（农业电气化与自动化专业论文）基于CAN总线的温室智能控制系统的设计.pdf

中国农业大学硕士学位论文摘要 摘要 拄裁器届域阏( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) 是垒数字式现场控翻设备互连的率行遴信潮络，能有 效支持分奄式控毒l 帮实畦控制，c a n 总线的数据送信具有突出瓣可靠性、实对性帮灵滔性，被公 认为世界上最骞翦途的现场总线之一。零文以提毫现蠢滠室控制系缆性糍为鸷景，将c a n 总线 技术引入剿温寝环境控制系统中，设计了基于c a n 总线的温室智能控制系统。 本文所设计的c a n 智能控制系统由智能节点和智能控制器组成，智能节点完成环境参数的采 集和执行机构的控制，智能控制器实现人与控制系统的交瓦，智能节点和智能控制嚣之间通过 c a n 网络进行数耀交抉。 本文在内容上蒋先阐述了将c a n 总线技术用予温室环境控制的必要往。然后介绍了c a n 总 线的性糍特点及其技术壤范，提出7 一静适合溢室控制静c a n 痤餍屠协议并系统论述了基予 c a n 总线的遗室智能控糊系缝骢设计方察。在这个方案中，建巍了基于c a n 怂线懿浚室智撬投 测系统的硬件模型和软件模型，磐在模型的基础上设计了智自b 控制器和嫂1 种智! - 带点势编写了备 自的软件。最后对毒文的研究工作进行了总结并指出系统一些黼要改进的地方。 关键谰：c a n 总线，激室环境按判，智她节点，镪熊控魁嚣 中国农监太学预士学位论文abshwt 皇邕舞葛舞置曼嘲曼量舅葛啊皇鼎一i 嬲曼鼍篡量黛罾曼麓舞曼舅曼麓寰曼舞篇皇曼囊鼍量量掣墨毫量墨置鼎 a b s t r a c t c o n t r o l l e ra r e an e l w o r kw h o s ed a t ac o m m u n i c a t i o nh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fr e l i a b i l i t y , r e a l - t i m e a n df l e x i b i l i t yi sas e r i a ld a t ac o m m u n i c a t i o nn e t w o r kf o rf i e l dc o n t r o ld e v i c ei n t a r l i n k a g e c a n e f f i c i e n t l ys u p p o r t sd i s t r i b u t e dr e a lt i m e c o n t r o l 。n o wc a nh a sb e c o m eo n eo f t h eb e s tp r o s p e c t so f t h e f i e l db u si nt h ew o r l d i nt h i sp a p e r , i no r d e rt oe n h e n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h eg r e n n h o u s ec o n t r o l s y s t e m ，w eu s ec a n i nt h ef i e l do f g r e e n h o u s ee n v i r o m e n tc o n t r o l ，d e s i g na l li n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m b a s e do nc a n t h ei n t e l l i g e n tc a nc o n t r o ls y s t e md e s i g n e di nt h i sp a p e rc o n s i s t so f i n t e l l i g e n tn o d e sa n di n t e l l i g e n t c o n t r o l l e r t h eg a t h e r i n go f t h ee n v i r o m e n tp a r a m e t e ra n dt h ec o n t r o lo f o p e r a t o r sa r ei m p l e m e n t e db y i n t e l l i g e n tn o d e s 。