（机械设计及理论专业论文）基于can总线的测试系统研究与设计.pdf

南京航空航天大学硕十学位论文 摘要 随着工业测试技术的发展，为了适应数字化、高效率等新要求，本文以c a n 总 线为基础，结合d s p 和l a b v i e w 技术，研究开发了基于c a n 总线的应变测试系统。 本文在以下三个方面取得了进展。 1 、设计了微弱信号放大器原理电路和p c b 图，并研制出八路前端数据处理板， 为应变测试系统的底层测试模块设计打下基础。 2 、在c a n 总线规范的基础上，按照整体结构进行了c a n 总线测试节点硬件和 软件设计，实测表明c a n 总线测试节点软硬件联合工作稳定， 3 、运用l a b v i e w 编程语言，结合c 内核程序设计了上位机数据管理与控制程序， 实现了上位机与下位机的通信。上位机程序界面友好，便于使用，实测显示其能够和 f 位机稳定的联合工作。 将上述技术集成，实现了对疲劳试验的动态应变循环测试，同时测试结果得到保 存。 关键词：c a n 总线，d s p ，l a b v i e w ，应变测试系统，信号放大器 基丁c a n 总线的测试系统研究与设计 a b s t r a c t i ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pc e r t a i nh i g he f f i c i e n td i g i t a lm e a s u r e m e n t s y s t e mt om e e t t h e r e q u i r e m e n t so fn e wi n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s b a s e do nc a n b u s as t r a i nm e a s u r e m e n t s y s t e m ，w h i c hc o m b i n e sd s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) w i t hav i r t u a li n s t r u m e n tt o o l ( l a b v i e w ) ，h a sb e e n b u i l t s e v e r a la c h i e v e m e n t sh a v eb e e nm a d ea sf o l l o w i n g ： 1 h i g hp e r f o r m a n c es i g n a la m p l i f i e rw a sd e s i g n e da n dap c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d 、 f o rt h ea m p l i f i c a t i o na n df i l t e r i n go f8 - e h a n n e ls t r a i ns e n s o r sw a sm a n u f a c t u r e d t h e a m p l i f i e ra n dt h ei n t e g r a t e db o a r dp r o v i d eap a t h w a yt e c h n i q u et ol a r g e s c a l es t r a i n m e a s u r e m e n t s y s t e m s 2 ac a n - b u sn o d et h a tb a s e do nt h ec a n - b u s2 0 as p e c i f i c a t i o nh a sb e e nd e s i g n e df o r p o t e n t i a lp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s t e s tr e s u l t ss h o w t h a tt h eh a r d w a r ec a nr u ns t a b l yw i t h t h es o f t w a r e p r o g r a m 3 t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ec a n b u sn o d ea n dt h ec o n t r o l c o m p u t e rw a s e s t a b l i s h e du s i n gl a b v i e wa n dcl a n g u a g e t h eg u i ( g r a p h i c su s e ri n t e r f a c e ) w a s d e i g n e dw i t h l a b v i e wa n dt h ek e r n e l d r i v e r , w h i c hi s w r i t t e ni ncl a n g u a g e