（电力电子与电力传动专业论文）基于现场总线ican协议综合测试系统的设计与实现.pdf

西华大学硕士学位论文 给出了具体的硬件和软件设计以及如何实现对i c a n 协议的解析。本文的最后 通过设计三个实际的实验例子，进一步展示了系统的构成和功能。 综上所述，该测试系统由基本测试系统和综合测试系统构成，并提供i c a n 综合数据采集卡的设计方法和三个实验例程，可为学生提供分层学习、综合学 习以及设计开发平台，实践证明该系统具有良好的新颖性和实用性。本课题研 究的测试系统模式同样适用于其它工业现场总线测试系统。 关键词：c a n 总线 i c a n 协议，d s p ，p l c ，组态软件 n 西华大学硕士学位论文 t h e d e s i g na n di m p l e m e n t o fi n t e r g r a t e d t e s t i n gs y s t e mb a s e d o nf i e l d b u si c a np r o t o c o l t h es p e c i a l t yo fp o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e s p o s t g r a d u a t et a ox u a d v i s e rp i n gz h e n g a l t h o u g hf i e l d b u st e c h n o l o g yi sah o tt o p i ci na u t o m a t i o nt e c h n o l o g y , s e v e r a l c o m m o nf i e l d b u sp r o t o c o l sa r eo r a yp r o v i d e db ys o m ew o r l d - c l a s sm a n u f a c t u r e r s c a nb u si sr e g a r d e da so n eo ft h em o s tp r o m i s i n gf i e l d b u s ，谢lc a n o p e na n d d e v i c e n e tb yf o r e i g nc o m p a n i e si na p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c 0 1 a n dt h ef i e l d b u s i c a np r o t o c o lb yz h iy u a ne l e c t r o n i cc o m p a n yi sp o p u l a rf o ri t sc h a r a c t e r i s t i c so f c o n v e n i e n c ea n dc o n c i s i o n ，e s p e c i a l l yf o rt h eu s e r sa th o m e i no r d e rt op o p u l a r i z e t h ef i e d l b u s a p p l i c a t i o nw h i c hc o n c e i v e st h e n a t i o n a li n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a l p r o p e r t yi nt h ef i e l d b u st e a c h i n g ，w en e e dt oo f f e ral a bt e a c h i n gs y s t e mw h i c ha r e p e r f e c ti nf u n c t i o na n dh i g h l yi n t e r g r a t e da n db a s e do nf i e l d b u si c a np r o t o c o lf o r o u rs t u d e n t s a c c o r d i n g l y , t h i ss t u d yc o n s t r u c t st h ei n t e r g r a t e dt e s t i n gs y s t e mb a s e d o nf i e l d b u si c a np r o t o c o l ，f o rt h ep u r p o s eo fm a t e r i n gt h er e l a t e di n f o r m a t i o no f f i e l d b u si c a np r o t o c o li nt e r m so ft h i si n t e r g r a t e ds y s t e m ，a n ds e t t i n gag o o d f o u n d a t i o nf o rt h ef u t u r ej o b t h i ss t u d yf i r s t l yi n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n di n f o r m a t i o n ，t h ep u r p