（通信与信息系统专业论文）基于canopen协议的水温自动站的设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 提高防灾减灾能力，做好应对水温变化工作，是保证广大水产养殖户获得 利润的首要条件。做好这些工作的首要前提是提高预报预测的准确率，根本目 的是增强防御的服务能力，而可靠的水温观测系统提供的准确、可靠的观测数 据，是提高预报预测准确率和服务能力的重要保证。为了应对天气、气候的变 化，有必要对水温进行长期、连续和稳定可靠观测。 本文以控制器局域网( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k , c a n ) 总线和嵌入式系统构 建水温自动站系统平台，采用c a n o p e n 协议来实现水温站的主站和从站之间的 应用通信，完成水温的自动检测。在嵌入式系统中由于a r m 具有很好的控制管 理功能和强大的运算功能，并且功耗低，实时性好，故本文采用目前主流微控 制器a r mc o t c x - m 3 芯片作为系统核心设计硬件平台，并在此平台上采用简单 实用的c o o c o xc o o s 构建嵌入式操作系统，以此为平台实现水温自动站系统的 开发和设计。水温自动站的主站和从站之间的通信由各自的c a n 控制器来实现， 而本文所选取的c a n 控制器并不是一个独立的c a n 控制器设备，而是微控制 器内部集成的c a n 控制器，它可以用来构建功能强大的局域网，支持极高安全 级别的分布式实时控制。 本文首先介绍了目前水温测量的现状，并阐述了本文所设计的水温站的特 点，分析了c a n 总线及c a n o p e n 协议的相对优势，在基于c a n 总线和c a n o p e n 协议的基础上实现了水温自动站系统平台的软件、硬件以及协议的整体设计方 案；其次，在硬件方面，完成了水温自动站的c a n 控制器外围接口电路的设计， 并采用增加终端电阻的方法克服总线传输干扰。在温度测量设计方面，选用四 线制测温系统并选取两个标准参考电阻来提高测温系统的精确度；再次，分析 了c a n o p e n 协议的基本通信原理，并依据该原理实现了过程数据对象( p r o c e s s d a t ao b j e c t , p d o ) 通信，服务数据对象( s e r v i c ed a t ao b j e c t ，s d o ) 通信，网络 管理功能( n e t w o r km a n a g e m e n t , n m t ) ，心跳( h e a r t b e a t ) 监控等功能，基本 实现了c a n o p e n 协议的通信功能；最后，对各个整个水温自动站系统进行了测 试。测试表明，水温自动站系统能正常的实现c a n o p e n 协议的基本通信功能， 并实现正常的水温测量，具有定的可操作性和实用性。 关键词：c a n o p e n ，对象字典，过程数据对象，服务数据对象，水温自动站 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t 硼1 ef i r s tc o n d i t i o no fa q u a c u l t u r ef a r m e r st og e tp r o f i ti st oi m p r o v ed i s a s t e r p r e v e n t i o na n dm i t i g a t i o nc a p a b i l i t i e s a n dp r e p a r et od e a lw i mc h a n g e si nw a t e r t e m p e r a t u r e n l em o s ti m p o r t a n tp r e r e q u i s i t ef o rd o i n gs u c hw o r ki st oi m p r o v et h e a c c u r a c yo ft h ef o r e c a s t s n ef u n d a m e n t a lp u r p o s ei st oe t l h a n c et h es e r v i c eo ft h e d e f e n s ec a p a c i t y r e l i a b l ew a t e rt e m p e r a t u r eo b s e r v i n gs y s t e mc a l lp r o v i d eu s a c c u r a t ed a t a , w h i c hc a l lg i v eu sa l li m p r o t a n tg u a r a n t e et oi m p r o v et h ep r e d i c t i o no f f o r e c a s ta c c u r a c ya n ds e r v i c ec a n a b i l i t i e s i no r d e rt oc o p ew i mt h ew e a t h e ra n d c l i m a t ec h a n g