e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h et e s t i n gn o d ec a nc o m m u n i c a t ew i t ht h ec o n t r o lc o m p u t e r p r o p e r l y t h et e s to fd y n a m i cs t r a i nh i s t o r yi n f a t i g u ee x p e r i m e n t sh a sb e e nc o m p l e t e db y i n t e g r a t i n gt h ea b o v et e c h n i q u e s i nt h ee x p e r i m e n ta l l u s e f u ld a t aw e r ee x t r a c t e da n d s a v e di nt h ec o n t r o lc o m p u t e r k e y w o r d ：c a n - b u s ，d s p , l a b v i e w , s t r a i nm e a s u r e m e n ts y s t e m ，s i g n a la m p l i f i e r 承诺书 本人声明所呈交的硕士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， 也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：姜开日期：2 0 0 4 年4 月 南京航空航天人学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着人类科技的不断发展，现代机械设备日益向大型化、自动化和高精度、高效 率、机电一体化等方向发展，其性能与复杂程度不断提高，各部分的关联也越来越多。 一个现代化的大型系统通常都是由很多具有不同功能和物理机制并在行为上相互耦 合、强烈相关的子系统组成。子系统按照物理机制可以分为机械子系统、电力电子系 统、工程力学子系统和热力学子系统等。这些具有不同功能的子系统组合起来所形成 的大型系统，其结构十分复杂，功能也十分强大，对于经济技术的发展都有巨大的推 动作用。 出于大型系统的复杂性和重要性，从而系统故障所导致的损失是十分巨大的，甚 至引发灾难。因此为了保证机械设备结构的安全可靠经济运行，防止重大事故的发生 以及降低维修成本。必须发展机械设计概念、强度学，并在此基础上科学实施必要的 运行状况监测、诊断和维护维修，并克服维修工作中容易存在的过剩维修及维修不足 现象，从而实现设备寿命周期内最经济及综合效率最高的双重目标。 对结构进行状态检测损伤检测，则必须对系统结构进行测试。现代大型系统，为 了实现各种不同的功能，其在结构上大多采用多子系统。各个子系统之间的功能不尽 相同，因此要监测各子系统的运行状态，获得准确的测试数据，不能用一种模式，这 就要求监测系统同样具有多功能性，即模块化。就结构体系而言，机械设备状态临测 与故障诊断系统经历了三个发展层次，即集中式、集散式和分布式。分布式结构具有 资源分散化、结构模块化、工作并行性、协作自治性等优点，是2 0 世纪9 0 年代中后 期以来发展最快、应用最为广泛和成功的系统结构吐同时，出于网络技术的不断发 展，实现以网络为基础的远程诊断也成为可能，因此，具有网络特性的分布式测试系 统显然是最理想的测试系统。 在飞机全机实验等大型测试实验中，出于测试点多，信号传输线_ 卜+ 分复杂，布线 工作量很大，一旦线路出现故障，诊断工作十分困难；同时由于数据传输线很长，导 致出现数据传输速率下降，可靠性，实时性差等问题。基于这些实际问题，可以采用 基于现场总线技术的测试系统来解决。 现场总线是自动控制技术、自动化仪表技术、计算机网络技术三大领域技术发展 至今走向结合的必然产物，它将使控制系统的体系结构以及自动化技术发生一次根本 性变革。现场总线使得现场智能设各之间、现场智能设备和控制室设备之间构成网络 互联系统，实现全数字化、双向、多变量数字通信，这就为整个工控系统全数字化运 行奠定了基础。现场总线技术适应了控制系统向智能化、网络化、分散化发展的趋势， 基 jc a n 总线的测试系统研究与设计 因而显示出强大的生命力 6 】。 1 2 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”。 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 2 1 现场总线的技术特点“j ( 1 ) 用数字化通信取代4 2 0 m a 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。 现场总线技术采用一条通信电缆连接控制设备和现场设备，使用数字化通信完成对现 场设备的联络和控制。 f 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，因此，它可以把分布式控制系统( d c s ) 控制站的功能分散地分配给现 场仪表，构成虚拟的控制站，这样就废弃了d c s 的i o 单元和控制站。