o s ea n dt h e s i g n i f i c a n c eo ft h es t u d y , a n da l s od e t a i l e d l yp r e s e n t ss o m ei n t e r r e l a t e di n f o r m a t i o n a b o u tf i e l d b u st e c h n o l o g ya n dc a nb u s ，i c a np r o t o c o li n t r o d u c t i o ni n c l u d e d t h e i n t e r g r a t e dt e s t i n gs y s t e mb a s e do nf i e l d b u si c a np r o t o c o lc o n s i s t so ft w op a r t s ，t h e b a s i cs y s t e ma n dt h ee x t e n d e ds y s t e m t h eb a s i ct e s t i n gs y s t e mi sf o r m e di nt e r m so f t h ei c a nf u n c t i o nm o d u l eb yz h iy u a n ，f a c i n gt h eb a s i cs t a n d a r de x p e r i m e n t a l e q u i p m e n t ；w h i l et h ee x t e n d e dt e s t i n gs y s t e mc a l li m p l e m e n tt h ei n t e r l i n kb e t w e e n i c a nn e t w o r ka n do t h e rc o n t r o l l i n gn e t w o r k s ，s u c ha st h ei n t e r l i n ko fp l cn e t w o r k , a n dr e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o no ft h ei c a nb u sa n d 。u p p e rc o m p u t e ri nt e r m so f t n 西华大学硕士学位论文 c a n e t - i0 0c o n v e r t e r , f a c i n gt h ei n t e r g r a t e dd e s i g no ft h et e s t i n gs y s t e m t h ed e s i g n o fm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls o f t w a r ef o ru p p e rc o m p u t e ro ft h e t e s t i n gs y s t e mi s a c h i e v e db yt h ei n d u s t r yc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r em c g s t h ei n t e r a c t i o no fm c g s a n db u sd a t ai sc o m p l e m e n t e db yo p c a n dt h ed a t at r a n s m i t t i n gb e t w e e ni c a n n e t w o r ka n dm c g si sc a r r i e do u ti nt e r m so fo p c o nt h eb a s i so ft h e a c c o m p l i s h m e n to ft h ei n t e r g r a t e dt e s t i n gs y s t e mb a s e do nf i e l d b u si c a np r o t o c o l ， t h i ss t u d yp r o y i d e ss o m ef u r t h e rd i s c u s s i o n sa b o u th o wt od e s i g ni c a ni n t e r g r a t e d d a t aa c q u i s i t i o nc a r db a s e do nd s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，p r e s e n t st h eo v e r a l ld e s i g n i n g i d e a , a n dp r o v i d e st h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea n dt h ea n a l y s i so ft h e w a yt or e a l i z ei c a np r o t o c 0 1 w h a t sm o r e ，t h i ss t u d ys h o w st h ef