e s ，i ti sn e c e s s a r yt oo b s e r v ew a t e rt e m p e r a t u r ef o ral o n g - t e r ma n d c o n t i n u o u sa n dr e l i a b l et i m e c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ( c a n ) b u sa n de m b e d d e ds y s t e mw e r eu s e dt ob u i l d a u t o m a t i cw a t e l t e m p e r a t u r es t a t i o n , i nt h ea u t o m a t i cw a t e rt e m p e r a t u r es t a t i o n s a p p l i c a t i o nl a y e r ，c a n o p e np r o t o c o lw a su s e dt oa c h i e v ea u t o m a t i cd e t e c t i o no ft h e w a t e rt e m p e r a t u r e i nt h ee m b e d d e ds y s t e m ，删o w n e dg o o dc o n t r o lc a p a b i l i t i e s ， p o w e r f u l c o m p u t i n gc a p a b i l i t y , l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dg o o d r e a l - t i m e t h e r e f o r e ，a r mc o t e x - m 3w a sc h o s ea st h em i c r o c o n t r o lf o rt h ec o r eo ft h es y s t e m h a r d w a r ep l a t f o r m ，b a s eo i lt h i sh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h ea u t o m a t i cw a t e rt e m p e r a t u r e s t a t i o ns y s t e mc h o s es i m p l ea n dp r a c t i c a lc o o c o xc o o st ob u i l da ne m b e d d e d o p e r a t i o ns y s t e m 1 1 1 et h e s i su s e dt h e s ep l a t f o r m s t od e s i g na n di m p l e m e n tt h e a u t o m a t i cw a t e rt e m p e r a t u r es t a t i o n t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nm a s t e ra n ds l a v e t h o u g hc a nc o n t r o l l e rw h i c hw a sn o tas t a n d - a l o n ed e v i c e ，b u tai n t e g r a t e d m i c r o - c o n t r o l l e r i tc o u l db eu s e dt ob u i l dap r o w e r f u ll a na n ds u p p o r t e df o r d i s t r i b u t e dr e a l - t i m ec o n t r o lo fav e r yh i g hl e v e lo fs e c u r i t y t h et h e s i sf i r s ti n v o i c e dt h es t a t u so ft h ec u r r e n tw a t e rt e m p e r a t u r e m e a s r e m e n t sa n dd e s c r i b e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ea u t o m a t i cw a t e rt e m p e r a t u r e s t a t i o nw h i c hw a sd e s i g n e di nt h et h e s i s ，a n dt h e na n a l y s i s e dt h ea d v a n t a g e so ft h e c a nb u sa n dc a n o p e np r o t o c 0 1 b a s eo nt h e s e ，t h et h e s i sa c h i e v e dt h ea