现场仪表既 有检测、变换和补偿功能，又有控制或运算功能，通过微处理器能够完成诸如p i d 等算法和逻辑控制，实现一表多能，测量控制一体化。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。因此现场仪表或设备通过一对传输线互联就可实现不同 厂商产品的交互操作和互换，将各厂商性能价格比最优的产品集成在一起，实现“即 插即用”，即所谓互操作性。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现场总线技术采用计算 机数字通信技术连接现场设备。控制设备可以很便捷地从现场设备获取所需的信息， 能够实现设备状态、故障、参数信息的快速传送，完成对设备的远程控制、参数化及 故障的诊断工作。 f 5 1 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 萄的通信网络，既可与同层网络互联，也可与不同 层网络互联。它的实施有利于解决工厂各层次的信息集成及支撑技术计算机网络 问题，有利于构筑计算机集成制造系统( c 1 m s ) 网络系统，并有效地发挥作用。此 外，用户t 可以很方便地共享网络数据库。 南京航空航天人学硕士学位论文 1 2 2 现场总线的优点 由于现场总线具有以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统的设 计、安装、投运到f 常生产运行及其检修维护，都体现出以下优越性【6 j 。 ( 1 1 节省硬件数量与投资。 出于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感控制报警 和计算功能，因而可以减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等，也 不再需要d c s 系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线，还可以 用工控计算机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，可以减少控制室的占地面积。 ( 2 ) 节省安装费用。 现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或者一条电缆上通常可以挂接多 个设备，因而电缆、端子、槽盒和桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作 量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可以就近连接在原 有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。在典型实验工程中，可 以节约安装费6 0 以上。 f 3 ) 节省维护费用。 由于现场控制设备具有自诊断与处理简单故障的能力，并通过数字通信将相关 的诊断维护信息送往控制室。这样用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息， 以 便早期分析故障原因并快速排除。由此缩短了维护的停工时间，同时由于系统结构简 化、连线简单而减少了维护工作量。 ( 4 ) 用户有高度的系统集成主动权。 用户可以自由地选择不同厂商提供的设备来集成系统。避免因为选择了菜一品牌 的产品而被限制了使用设备的选择范围，因此不存在系统集成中不兼容的协议和接7 1 等，最终使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。 f 5 1 提高了系统的准确性与可靠性。 由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，从根本上提高了测量与 控制的精确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化、设备与连线减少、现 场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。 1 2 3 现场总线的缺点 尽管现场总线有许多优点，但现场总线也存在一些缺点【6 】，虽然这些缺点可采用 一些措施来克服，但在设计现场总线控制系统时，这些缺点仍不容忽视。 1 缺乏一致性。现场总线系统中没有中央存储器，因此必须提供相应的协议来 保证每个变虽拷贝的数值相同；没有单一时钟，凶此必须提供时钟同步来保证变量及 基rc a n 总线的测试系统研究与设计 事件的时间标签的一致性当然现在已有一些算法可完成较为准确的时钟同步，精度 主要取决于每个时钟的漂移及同步周期。 2 故障冗错。实时系统必须本质上是冗错的，即使在出现局部故障时，系统必 须能够继续正确工作。将所有通信集中到一条物理链路是很危险的。如果总线被偶然 切断，则任何信息都无法传输，从而导致整个系统瘫痪。 3 现阶段各种标准并存，无法统一。 1 2 4 现场总线的几种类型及特点对比 现场总线技术起源于欧洲，目前以欧美地区最为发达。