 ) 和媒体访问控制层 ( m a c ：m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 。l l c 提供的功能包括：帧接收滤波、超 载通告和恢复管理。m a c 划分为完全独立工作的两部分即发送部分和 接收部分。m a c 子层具有下列错误检测功能：监测，填充规则校验，帧校 验，1 5 位循环冗余码校验和应答校验。 图1 - 1 应用层协议d e v i e e n e to s o l a y e r 7 1 d e v i c e n e t 协议 i s o 应用层协g s ( ( l a y e r7 ) c a n 协议 i s o 数据链路层( l a y e r2 ) 物理层 i s o 物理层( l a y e r1 ) 传输媒介 i s o 媒介( l a y e r0 ) c a n 系统中，数据在节点问发送和接收以四种不同类型的帧出现和 控制，其中：数据帧将数据由发送器传送至接收器；远程帧由节点发送，以 请求发送具有相同标志符的数据帧；出错帧可出任何节点发送，以检测总 线错误，而超载帧用于提供先前和后续数据帧与远程帧之间的附加延 时。另外数据帧和远程帧之间以慎间隔同先前慎隔开。 数据帧和远程帧同其它帧之间由称为帧问空间的位场隔开。与此 相反，超载帧和出错帧前面不存在帧间空间。帧间空间包括间歇场和总 线空闲场。 间歇场由三个隐性位构成，间歇期间不允许节点开始发送数据帧 或远程帧，仅起标注超载条件的作用。 总线空闲场可以是任意长度。总线空闲时，任何节点均可以访问总 线以便发送。其它帧发送期间，等待发送的- 愤庄仅随间歇场后的第一位 启动。如果在总线空闲期间检测到总线上显性位将被理解为帧起始。 媒体访问和仲裁 当间歇场未被显性位中断后，认为总线被所有节点释放。总线一 旦释放，接收当前或先前帧的“错误一认可”节点可以访问总线。当允 秘 许节点访问总线时，m a c 数据帧和远程帧可以起始。m a c 错误帧和超 载帧如上述规定被发送。发送期间，发送数据帧和远程帧的每个节点均 为总线主站。 当许多节点一起开始发送时，此时只有发送具有最高优先权帧的 节点变为总线主站。这种解决总线访问冲突的机理是基于竞争的仲裁。 仲裁期间，每个发送器将发送位电平同总线上监测到的电平进行比较。 若相等，则节点可以继续发送。当送出一个“隐性”电平，而检测到的 为“显性”电平时，表明节点丢失仲裁，并且不应再送更多位。当送 出“显性”电平，而检测到“隐性”电平时，表明节点检测出位错误。 基于竞争的仲裁依靠标识符和紧随其后的远程传送请求( r t r ： r e m o t et r a n s f e rr e q u e s t ) 位完成。具有不同标识符的两帧中，优先权被标 注于帧中，较高优先权的标识符具有较低的二进制数值。若具有相同标 识符的数据帧和远程帧同时被初始化，数据帧较之远程帧具有较高优先 权，它通过按照r t r 位数值标注达到。 除仅当总线释放后可以启动发送这一原则外，还存在解决冲突的 下列原则： ( 1 ) 在一个系统内每条信息必须标以唯一的标识符； ( 2 ) 具有给定标识符和非零数据长度码( d l c ：d a t al e n g t hc o d e ) 的数 据帧仅可由一个节点启动： ( 3 ) 远程帧仅可以全系统内确定的d l c 发送，该数据长度码为对应 数据帧的d l c 。具有相同标识符和不同d l c 远程帧的同时发送 将导致不能解决的冲突。 标识符分配、传送超过8 比特数据的数据块及其响应处理、网络 启动、节点监控等功能在应用层完成。 1 1 4c a n 控制器 自从i n t e l 于1 9 8 7 年生产出第1 片c a n 控制器芯片后，由于c a n 总线具有通讯速率高、可靠性好、连接方便、性能价格比高等优点，从 而推动了应用的发展，应用的发展又促使器件生产厂商不断推出新 的c a n 总线产品。以下我们以p h i l i p s 公司器件来具体说明。 p h i l i p s8 2 c 2 0 0c a n 控制器 p c a8 2 c 2 0 0 是适用于汽车和一般工业坷、境控制器局域网的高集成 度独立控制器。温度范围为4 0 一+ 1 2 5 。p c a8 2 c 2 0 0 具有完成高性 能通讯协议所要求的全部特性，；0 仃简单总线连接的p c a8 2 c 2 0 0 可完 成物理层和数据链路层的所有功能。