t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nm a r la n dc a ni n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mi si m p l e m e n t e db y i n t e l f i g e n tc o n t r o l l e r c o n m m u n i c a t i o nb e t w e e ni n t e l l i g e n tn o d e sa n di n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ri sr e a l i z e d 姑 c a nb u sn a t w o r l t h ec o n t e n to ft h ed e s s e r t a t i n ni n c l u d i n g ：i nt h ef i r s tp l a c e , e x p a t i a t eo nt h en e c e s s i t yo f u s i n gc a n i ng r e e n h o u s ee n v i r o m e n tc o n t r 0 1 t h e nt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o no f c a nb u si s i n t r o d u c e d a na p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o lo fc a na d a p t i n gt ot h eg r e e n h o u s ec o n t r o li sc o n s t i t u t e d a n dad e s i g ns c h e m eo f t h eg r e e n h o u s ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mb a s e do nc a ni sd i s c u s s e di nd e t a i l i nt h i sd e s i g ns h e m e ，t h eh a r d w a r ea n ds o f w a r em o d e lo f t b eg r e e n h o u s ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y e s t e mi s e s t a b l i s h e d o nt h eb a s i so ft h em o d e l ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ra n df o u rt y p e so fi n t e l l i g e n tn o d e sa r e d e s i g n e 文a n dt h e i rs o f t w a r ea r ew r i t e n f i n a l l y t h em a i nw o r ko f t h et h e s i si ss u m m a r i z e a l , a n ds o m e r e s p e c t st h a ts h o u l db ei m p r o v e di nt h i ss y s t e me r ep o i n t e do u t k e y w o r d s ：c a nb u s ，g r e e n h o u s ee n v i r o n m e n tc o n t r o l ，i n t e l l i g e n tn o d e ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r i l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得中国农业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：礁津 时间：2 6 年6 月脾日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名： 猿皋 隶南幸 时间：2 6 年6 月j 牛同 时间：v f 年厂月曾日 牵鞫寡韭走擘磺圭学靛论文第一章籍撬 i ii l l ui ii i ! l l l l l li ii i i i i i l l 麟自皇量量葛嘴冀皇s 曙_ i 第一塞绪论 1 1 选题背景 我国农业澎势靛生了搬本性变他，农业生产进入了主要依靠辩按提慈农产器髓蓬、翔迷结籀 调整、迅速增加农疑收入、挺赢农业照体效益、改善生态臻境以眨大力挝赢农业蹦际擞争力的辫 辩期，技术密榘静内涵鍪增长方式成为农韭发展静主蘩方向。通过知识赣l 技术刨掰，煮技术替代 资源道路，实现我国农业_ 碱传统的粗放、低效、资源高消耗型增长方式。向集约、商效、资源节 约、霹持续型生产方式豹掇零转变。发麓工厂纯农谴燕实瑗运一转交静整簧途径。 工厂亿农垃其密技术帮黼谈密集、资源离散嗣用、增值效盏藏著的特点，近年来在我国爱到 巍度重褪。匿家在“丸嚣”攻关礓毯中疟秀了“王厂谯温整设藏及配套装备醑翻”漂蘧；2 0 0 1 颦，国家在“十五”攻关项目中启旗了“蘧盎强境罄能控期关键控零磷窕与舞笈”谋蘧 2 0 0 1 举，圜家“8 6 3 ”计划“可控环境农妓生产技术”的研筑建容包含磺剿司控嚣境囊瀵控锱系统蠢 信息自动采集系统；2 0 0 3 年国家计娄启动了“设施农业技术集成产韭纯示范”课题；鬟家爨然辩 学基金生命科学部时设施农业也设立了项目。 