由于现场总线是一项带有 革命性、领导自动化潮流的新技术，各国、各大公司都投入了大量的人力、物力和财 力进行开发和竞争。据统计t 6 ，世界上出现过近2 0 0 种总线。经过十余年的发展、竞 争和完善，目前有生命力的总线有十多种。下面，是几种典型的现场总线f 6 】【】。 ( 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 开放系统互连模型为基础，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，并在应用层上增加了用户层。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 1 1 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。采用了i s 0 0 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( 7 8 k b p s ，双绞 线) ；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。 ( 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 | 9 2 4 5 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 是用于过程自动化的总线类型。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 k b p s 1 2 m b p s ，最大传输距离在1 2 m b p s 时为1 0 0 米，1 5 m b p s 为4 0 0 米。传输介质是双绞线或光缆。最多可挂接1 2 7 个站，沁 4 南京航空航天人学硕士学位论文 实现总线供电与本质安全防爆。 ( 4 ) c a n ( c o n t r o la e r an e t w o r k ) 是控制器局域网的简称。由德国b o s c 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。它广泛应用在离散控制领域。c a n 协议也是建立在i s o o s i 模 型基础之上，但其模型结构只有两层，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 ，直接传输距离最远可达1 0 k i n 5 k b p s 。 可挂接设备数可达1 1 0 个。 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。 ( 5 ) h a r t 是h i g h w a y a d d r e s s a b l e r e m o t e t r a n s d u c e r 的缩写。最早由r o s e m o u n t 公司开发。 特点为在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过 程中的过渡性产品。它采用三类命令来完成三个不同层次的功能。由于现在我国处于 从模拟控制系统，向数字系统转变的时期，h a r t 将会占据一定的市场。 ( 6 ) d e v i c e n e t 即设备网。其协议的制订和更新由o d v a ( 0 p e l l d e 、，i c e n e t v e n d o r a s s o c i a t i o n 的缩 写) 完成。o d v ac h i n a 位于上海电器科学研究所。d e v i c e n e t 是将工业设备( 如：限 位开关、光电传感器、电动机起动器、过程传感器等) 构成通信网的一种低成本连接。 d e v i c e n e t 通过一个开放的网络，将底层的设备直接和车间级控制器相连，而无需通 过硬线将它们与i 0 模块连接。由世界范围的1 5 0 多个制造商支持的开放式设备网 制造商协会( o d v a ) 支持此种基于c a n 技术的现场总线。这种6 4 个节点、多支线的 网络，允许用户用一根电缆去连接5 0 0 m 以内的设备以及用户的可编程控制器，无需 用导线把每个设备和一个i 0 机架连接起来。总之，所有这一切可以减少导线的费 用并方便安装，而且，智能设备可以提供设备诊断和故障预测，使系统的停机时间减 少。d e v i c e n e t 优于其它网络之处在于它采用了基于生产者消费者( p r o d u c e r c o n s u m e r ) 的网络模式，这是一种先进的网络通信技术。生产者消费者模式使控制 数据同时到达操作的每一个单元，从而更有效地利用了网络的频带宽度，同时显著地 减少了网络通信量。d e “c e n e t 在推出短短几年时间内，就被选为i e c 的八种标准现 场总线之一。 我们在表( 1 一1 ) 统计了上述几种总线的特点。出于d e v i c e n e t 是在c a n 协议基 础上发展起来的，所以在表中没有列出。 