o r m a t i o na n d f u n c t i o no ft h et e s t i n gs y s t e mw i t ht h r e ep r a c t i c a le x p e r i m e n t a le x a m p l e s li l la l l ，t h i si n t e r g r a t e dt e s t i n gs y s t e mc o n s i s t so ft h eb a s i co n ea n dt h e e x t e n d e do n e ，o f f e r i n gt h em e t h o d so fd e s i g n i n gi c a ni n t e r g r a t e dd a t aa c q u i s i t i o n c a r da n dt h r e ee x p e r i m e n t a le x a m p l e s ，a n dp r o v i d i n gap l a t f o r mf o rs t u d e n t st ol e a r n a n dd e s i g nh i e r a r c h i c a l l ya n di n t e r g r a t e d l y b o t ht h en o v e l t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h i s t e s t i n gs y s t e mh a v e b e e na l r e a d yt e s t i f e db yt h ep r a c t i c e b e s i d e s ，t h ep a t t e mo ft h i s s y s t e mc a nb ea l s oa p p l i e dt oo t h e ri n d u s t r yf i e l d b u st e s t i n gs y s t e m s k e y w o r d s ：c a nb u s ，i c a np r o t o c o l ，d s p , p l c ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e i v 西华大学硕士学位论文 9 声明 本人申明所呈交的学位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。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，也不包含为获得西华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作的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此声明。 作者签名： 导师签名： 8 7 z o ? 7 年s 其f 髻b 乙幻7 年g 只f g 日 锄芳叩 彦矿 筝锄叫 西华大学硕士学位论文 1 0 授权书 西华大学 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， 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，西华大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印 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 、不保密留，适用本授权书。 ( 请在以上口内划4 ) 勿 孙 f 签 惧 稚 妙 听 教 亿 导 期乜日r t 一 指 日 功 勿孚 彳，宁 ： 厂 名 、 剑 了 作 妒 刘 口 论 ： 倒 飙 学 日 西华大学硕士学位论文 1 绪论 面对当前国内高校毕业生就业困难的现状，各高校教学模式急需改革。目 前的教学内容与工业实际差距较大，特别是实验设备难以与当今技术同步。古 语云“学以致用”，实验教学显然是工科教学的重中之重。通过针对性的实验， 学生更加容易把抽象的理论知识转化为直观的实际操作经验，这就必将大大提 升高校的教学质量，培养出更多理论、实践均过硬的专业人才。现场总线技术 是当前自动化技术中的一个热点，由广州致远电子推出的现场总线i c a n 协议 是具有我们国家自主知识产权的现场总线，具有良好的先进性。本课题正是针 对这一问题而构建基于现场总线i c a n 协议的综合测试系统，完善自动化、电 气等相关专业课程的实验教学，同时也展现该系统在现代工业控制领域的广阔 应用，力求使学生通过该系统的学习掌握现场总线i c a n 协议相关知识，为将 来快速进入相关工作岗位打下基础。本章首先介绍了课题研究的背景、意义、 主要内容，同时阐述了现场总线技术发展的概况。 1 1 本课题研究的背景 伴随科学技术的飞速发展，现代工业规模不断扩大，人们对控制系统的信 息要求不断提高，工业控制系统的信息集成度也越来越高。