p c a8 2 c 2 0 0 在汽车和工业环境中 电于科技大学硕士论文 使用可以减少导线设置，并且增强诊断和监控能力。 p c a8 2 c 2 0 0 c a n 控制器的主要特性： 令多主结构 夺可连接各种微型控制器接口 夺总线访问优先权 夺2 0 3 2 种报文标识符 夺对于高优先权报文确保等待时间 夺强有力的错误处理能力 夺数据长度可达8 字节 夺可组态总线接口 夺可编程时钟输出 夺成组和报文广播功能 夺非破坏性的总线逐位仲裁 夺带有位填充功能的非归零( n r z ：n o n - - r e t u r nt oz e r o ) 编码和解码 夺传送速率可编程，最高可达1 m b p s 夺输出驱动器状态可编程 夺适用范围广泛的网络 夺时钟频率1 6 m h z p c a8 2 e 2 0 0c a n 控制器的通讯协议 p c a8 2 c 2 0 0 总线控制器支持c a n 通讯协议约定的4 种不同帧格 式：数据帧、远程帧、错误帧和超载帧。以下简要介绍数据帧和远程帧： 一个数据帧由七种不同的位场组成： ( 1 ) 帧起始；标志一个数据帧或远程帧的开始。它只包含一个显形 位，用于接收方式中p c a8 2 c 2 0 0 的硬件同步。 ( 2 ) 仲裁场：包括报文标识位和r t r 位，在多个p c a8 2 c 2 0 0 同时发 送报文的情况下，总线访问冲突通过在发送仲裁场时被激活的位仲裁法 则来解决。报文标识位包括儿位，用于提供关于传送报文和总线访问 的优先权信息。出于与其它c a n 总线控制器兼容性的考虑，报文标识位 的前7 位不能全为隐性位。对于个别没有定义标识位的p c a8 2 c 2 0 0 都 将接收此帧。所以可使用的不同标识符数目为2 0 3 2 个。 ( 3 ) 控制场：控制场由六位组成，他包括两位作为控制总线发送电 平的备用位和四位数据长度码，可允许的数据长度码数值为0 到8 。 黪 电于科技大学颈士论文 ( 4 ) 数据场： ( 5 ) 循环冗余校验( c g c ) 场：包括1 5 位c r c 序列，和一位c r c 界定 符( 1 位隐性位) 。 ( 6 ) 应答场：应答场包括应答间隙和应答界定符两位。它通过数据 帧发送器发送一个隐性位电平，所有已经收到匹配c r c 序列的p e a 8 2 c 2 0 0 重写应答间隙中发送器的隐性电平为一个显性电平，因而一个 仍然监视总线电平的发送器认为网络内至少有一个接收器已经收到一个 完整和正确的消息。 ( 7 ) 帧结束：由七个隐性位组成( 超过位填充法则两位宽度) 。 远程帧：当一个p c a8 2 c 2 0 0 激活为某些信息的接收器时，通过向网络 发送远程帧，借助标识符并将r t r 位设置为高寻址数据源，以进行初始 化。除r t r 被置为高且无数据长度码和数据场外，远程帧和数据帧 类似。 c a n 总线基于下列5 条基本规则进行总线组织： ( 1 ) 总线访问：p c a8 2 c 2 0 0 只能在总线空闲状态期间开始发送。所有 p c a8 2 c 2 0 0 同步于帧起始的上升沿。 ( 2 ) 仲裁：若有多个p c a8 2 c 2 0 0 同时开始发送，总线访问冲突通过 仲裁场发送期间位仲裁法则予以解决。 ( 3 ) 编码与解码：下列位场使用位填充技术进行编码：帧起始、仲裁 场、控制场、数据场和c r c 序列。当正在发送的p e a8 2 c 2 0 0 检测到5 个连续的相同极性的位被发送，一个互补( 填充) 位被插入到该发送位流 中。当一个正在接收的c a n 控制器检测到接收的上述五种位场的位流 中，具有5 个相同极性的连续位，它将自动的删除下一个接收( 填充) 位。 删除填充位的电平必须与先前位相反，否则将有一个填充位错误产生。 ( 4 ) 出错标注和超载标识 1 1 5 p h i l i p s8 2 c 2 5 0 c a n 收发器 p c a8 2 c 2 5 0 是c a n 控制器和物理总线问的接口，它最初为汽车高 速通讯应用而设计。p c a8 2 c 2 5 0 可以提供对总线的差动发送能力和对 c a n 控制器的差动接收能力。 