u t o m a t i c w a t e rt e m p e r a t u r es t a t i o n ss o f t w a r e ，h a r d w a r ea n dp r o t o c o ld e s i g n s e c o n d l y ，o nt h e b a s i so ft h eo v e r a l ls y s t e mh a r d w a r ed e s i g n ，t h et h e s i sa c h i e v e da u t o m a t i cw a t e r i i 武汉理工大学硕士学位论文 t e m p e r a t u r es t a t i o n sc a nc o n t r o l l e rp e r i p h e r a li n t e r f a c ec i r c u i t , a n du s e dt h e t e r m i n a t i o nr e s i s t o r st oo v e r c o m et h eb u st r a n s m i s s i o ni n t e r f e r e n c e i nt h ep a r to ft h e t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n th a r d w a r ed e s i g n , f o u r - w i r et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t s y s t e ma n dt w os t a n d a r dr e f e r e n c er e s i s t o r sw e r ec h o s et oi m p r o v et h ea c c u r a c yo f t h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e m t h i r d l y ，b ya n a l y z e dt h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h e c a n o p e n p r o t o c o l ，t h e t h e s i s c o m p l e t e d p r o c e s sd a t a o b j e c t s c o m m u n i c a t i o n ，s e r v e rd a t ao b j e c t sc o m m u n i c a t i o n s ，n e t w o r km a n a g e m e n t f u n c t i o n sa n dh e a r t b e a tm o n i t o r i n gf u n c t i o n s ，r e a l i z e ds o m ec o m m u n i c a t i o n f u n c t i o n so ft h ec a n o p e np r o t o c 0 1 f i n a l l y , t h et e s t sw e r ed o n eo nt h ea u t o m a t i c w a t e rt e m p e r a t u r es t a t i o ns y s t e m t e s t ss h o w e dt h a ta u t o m a t i cw a t e rt e m p e r a t u r e s t a t i o ns y s t e mc a l lc o m p l e t et h ec m m u n i c a t i o nf u n c t i o n so fc a n o p e np r o t o c o l ，a n d c a l lm e a s u r ew a t e rt e m p e r a t u r ea c c u r a t e l y , i to w n e do p e r a b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t y k e yw o r d s ：c a n o p e n , o b j e c td i c t i o n a r y , p d o ，s d o ，a u t o m a t i cw a t e rt e m p e r a t u r e s t a t i o n i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 伴随着计算机、通信系统、网络多样化产业的不断向前发展和日益壮大， 给信息交换技术的发展也带来了质的飞跃发展，使得不论是在工业现场设备还 是信息化管理技术都得到了不断的发展。信息技术的不断创新推动着自动化工 业控制技术的不断升级优化，并且促使了以网络集成化系统为基础的企业信息 系统的发展和壮大。现场总线就是信息技术和计算机网络两者发展浪潮的产物。 