传统的控制系统难 于实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，要满足自动控制技术现代化 的要求，同时实现整个系统的信息集成，实施综合自动化，就必须设计出一种 能在工业现场环境中运行、性能可靠、造价低廉的通信系统，形成控制系统的 底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间 以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运 而生的。 1 1 1 工业控制系统的发展 纵览工业控制系统的发展，由原来单一、独立的控制系统发展到复杂、集 成的工业控制网，从模拟控制到数字控制，从d d c ( d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) 到 西华大学硕士学位论文 p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，从集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m ，d c s ) 到现场总线控制系统( f i e l dc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 。特别是近年 来发展起来的现场总线技术，以其灵活的控制方式、信息共享和低成本等特点， 被广泛用于复杂的控制系统中，构成多层的开放的自动化系统结构。而其中的 现场总线c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，c a n ) ，作为一种技术先进、可靠性高、 功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式，更是逐步被广泛应用到各种控 制领域。在工业控制系统中，以现场总线作为纽带，将挂接在总线上的网络节 点组成自动化系统，各种现场智能设备分别作为一个网络节点，通过现场总线 实现节点之间、现场节点与过程控制管理层之间的信息传递与沟通，并实现各 种复杂的综合自动化功能。 1 1 2 高内外高校工业自动化教学实验室现状与发展 高校是认知和推广新技术的前沿阵地，如何有效的培养出具备新技术能力 的人才是各高校教学的首要任务。在此背景下，高校必需把眼光从校园扩展到 现代工业实际，工业自动化教学的革新首当其冲。大部份的自动化专业的控制 系统课程实验普遍以p l c 为主，定位于学习p l c 、d c s 和相关的系统。当前各 高校的实验室中，普遍存在着不同时期不同品牌的p l c 设备，为了完成组网的 工作，国外普遍采用各自公司对应不同的通信模块，采用相应的通信协议和指 令。以三菱p l c 为例，提供e t h e m e t 、m e l e c n e t 、c c l i n k 模块，实现三菱 的各系列p l c 的三层网络结构。又如欧姆龙在这三个网络层次上，主推它的 e t h e m e t 、c o n t r o l l e rl i n k 和c o m p o b u s d e v i c e n e t 三种网，提供各类对应的模 块供欧姆龙p l c 使用。这种方案配置简单，使用方便，但是这些模块普遍都十 分昂贵，适用于大型的工控设备，而且主要是三菱公司系列的p l c 联网，难以 实现与其他品牌p l c 之间的互联。 近年来，随着自主研发技术的提高，国内p l c 厂商在寻找解决p l c 组网 问题方面也有很大进展。一方面类似于国外厂商，国内厂商也制作适合自身系 列产品的通信模块，实现各系列产品的互联，如北京的和利时、杭州的浙大中 控，以及无锡的信捷科技电子有限公司。但同时，国内一些厂商也充分认识到 c a n 现场总线在我国工控领域占据重要的市场的实际情况。制作自带c a n 接 2 西华大学硕士学位论文 口的p l c 设备，通过c a n 现场总线实现各p l c 的互联。例如近期南京科远自 动化集团股份有限公司推出的新一代高性能p l c p n t 2 0 0 0 系列产品，上海步科 电气有限公司推出的k i n c ok 4p l c 。可以说，国产的p l c 基本上都具有c a n 的联网能力。 c a n 总线是公认的最具发展前景的现场总线之一，在国内拥有及其广泛的 用户。其应用层协议也发展了c a n o p e n 和d e v i c e n e t ，由广州致远电子推出的 现场总线i c a n 协议以其简洁方便的特点受到广泛关注。从我国工业自动化发 展的实际出发，选用现场总线技术来构成p l c 联网群控实验系统“。也是一种趋 势。因为f c s 在国内各个行业已得到长足的发展，在各个应用行业，特别是电 力、水利、环保和矿业等大型系统行业受到普遍的认同。为了在高校的现场总 线教学中推广具有我们国家自主知识产权的现场总线应用，需要为学生提供一 套功能完善、综合性强的基于i c a n 协议现场总线技术的实验室教学系统，并 与现有实验室的p l c 设备实现组网，以实现专业课程实验与现代工业控制发展 相同步，在学习f c s 知识的同时直接丰富了相关课程的实验系统。可以使旧有 课程资源与现代工业发展同步发展，同时能够使学生对当前热门的现场总线技 术有一个更全面的认识。 1 1 3 本课题开发的背景 本设计采用的国产的c a n b u s 应用层协议一c a n 协议，该协议是广州 周立功单片机发展有限公司具有完全的知识产权，协议对外开放，易于学习和 开发。