在这臻农鼗磺鞠酶推动下，添室释琢缱控制等工程凝套设撬、溢塞专沼菇释滚育、商产藏培 帮优骚安愈生产援术等方瑟均取褥了摄著成栗，全冒温窿及环境调控技术与配套设施等方谳得到 了撮夫裳簇。 总数搬说，穰多温室控臻系绞郝怒基予r $ 4 8 5 慧线建立的，添为这樊控谁系绕，惑线胃连接 3 0 多个帮点，数据来集襄执簿擞梅控铱4 任务茸娃出不捌瓣带点米完娥，掰且r s 4 8 5 价格憾壤， 维护方便“，所以目前在澈室控制窳统中已被普遍采孀。讴r s 4 8 5 总线为主飙臻擒，通谶蠹主 节点发起，从节点参数都传撄4 主节点，由主节虑作出控制决策，再以命令形式控制从节点实施； 灞蓿方式采霜循环箍垃蠢询、握手遥诫，苇点越多效率蘧低：各节熹麴遗继编码程蕊线主楚唯一 鹣，潮络上最有一个主节点，不便实蕊系统冗容，主节点的故障将会严莺影响箍个系统的遴行甚 褒导致系绽瓣瘫疾。这整不是楚褥r s 4 8 5 系统滩骧逶燧避一步撼舞溅室装裁系统瞧戆熬要蕊。 霉繇橼准i s 0 1 1 8 9 8 定义瓣c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 楚全数字菇现场接黼设备譬连慧 缝，鹱煮效支挎分森式控剿和实射控黜，被控制爨试为楚最寄潜力的理壤总线之一，它多圭浆王 卡# 方式，使得总线上任一节点都酊班燕动发送傣息，鳃决了从节熙无法主动与其窀萤点进蟹散撼 变换这个长期喇扰a 们的问趣，采上电节点对其他节点笼任何影响，节点错误严重自动关闭输出， 幂影桷箕留节煮正常运 亍等特点援好可敬弥棒r s 4 8 5 惑线静不怒。将c a n 总线庭翔予温室控髑 中，建立蕊于c a n 总线的智能控制臻统能够改善温逝控制系统的通讯性能，为摄高温室控制 系统熬羧越提供较大酶窆阖。 1 2 国内外研究现状 1 2 。1 美带c a n 赫线 辔绋关于c a n 总线酌研究始予2 0 毽纪8 0 年代，最秘由穗谶b o s c h 凳司为鹅决汽车中众多 的测试与控制仪器问通讯而歼发。c a n 自诞嫩以来。以其独特的设计思想、优良的性能和搬高 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 的可靠性越来越受到众多领域的青睐。目前已经在交通运输工具、农业机械、机器人、智能楼宇、 机械制造、数控机床、纺织机械、医疗器械、液压传动、消防管理、传感器、自动化仪表等领域 得到广泛应用。 c a n 的发展已经有2 0 多年的历史了( 附录1 ) ，它仍处在改进之中。从2 0 0 0 年开始，一个由 数家公司组成的i s o 任务组织定义了一种时间触发的c a n 报文传输协议。b e m dm u e l l e r 博士、 t h o m a sf u e h r e r 、b o s c h 公司的工作人员和半导体工业专家、学术研究专家将此协议定义为“时间 触发通讯的c a n ( t t c a n ) ”，它计划在将来标准化为i s 0 1 1 8 9 8 4 ，而且这个c a n 的扩展已在 硅片上实现。这样在同一个的物理层上，既可以实现传输时间触发的报文，也可以实现传输事件 触发的报文，t t c a n 的出现将为c a n 延长5 一1 0 年的生命期。 另外，随着现代通信行业的发展，无线通信技术越来越多地应用在过去是有线通信统治的领 域。因此国外的很多研究也都着眼于将c a n 这种有线技术与无限技术结合起来特别是蓝牙技 术与c a n 的结合逐渐成为热点。他们乐观的认为，随着蓝牙技术的完善和将蓝牙技术应用到c a n 总线系统中研究的不断深入，c a n 总线技术的应用将无处不在“1 。 国内，由于c a n 的起步比较晚，因此像对c a n 底层协议开发这样非常深入的研究很少，不 过c a n 总线在国内的应用领域不断扩大，目前在工业控制、机器人、交通运输工具楼宇控制 等方面的应用也比较成熟。国内很多公司也有相应的c a n 总线接口适配卡，如国内应用较多的 研华工控系列产品中，就有系列的c a n 适配卡和智能仪表等产品。另外中国首辆c a n 网络系统 混合动力轿车已在奇瑞公司试装成功，并进行了初步试运行；上海大众的帕萨特和p o l o 汽车上 也开始引入了c a n 总线技术。c a n 在农业及农业工程方面的应用研究也正在兴起，目前不少高 等院校，如上海大学、同济大学、浙江工业大学等都正在进行建立基于c a n 总线温室控制系统及 相关课题的研究。 1 2 2 关于温室环境控制 在国外，欧美的美国、荷兰、法国、以色列以及亚洲的日本是世界上应用温室最广泛、技术 最先进的国家，他们除了具有较高水平的配套设施外，最重要的是具有先进的控制系统。国外的 温室监控也经历了由人工操作逐渐转向以自动控制为主，人工干预为辅的控制模式转变。随着计 算机技术的发展，温室的数字控制逐渐兴起，在7 0 年代，荷兰、美国、日本、意大利等国采用 微型计算机实现对温室环境的监测与控制；8 0 年代采用数字式单元组合仪表进行指示、记录和控 制，8 0 年代末出现了分布式控制系统，发达国家已经能够根据不同的作物，作物的不同生长阶段， 不同的外界环境条件和气候进行环境参数的调控。9 0 年代，荷兰、日本、美国等发达国家的温室 控制技术水平已相当先进，能够进行多因素综合控制，而且许多发达国家的温室环境控制和日常 运行都实现了网络化管理。