将现场总线技术与嵌入式系统技术应用到生活中也越来越广泛，水温自动站系 统正是体现了现场总线与嵌入式技术的结合的特点，在水产养殖中起到广泛应 用。 1 1 课题研究背景及意义 水温测量对于勘测水质状态提供了重要的有利条件，因此德到精确实时的 水温数据对于水温的检测来说显得尤为重要。传统的测量水温方法只是采用普 通的温度计来测量水温，这样也只能测量到水表面的温度，对于深水地区的温 度探测容易导致错误的判断。目前市面上比较高端的水温测量计是用单片机控 制传感器来测量水的温度值，同时把测量的温度值显示在l e d 数码管上，这类 测温计的缺点在于首先它只能显示当前的温度值，不能查询过去的水温值，不 方便统计，并且由于传感器和微控制器处理能力等自身的特性，导致数据处理 慢，测量温度不准确：其次，该设备一般只有一个传感器，对于不同深度的水 温度不能同时显示不同深度值的水温值；最后，最大的障碍在于不能进行远程 操作和远程查看，要获得水温值必须是到现场查看l e d 数码管的显示示数，不 方便安装在空旷无人管理的户外，同时功耗也相对较大。 本文采用现场总线技术和嵌入式技术来构建水温自动站系统，它的处理器 采用a r m 控制器，具有处理能力强，运算快等优点【l 】，该水温自动站系统正是 能够克服市面上水温测量仪的不足之处，能够同时显示不同深度的水温的系统， 该系统不仅能实时显示目前的温度状态、每小时的最高温度、每小时的最低温 度、最高温度最低温度出现的时间，同时还为用户提供查询3 个月以内的水温 情况，同时可以外接g p r s 模块，可以实现将水温数据发送至远程客户端，能 武汉理工大学硕士学位论文 够实现远程检测与设置，对于研究分析和观测水产品的生长带来了方便，对水 产品利润的提高有了一个可靠的保障。 1 2c a n 总线及c a n o p e n 协议的优势分析 现场总线，一般是指安装在生产过程中的区域现场设备、仪器仪表与控制 室内的自动控制装置或系统之间的一种串行、数字式、多点、双向通信的数据 总线。现场总线是单个分散的数字化、多样化的测量和控制设备作为网络节点， 用总线相连，达到实现信息交换的目的，来共同实现自动控制功能的网络系统 和控制系统【2 】【3 】【4 】。它是一个开放的通信系统网络，同时也是一个全分布控制系 统，它起着一个纽带的作用，来联系各个设备，它可以把各个设备作为_ 个设 备节点连接在总线上，同时更进一步的将整个网络组成一个多样化自动控制系 统，构成一个以网络、通信、补偿计算、参数设置与修改、报警与显示、控制 为主要内容的多功能技术，达到基本的控制功能，形成一个网络控制系统【4 】。 c a n 属于现场总线的范畴，它是一种能够支持分布式控制或实时控制的串 行通信网络之一5 】【6 1 。和目前的使用的r s 4 8 5 分布式控制系统网络而言，基于 c a n 总线的分布式控制系统有着以下几点优势r 7 】： 首先，c a n 控制器可以很好的支持多主系统下的工作方式，这样就能够保 证所有在系统网络中的节点都可以根据总线访问优先权( 报文标识符中包含优 先权信息) 来使用无损结构和逐位仲裁的方式竞争向总线优先发送数据的权利， 优先发送优先级较高的数据报文，这样提高了系统的实时性，保障了可靠数据 的优先发送： 其次，c a n 总线协议不再使用站地址编码的工作方式，取而代之的是采用 更加可靠的通信数据格式进行编码，这样带来的好处就是网络系统中的不同节 点就可能同时接收到相同的数据，这种编码方式保证了由c a n 总线构成的网络 中的各个节点之间的数据通信实时性增强，这样使得c a n 控制系统构成的网络 的可靠性和灵活性都大大增强。而利用r s - 4 8 5 总线只能构成单一的主从式结构 系统，其通信方式也只能是单一的依靠主站查询的工作方式进行通信，整个系 统的实时性和可靠性相对于c a n 控制系统网络都较差； 再次，c a n 总线通过c a n 控制器的两个输出端c a n h 和c a n l 直接与物 理总线相连接，减少了外围接口的复杂性，同时c a n h 端得电平状态只可能是 高电平或者是悬空状态，而c a n l 端的电平状态只可能是低电平状态或者是悬 2 武汉理工大学硕士学位论文 空状态，这样c a n 总线上传输的是c a n i - i 和c a n l 的差分信号，这样就可以 保证不会出现像在r s - 4 8 5 通信网络中，当系统出现错误的时候，例如：如果网 络中的多个节点同时向系统总线发送数据的时候，导致总线出现短路的情况， 以至于损坏某些节点的现象，从而导致总线通信中断。而c a n 总线在传输的过 程中，如果出现严重错误的情况，c a n 总线能够自动关闭总线输出功能，这样 可以保障总线上其他节点的正常通信而不受个别错误的影响，导致整个系统通 信瘫痪，提高了系统的可靠性： 最后，c a n 总线系统具有完善的通信协议规范体系，可以由c a n 控制器芯 片以及外围接口电路来实现，这样可以大大降低系统的开发难度，缩短了系统 的开发周期，降低了开发成本，这些优点都是其他总线所无法比拟的。同时， c a n 总线的通信速率高，抗干扰性强，且容易实现，性价比高等优点，已经形 成了国际标准的现场总线，在全球范围内都有广泛的应用，并不断走向成熟。 但是，c a n 本身存在着一定的局限性，它是一个底层的协议规范，协议里面只 是详细的说明了物理层和数据链路层，事实上c a n 并不是很完整。