i c a n 协议在充分汲取了d e v i c e n e t 协议和c a n o p e n 协议之精粹的基础 上，优先保障通信数据的可靠性与实时性，以相对简单的方式进行数据通信， 从而有效降低了硬件实现成本。非常适用于一些并不复杂的基于c a n 总线的控 制网络。对i c a n 协议的研究有利于推动我国自主知识产权产品的开发和应用。 本课题开发的测试系统是一个基于c a n 。b u s 总线的分布式测试平台，面向 高等院校教学领域，提供一个基于i c a n 协议的测试、开发与应用平台。该平 台涉及c a n b u s 网络通信技术、i c a n 协议的标准模块的组网技术、基于i c a n 协议的p l c 组网与控制、基于i c a n 协议的综合数据采集模块的开发、传感器 技术、p c 上位监控编程、o p c 数据交互、工业组态软件等技术内容。通过使 3 西华大学硕士学位论文 用该实验平台使学生能在理论知识学习的基础上，快速掌握基于i c a n 协议的 现场总线网络的组网过程，掌握c a n b u s 网络的基本协议、运行原理、c a n 的上层协议i c a n 协议的核心内容，掌握通过i c a n 总线与p l c 的联网技术， 掌握该测试系统的编程方法、o p c 数据库链结、上位界面设计等实用技能，了 解c a n b u s 和i c a n 协议在各个行业的广泛应用。本课题的研究不但紧密联 系现在工业实际，也是对原有p l c 课程实验环节的重要补充和扩展。 1 j2 现场总线技术发展概述及国内外现状 现场总线控制系统是2 0 世纪8 0 年代中后期随着微处理计算机、计算机、 控制、通信等技术发展而出现的工业控制系统。它的形成与发展是与嵌入式系 统的高速发展紧密相连的。进入9 0 年代后，现场总线成为自动化领域研究的热 点，国内外均投入大量的资金和人力开展现场总线技术的研究与开发。然而， 随着现场总线国际标准i e c 6 1 1 5 8 的诞生，由于它包含了f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s 基金会现场总线) 、p r o f i b u s 、c o n t r o l n e t 、w o r l d f i p 、p - n e t 等在内的多种类 型，没有实现它最初的“制定单一现场总线”的目标，同时也宣告了多种现场 总线并存的局面已经形成。除此之外，还有象h a r t 、l o n w o r k s 等已经在市场 上具有较大应用的现场总线，现场总线技术发展进入了所谓的“群雄争霸”时 代。选用哪种现场总线，由市场和用户来决定h 。 就国内而言，自二十世纪末以来，现场总线技术的研究开始进入起步阶段， 1 9 9 7 年5 月中国现场总线( f f ) 专业委员会建立，并筹建f f 现场总线产品认 证中心。同年7 月中国现场总线( p r o f i b u s ) 专业委员会组建，同时开始筹建现 场总线( p r o f i b u s ) 产品演示及认证实验室。此后，包括清华大学、浙江大学在 内的许多高校、科研院所先后建立自己的现场总线实验室，用于现场总线控制 技术的教学实践与研究开发。2 0 0 1 年1 1 月，国家发展计划委员会在当前优 先发展的高技术产业化重点领域指南( 2 0 0 1 年度) 中将现场总线技术及其智 能仪表的研究、开发及推广应用列为优先发展的高科技重点领域之一。 作为新一代的过程控制系统，现场总线控制系统无疑具有十分广阔的发展 前景。它的出现，必将对控制领域产生深刻的变革，并对社会生产力的发展起 到极大的促进作用。 4 西华大学硕士学位论文 i 2 1 现场总线技术特点 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式，图i i 为传统控制系统与 现场总线控制系统的结构对比。在传统模拟控制系统中采用一对一的设备连线， 按控制回路分别进行连接，位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间， 控制器与位于现场的执行器、开关、马达之间均一对一的物理连接；而在f c s 中，由于通信能力的提高，现场总线系统可以将它们简单地串行连接在一起。 现场总线控制系统的全分布特点为系统的大量信息集成提供了基础，全数字、 全开放、互操作性使用户可按自己的需要和考虑将不同品牌的产品组成大小随 意的系统。 ( a ) t h e t r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e m c 0 1t h e f i e l d b u s c o n t r o l s y s t e m ( a ) 传统控制系统( b ) 现场总线控制系统 f i g u r e l1t h e s t r u c t u r e o f t h e t r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e mo n d t h e f i e l d b u s c o n t r o ls y s t e m 图1 1 传统控制系统与现场总线控制系统结构 与传统控制系统相比较，f c s 的特点具体表现如下”。： 1 ) 开放性：现场总线系统克服了分布式控制系统( d c s ) 采用专用网络通 信所造成的系统封闭的缺陷。