p c a 9 2 c 2 5 0 的主要特性： 与i s 0 1 1 8 9 8 标准完全兼容 高速可达i m b p s 6 电子科技大学硕士论丈 夺抗瞬间干扰，保护总线能力强 降低射频干扰( r f i ：r a d i of r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e ) 的斜率控制 夺过热保护 审保护电地与地之间不发生短路 夺低电流待机方式 审某一个节点掉电不会影响总线 1 1 6 p h i l i p ss j a l 0 0 0 c a n 控制器 研华新版本的p c l 一8 4 1 卡已经选用了新的c a n 总线控制器 s j a l 0 0 0 。s j a l 0 0 0 是适合汽车和一般工业环境使用的性能优越的c a n 总线控制器。它是菲利浦半导体p c a 8 2 c 2 0 0c a n 控制( b a s i c c a n ) 的 后继替代产品。 1 2 控制器局域网产品 台湾研华公司于1 9 9 7 年推出了基于现场总线c a n 的产品 a d a m 5 0 0 0 c a n 系列。 1 2 ia d a m5 0 0 0 c a n 的主要特点 夺通讯介质：屏蔽双绞线 呤a d a m 5 0 0 0 c a n 的五种纠错机制： ( 1 ) 位错误：正在向总线送出一位的节点同时在监测总线。当监测 到的位数值不同时，则产生一个位错误。其例外情况是：在仲裁期间， 当送出隐性信息位或应答期间送出隐性位时，该隐性位可被显形位改 写。 ( 2 ) 填充错误：可能产生填充错误的途径主要有两个：干扰导致产 生多于允许的具有相同极性的5 个连续位。这种错误可被位填充法则检 测到，并产生一个填充错误。另一种为干扰窜改了填充位前面5 位中的 一位或更多位，这种情况不会被接收器认为是填充错误，但其它错误检 测方法( c r c 校验，位错误检测) n - 以检测到该错误。 ( 3 ) c r c 错误 ( 4 ) 格式错误：格式错误可由下列位场的固定格式被破坏形成：c r c 界定符，应答界定符，帧结束和间歇场。在这些位场发送期间。若检测 电了科技太学颂上论文 出一个显性位电平代替了隐性位电平，则产生一个格式错误。 ( 5 ) 应答错误：若在应答间歇期间，发送器未检测到显性位电平， 则产生一个应答错误。 夺广播式通讯：各个节点监听网络消息，如是自己所需消息，则进行 处理，否则屏蔽该消息。广播式通讯加快了实时处理的速度。 夺状态改变功能：通过使用状态改变功能实现事件的实时处理功能， 在状态改变功能下a d a m 5 0 0 0 c a n 只有状态改变时才产生消息， 消息可以广播至网络上的所有设备。主机在事件发生时实时的接收 到消息。比如，如果a d a m 5 0 0 0 c a n 的数字量输入状态从o n 改 变为o f f 时，a d a m 5 0 0 0 c a n 将自动的广播该消息至网络上的 所有设备，包括主机。相对应的，模拟量的高限报警和低限报警也 可以自动的得到广播。状态改变功能增加了通讯的效率，满足了实 时处理的要求。 夺同级通讯能力( p e e rt op e e r ) ：使用c a n o p e n 通讯协议，可以在一个 输入模块通道和一个输出模块通道之间建立通讯连接。比如用户可 以指定一个d o 通道作为一个a i 通道的高限报警或低限报警输出。 每一个a d 转换完成后将和设定高限与低限进行比较，超过高限 或低于低限时，即产生一个报警。 夺错误界定：一个相对于成功发送次数，发生过多不成功发送次数的 a d a m5 0 0 0 c a n 将进入脱离总线状态。在该a d a m 5 0 0 0 c a n 中的p c a8 2 c 2 0 0 在复位请求位被置为低并且两个错误计数器被置 为0 前，一直维持在这一状态( 即既不接收也不发送) 。 1 2 2a d a m 5 0 0 0 c a n 产品系列 研华a d a m 5 0 0 0 c a n 系列是一个数据采集和控制的完整产品 线，它提供了非常强大的功能，充分满足实时性应用的要求。a d a m 5 0 0 0 c a n 由主机通过c a n 总线应用层的两个协议进行控制，这两个协议 为：d e v i c e n e t 和c a n o p e n 。数据和控制信号在c a n 网络上传送a d a m 一5 0 0 0 c a n 模块化的设计提供了构成数据采集和控制系统的高度柔 性。 以下为a d a m - - 5 0 0 0 c a n 系统主要组件： ( 1 ) a d a m 5 0 0 0 c a n 基板：包括c p u 卡，电源调理板，4 槽底板， 内置r s 一2 3 2 通讯端口，和一个内置c a n 通讯端口。 ( 2 ) i o 功能：a d a m 5 0 0 0 c a n 当前使用4 槽底板可以支持6 4 个i o 点。这些点可以是输入点也可以是输出点。a d a m 5 0 0 0 c a n 藩。，l 懑黼 电子科技大学颂士论文 系列有满足应用需要的完整i o 模块。数字量模块支持1 0 v d c 3 0 v d c 的输入和输出。模拟量模块提供1 6 位精度和可编程的输入输出类型( 包 括双极性信号) 。 ( 3 ) 软件工具：d e v i c e n c t 和c a n o p e n 软件包可以用来配置系统， 并完成简单数据采集和控制系统的功能。 a d a m 5 0 0 0 c a n 主要规格： 存储温度：2 5 + 7 0 操作温度：- 1 0 + 7 0 湿度：5 9 5 ( 不撮露环境) 电源：a d a m 5 0 0 0 c a n 可以使用1 0 v 3 0 v 的未经净化的直流 电源 诊断：a d a m s 0 0 0 c a n 前面板有指示灯：p o w e r ，r u n ，t x ，r x ， i o 状态，用来指示系统工作状态 通讯速度和传输距离：通讯速度和传输距离成反比关系，具体数值 如下表所示： d e v i c e n e t c a n o p e n距离 1 2 5 k b p s2 0 k b p s1 0 0 0 m 2 0 k b p s 2 5 0 k b p s1 2 5 k b p s5 0 0 m 1 2 5 k b p s 2 5 0 m 2 5 0 k b p s 5 0 0 k b p s5 0 0 k b p s1 0 0 m 末使用1 m b p s 4 0 m 最大节点：6 4 个 事件响应时间：5 0 0 k b p s 时l m s 通讯协议：d e v i c e n e t2 0 和c a n o p e n l 3 三端隔离：电磁干扰可以以任何途径进入系统，比如电源，通讯， i o 模块。a d a m 5 0 0 0 c a n 对i o 模块提供了3 0 0 0 v d c 隔离保护； 对通讯提供了2 5 0 0 v d c 隔离保护：对电源提供了3 0 0 0 v d c 隔离保护。 3 端隔离防止地环流的影响，减少电磁干扰对系统的影响。另外， a d a m s 0 0 0 c a n 还有w a t c h d o g 定时器监视c p u ，如果系统失败， w a t c h d o g 定时器重新启动c p u 。 软件远距离配置和校准： 支持d e v i c e n e t 和c a n o p e n 开放式通讯协议：用户可以用软件下 载不同的通讯协议以用来运行不同的通讯协议。 安装方式：面板式安装或d i n 导轨安装 a d a m 5 0 0 0 c a n 有一个带有3 2 kr a m ，1 2 8 kf l a s hr o m 的 8 0 l $ g c p u ，c p u 的基本功能为：系统中的所有i o 模块的数据采集 和控制 热电偶的线性化；通讯软件和命令集解释；报警监控；管理保 存系统配置参数的e e p r o m 设备；数据传送以及自诊断 电f 科技大学硕士论文 总线连接：c a n 2 0 a ( 1 s 0 1 1 8 9 8 ) 总线存取：c s m a c d 1 2 3 a d a m 5 0 0 0 c a n 的i o 模块 a d a m 一5 0 1 33 通道r t d 信号输入模块 a d a m 一5 0 1 78 通道1 6 位模拟量输入模块 a d a m 一5 0 1 7 h8 通道1 2 位高速模拟量输入模块 a d a m - - 5 0 1 87 通道热电偶输入模块 a d a m - - 5 0 2 44 通道模拟量输出模块 a d a m 一5 0 5 01 6 通道数字量输入输出模块 a d a m 一5 0 5 18 通道数字量隔离输入模块 a d a m 一5 0 5 11 6 通道数字量输入模块 a d a m - - 5 0 5 61 6 通道数字量输出模块 a d a m 一5 0 6 06 通道继电器输出模块 用户可以根据他们现场的情况灵活选取各个模块，从而满足不同的 系统需要。 