还有很大一 部分更复杂的应用都需要更高层次的协议来解决。例如：c a n 的数据帧每次最 多只能发送小于等于8 字节的数据，不可以传送大于8 字节的数据帧，在现实 的应用中一般都是大量的数据传送，从而降低了传送效率；c a n 不能提供确认 应答的数据传送服务，只提供了非确认的数据传输，等等。正因为存在这些局 限性，c a n 协议许可各个生产设备厂家在基于c a n 的物理层的基础上自主研发 更高层的应用协议，来达到不同设备应用的需求。虽然这样可以让c a n 更加灵 活的运用于不同的工业控制系统，但与此同时也带来了c a n 应用层协议不统一 的问题，造成每一套设备对应不同的协议的局面。 面对这种不统一的局面，1 9 9 2 年5 月，在德国正式成立自动化c a n 用户和 制造商协议( c a ni n a u t o m a t i o n ，c i a ) 组织。c i a 的首要任务就是规范c a n 的 应用层，同时向其用户提供一系列的c a n 标准、使用手册和测试的服务【8 】 9 】【10 1 。 次年，在c a n 的开发团队德国的b o s c h 公司的带领下，在e s p r i tp r o j e c t a s p i c 范围的基础上，研究出个原型，并由此发展成为了c a n o p e n 。它是c a l 的一个子协议，该协议主要在产品部件的内部网络控制系统应用，该协议的理 论主要来源于德国r e u t l i n g e n 的a p p l i e ds c i e n c e 大学教授g e r h a r dg m h l e 。协议 规范完成之后，c a n o p e n 规范协议移交到c 认国际标准组织，由它们负责 c a n o p e n 协议的后期维护与开发。1 9 9 5 年的时候，c i a 国际组织完成了完整的 c a n o p e n 通信子协议，在短短的5 年之内，c a n o p e n 协议标准已经成为了当时 武汉理工大学硕士学位论文 欧洲最为流行的嵌入式网络标准。c a n o p e n 协议不仅规范了通信子协议，对应 用层也进行了完善的规范，同时还为不同的设备、各种c a n 控制器接口详细定 义了使用规范。这正是工业和控制领域大量使用c a n o p e n 协议的一个重要原因 专一【1 1 1 2 1，o口 1 3c a n o p e n 通信协议国内外发展现状 。现场总线技术在一些工业发达的国家和地区迅速发展起来，并且逐步得到 应用和完善，具有广阔的市场前景。现在，现场总线技术规范已经逐渐在工业 化甚至国际标准的认可，现场总线技术的研究和发展也不断走向日趋成熟的阶 段。 c a n o p e n 协议已经成为一种新型的工业化现场总线标准，在它发布5 年后 就很快成为欧洲最重要的、应用最广泛的嵌入式网络标准。在欧洲和一些工业 发达的地区和国家，c a n o p e n 协议已经被认为是在基于c a n 的工业系统中占领 导地位的标准。而且c a n o p e n 应用层协议在国外已经得到广泛应用，并受到足 够的重视。c a n o p e n 协议在欧洲已经在医疗装置中得到广泛应用，并且逐渐向 安保控制系统迈进；一些公司和一些工厂自动化控制系统也是大部分都采用 c a n o p e n 协议来设计的，比如：无人驾驶系统、半导体生产系统以及日常的家 具生产都得到了广泛的应用；在美国，c a n o p e n 应用层协议成为工业化控制系 统的标准，在公共运输设备和装载机械中已经得到应用，同时，美国的铁路系 统，比如拉斯维加斯的单轨铁路系统、单向控制铁路系统中都应经应用了 c a n o p e n 高层协议；不仅如此，它还被广泛的应用到专业的交通工具，多功能 建筑等等，比如：电车、船舶、地铁、电梯；同样，在医疗设备、航海航空系 统、实验室设备和饭店都广泛的应用了c a n o p e n 高层协议。c a n o p e n 的最重要 的一个应用领域就是自动化机器的嵌入式控制系统，在大型设备中，比如：包 装机、印刷机、注塑机等内部嵌入式网络都已经得到了很好的实现。现阶段， 国外有些机构最新的研究是把c a n o p e n 与无线传输，构建无线传感网络作为研 究目标。由此可以看出，在欧洲一些发达国家和地区，c a n o p e n 技术已经得到 了广泛的应用并且具有宽广的应用前景【l 3 1 。 就目前国内的情况来说，国内有比较多的c a n 的基本应用，c a n 相对于传 统的4 8 5 通信协议而言，c a n 总线相对于它们具有更高的传输效率和更强的抗 干扰的能力。因此，国内大部分的采用c a n 总线控制系统来取代4 8 5 通信协议， 4 武汉理工大学硕士学位论文 但是国内的基于c a n 总线的研究只是停留在怎样利用c a n 控制系统来完善现 场总线控制系统。 而关于c a n 总线的应用层协议的研究就要少很多。c a n o p e n 作为c a n 的 高层应用协议，就相对来说更少。关于c a n o p e n 的研究一般都是采用国外的商 业控制系统或是仿真软件，只是概述如何使用这些节点，而不是如何设计一个 c a n o p e n 节点。 