基tc a n 总线的测试系统研究与设计 表1 - 1 几种总线的特点统计表 现场总线c a nl o n w o r k sp r o f i b u sf fh a r 7 8 k b p s 2 2 k3 1 2 5 k b p s 1 传输速率 5 k b p s 1 0 k m 9 3 7 5 k b p s 1 9 k m ，1 m b p s 01 2 k b p 15 k 距离 1 m b p s 0 0 4 k m1 2 5 m b p s 0 1 2 k m ，1 5 m b p s 7 5 k m ，2 5 m b 0 2 k m 2 5 k m p s 0 5 k m 最大 节点数 l l o1 2 73 23 21 5 信号类型数字数字数字数字模拟+ 数字 线型、树型、 拓扑结构线型线型线型 环型 实时性好好好好差 开放性 好好较好好 普及程度高一般一般一般高 双绞线、同轴双绞线、同轴 传输介质双绞线或光纤专用电缆二线制电缆 电缆、光纤等电缆、光纤等 楼宇自动化、底层测控、工 工业场合，底层家庭自动化、厂管理， 应用领域t 业仪表1 ：厂测控 测控i n t e r n e t 系统i n t e m e t 系统 集成集成 表1 - 1 列出了各种现场总线的特点。在没有明确测试对象与环境以前，不能笼 统地说某种总线比其他总线具有优势。因此，只有在明确测试对象与环境以后，才能 依照表l 一1 作出选择。 本文所要讨论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相对恶劣，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 ) 对传输介质要求不高，适合于底层测控。 通过上述分析，我们认为：与其他总线相比c a n 总线更适合应用到本文所要设 计的c a n 总线测试系统中，因此本文选择c a n 总线，在l _ 3 节中主要讨论c a n 总 线。 南京航空航天人学硕士学位论文 1 3 c a n 总线技术 1 3 1c a n 总线介绍3 1 1 2 4 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。最初，c a n 被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各 电子控制装置e c u 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、 变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入c a n 控制装置。 在一个由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。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，同一网络中允许挂接1 1 0 个节点。c a n 可提供高达1 m b i t s 的数据 传输速率，这使得实时测控变得非常容易。另外，硬件的错误检定特性也增强了c a n 的抗电磁干扰能力。 c a n 是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗 电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到1 0 k r n 时，c a n 仍可提供高达5 k b i t s 的数据传输速率。 c a n 通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。c a n 层的定义与开放系统互 连模型o s i 一致。每一层与另一设备上相同的那一层通讯。实际的通讯发生在每一设 备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互连。c a n 的规范定义了模 型的最下面两层：数据链路层和物理层。下表中展示了o s i 开放式互连模型的各层。 应用层协议可以由c a n 用户定义成适合特别工业领域的任何方案。已在工业控制和 制造业领域得到广泛应用的标准是d e v i c e n e t ，这是为p l c 和智能传感器设计的。在 汽车工业，许多制造商都应用自己的标准。 表( 1 - 1 ) c a n 协议层次表 7应用层 最高层用户软件网络终端等之间用来进行信息交换如e v i c e n e t 6表示层将两个应用不同数据格式的系统信息转化为能共同理解的格式 5会话层 依靠底层的通信功能来进行数据的有效传递 4传输层 两通讯节点之间数据传输控制操作如数据重发数据错误修复 3网络层规定了网络连接的建立维持和拆除的协议如：路由和寻址 数据链路 2规定了在介质上传输的数据位的排列和组织如数据校验和帧结构 l物理层规定通讯介质的物理特性如电气特性和信号交换的解释 基tc a n 总线的测试系统研究与设计 c a n 能够使用多种物理介质，例如双绞线、光纤等，最常用的就是双绞线，信号 使用差分电压传送。两条信号线被称为“c a nh ”和“c a nl ”，静态时均是2 5 v 左右，此时状态表示为逻辑“1 ”，也可以叫做“隐性”。