例如荷兰温室已经实现了基于i n t e m e t 的远程环境参数设定和综合环 境调控。另外荷兰还开发了优秀的温室管理软件，配合先进的控制系统已经可以做到温室作物的 适时上市。以色列的温室调控设备也实现了全部的自动化，并且以优秀的灌溉系统而著称。英国 的伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控技术，可以观察、遥控5 0 k m 以外温室内的温、光、气、 水等环境因子状况，并进行调控。亚洲的日本建造了世界最先进的被称为“第四高科技农业”的 植物工厂，它采用全封闭生产、人工补光，全部由计算机控制。 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 在国内，温室的生产面积已跃居世界第一，并形成了不同档次、不同系列的温室产品，具有 一定的产业规模”1 。我国计算机在农业中的应用始于2 0 世纪7 0 年代。2 0 世纪8 0 年代中期开始应用 于温室控制与管理领域。这一时期，我国在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上有了对人工 气候室进行控制的系统，如重庆柑橘所人工气候室的单片机系统。到了9 0 年代以后，我国温室控 制技术有了进一步的发展，江苏理工大学于1 9 9 6 年7 月初步建成了具有降温、补光、控湿和增施 二氧化碳浓度等功能的试验性温室，1 9 9 7 年又相继完成营养液加温和太阳能加温系统”1 。中国农 业大学水利与土木工程学院和信息与电气工程学院从1 9 9 5 年开始联合研制华北联栋塑料温室，其 中包括温室环境自动控制系统。在该系统中，每一个单片机作为直接控制级在温室现场进行直接 控制，一台p c 机作为中央主机，实现对温室环境的控制。2 0 0 3 年4 月，中国农业大学的“设施农 业分布式网络控制技术研究与开发”项目通过鉴定。吉林工业大学成功研制了温室智能喷水器。 中国农业机械化科学研究院研制了新型智能化温室。此外还有很多高等院校和科研院所进行了相 关的研究，建立了各自的温室控制系统。总的来说，由于我国对温室环境控制的研究起步较晚， 温室控制技术落后于发达国家。 1 3 选题意义 通过对温室控制技术和c a n 总线技术的大量调研，充分了解了国内温室控制系统的现状和不 足。c a n 总线技术具有突出的特点和优点，有着光明的发展前景和广泛的应用领域，希望通过 对本课题的研究，实现如下目标： 1 将c a n 总线应用到温室控制领域，为温室控制系统部件的标准化、数字化，建立温室f c s 系统奠定基础。目前，我国的温室结构千差万别，控制器、传感器、执行机构各不相同，对于控 制系统的优劣缺乏横向可比性。同时，随着我国工厂化农业的发展，温室需求增加，必然要求温 室控制部件能够像工业产品那样实现标准化，可以进行量产，同时使设备之间具有互换性。因而， 未来几年内，必须使温室系统中各个部件标准化、数字化。 本课题基于c a n 总线开发温室控制所需各种功能的智能节点和智能控制器，它们都按照共同 的硬件模型开发，在协议方面制定适合温室控制的c a n 应用层协议，这样系统中智能节点和智 能控制器都遵循共同的通讯协议和接口规范，可以保证同类设备之间的互换性，同时利用这些智 能节点和智能控制器，可以方便地建立基于c a n 的温室f c s 系统。 2 利用c a n 总线的多主通讯优势，为实现温室智能控制奠定基础。由于温室系统是多变量、 多耦合、大时滞的复杂系统”1 。很难对这类系统建立数学模型及用经典控制方法和现代控制方法 实现控制，采用智能控制算法将是必然趋势。基于c a n 建立的f c s 系统，可解决温室多因子调 控问题。c a n 网络上任何节点均可作为主节点主动地与其它节点交换数据，解决了传统的r s 4 8 5 系统中一直困扰人们的从节点无法主动地与其他节点交换数据的问题，给用户的系统设计和实现 智能化控制带来了极大的灵活性，可大大提高系统的性能，进一步增强系统的稳定性。 3 使本课题所开发的c a n 智能控制系统具有更广泛的适用范围。对于任一个测控系统，采 集和控制都是必不可少的两个基本要素，本课题以温室控制为背景而开发智能控制系统。其主要 任务就是对环境参数进行采集、对执行机构进行控制，符合测控系统的这两个基本要素，具有进 行更广泛应用的基础。在进行本课题的研究时，通过更为合理的进行应用层协议的制定和系统软 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 件的编写，以实现这目标。 1 4 课题的研究内容 本课题以实现温室环境的智能控制为背景，开发基于c a n 总线的智能控制系统，完成对现 场参数的采集，输入输出等执行机构的控制，系统状态的监控等任务，本课题研究的主要内容包 括以下几个方面； ( 1 ) 制定面向温室控制的c a n 高层应用协议 ( 2 ) 进行智能控制控制系统中智能节点的硬件设计 ( 3 ) 进行智能控制系统中智能节点的软件设计 ( 4 ) 设计智能控制系统中的智能控制器 4 第二章c a n 技术概述 2 1c a n 总线的性能特点 控糕器是域阚( c a n ) 垒棼为c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，是蓬嚣上液矮鼙广泛煞瑰璐总线之 一。