中国单片机公共实验室从1 9 9 9 年开始研究c a n o p e n 协议和s a e j l 9 3 9 标 准。但是，在国内，除了中国单片机公共实验室之外，很少再有其他机构进行 深入的研究。在大学研究所中，也仅仅只有北京工业大学和天津大学在这方面 有相应的贡献。然而，这些研究成果也只是停留在如何改造国外开源的c a n o p e n 协议来达到实现c a n o p e n 节点的目的【8 】。 1 4 本文主要工作及结构安排 本文的主要工作是硬件平台的构建、应用软件和c a n o p e n 协议的实现。其 功能是主站主要完成从站发送的采集温度值，并存储到f l a s h ，同时完成与上位 机之间的通信，上位机软件主要有查询和设置命令，当发送查询命令时，主站 接收命令并解析命令，发送上位机所要查询的数据到到上位机系统；当上位机 要发送设置命令时，主站解析命令并接收上位机的设置参数，更改主站的相应 参数值。同时主站也每隔一定的时间向从站发送命令，可以获得从站的节点电 压、海拔高度、地理位置等信息，同时主站采用一定的算法，将从从站获得的 信息存到文件系统里面。从站主要完成温度采集，将采集到的温度值进行处理 并通过c a n 总线发送到主机，同时将从节点的节点电压或地理信息发送到主机； 在c a n o p e n 协议方面，主要实现了c a n o p e n 通信的最基本的要素，包括：生 产者到消费者之间使用p d o 来发送实时数据，客户端到服务器之间采用s d o 来读取或设置某一对象字典的值，通过n m t 网络管理功能实现从节点运行状态 的改变，同时使用心跳协议来让主站监控从站的运行状态。各个章节的实现如 下： 第一章：首先简单介绍了水温自动站的目前状况以及本文设计的水温自动 站的主要功能，其次阐述了c a n 总线和其他分布式控制总线所拥有的优点和一 些不足之处，同时分析了国内外c a n o p e n 协议的应用现状和发展前景，最后阐 述了本文的主要工作内容； 武汉理工大学硕士学位论文 第二章：对水温自动站进行了整体设计，采用主站和从站的方式来实现温 度采集和数据处理分离处理的方式，主站实现数据处理，从站实现数据采集， 并对主站和从站的硬件电路整体框图和功能进行了分析和介绍，同时对 c a n o p e n 通信协议的原理进行了剖析，并给出了具体的c a n o p e i l 通信的总体设 计流程： 第三章：阐述了水温自动站硬件平台的c a n 控制器外围电路，并在c a n 通信的基础上增加了终端电阻，提高了通信中抗干扰的能力，同时分析了水温 测量电路的基本原理和依据，采用两个标准电阻达到高精度温度检测，有效的 防止了温度漂移的影响依据这些原理设计电路，同时完成了c a n 驱动设计，实 现了水温自动站的主站和从站之间的c a n 通信； 第四章：以水温自动站为硬件基础平台，详细阐述了在此平台上实现 c a n o p c n 协议通信，完成了c a n o p c n 通信的实时数据传输，服务数据处理，网 络功能管理和心跳设备监控的目的： 第五章：依据所设计的硬件平台和软件协议，并对整个系统进行了测试， 讨论了c a n o p e n 通信协议在水温自动站的主站和从站之间的通信实验结果，结 果表明系统能够正常通信： 第六章：总结本文的主要工作，并对后续工作进行了展望。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章水温自动站系统总体设计 为实现水温的自动检测，并实现站与站之间的管理，保障传输的可靠性，在 主站和从站之间使用c a n 总线实现传输，同时c a n 总线有完整的c a n o p e n 应 用层协议，c a n o p e n 协议规范了数据对象的传输和数据对象的访问，同时规范 了网络管理功能，可以实现多个站点之间的管理和运行状态的监控。本章所要 实现是的整个水温自动站系统的总体设计，包括主站和从站的硬件电路的设计 框图，软件的通信协议和软件的总体设计流程。 2 1 系统微控制器芯片的选型 目前市面上有很多的微控制器，例如三星系列的s 3 c 2 4 1 0 、爱特梅尔系列的 m e l 9 2 0 0 、c 5 1 单片机系列等等。前两者虽说功能上较强大，但是功耗相对 也比较大，不适合在户外长期工作，而且部分芯片内部没有c a n 控制器，需要 额外接c a n 控制器；后者虽然功耗可以比较低，但是同时没有c a n 控制器， 并且数据处理能力欠缺。而a r mc o r t e x m 3l p c i 7 6 6 微控制器不仅功耗比较低， 而且片内集成了c a n 控制器，可以构成一个局域网，并支持高安全级别的分布 式实时控制，可以在各种工业控制领域发挥巨大的作用，并具有强大的诊断监 控功能。该微控制器的片内c a n 模块可以同时支持多个c a n 总线，多个c a n 总线器件可以实现网关、交换机或路由功能。综合考虑本文选择l p c i 7 6 6 为主 控制器，l p c i 7 6 6 微控制器的c a n 模块由控制器和验收滤波器这两部分组成。 l p c i 7 6 6c a n 控制器带有一个发送和接收缓冲器，它提供了连接到a p b 界 面、验收滤波器、嵌套向量中断控制器( n v i c ) 、c a n 收发器和通用状态寄存 器的接1 3 1 4 1 ，其结构如图2 - 1 所示： l , 一s 1 1 l l 一 l ir a t t - e - - , c p l l m t w i ck 司 i - 儡f 囊葺- l 生麓曩冉1 2 。