用c a n h 比c a n l 高 表示逻辑07 ，称为“显性”，此时，通常电压值为：c a n h = 3 5 v 和c a n l = i 5 v 1 3 2c a n 总线的特点 c a n 是一种具有高可靠性，支持分布式测试、实时控制的串行通信网络。c a n 具 有如下特性： ( 1 ) 方式灵活。 可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其 他节点发送信息，而不分主从。 ( 2 ) 非破坏性总线仲裁技术。 当两个节点同时向总线发送数据时，优先级高的节点可不受影响地继续传输数 据，这大大地节省了总线仲裁时间，在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪。 ( 3 ) 严格的错误检测和界定。 c a n 通信协议的数据链路层的m a c 予层具有严格的错误检测功能，包括监测、 填充规则校验、帧校验、1 5 位循环冗余码校验和应答校验。c a n 的节点有能力识别 永久性故障和暂时扰动，对错误做出界定，对己损报文进行标注，并自动最新发送， 对故障计数大于2 5 5 对时，节点被“脱离总线”，脱离总线状态不允许对总线有任何 影响。 ( 4 ) 直接通讯距离最大可达1 0 k m ，最高通讯速率可达i m b s ，节点数可达1 l o 个，通信介质可以是双绞线，同轴电缆或光导纤维。 ( 5 ) 可以点对点，点对多点及全局广播方式发送和接收数据。 ( 6 ) 全系统数据兼容，系统灵活。 在c a n 系统中，一个c a n 节点不使用有关系统结构的任何信息。节点可在不要 求所有节点及其应用层改变任何软件或硬件的情况下接到c a n 网络中。在c a n 网 络中，可以确保报文同时被所有节点或没有节点接收。 ( 7 ) c a n 总线的实时性好。 c a n 协议规定以信息帧的方式按优先级的高低来传送信息，因此，c a n 总线的实 时性好：一是信息帧短，不会因为连续长时间发送而影响其它节点访问总线；二是采用 优先级仲裁，发生总线访问冲突时，优先级高的信息帧仍可继续发送，不像以太网那样， 冲突的各节点均停下来。重新发送。 ( 8 ) c a n 总线测试系统成本低。 c a n 总线采用双绞线作为信号传输线，同时其对环境的要求不高，因此设计成本 相对比较低。 8 南京航空航天火学硕+ 学位论文 1 3 3c a n 总线的应用与发展 c a n 总线最先由b o s c h 公司提出，如今已经得到了广泛的应用，c a n 总线在初 期主要是应用在汽车领域，欧洲几乎每一辆新客车均装配有c a n 局域网。同时随着 c a n 总线技术的不断发展，如今c a n 的应用领域已经不再局限于汽车，在很多领域 都有c a n 的应用，包括：自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织 机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域 4 2 4 8 。作为最有前 途的现场总线，c a n 已经成为全球范围内最重要的总线之一甚至领导着串行 总线。在1 9 9 9 年，接近6 千万个c a n 控制器投入应用；2 0 0 0 年，市场销售超过1 亿个c a n 器件。 c a n 总线与一般的通信总线相比，其数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活 性。由于其良好的性能及独特的设计，c a n 总线越来越受到人们的重视。它在汽车 领域上的应用是最广泛的，世界上一些著名的汽车制造厂商，如b e n z ( 奔驰) 、 b m w ( 宝马) 、p o r s c h e ( 保时捷) 、r o l l s r o y c e ( 劳斯莱斯) 和j a g u a r ( 美洲豹) 等 都采用了c a n 总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。在 医疗器械方面，目前，s i e m e n s 公司生产的c t 断层扫描仪已采用了c a n 总线，改 善了该设备的性能。p h i l i p s 公司医疗系统已经使用c a n 构成x 光机的内部网络。在 航空航天领域，c a n 总线技术已经被应用到小卫星上 4 0 - 4 1 】。在过程工业、自动控制 等领域，c a n 总线在最近几年也得到了很广泛的应用，象分布式在线检测系统【3 6 】， 分布式运动控制系统【3 8 】，智能寻位系统【3 9 1 等等。 c a n 具有广阔的发展前景，随着c a n 总线在汽车工业的广泛应用，大量潜在的 新应用( 例如：娱乐) 。同时，结合高层协议应用的特殊保安系统对c a n 的需求也i f 在稳健增长。德国专业委员会b i a 和德国安全标准权威t u v 已经对一些基于c a n 的保安系统进行了认证。c a n o p e n - s a f e t y 是第一个获得b i a 许可的c a n 解决方案， d e v i c e n e t s a f e t y 也会马上跟进。