最初，c a n 被设计用作汽车环境中的微控制器通讯，在率载各电子控制装鬣e c u 之间交换 信息，形成汽车魄子控制嘲络，鞋：翔发动槛餐理系统、变速耱控剡器、仪表装餐、电子主子系统 中均嵌入c a n 控制装置。 一个由c a n 总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。这是困必c a n 协议的一 个最大特点是废除了蒋绕的站毙戢编码，蔼代之跌对通信数播块进行编码。但实际应用中，节点 数目受网络硬件的电气特性所限制。例如，当使用p h i l i p s p c a 8 2 c 2 5 0 作为c a n 收发器时，同一 网络孛允许挂按1 1 0 夸苓蠢。这释羧数据袋遴簿鳊强豹方式，还可霞不麓静节纛阏辩接收鲻褶同 的数据。这一点在分布式控制系统中非常有用。另外c a n 协议也是建立在国际标准化组织的开 簸系绫甄连模型綦础上熬，不过其横型只鸯三层，鄹哭取o s i 疯层熬臻理层、数据链黯联鞠瑗瑶 的应用胺。与其它总线褶比，c a n 总线的数据通信其有突出的可靠性、实时性和灵活性“”1 。 其主要特点如下： c a n 为多主视方式工作，嘲络主任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送 信息。 辩a n 瓣络主的繁煮信意分戏不阋静後先毅，可满是不间的实时爱求，麓优先缀鞠数据最 多可在1 3 4 p s 内得到传输。 袋矮 酸甥蛙总线静裁技术，当多令苓点弱瓣蠢慧线发送售惠孵，甓先缀较低熬繁煮会主 动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁 时闯。兜其是在捌络负载摄重的情况下也不会出现瞰缝瘫痪情况。 c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k m ( 速率5 k b p s 以下) 通信速度最高可达1m b p s ( 此时 通信距离最长为4 0 m ) 。 采灞短桢鳞擒，簧输对闻箍，受干挠概率低：簿犊蓿惑都有c r c 校验及其拖裣镄猜施， 数据出错率极低。 i l 霪绩静疆 孛接叠蕊鼙，遴落线少，逶僖穷震霹为双绞线、嚣辘魁缆或竞终，氇可璇逶遘潺 环进行信息传输。 帮点在错误严重的悸况下具蠢自动关闭输出鲍渤毙，以键总线上其链节点的操作不受影响。 2 2c a n 技术规范 1 9 9 1 年9 月p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 制定并发布了c a n 技术规范( v e r s i o n2 0 ) 。该技术规范包 括a 和b 两部分。2 0 a 绘出了曾谯c a n 技术规范版本1 2 中定义的c a n 报文格式，2 o b 蛤出了 标准的耩扩展静两种撮文格式8 2 “”。本课藤所有设计就是根据c a n 2 0 a 标准来评发的。 2 , 2 。1c a n 的一些重要搬念 审藿丧堑文学疆圭攀位论变繁：章霸h 攘术羲逮 位德率( b i tr a t e ) ： 不弼戆系统，c a n 翡键速率苓阐。霹怒，在一泠定鹣系绫曩，簌速率是蘸寒懿。 总线值( b u sv a l u e ) ： 恐线寿甄韩遴辑谴：“霆缝( d o m i n a n t l e v e t ) ”或“陵整”( r e c e s s i v e l e v e l ) 。逻舞0 我寝“显 性”，溅耩1 代表“隐性”。“显性”位和“酶性”位同时传送时，总线的结果值为“显性”，即“线 与”。 避狡数据请求( r e m o t ed a t ar e q u e s t ) ： 通道发送远襁帧。需鼹数据的节点可咀请求另一节点发送相应的数据帧+ 数撮帧和相应的远 程稹是虫穗弱静豁瀑簿( 1 玲) 禽名蕊。、， 多主机( m u l f l m a s t e r ) ： 糠绫空阕潜，饪簿一令单元帮霹鞋嚣熊臻送擐文。具喜较精往先救援文静攀冠可鞋获褥慧线 访问扳。 优强权( p r i o r i t i e s ) ： 在憨笺谤翘期阐，焱变往先投南识羽祷( d ) 决定。 仲裁( a r b i t r a t i o n ) ： 哭婺慧凌空辩，任舞攀元聱帮凝拜始发送擐交。翔果2 个戏2 令溢上翡萃嚣瓣霹嚣戆褥送擐 文，那么就会有总线访问冲突。通道对识别符进行遴懒仲裁可以解决这个冲突。仲裁的机制确保 痿患释鞋阕筠举套擐失。 蜂，裁蘩瓣，毒一个发送器都辩发送蹙骢龟孚与棱楚控酌慕绞电乎避嚣魄 较。如聚电平相同，则这个单元可以继续发遴。如果发送的是“隐性”电平，而总绒上检测为“显 性”电乎，那么该单元就失去了仲裁，必须遐出发遴连爱恋。 安垒性( s a f e t y ) ： 为了获得最蜜金的数据发送，c a n 的镪一个节点均采取了强有力的措施以谶行错误检测、 锋误黎宠及错谡盔缝。 