k f 。髻譬。b a t i * , l v - t l i i i l 鲁t * t 一 一剖- 鞭麓- 轧。卜 位撼t 曩- 图2 - 1c a n 控制器结构图 7 武汉理工大学硕士学位论文 t x b 是一个发送缓冲器，每个发送缓冲器可以存放一个完整的c a n 报文 【1 4 1 ，其结构如图2 2 所示： t 体- i i 播述符区壤 t i d j 1 孙， i 羹嚣区域 1 j 图2 2 发送缓冲器结构图 鼢是一个接收缓冲器，所有从c a n 接收到的报文都存放到接收缓冲器中， 这样微控制器就可以处理一个报文的同时接收另一个报文。接收到的最大数据 字节为8 个，如果接收缓冲器中没有足够的空间存放一个新的报文，如果该报 文通过了验收并且有效时，此时c a n 控制器会产生数据超载，此时一部分写入 到接收缓冲器的报文会被删除，同时会通过相应的寄存器通知c p u ，接收缓冲 器的结构如图2 - 3 所示【1 4 l ： 3 12 42 31 6 1 51 1 090 一箍t 标志位 回堕汪圃匾匝蔓囤瞒 描黼区壤 束使用 i o 船i d i b l 毗d j 1 i 戢据it x 教据3 l 住数据2 r x 教据1r 鼬 t x 敦m st x 赣舞7n 敦据6t x 散据5 b - j = 二= 二= = 二二二二= 二= 二二= 二= ：=l 教据区壤 图2 3 接收缓冲器的结构图 验收滤波器为所有的c a n 控制器提供了接收标识符的查找，它使用快速的 硬件实现搜索算法。验收滤波器包含一个2 k b 的洲，可以存放1 - 5 个标识符 表到r a m ，并且这个ra m 最多只能容纳1 0 2 4 个标准标识符或者5 1 2 个扩展标 识符。由于r a m 所允许的表格范围有2 k 字节，所以很容易的满足设计复杂的 m 接收过滤要求。 验收滤波器有四种工作模式可以选择，每种模式下，寄存器和d 查找表的 访问操作都不同。 ( 1 ) 关闭模式：验收滤波器关闭模式在初始化的时候使用，在这个模式下， 可以对所有的寄存器和查找表r a m 进行无条件访问，并且不接收c a n 报文， 因此接收缓冲器中不会收到有效的报文； ( 2 ) 旁路模式：在该模式下可以更改d 查找表存储器的标识符，可以改 变一个正在运行系统中的验收滤波器配置： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 正常模式：在这种模式下，验收滤波器处于正常工作模式； ( 4 ) f u l l c a n 模式：在这种模式下，验收滤波器以“f u l l c a n 控制器的 形式自己处理所选c a n 总线上的报文。 当c a n 控制器的接收端接收到一个完整的c a n 报文的时候，它首先解析 出c a n 标识符信息，并将解析出的标识符信息发送给接收过滤器。接收过滤器 接收到信号并立即响应，获取出控制器的相关编号和标识符，并将得到的标识 符与r a m 表中的标识符进行匹配，从而来决定该帧消息是接收还是丢弃，如果 r a m 表中能找到匹配的标识符，则接收该消息帧，否则，如果没有匹配的标识 符，则丢弃该消息帧【b 】【1 6 】。 2 2 水温自动站系统硬件电路总体设计 本文所选取的微控制器为a r mc o r t e x - m 3l p c i 7 6 6 芯片，该芯片是一个通 用的3 2 位微处理器，具有高性能和超低功耗，同时该微控制器还提供了许多新 的特性，包括低中断延时、硬件除法、可中断可持续的多次加载和存放指令、 对中断的自动状态进行保存和恢复、紧密结合中断控制器与唤醒中断控制器、 多条内核总线可同时用于访问。含有5 1 2 k b 的片上f l a s h 存储器和6 4 k b 的片上 静态r a m 存储器，可以提供在线编程，并且可以存储多个控制参数。其中c a n 通信模块采用a r m 内部的c a n 控制器和高速c a n 隔离收发器c t m 8 2 5 1 t 1 7 】 来实现。c a n o p e n 硬件系统的主站、从站框架如图2 - 4 所示： ! ! 苎竺壁竺l 眦高 鲥 困 i 电于开关i 墅h l 罡臣三一“蝇- ( 圃- 臣堕 由禹h 图2 _ 4 水温自动站系统主站、从站硬件整体框图 在水温自动站系统中主站与从站采用c a n o p e n 通信，从站采用1 0 通道温度传 感器采集不通深度的温度，将采集到的温度值通过p d o 发送到主站，每个通道 的传感器的温度包括该通道分钟平均温度及该温度出现的时间、分钟最高温及 该温度出现的时间、分钟最低温及该温度出现的时间。由于从站放到水中，故 9 武汉理工大学硕士学位论文 从站的供电也通过主站来供电，从站每隔一定的时间给主站上报电量，同时从 站每隔一定的时间发送心跳报文，让主站得知从站的运行状态。主站收到从站 发送的数据并进行相应的处理，同时将处理后的温度值保存到f l a s h 里面，上 位机可以向主机发送命令，获取或设置站点信息、经度、纬度、时间、温度等， 主机接到上位机的命令后将相应的数据通过串口发送至上位机显示。