全球分级协会的领导者之一，g e r m a n i s c h e rl l o y a 正在准备提议将c a n o p e n 固件应用于海事运输。 在国内，尽管c a n 总线技术得到了很广泛的应用，但是将c a n 总线网络应用到 应变测试系统和结构疲劳实验，还处于发展的初期阶段，因此研究开发基于c a n 总 线技术的测试系统具有很大的实际意义。 1 3 4c a n 总线网络拓扑结构 c a n 总线作为现场总线的一种，它具备现场总线的基本特性，以现场总线为基础 组成现场网络主要有三种形式” 。 ( 1 ) 星型网络 基tc a n 总线的测试系统研究与设计 星型网即以一台称之为中心处理机的计算机为主组成网络，各种类型的入网机均 与该中心处理机有物理链路直接相连，因此，所有的网上传输信息均需要通过该机转 发，其结构如图1 1 所示。在图1 1 中，主机为整个现场测试网络中的卜位机，主要 负责网络的统一管理以及测试数据的后续处理。c 为各个子节点p c 机，主要负责与 现场测试单元进行通信，并将现场的测试数据及时发送到主机中。t 为p c 子节点以 下的各种现场测试单元，主要负责现场数据采集，并对测试数据进行适当的处理，包 括信号放大和信号滤波等。现场测试单元有很多种，比如：应变测试单元、温度测试 单元、位移测试单元等等。星型网络的结构特点是：构造较容易，适于同种枫型互连， 通信功能简单，它可以根据需要出中心处理机分时或按优先权处理。但是在星型网络 中，主机的负载过重，扩充困难，每台入网计算机均需与主机有线路直接互连，因此 线路利用率不高，信道容量浪费较大。星型网主要用于楼字自动化领域。 图1 - 1 星型网结构示意图 ( 2 ) 总线型网 总线型网是从计算机的总线访问控制发展而来的，它将所有的入网机通过分接头 接入一条载波传输线上，网络拓扑结构就是一条传输线，如图( 1 2 ) 所示。其中主 机主要负责对整个网络进行管理，同时对数据进行后续处理。下位机主要负责对现场 数据进行管理。t 为测试现场的各种测试模块。总线型网络的特点是所有入网机共用 一条传输信道，信道利用率高；同一一时刻只能有两处网络节点在相互通信；网络延伸 距离有限，一般局域网络多采用此种方式。 0 南京航空航天大学硕_ f ：学位论文 图1 _ 2 总线型网结构示意图 ( 3 ) 环型网 环型网通过一个转发器将每台入网计算机接入网络，每个转发器与相邻两台转发 器用物理链路相连，所有转发器组成一个拓扑为环的网络系统，如图1 3 所示。环型 网由于其点点通信路由的唯一性，因此，不宜在广域范围内组建网络。环型网主 要应用于计算机群组，对于要求能够实现全局广播方式通信的现场网络来说，环型网 并不具备太大优势。 图1 - 3 环型网结构示意图 基tc a n 总线的测试系统研究与设计 1 4 系统整体设计 通过1 3 节的分析与比较，本文将以c a n 总线为基础来对整个测试系统进行设计。 在l 3 节中，给出了三种网络拓扑结构，并分析了各自的特点。在三种网络中，总线 型网尽管吞吐率比环型网低，但是其结构简单、成本低，系统可靠性高，因此本文采 用总线型网来进行系统设计。 本文的c a n 总线测试系统拓扑结构如图1 _ 4 所示。 p c 机 ic a n 适配卡l l i 一 i f ii c 删 ft 应变信号处理 应变信号处理 单元 单元 图1 - 4c a n 总线测试系统拓扑结构图 本系统主要由三部分组成：前端信号处理部分，c a n 总线测试节点，上位机。本 文也是依照这三个部分逐步展开讨论的。前端信号处理部分主要包括应变片的组桥以 及信号放大、滤波。c a n 总线测试节点包括由核心元件d s p 以及外围芯片所组成的 测试模块和c a n 总线数据通信模块。上位机包括c a n 总线适配卡，以及数据处理 部分。 1 5 本文的内容 按照测试系统的功能与结构，本文主要分为以下几个部分： 第一章简要介绍了课题的研究背景、意义，在介绍了现场总线以后，通过特性对 比引入c a n 总线，并详细讨论了c a n 总线的特点、应用情况，最后给出了本文的 j 2 南京航空航天大学硕士学位论文 总体设计框架。 第二章主要介绍信号的前端处理。研究内容主要分为三个部分：第一部分介绍传 感器基础、传感器的分类以及传感器的布局，着重讲述了电阻应变传感器的工作原理 以及组桥。第二部分介绍前端信号放大与滤波，综合分析讨论了放大器主要器件的结 构以及工作原理，并在此基础上设计了微弱信号放大器。第三部分对微弱信号放大器 进行实验测试，通过对微弱信号放大器的放大和滤波特性的测试，证明该设计工作稳 定，为后续信号处理提供了基础。 第三章主要介绍运用c a n 总线技术和d s p 技术进行下位机硬件设计和软件设计。 这一章节的研究内容主要可以分为三个部分。第一部分详细讨论了c a n 总线的工作 特点以及c a n 总线协议，讨论了运用c a n 总线进行组网，以及c a n 的主要连接方 式，并给出了c a n 节点的硬件电路设计。第二部分重点讨论了d s p 的工作原理以及 特点，并计了d s p 测试板。第三部分主要讨论了测试节点的软件设计，根据系统流 程给出了d s p 测试节点的下位机程序。 