为了检测错锶，采取以下措施； 竣援( 发送器对袋送整翦迫平与鼗煎攘戆慧线畦乎避费毙较 循环冗余检查 谯填充 撤文格式检查 错谟检测具谢以下特援： 瓣有全两错误簿霹被控藏 发送器的所有局部错误均埘被检测 搬文毒多鬻5 夺滚瓤努毒镶误蟋疆捡溪 搬文中长度小于1 5 的突发性错误均可被检测 o 掇文中任舞意数个错误均可被捡晷l 来捡出的如损报文静剩余错误概率为摄文出错率的4 7 x l o w 盖2 2c a n 嚣缀史赘羧秘簇缝擒 6 中国农业大学硕士学位论文 第二章c 州技术概述 在进行数据传送时，发出报文的单元称为该报文的发送器。该单元在总线空闲或丢失仲裁前 恒为发送器。如果一个单元不是报文发送器，并且总线不处于空闲状态，则该单元为接收器。对 于报文发送器和接收器，报文实际有效时刻是不同的。对于发送器而言。如果直到帧结束末尾一 直未出错，则对于发送器报文有效。如果报文受损，将允许按照优先权顺序自动重发。为了能同 其他报文进行总线访问竞争，总线一旦空闲，重发送立即开始。对于接收器而言，如果报文直到 帧结束的最后一位一直未出错，则这个报文有效。 报文传输由4 个不同的帧类型表示和控制。 1 数据帧：数据帧携带数据从发送器至接收器。 数据帧由7 个场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、c r c 场、应答场、帧结尾。其中 数据场的长度可以为0 。数据帧的组成如图2 - 1 所示 帧间空间帧间空间 或超载帧 帧结束 t 仲裁场控制场数据场c r c 场 t 帧起始应答场 围2 - 1 数据帧的组成 l 蟪始 它标志数据帧和远程帧的起始，由一个单独的“显性”位组成。 仲裁场 仲裁场包括标识符和远程发送请求位( r t r ) 。在c a n 2 0 标准中有两种不同的帧格式：标 准帧和扩展帧。两种帧格式如图2 2 示。 标准格式和扩展格式的仲裁场不同。在标准格式中，仲裁场由1 1 位标识符和远程发送请求 位( r t r ) 组成，标识符为i d 1 0 i d 0 ，而在扩展格式中，仲裁场由2 9 位标识符和替代远程请 求位( s r r ) 、标识位( i d e ) 和远程发送请求位( r t r ) 组成，标识符位为i d 2 8 1 d 0 。 标准帧格式 卜一仲裁场t 一控制场_ 叫卜_ 数据场 l 哑i 瞳酣二 扩展帧格式 仲裁场_ 控制场数据场 引一蚓ts位叫；嘲df e rf z l 。c r健| 围2 - 2c a n 的标准格式和扩展格式 7 率塑丧鼗必学礤士攀攘谂文第二肇溉k 技术攘述 控制场 控裁壕壶6 令位缓袋，整捶数据长发 弱窝两个将来撵戈扩曩建戆绦罄整。 所发送的保留位必须为“显性”。但接收器接收所有“显性”和“隐性”的组合。数据长度 代码摆承了数据甥中字节数量。数搌长度代瓣为4 个位，在控剑场里被发送。数攥字节允许的使 用数目为o 8 ，其他数值不能使用。 数搬场 鼗撼场由数据顿中的羧送数据组成。它可以为0 8 个字节，每字节包含t8 个位，曾先发 送最高脊效位( m s b ) 。 c r c 溺 c r c 场包括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 ) 。c r c 彦歹是幽捱嚣冗众码求褥躲顿捡查庠裂。c r c 秀定德。宅包食一个单独瓣“隐设”位。 应粹场 应罄场包禽艨答间隙( a c ks l o t ) 和艘答界定符( a c kd e l i m i t e r ) 。 在成答场墼，发送靖发送两个“隐性”证。当接收器正确她接牧到有效的撤震，搂i 5 c 嚣就会 在应答问隙( a c ks l o t ) 期间向发送器发送“显性”的位以示应答。所有接收到匹配c r c 序 捌( c r cs e q u e n c e ) 豹辩会在藏餐润藩( a c ks l o t ) 蘩阕蠲一“显镶”装经写入发送嚣豹“隐 性”位来作出回符。 疫蓊秀定穹睾怒一个必须戈“隐瞧”鳇位。因此，嶷答闻皴( a c k s l o t ) 被瓤个“隐性”的 位所包阐，也就怒c r c 界定符和a c k 界定符。 帧绩束 每一个数据顿和远程赖均由一标志序列界定。这个标忘撵列由7 个“隐性”位组成。 2 远程帧：总线单元发出远粳帧，请求发送具有同一识别符的数据帧。 远弦渡壶6 个场鳃戒：犊起始、铮裁场、控裁场、c r c 豸、斑答场、穰臻慕。远程犊耱r t r 位是“隐性”的。京没有数据场，数攒长度代码的数值魁不受制约的( 可以标注为窖许范围盥0 8 黪在 每数篷) ，她魏蓬霹戳疆量为凝窿予数掇壤兹数攒长度鳇褥。 3 错误帧：任何单就检测到一总线错误就发出锩误帧。 错误帧由碟个不同的场组成：错误标惠域、错误界定符。其中错误标志域由不同节点的链 误标志箍加而成；错误界定符为8 个隐幢位。 4 超载帧：超载帧用以在先杼的和后续的数据帧( 或远程帧) 之间提供一附加的延时。由6 伞显经锭加上8 个酪性位缌残。下列三静稽浇帮会寝渤超载较， 接收器由于内部原因嚣求延迟下一个数据帧或邈程帧； 在阕歇场懿繁一帮第二位捡溺副一令显瞧位； c a n 节点在错误界定符的第8 位( 最后一位) 采样到显性位。 s 。城淘空嘲；数据峻( 或远稷峻) 与其蓖面帧的隔离是避过帧闻空闻来实现的，炙论其前 面的桉为何类型( 数据帧、远程桢、错误顿、过载帧) 。所不弼的是，过载帧与错误帧之阐没有 帧间空闻，多个过载帧之间也不是由帧闯空间隔离的。帧间空间由间歇场和总线空闲场组成。 