主站可以 通过n m t 来控制从站的状态为初始化、预预操作、操作或停止状态，同时也可 通过s d o 读取设置服务器( 从站设为服务器) 的对象字典。 2 3 系统软件运行平台的构建 k e i l 相对于其他编译器来说它集编辑、编译、仿真于一体，并且支持汇编， p l m 语言以及c 语言的程序设计，人性化的友好界面且容易操作，很容易上手 实践。用k e i l 编译生成的目标代码运行效率非常之高，它所编译的代码生成的 可执行汇编语言高效简洁。相对于其他编译器来说掌握起来比较容易，操作简 单，容易上手。这样k e i l 在开发大型软件时更能体现高级语言的优越性。与汇 编相比，c 语言在功能上、结构的紧凑性、代码的可读性、系统的可维护性上有 明显的优势【1 8 】，因而易学易用，尤其对嵌入式领域来说，c 语言是最简单使用 的语言。如果用过汇编语言之后再来使用c 语言来开发工程，则会更加体会到c ： 语言的简洁性和方便性。k e i l 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试 工具，支持在线和断点调试，全w i n d o w s 人性化界面【1 9 】【2 0 1 。因此本文的软件平 台的编译环境是选择在k e i l 软件平台上编译完成的。 目前嵌入式领域的实时操作系统比较多，比如“c o s 1 1 ，f r e e r t o s ，以及 a r m 的r t x ，但是综合考虑本文选择c o o c o xc o o s 。c o o c o xc o o s 是专门针 对c o r t e x m 3 内核处理器设计的一款实时操作系统，它的使用方法和i t c o s i i 差不多，最主要的是增加了一个同优先级任务之间时间片轮转的功能( 1 x c o s i i 中不能有同优先级的任务) ，上手起来容易f 2 1 1 。c o o c o xc o o s 是一款针对a r m c o r t e x m 系列芯片而设计的实时系统内核。c o o c o xc o o s 特征【2 2 】： ( 1 ) 整个内核代码免费并且是开源共享 ( 2 ) 主要针对的是a r mc o r t e x 系列定制操作系统 ( 3 ) 支持裁剪，且最小系统内核只有9 7 4 b y t e ( 4 ) 支持时间片轮转和优先级抢占方式 ( 5 ) 自适应任务调度算法 l o 武汉理工大学硕士学位论文 ( 6 ) 中断延时很小，基本趋近于零 ( 7 ) 内核堆栈溢出的自检测 ( 8 ) 支持邮箱、信号量、消息队列、事件标志、互斥等同步通信方式 ( 9 ) 支持的编译器有：i c c 删、a r m c c 、g c c 与r t c o s 相比优点： ( 1 ) 完全开源并免费 ( 2 ) 硬件系统开销更小 ( 3 ) 功能更强大 ( 4 ) 完善的中文文档与技术支持 ( 5 ) c o r t e x - m 平台专用，无需移植 2 4 水温自动站系统的通信协议的选择 由于c a n 只定义了物理层和数据链路层，为了能让设备之间通过c a n 进 行通信，用户需要定义一些与应用相关的定义。为了知道哪些消息具有高优先 级，哪些消息具有低优先级，以及设备之间是否有先后顺序，需要将网络中的 c a n 标识符预先分配给设备。为了防止c a n 报文冲突，用户还需做出一些相关 的定义的同时还要保证设备能够通过c a n 总线提供统一的接口j 这样就造成了 应用层的不统一的局面，为解决c a n 协议的各种问题，通过引入c a n o p e n 协 议，规范应用层协议。为了更好的观察c a n o p e n 设备，了解其结构组织，采用 一种基本的设备模型【2 3 1 ，如图2 5 所示： 一培 图2 5c a n o p e n 设备模型图 用户可以用该模型设备的各种功能进行描述。由图看出，设备的基本模型 包含：通信单元，对象字典和应用过程三大部分。下面简要介绍这三部分。 武汉理工大学硕士学位论文 通信单元：该部分由c a n 收发器、c a n 控制器和c a n o p e n 协议栈这三部 分组成。协议栈中包括了实现通信的通信对象( 如过程数据对象p d o 和服务数 据对象s d o ) 以及状态机。通信单元提供数据传输所需要的所有通信机制和通 信对象，符合c a n o p e n 规范的数据可以利用这些机制通过c a n 接口进行传输。 对象字典：由图2 5 可知，对象字典是应用单元与通信单元之间的接口，实 际上它是设备的所有参数列表。所有的应用单元和通信单元都可以访问这个参 数列表。在对象字典中每个条目( 对象或者参数) 都有一个唯一的1 6 位索引和 一个8 位的子索引，通过对条目的定位或识别，用户可以对相应的条目进行读 写。 ， 应用过程：应用过程的主要作用是对c a n o p 吼设备的基本功能进行定义或 描述。例如：在i o 设备中，可以对设备的数字或模拟输入输出接口进行访问。 c a n o p e m 协议中定义3 种不同类型的通信关系，分别为主机从机模型、 客户端服务器模型以及生产者消费者模型，它们代表设备之间不同的 数据交换模型。 主机从机模型，该模型仅仅用于网络管理( n m t ) ，只有在这种情况下， 设备之间才会真正地具有主机从机的功能。在主机从机