第四章主要介绍与上位机相关的设计工作。这一章的内容主要分为三个部分。第 一部分主要讨论运用c a n 通讯适配卡将p c 机连到c a n 网络中，并给出了相应的上 位机c 语言程序。第二部分运用l a b v i e w 软件进行界面编程和数据管理。第三部分 对第三章的d s p 节点程序和p c 机程序进行联合调试，对程序的各部分功能进行了具 体的测试。 第五章主要对整个系统进行了实际测试。本章首先给出系统测试实验的框架，然后进行系统 测试，通过对几种不同工作频率下的应变信号测试，验证了系统的可靠性与准确性。 第六章对本文工作做了总结，并展望了进一步的研究。 基丁c a n 总线的测试系统研究与设计 第二章应变测试系统的前端处理单元设计 2 1 传感器基础1 4 j 根据国家标准g b 7 6 6 5 8 7 ，传感器( t r a n s d u c e r s e n s o r ) 定义为：能感受规定的 被测量，并按照一定的规律转换成可用的输出信号的器件或装置。通常传感器由敏感 元件和转换元件组成。其中敏感元件( s e n s i n ge l e m e n t ) 指传感器中能直接感受被测 量的部分，转换元件( t r a n s d u c t i o ne l e m e n t ) 指传感器中能将敏感元件输出量转换为适 合于传输和测量的电信号部分。 需要指出，有些国家和有些科学领域，将传感器称为变换器、探测器或检测器等。 还应说明，并不是所有的传感器都能明显分清敏感元件和转换元件两个部分，而往往 是两者合二为一。可以说，凡能把外界的各种信息和能量变成其他信息和能量的器件 均可作为传感器来定义。 传感器之所以具有能量信息转换的机能，在于它的工作机理是基于各种物理的、 化学的和生物的效应，并受相应的定律和法规所支配。作为传感器工作物理基础的基 本定理主要有以下四种类型。 ( 1 ) 守恒定律。包括能量、动量、电荷量等守恒定律。这些定律是研究、开发、 分析、综合现有传感器必须严格遵守的基本法则。 ( 2 ) 场的定律。包括动力场的运动规律、电磁场的感应定律等，其作用与物体 在空间的位置和状态有关，场的定律可由物理方程给出，作为许多传感器工作的数学 模型。 ( 3 ) 物质定律。它是表示各种物质本身内在性质的定律( 如虎克定律等) ，通常 以这种物质所固有的物理常数加以描述，因此，这些常数的大小决定着传感器的主要 性能。 ( 4 ) 统计法则。它是把微观系统与宏观系统联系起来的物理法则，这些法则常 常与传感器的工作状态有关，它是分析某些传感器的理论基础。 2 2 传感器的组成分类与选型 2 2 1 传感器的组成1 4 目前，由于电子技术的进步，使电学量具有便于传输、转换、处理、显示等特点， 凶此传感器将非电量转换成电量输出。 传感器一般由敏感元件、转换元件、和基本转换电路三部分组成，如图2 一i 所示。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 骂匡卜恒 咂母霉 图2 - 1 传感器结构组成示意图i 4 1 ( 1 ) 敏感元件。直接感受被测量，并以确定关系输出某一物理量。如弹性敏感 元件将力转换为位移或应变输出。 ( 2 ) 转换元件。将敏感元件输出的非电物理量( 如位移、应变、光强等) 转换 成电路参数( 如电阻、电感等) 或电量。 ( 3 ) 基本转换电路。将电路参数转换成便于测量的电量如电压、电流、频率等。 实际上传感器有的很简单、有的很复杂。有些传感器只有敏感元件，感受被测量 时直接输出便于测量的电量，有的则由敏感元件和转换元件组成，无需基本转换电路， 有些敏感元件和基本转换电路组成，还有些转换元件不止一个，要经过若干次转换才 能输出电量。大多数传感器为开环系统，也有个别为带反馈的闭环系统。 由于空间限制或技术原因，基本转换电路一般不和敏感元件，转换元件装在一个 壳体内。但现在集成电子技术的发展使情况有了变化，现在有的集成传感器已经可以 把基本转换电路、甚至后续信号处理电路都集中到传感器的壳体。 作为一个非电量检测系统，为了能驱动显示、记录仪表，控制器或输入微机，即 相对输入有一个具有一定精确度的输出，还需借助信号预处理电路，对电量信号进行 必要的放大、运算、分析及特殊处理等。通常将这部分电路及基本转换电路统称为传 感器的测量电路。 2 2 2 传感器的分类 目前采用较多的传感器分类方法主要有【4 ： 1按被测物理量分类。这种方法明确表明了传感器的用途，便于使用者选择， 如位移传感器用语测位移等。 2按传感器的工作原理分。这种方法表明了传感器的工作原理，有利于传感器 设计和应用，如电感式传感器、电容式传感器等。 3按传感器转换能量的情况分类。 ( 1 ) 能量转换型。又称发电型，不需外加电源而被测能量转换成电能输出， 这类传感器有压电式、热电偶、光电池等。 。 摹丁c a n 总线的测试系统研究与殴计 ( 2 ) 能量控制型。又称参量型，需外加电源才能输出电能量。这类传感器有 电阻、电感、霍尔式等传感器以及热敏电阻、光敏电阻、湿敏电阻等。 4按传感器的工作机理分类。 ( 1 ) 结构型：被测参数变化引起传感器结构变化，使输出电量变化，利用物 理学场的定律和运动定律等构成，如电感式、电容式。 ( 2 ) 物性