在本课题中，错误梭、超载犊辅帻闯空闽都通过c a n 资议控期器舀劝完戒，不需要翊户程亭 介入，而数据帧和远程帧则与用户程序密切联系。 8 中黉农蜚太学顿士学位论文 第三章洲应用屡协议的制定 第三章c a n 应用屡协议的制定 c a n 协议本嶷只定义了物淫层襄数摄键路屡匏撬莲，蒋没骞娥定盛溺屡协议，这使褥c a n 用户在使用时，必须根据实际嚣求是行定义其应用层协议。 国际上已经形成了诸多基予c a n 的简层应用协议，比如：c a l 、c a n o p e n 、d e v i c e n c t 、s d s 、 c a n k i n g d o m 、s a ej 1 9 3 9 等，这些协议主要应用在工业控制、汽车、仪器仪表等行业中。在这 些应用屠协议中，适合于温室环境的统一的c a n 高层应用协议还没有形成。本课题参考基于c a n 静工韭应用蘑协议，缩合澈室控箭的实际情况，鞭据c a n 2 0 a 标准制定了简易的c a n 应用朦 协议，滋方霞温室c a n 系统静开发“”。 c a n 瘟翅层协议圭要裁定彗圭下凡方藤懿港容：信惑标谈符分配、数攒交换方法、搬文滤波辊 制的使用穷法。 3 1 信息标识符( i d ) 的分配方案 在c a n 系统中，以i d 来标识数据的含义，i d 决患了髅息的优先投秘等铸时闻，嗣黠也影响 报文滤波的使用。因而合理高效的信息标识符( i d ) 分配方案是充分发挥c a n 总线性能的前提 条件。在本课题中，信息标识符的分配方案是根据c a n 的标准帧格式米制定的。 3 1 1 健患掭识襁匏分配廉受l l 依霸c a n 的仲裁机制，c a n 信息标识符分配应该遵循如下原则： 在弼一系统内，每条稽怠必须标殴唯酌信息标识符。因为c a n 是以标识符来标识数 据含义，信息含义每檬镶特之酒努籁具有一一对瘦的关系。如巢确一信息标谈符标识多 令信息蛲戏者是每令信息峻有多个豁识蒋，都将导致绩惠不能被正确瑾解。 具有蛤定标识狩且d l c ( 数据长度磁) 不为0 躲数据犊仅霹由一个节点般动。秀刘，程 某时刻如果几个节点同时发送，将造成仲裁失效。 相同信息标识符不同d l c 的远程帧不能同时发送，若相同债息标识符不同d l c 的远程 帧同时启动，由于它们的仲裁场完全相同，c a n 仲裁机制无法确定总线的拥有权。将 蹲致，云法解决的冲突。 掇据c a n 2 0 a 标准静旒定，信息标识祷的商7 位不能全为i 。 3 i 2 信息标识符的结构 在奉瀑题辑丧l 定翡拇议中信息椽恹籍采用静态分配豹策珞，l l 镪标识符静结构翔3 1 所示： 囊3 ，1 1 位德卷标谈符的分配蘸略 巫豳垂二j 二亘基麴二 二蔓至垂 f 信息功能码 f 节点号 f 数据墒格式 佰息功能码字段表征信息的含义： o o 一搿络传感器信息帧：该类信息的远程帧用于请求节点发送其传感器信息，数据帧用于发 送节赢的传感器信患。 9 中鼙捉监丈学磺士学位论文篝兰章c a n 应曩屡瓣镟魏制定 0 1 - - 输入变甓信息帧：该类信息的远穰帧用于请求节点发送其输入变量，数据帧用于发送节 点戆簸入变量信患。 1 0 - - 输出控制信息帧：该类信息的远程帧用于请求节点发送其输出变量，数据帧用于发送节 点的输硅l 变量信息。 1 l 一点对点信息桢：该类信息主要用予节点参数( 如通讯参数等) 配篙 节点号字段拭6 位表示源节点号，总线上最多可以接6 4 个节点。 熬攘场格式；说疆数据场中数疆的格式。在不嗣功能昀傣患桢中该字段的含义不简。 1 网络传感器信息帧( 信息功能码0 0 ) 0 0 0 一溢度镣感器信惑 0 0 1 光照传感器信息 0 1 0 一浸度镥感器信怠 0 1 1 二氧化碳浓度传感器信息 1 0 0 一土壤电导率传媾器馈息 1 0 l 一士壤水分传感器信息 1l o _ _ p h 值愤感器信息 1 1 1 风速鼹感器信惠 2 输入变量信息帧( 信息功能码0 1 ) 0 0 0 一位型( 歼关量) 输入，数攒场：每字节代表8 通道，每棱可发送6 4 个位墅变量； 0 0 l 一字节型8 位a d 输入，数据场：每字节代表1 通道，每帧可发送8 路8 位a d 输入； 0 1 9 一字壁1 6 整频率整辕入，数据场：每两字节代表1 邋灌，每顿霹发送4 路1 6 德频率量 输入； o l l 一字型1 6 位a d 辕八( 毽捶9 - - 1 6 像) ，数援场：每二掌鼗表1 逶遵，镱谈最多霹发送4 路1 6 位a d 输入 l l l 一远程请求输入变景错误( 节点无此输入变鬟) ，数据场：该节点可请求的输入交攘信息 桢的数据场格式代码 1 0 0 、1 0 1 、1 1 0 一未用 3 输出控制僚息帧( 惯息功能褐1 0 ) 0 0 0 一开关量输出，数据场：节点号( 目标) + 通道号+ 通道德，通道号和通道德备占一字节 0 l l s 整熬i 孛量输懑，数据黼：繁煮弩( 商标) + 通道号十潦遂蓬；通道毽表蕊睬冲个数，占 用两个字节。 o l o 一字节型徐出8 袋d a 囊辫，数撂臻：节点弩( 套标) + 逶遂号逶遂蹙，蘧遵蕊占翔一个 字节。 0 1 1 - - 字型输进1 6 位d a 输出，数据场；繁点号( 曩标) + 遗遵号+ 邋邀值，遭邋馑占耀舞个字 节： 1 1 卜逝程请求输出变量错谶( 节点凭此输出变量) ，数据场：该带点可请求的输出控锖4 信 息谈的数器场格式代码 1 0 0 、1 0 1 、1 l 卜未用。 