1 2 4 d e v i c e n e t 协议 d e v i c e n e t 是一个底成本的工业设备( 比如：限位开关，光电传感器， 过程传感器，编码器，变频器，面板显示，和人机界面) 连接网络，有 利于减少硬件成本。d e v i c e n e t 是一个简单的网络解决方案，有利于减 少用于布线和安装工业自动化设备的成本和时间，开放性的标准使用户 可以在多个硬件供应厂商之间进行选择，从而带来竞争的优势，增加设 备的可选择性。 d e v i c e n e t 是开放的网络协议标准。协议是开放的一销售商不需购 买任何硬件，软件，或许可协议来连接设备到系统上。任何人均可从开 放的d e v i c e n e t 销售商联盟( o d v a ) 直接获得d e v i c e n e t 协议。任何制造 和意图制造d e v i c e n e t 产品的公司都可以加入o d v a ，参加技术工作组 以进一步发展d e v i c e n e t 协议。d e v i c e n e t 协议购买者将得到无限准许 来开发d e v i c e n e t 产品。寻求帮助的公司可以购买一些工具包，开发服 务来加快开发和应用进程。 多年来，过程工业界一直试图开发一种单一的开放总线标准来满足 所有现场设备。同时，数字通讯技术成本飞速下降，使数字通讯可以连 接各种已经存在的1 2 0 2 2 0v a c 和2 4 v d c i o 设备。d e v i c e n e t 协议 0 电予科技人学坝i ：论文 可以允许所有这些设备的相互连接到个数字网络，d e v i c e n e t 还可以 提供诸如马达温度，负载电流，改变驱动装置的加速度，以及统计前一 个时段传送的包数。控制器局域网( c a n ) 技术是低成本产品的核心技 术。 d e v i c e n e t 通讯基于广播式通讯协议控制器局域网( c a n ) c a n 协议有很快的响应速度和很高的通讯可靠性来满足应用的要求，比如， 防抱死装置和安全气囊的控制。c h i p s 包括耐高温的以及抵抗高噪声干 扰的，可以很好的适合各种恶劣工业环境。 客户和商业需求是促使c a n 低价格和高性能的主要推动力。1 9 9 4 年，四个c a n c h i p s 主要供应商( i n t e l ，m o t o r o l a ，p h i l i p s 。s i e m e n s ) 销 售了超过4 百万个c a n c h i p s d e v i e e n e t 19 9 7 年超过了3 0 0 0 万片。 特色和功能 f 总线拓扑总线形( 干线支线) ；电源和信号可以在同一个网络 i电线中传播 l 总线地址司级通讯，广播通讯，多主和主从，轮巡和状态改变 l 系统特点可以在网络不断电的情况下移去和替换设备 d e v i c e n e t 的协议 d e v i c e n e t 协议定义了工业控制中数据传送的网络通讯系统。协议 分为两个部分： v o l u m el d e v i c e n e t 通讯协议和应用( l a y e r7 一应用层) c a na n d i t su s ei nd e v i c e n e t ( l a y e r2 一数据链路层) d e v i c e n e t 物理 层和媒介( l a y e rl 一物理层) v o l u m e2 相同产品相互替换的设备文件 d e v i c e n e t 遵守c a n 定义的数据移动的语法或格式。d e v i c e n e t 应 用层定义所移动数据的具体含义。 通讯协议持意 任河产品中所府级数据交换可以产生和使用消息。主从操作定义为 同级通讯协议的一个子集。一个d e v i c e n e t 产品可以作为客户机或服务 器或客户机和服务器两者。一个d e v i c e n e t 网络可以有6 4 媒介存取控 制标识符或m a ci d s ( 节点地址) 。每个节点可以支持的i 0 点数没 有限制。a d a m 5 0 0 0 c a n 每一个节点可以支持的i o 点数为3 2 个 模拟量或6 4 个数字量也可以模拟量和数字量共同存在于一个节点。 对象模型 一个d e v i c e n e t 节点逻辑上可以认为是组对象的集合，一个对象 提供了产品的特定组件的抽象表达。一个对象旬( o b j e c ti n s t a n c e ) 和 一个对象类( o b j e c tc l a s s ) 有属f 生( d a t a ) ，提供服务( 方法和过程) ，和行为 ( b e h a v i o r s ) 。