现场总线标准保证了不同厂家的产品可以互换。 2 ) 全数字化：现场总线设各在总线上传输的是数字信号。数字化信号固有 的高精度、抗干扰特性能提高了控制系统的可靠性。 3 ) 全分布式：在f c s 中各现场设备有足够的自主性，它们彼此之间相互 通信，完全可以把各种控制功能分散到各种设备中，而不再需要一个中央控制 计算机，实现真正的分布式控制。 参 飘弱 茹 西华大学硕士学位论文 4 ) 双向传输：传统的4 一- 2 0 m a 电流信号，一条线只能传递一路信号。现 场总线设备则在一条线上既可以向上传递传感器信号，也可以向下传递控制信 息。 5 ) 自诊断：现场总线仪表本身具有自诊断功能，而且这种诊断信息可以送 到中央控制室，以便维护。 6 ) 节省布线及控制室空间：在f c s 中多台现场设备可串行连接在一条总 线上，这样只需极少的线缆进入中央控制室，大量节省了布线费用，同时也降 低了中央控制室的造价。 7 ) 多功能仪表：可在一个仪表中集成多种功能，做成多变量变送器，集检 测、运算、控制于一体。 8 ) 智能化与自治性：现场总线设备能处理各种参数、运行状态信息及故障 信息，具有很高的智能化，能在部件甚至网络故障的情况下独立工作，大大提 高了整个控制系统的可靠性和容错能力。 1 2 2 现场总线的几种类型及各自特点 前文已经讲过，如今现场总线技术正处于“群雄争霸 的局面，据统计， 世界上出现过近2 0 0 种总线。经过二十余年的发展、竞争和完善，目前有生命 力的总线有十多种，下面介绍几种典型的现场总线 1 ) 基金会现场总线( f f ) f f 是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。f f 是 符合i e c 现场总线国际标准。它以i s o o s i 开放系统互联模型为基础，取其物 理层、数据链路层、应用层为f f 通信模型的相应层次，并在应用层增加了用户 层。f f 有低速h l 和高速h 2 两种通信速率。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 ，可支持总线供电。h 2 的传输速率为1 m b p s 和2 5 m b p s 两种， 通信距离分别为7 5 0 米和5 0 0 米，物理介质可支持双绞线、光缆和无线发射， 协议符合i e c 6 11 5 8 2 标准，其物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。 2 ) l o n w o r k s 由美国e c h e l o n 公司和摩托罗拉，东芝公司创建。采用i s o o s i “模型的 七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简 6 西华大学硕士学位论文 化为参数设置，通信速率从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 米；支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线，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。它采用l o n t a l k 协 议，该协议封装在n e u r o n 神经元芯片中。神经元芯片有3 个8 位c p u ，分别 处理三个层次的功能。l o n w o r k s 虽不是国家标准，但它是近年来发展最快的现 场总线之一。它适用各种不同的应用领域，目前广泛应用于航空、航天、楼宇 自动化、能源管理、工厂自动化、农业控制、家庭自动化等领域，在其销售额 中，4 0 用于工业控制，3 0 用于楼宇自动化，3 0 用于其它自控领域。 3 ) p r o f i b u s p r o f i b u s 是德国国家标准d i n l 9 2 5 4 及欧洲标准e n 5 0 1 7 0 ，由p r o f i b u s d p ， p r o f i b u s f m s ，p r o f i b u s p a 组成。d p 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、楼宇自动化等。 p a 适用于过程自动化的总线类型。后来，p r o f i b u s 与以太网相结合，提出了 p r o f i n e t 解决方案，并逐渐取代了p r o f i b u s f m s 位置。p r o f i b u s 采用了o s i 模 型的物理层、数据链路层，f m s 还采用了应用层，传输速率为9 6 b p s - 1 2 m b p s ， 传输介质是双绞线或光缆。最多可挂接1 2 7 个节点。 4 ) c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 是控制器局域网的简称。由德国b o s o h 公司推出，用于汽车内部测量与执 行部件之间的数据通信，它广泛用于离散控制领域。c a n 协议也是建立在 i s o o s i 模型基础上。模型结构只有两层，即只取o s i 底层的物理层和数据链 路层。传输介质为双绞线。通信速率可达1 m b p s 4 0 m 。可挂接1 1 0 个设备。 c a n 的信号传输采用短帧结构，每一帧只有8 个有效字节，传输时间短， 受干扰的概率低。