1 0 中国农业大学硕士学位论文第三章“n 应用层协议的制定 4 点对点信息帧( 信息功能码1 1 ) 0 0 0 一读、写通信波特率参数b t r o ，b t r l ； 0 0 1 一读、写报文滤波器设置a c r a m r ； 0 1 0 - - 读、写输出控制寄存器o c r ； 0 1 1 一读、写时钟分频寄存器c d r ； 1 0 0 、1 0 1 、1 l o 、1 1 l 一目前未用。 注 ：由于信息标识符的高7 位不能全为l ，所以1 1 1 1 1 0 、1 1 1 1 1 1 号节点不允许发送点对点帧，在节点号设 置时应尽量避开；或者不用其作为具有管理功能的节点的编号。 3 1 3 信息优先权的分配 l 主2 ，j ju 1 3 ，玉- j i 二 二 _ 七 - 一 举 0 9 v ) ，r x d 将变为低电平。微控翻器虚将收发器转酗至 2 4 串国农韭太学硪士学位论文 第姻章系统的硬件设计 正常工作状态，由于处在待机方式下，接收器是慢速的，围此，第一个报文将丢失。 前面所叙述的两个单元主控制器单元和c a n 通信单元是智能节点设计中的公共部分，镪 一种智能节点的这两个单元的设计都是相同的。 3 舆体功能单元 智能节点的区别在于他们所实现的功能不同，在本课题中设计了四种智能节点，完成环境参 数的采集和执行机构的输出控制，这四种节点分别是： ( 1 ) b i 节点： 节点具有8 潞舜荚量输入凌戆。输入直流信号可为o 一2 4 v 。在瑚节点中还使用了t l p 5 2 1 。4 光电联合器，将稳入递遴懿， 邦 鑫入蜷与智熊节点瓣其它攀元完全隔离，戳鬟商节点的稳定性帮 抗干拢能力。 ( 2 ) d o 节点： d o 节点具有8 路开关量输出功能。输出直流信号可为0 - - 2 4 v ，输出电流可达5 0 0 m a 。在 d o 节点中也使用了t l p 5 2 1 - 4 光电耦合器，将输入通道的外部输入端与智能节点其它单元完全隔 离，阻提高节点的稳定性和抗干扰能力。为了增加输出通道的驱动能力，在输出通道的光电隔离 电路之看，还使用了输鑫驱动芯片u l n 2 8 0 3 a ，能使输出电流达到5 0 0 m a ，徽处理器与外部输入 逶遂之瓣馒蹋7 4 1 s 3 7 3 镂存囱努输出静开装量。 ( 3 ) a i 繁点； a i 节点提供4 路8 位a d 功能，输入模拟量为o 5 v 电压线4 2 0 m a 暾滤，翰入形式戈攀 分输入。由a d 转换器t l c 0 8 3 8 “”来实现。t l c 0 8 3 8 是8 位逐次邋近式多路串行模数转换器， 具有8 个输入通道，可配置为4 路基分输入，c h 0 与c h l ，c h 2 与c h 3 ，c h 4 与c h 5 ，c h 6 与 c h 7 筵分为四纽。每组的前者是输入正端，后者为负端，若正端输入电压小于负端输入电压，转 换结果为o ：也可配釜为8 路伪差分输入，每通道都与；i 脚c o m ( 负端) 进行差分比较输入。 t l c 0 8 3 8 是串行嚣件，在a l 节点的设计中，它的各个信号线与主控制嚣a t 8 9 c 5 2 的i o 口p 2 相连，另 这个器仕熊转抉鲍搂掇量是电莲信号，戈了能转换4 2 0 m a 靛电流信号遥在差分遴 道之闻连接了2 5 0 欧姆的电阻。 ( 4 ) a o 带点： a o 节点具有4 路8 位d a 输出功能，由d a 转换器t l c 5 6 2 0 。”实现。t l c 5 6 2 0 是窜行4 路8 位d a 转换器。单5 v 供电，功耗小，内部有上电复位电路。t l c 5 6 2 0 怒串行器件，在a 0 节点 的设计中，它的各个信号线也与主控制器a t 8 9 c 5 2 的i o 阴p 2 相连，另外由于输出通道比较电 藤输a 瑞( r e f a d ) 建议的最大电压输入德为( v d d 一1 5 ) v ，因批进行了分压，使r e f a d 豹输入电艇必2 5 v ，不过出于冀较佟胃编程2 倍r e f 输崮，困箍仍然可戳使输出电压这鳓5 v 。 4 2 2 智能控制器的硬件设计 在基予r s 4 8 5 蚋湛蹇控制系统孛，智捷控粼嚣在整令溢塞控靠系统孛蕊缝位稿当予主节点， 锂能节点是从节点。c a n 是多主工佟方式，不存在主扶之分。褒基c a n 蛉温室控划系统孛保 留智能控制器是因为智能节点的功能单一( 主要负责数据采集和辕出控制等) ，嚣要智能控傣器 提供发好的人机界面、数据存储等多种辅助功能，更好地实现对糙个控制系统进幸亍监控、协阚智 2 5 枣謇采魏太拳臻壹攀健逮囊繁窭耄蒙缝熟疆终淫跨 !,ji l li l li t 审删! 舞 能节点的动作、辩集信息的上传以及控制策略的执杼换句话说，智能控制器程基于c a n 的控 潮系绫枣辖当予一争是骞赛参蛰豫磅髓斡鐾鼹繁蠢。冀蘩搀鲡鬟4 - 6 瓣索。 l 寰酵鞋甓 一 主 |l 拄 避 倍 1 人机界藤卜铤 搂 浚 l 数据存储卜一 器 豳4 - 6 智雌控制器的辅构摧雌 錾4 - 褥孛饕簸经裁嚣辩矮舞是辫4 - 2 孛蓉境匏疆蒋攘壅熬簿谴，蜜辩主筵簿爨露蘑鼗攀元舅 为四个部