属性( 1 2 5 5 ) ，句柄( 0 - - 6 5 3 5 ) ，类( 1 6 5 5 3 5 ) 和节点地址( 0 一 囊鬟盎巍鬣溅鎏翥馘鲰i r u 于科技大学颂1 论义 6 3 ) 。 d e v i e e n e t 物理层和媒介 d e v i c e n e t 协议c h a p t e r9 ，v o l u m e l 定义了允许的拓扑结构和媒介。 不同的拓扑结构列于下表。协议也同时定义了系统接地，m i x i n g t h i c k a n d t h i n m e d i a ，终端电阻和电源分配。 基本的t r u n k l i n e - - d r o p l i n e 拓扑结构可以在通讯信号和电源中使用 带屏蔽的双绞线。粗缆或细线都可以使用在t r u n k l i n e s 或此d r o p l i n e s 拓扑结构。e n d t o e n d 网络最大距离和数据传送速率及电缆尺寸有关。 节点可以在网络不停电的情况下增加和减少。 电源分接头可以被添加在网络的任一节点i 处，这使得网络的冗余 供电成为可能。在倒树型结构中的电流是8 安培。一种带有光电隔离的 设计允许外部供电的设备( 例如交流驱动模块和电磁阀) 共同使用这一 总线。而其他的c a n 网络只允许单电源为整个网络供电( 如果电源足 够的话) 。 d e v i c e n e t 协议包含了关于组件需求的，错误接线保护以及例程的 附加信息。 数据传输速率1 2 5 k b p s2 5 0 k b p s 5 0 0 k b p s 粗缆长度 5 0 0 m2 5 0 m1 0 0 m 细缆长度 1 0 0 m1 0 0 m1 0 0 m 最大分支长度 6m6m6m 累计分支总长度 l5 6 m7 8 m3 9 m 捂示想和配l 开关 尽管d e v i c e n e t 不要求产品必须有指示灯，如果一个产品带指示灯 可以认为是d e v i c e n e t 规格的补充。建议有如下指示灯：模块状态指示 灯、网络状态指示灯或者这两者的综合。指示灯包括双色( 绿红) 灯， 可以指示三种状态开、关、闪烁。模块状态指示灯指示设备是否有电和 工作是否正常。网络状态指示灯通讯连接的状态。 c a n 莉d e v i e e n e t d e v i c e n e t 数据链路层在c a n 协议有完整的定义，由c a n 控制器 芯片硬件实现。c a n 协议定义了两个总线状态：d o m i n a n t ( 1 0 9 i c0 1 和 r e c e s s i v e ( 1 0 9 i c1 ) 任何c a n 的总线收发器都可以驱动总线至d o m i n a n t 状态。b u s 仅在任何收发器都不发送d o m i n a n t 状态时才处于r e c e s s i v e 状态。 c a n 中定义了几种帧类型：数掘i l ! j i ，远程帧，超载帧，错误帧。 d e v i c e n e t 网络上数据传送使用数据帧。数据帧格式如下： 高优先权数据可以得到较好的传送，这也提供了同级通讯能力，如 电于科技大学顺i j 论立 果两个或更多节点同时要对网络存取，非破坏性的位仲裁机制将会解决 潜在的通讯冲突可能，并且不会丢失数据。比较来说，以太网使用冲突 避免的方法，容易造成数据和带宽的损失，所有发送的节点都要退出发 送状态，重新发送数据。 c a n 使用唯一的，非破坏性的位仲裁机制。c a n 协议的特点允许 分辨冲撞，决定优先，并且该优先仲裁是在不减少高优先节点的数据通 过率或不需要数据重发。 c a n 使用位仲裁机制进行冲突避免。c a n 网络上的所有接收器同 步于网络空闲时从隐性位到显性位的电平转换，这称为帧的起始位。标 识符和远程发送请求位( r t r ，r e m o t et r a n s m i s s i o nr e q u e s t ) 形成了仲裁 场。仲裁场用来帮助媒介存取。由于d e v i c e n e t 没有使用r t r ，所以r t r 不影响总线存取的优先权。当一个设备发送时，它也监视( 接收) 它发送 的数据，确保数据相同。这个特点，允许发送同步检测。如果一个节点 发送仲裁场时，发送一个r e c e s s i v e 位，接受到一个d o m i n a n t 位，它将 会停止发送。