同时在通信节点发生严重错误时，具有自动关闭功能，因而 具有较强的抗干扰能力。 c a n 总线的控制芯片与收发芯片的销售量是各种现场总线相同功能芯片 中销售量最大的，其应用非常广泛。 表1 1 中统计了上述几种总线的特点。 7 西华大学硕士学位论文 表1 1 几种常见总线的特点统计 t a b l e1 1p o i n to fs e v e r a lc o m m o nf c s 现场总线 f fl o n w o r k sp r o f i b u sc a n 传输速率 3 1 2 5 k b p s 1 9 k m7 8 k b p s 2 7 k m9 6 k b p s 1 2 k m5 k b p s 1 0 k m 距离 1 m b p s 0 7 5 k i n1 5 m b p s 0 1 2 5 k m1 2 m b ps 0 1 k m 1m b p s 0 0 4 k m 2 5 mb p s 0 5 k m 最大节点3 21 2 73 21 1 0 数 信号类型数字数字数字数字 拓扑结构线型、树型、 线型 线型 线型 环型 实时性好好好好 开放性好好比较好好 普及程度一般一般一般高 传输介质双绞线、同轴电双绞线、同轴电缆、专用电缆双绞线或光纤 缆、光纤等光纤等 应用领域工业仪表楼宇自动化、家庭 底层测控、工厂 工业场合，底层 自动化、i n t e m e t 系管理、i n t e m e t测控 统集成系统集成 从表中可以直观的看出每种总线都有其自身的优势，不能简单的比较。只 有在明确了具体测试对象和环境后，才能有针对性的进行选择。本课题的测试 系统主要针对底层测试，因此并不要求很远的传输距离，通常在几百米以内。 同时由于测试现场环境不确定，并且要求实时性要好和外挂节点能力要强。综 合比较表1 1 可以发现，对于本文所要讨论的测试系统，c a n 总线具有以下几 个优势：1 ) 在兼顾传输距离的情况下，传输速率得到了保障；2 ) c a n 总线上 可以挂接1 1 0 个节点；3 ) c a n 总线传输信号为数字信号，因此其抗干扰能力 强：4 ) 与其他总线相比，c a n 总线的实时性好，开放性好，普及程度高；5 ) 对传输介质要求不商，适合于底层测控。 综合上述分析，与其他总线相比c a n 总线更适合应用到本课题的测试系统 中，因此本文选择c a n 总线。有关c a n 总线技术及其高层协议i c a n 协议的 内容是本文的重点，将在第二章中着重讲述。 8 西华大学硕士学位论文 1 3 课题来源 现场总线技术是当今自动化技术的热点，p l c 控制系统中也大量采用现场 总线进行联网。本文在原有自动化专业课程教学资源的基础上开发一套基于现 场总线技术的综合测试系统可以丰富自动化专业课程的实验教学。目前，西华 大学电气学院的可编程控制器原理及应用课程已经成为四川省精品课程建 设项目( 项目号口0 6 0 1 0 2 ) ，正在申报国家级精品课程。建设基于i c a n 现 场总线的综合测试系统，不但紧密联系现在工业实际，也是对原有p l c 课程实 验环节的重要补充和扩展，达到更好的教学效果，给学生营造更好的实验平台。 1 4 本课题的研究意义 c a n 总线技术在国内应用很广，发展也非常迅速。本研究室长期以来一直 关注和研究c a n 总线的相关技术。目前占领国际市场的两个c a n b u s 应用层 协议是：d e v i c e n e t 协议和c a n o p e n 协议。d e v i c e n e t 协议是19 9 0 年由美国 a l l e n b r a d l e y 公司研制的c a n b u s 应用层协议。它是一个简单、廉价而且高效 的协议，适用于最低层的现场总线。d e v i c e n e t 协议在全世界都占有很大的市场， 广泛应用在汽车电子、半导体芯片制造、电子产品制造、包装和物料转移等领 域哺。c a n o p e n 协议最初由b o s c h 主席领导的e s p r i t 项目所开发，至2 0 0 0 年， c a n o p e n 协议已成为全欧洲最重要的嵌入式网络标准。c a n o p e n 协议是一种具 有灵活配置功能的标准嵌入式网络。c a n o p e n 是为运动导向机器所设计的控制 网络，如今，它被运用于许多领域，如医疗设备，海事电子，公共运输，建筑 自动化等。两者在传输距离、标识符分配、初始化组态、软件开发流程和应用 领域等方面存在着不同。c a n o p e n 不仅可以用在远距离的通信系统中，还可以 用在像咖啡机、电子直线加速器、大型超市自动化等系统中憎。d e v i c e n e t 比较 适合应用在传感器设备、微型执行器设备等设备上。但是总的来说d e v i e e n e t 和c a n o p e n 协议规范比较复杂，理解和开发的难度比较大，对于一些并不复杂 的基于c a n 总线的控制网络不太适合。 在2 0 0 6 年初广州致远电子有限公司公布基于c a n 总线的高层协议i c a n 协议后，本研究室及时捕捉并跟进研究这一新技术。经过分析研究，发现该协 9 西华大学硕士学位论文 议采用与d e v i c e n e t ，c a n o p e n 协议基本相同的连接管理方式，删除了比较复 杂的握手管理、资源分配等内容，并使用预定义数据组合的方式管理c a n b u s 总线上的节点，具有理解简单、易于实现、实时可靠的特点，尤其适合各种不 同工业环境条件中的分布式数据控制网络。