同时发送的两个节点中仲裁获胜的节点l l b i t 标识符所 表示的数字中较小的节点。c a n 也可以使用2 9 位标识符的数据帧格式， 但d e v i c e n e t 协议中没有使用。 控制场包含两个固定位和一个四位长度的场。长度可以是0 到8 的 任意数字，代表数据场的数据字节数。0 到8 字节长度对于前端设备和 高速变化的小容量i 0 数据来说是非常合适的。并且，8 个字节数据对 于前端设备发送诊断数据、发送马达的速度参考和加速度来说是足够的 灵活性。c r c 场是循环冗余校验场用来使c a n 控制器发现帧错误。c a n 使用了几种错误检测和错误界定的方法，其中包括c r c 和自动重试。 这些方法将会使传输透明，防止一个经常出错的节点使网络瘫痪。 很多从站使用i n t e l8 2 5 2 7 和m o t o r o l a6 8 h c 7 0 5 x 4 ，大多数主站和 p e e r s 使用p h i l i p s8 2 c 2 0 0 。研华原来的p c l 一8 4 1 、m i c - - 2 6 3 0 和 a d a m 5 0 0 0 c a n 使用p h i l l p s s j a l 0 0 0c a n 通讯控制器。 c a n 常用的芯片： 公司芯片 i n t e l8 2 5 2 7 b x c l 9 6 c a m o t o r o l a6 8 h c 0 5 x 4 6 8 h c 7 0 5 x 4 6 8 h c 7 0 9 x 3 2 6 8 h c 0 5 x 3 2 6 8 h c 0 5 x 1 6 p h i l i p s 8 2 c 2 0 0 8 2 c 2 5 0 8 x c 5 9 2 8 x c e 5 9 8 趣燃 电子科技太学硼l 论且： s i e m e n s s a b c1 6 7 c s a b 8 l c 9 0 s a b 8 1 c 9 1 s a b c 5 15 8 r s a b 。c 5 15 l 通讯协议和虚甩 d e v i c e n e t 规格v o l u m el 第3 ，4 和5 章定义了d e v i c e n e t 通讯协 议本章主要处理连接，消息协议，和通讯相关的特定对象。 d e v i c e n e t 的应用结合了标准和特定应用对象，这种应用的详细规 定称做设备文件( d e v i c ep r o f i l e ) 。设备文件全面定义了从网络角度所看 到的设备情况。对象链接库包含在d e v i c e n e t 协议的第二卷第六章。设 备文件链接库包含在d e v i c e n e t 协议的第二卷第三章。o d v a 协调工业 专家在开发新的对象和设备文件中的工作，这主要是通过s p e c i a li n t e r e s t g r o u p s ( s i g ) a d e v i e e n e t 支持选通、轮巡、状态改变、软件触发等数据传送功能。 用户可以选择主从，多主，同级或混合结构，主要依赖设备的能力和系统应 用的需求。数据传送方式的不同选择将会明显加速系统响应时间。 d e v i c e n e t 的一个常见用法是使用标准的预定义的的连接，允许设备按 照主从连接集来操作。 连接 d e v i c e n e t 通讯协议基于连接的思想，要和一个设备交换数据必须 首先和该设备建立连接。 为建立连接，每一个d e v i c e n e t 产品将使用末建立连接管理器 ( u n c o n n e c t e dm e s s a g em a n a g e r ，u c m m ) 或者未建立连接端口。这两者的 作用都是保留一些可用的c a n 标识符。在d e v i c e n e t 规格c h a p t e r4 ， v 0 1 u m el 上对u c m m 有详细的描述，在c h a p t e r7 ，v o l u m el 对未建立 连接端口有详细的描述。 u c m m 或者u n c o n n e c t e dp o r t 用来建立一个精确消息连接，这个精 确消息连接用来从一个节点传送消息到另一个节点，或者建立一个附加 的i 0 连接。一旦连接建立，i 0 数据就可以在网络上设备之间传送。 在这一点上。所有d e v i c e