对于不太复杂的控制系统非常适用， 学习开发难度不是非常大，有利于在高校教学中推广。目前广州致远电子有限 公司可提供基础学习平台，但整体价位比较昂贵，部分实验和功能与实际教学 有差距。所以本实验室仅购买该公司的基本模块，自行搭建灵活的实验平台， 并设计综合测试系统，开发基于i c a n 协议的综合采集卡，实现与现有的p l c 控制系统的联网，完善了p l c 课程的实验课程。该实验平台应用于教学具备以 下几方面的现实意义： 1 ) 提高学生的感性认识，加强理论联系实际的能力，更深入了解构成c a n 网络的一般过程和操作方法，掌握通过i c a n 协议完成c a n 网络通信和基本输 入、输出控制的方法。丰富p l c 、传感器与检测技术等课程的内容。 2 ) 通过对组态软件技术和o p c 技术的了解，进一步设计上位计算机的监 控系统，使用面向对象的技术进行可视化的监控，使监控更加直观、操作更简 单。 3 ) 对于学习者日后的发展起到了很好的促进作用和引导作用。 4 ) 在一定程度上了解当今自动化技术发展的趋势，为相关行业提供技术人 才。缓解国内此行业人才紧张的现状。 1 5 本课题的主要研究内容 1 ) 构建基于现场总线i c a n 协议的综合测试系统平台，包括本地实验室和 通过以太网连接的远程实验室。 2 ) 研究广州致远电子有限公司i c a n 系列功能模块与本地设备的通信方 法，以及有关的网络配置方法。 3 ) 完成基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的自主i c a n 数据采集卡，包括硬件设计 和软件程序的调试。 4 ) 完成基于本平台的上位p c 机编程、电机调速及转速测量、i c a n 网络 与p l c 控制网络互连三个实验实例。 1 0 西华大学硕士学位论文 5 ) 利用m c g s 组态软件设计上位监控界面，通过z o p c s e r v e r 与m c g s 连接实现上位机对测试平台的监控。 6 ) 测试系统通信性能，整理相关资料。 1 6 本章小结 本章主要介绍了现场总线技术的概念和应用范围，以及现场总线技术的现 状和发展趋势，对课题的来源、背景、意义和主要研究内容进行阐述和说明。 西华大学硕士学位论文 2c a n 总线技术及其应用层协议 2 1c a n 总线概述 c a n ，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，是国际上应用 最广泛的现场总线之一。 1 9 8 6 年2 月，b o s c h 公司在s a e ( 汽车工程协会) 大会上介绍了一种新 型的串行总线c a n 控制器局域网，c a n 由此诞生。今天，在欧洲几乎每一辆 新客车均装配有c a n 局域网。同样，c a n 也用于其他类型的交通工具，从火 车到轮船。c a n 也用于工业控制。目前，c a n 已经成为全球范围内最重要的 总线之一。 2 0 世纪9 0 年代初，b o s c hc a n 规范( 2 0 版) 被提交作为国家标准。在 1 9 9 3 年1 1 月公布了c a n 的i s o l l 8 9 8 标准。定义了2 9 位的扩展标识符，最高 波特率1 m b p s 。为促进c a n 以及c a n 协议的发展，1 9 9 2 年3 月“自动控制中 的c a n c i a ( c a ni na u t o m a t i o n ) 用户组织正式成立。在c i a 的努力推广 下，c a n 技术在汽车电控制系统、电梯控制系统、安全监控系统、医疗仪器、 纺织机械、船舶运输等方面均得到了广泛的应用。现已有4 0 0 多家公司加入了 c i a ，c 认已经成为全球应用c a n 技术的权威。 c a n 由于采用了新的技术和独特的设计，使该总线与一般的通信总线相 比，具有突出的可靠性、实时性和灵活性，能有效的支持分布式控制及实时控 制u w ，并支持多主机方式，具有低层解决通信冲突的能力。其特点具体概括如 下n 1 3 ： 1 ) 低成本； 2 ) 多主结构，极高的总线利用率； 3 ) 很远的数据传输距离( 长达l o k m ) ，高速的数据传输速率( 高达1 mb i f f s ) ； 4 ) 短的报文长度：每个报文允许传输最高8 个字节的数据； 5 ) 引入报文滤波，可根据报文的标识符决定接收或屏蔽该报文； 6 ) 报文不包含源地址或目标地址，仅用标识符来指示功能信息、优先级信 息； 7 ) 可靠的错误处理和检测机制，发送的信息遭到破坏后，可自动重发； 1 2 西华大学硕士学位论文 8 ) 节点在错误严重的情况下，具有自动退出总线的功能。 2 2c a n 总线协议规范简介 c a n 总线遵循i s o o s i 的模型，以保证c a n 器件之间的兼容性。从o s i 网络模型的角度来看，现场总线网络一般只实现了第1 层( 物理层) 、第2 层 ( 数据链路层) 、第7 层( 应用层) 。而c a n 仅仅定义了第1 层：物理层以及 第2 层：数据链路层( 参考o s l l l 8 9 8 标准) 。如图2 1 所示。 【e i , - - 9 玺重迓一 数据链路层 r 逻辑链路控制子层l l c 验收滤波 应用层 过载通知