基于CAN总线的远程电力抄表系统的设计毕业论文 .doc

上海工程技术大学毕业设计（论文）基于CAN现场总线的电梯监控系统设计基于CAN总线的远程电力抄表系统的设计毕业论文目 录摘 要1ABSTRACT20 引言40.1电梯监控发展现状40.2 CAN总线的应用概况50.3 本文主要内容51 基础理论与概念71.1 监控系统的概念71.2电梯远程监控的概念81.3 现场总线技术91.4 CAN总线技术111.4.1 CAN总线概述111.4.2 CAN总线的性能特点151.4.3 CAN 总线的技术规范162 基于CAN总线的电梯监控系统方案232.1 CAN总线电缆及波特率232.2 基于CAN总线的远程电梯监控的拓扑结构232.3 上位机监控软件方案选择243 串口-CAN总线适配器设计273.1硬件设计软件介绍273.2 485-CAN适配器硬件设计283.2.1 RS-485系统概述283.2.2 CAN-485适配器总体设计和工作原理293.2.3适配转换器硬件设计313.2.4转换程序设计343.3 232-CAN 适配器硬件设计373.3.1 RS-232 系统概述373.3.2 CAN-232适配器总体设计及原理383.2.3 硬件设计393.2.4 转换程序设计414 监控软件454.1 建立工程组态454.2 小区主界面设计474.3 电梯监控单元界面494.4监控系统通讯部分504.5 故障模拟525 结论与展望556参考文献567译 文588原文说明7072摘 要近年来具有先进控制技术的电梯日趋普及,尤其在许多新建的智能建筑中更是选用了各种高档电梯,使得电梯监控和弱电控制之间的有机结合成为可能。但由于传统的管理理念以及电梯制造商和弱电供应商的相对独立性,使得电梯监控和弱电控制之间的相互渗透进展缓慢,大多数电梯监控基本上都是电梯供应商提供一个封闭的系统。随着计算机技术和网络技术的发展,使得电梯与楼宇自控管理采用CAN总线进行电梯的分布式控制成为了可能。将电梯的控制功能分为若干模块,又用不同的控制器完成各部分特定的功能,各控制器间采用可靠的通信技术控制局域网传递信息,相互进行通信,协同工作。这样,系统可以实现电缆的插接化,并大大减少井道中电缆数量,减少布线工作量和维护成本。而且,可以使得系统中各个控制器有更充裕的时间用于进一步完善其自身的功能,以改善电梯的性能。本文所设计的系统是基于CAN总线开发的,作为电梯分布式控制的一部分完成对安全回路开关故障的检测,包括检测单元、处理器、CAN总线通信、保护单元等本文主要对一部分己经安装了RS485串行通信的监控系统进行了改造并配以Simatic WinCC组态软件作为监控界面,研究了总线在电梯监控系统中的应用以及实现。关键词：电梯监控系统， CAN总线， RS-485， WinCCElevator Monitoring System based on CAN-busABSTRACTAdvanced control technology in recent years the growing popularity of lift, especially in many new buildings more intelligent use of various high-grade elevator, making the lift between the monitor and control the combination of weak possible.However, traditional management and the elevator manufacturer and supplier of the relative independence of the weak, so weak monitoring and control of elevators between the slow penetration, the majority of the lift elevator monitoring suppliers are basically a closed system.With the computer technology and network technology, making use of elevators and building automation management elevator CAN bus Distributed Control as possible.The elevators control functions are divided into several modules, but also in different parts of the controller to complete a specific function, the controller uses reliable communication between the control of local area network technology to transmit information, communicate with each other, work together.This system can plug the cable-based and greatly reduce the number of wells in the cable, reducing wiring workload and maintenance costs.Furthermore, each controller can make the system have more time to further improve their own capabilities, to improve the lift performance.This detection system is developed based on the bus, distributed control as part of the lift to complete the safety circuit switch fault detection, including detection unit, processor, CAN bus communication, the protection unit, etc. In this paper, has been installed on the part of the RS485 serial communication line monitoring system was modified and accompanied Simatic WinCC configuration software as a control interface to study the bus in the elevator control system application and implementation.Key words: elevator monitoring system， CAN-bus， RS-485， WinCC 基于CAN现场总线的电梯监控系统设计冯煜宸 0221061340 引言随着城市化建设的快速发展，随着人们生活质量的提高，现代化智能住宅小区不断涌现。智能大楼成为一种趋势。而在智能大楼中，电梯的安全稳定运行，是至关重要的。因此，对于及时发现电梯故障并迅速维修就显得相当必要了。目前国内的电梯服务水平大多仍局限于现场电梯出现了问题，通知维修中心，由维修中心派专人到现场勘查并排除故障。响应速度慢，还需要现场派专人监守。小区中的电梯数量多，位置分散，给物业管理带来极大的不便。电梯远程监控系统能够实现对多台电梯运行状态及故障实时监控，降低服务成本，节省大量人力，是现代物业的一种必要手段。0.1电梯监控发展现状具备一定规模的电梯公司均具有结合自己产品的电梯远程监控技术，其特点为：以本公司产品为对象，按照预定接口和通讯方式对电梯运行状态进行监控；不同公司的电梯产品互不兼容。国内90年代以前生产安装的电梯基本无监控接口。近年来国内有的高校、科研单位、电梯配件生产企业开始进行电梯远程监控技术研究，例如天津大学研制的动态模拟电梯实时远程监控和针对奥的斯电梯的远程监测装置；中国建筑科学研究院建筑机械化分院开发的人民大会堂电梯远程监测系统等我国现有电梯各品牌之间均没有一个统一的通信协议，对弱电监控所需的软件和硬件均未作统一的规范，许多甚至不是基本配置。如要作社会集约管理，则对现有电梯的改造工作量将会很大，必须从技术上规范各家电梯供应商对外提供一个统一的通信口和通信协议，从技术上来说应是不成问题的，目前各主要电梯制造商都能做到即使机内的程序不受外界干扰，又可以用一个规范的协议进行通信，向外提供电梯的运行状态或接收来自外部的控制指令。0.2 CAN总线的应用概况20世纪80年代, 德国的BOSCH 公司首先应用CAN总线于汽车内部的测控通信。CAN国际标准化的制定,更加推动了它的发展和应用,已有INTEL、MOTOROLA、PHILIPS、S IEMENS等百余家国际大公司支持CAN总线协议。现在,在欧美等国CAN总线已被广泛地应用于汽车、火车、轮船、机器人、智能楼宇、机械制造、数控机床、各种机械设备、交通管理、传感器、自动化仪表等领域。从“九五”开始, 我国政府就投资支持现场总线的开发,其中CAN 等总线在国内已经得到较广泛的应用,被大量地应用于工农业监控、电厂测控、火灾报警、变电站控制、煤炭综合监控等。很多大专院校及科研单位也投入大量的人力和资金加强现场总线,尤其是CAN总线技术的研究和开发0.3 本文主要内容本文分为五个章节。第一章介绍本文涉及到基础理论与概念。第二章进行总体方案的设计。第三章进行相关适配器的硬件设计。第四章设计电梯监控系统的上位监控系统及界面。最后一章进行总结。1 基础理论与概念1.1 监控系统的概念典型的闭路监控系统主要由摄像机部分、传输部分、控制与记录部分以及显示部分四大块组成。摄像部分是电视监控系统的前沿部分，是整个系统的“眼睛”。在被监视场所面积较大时，在摄像机上加装变焦距镜头，使摄像机所能观察的距离更远、更清楚；还可把摄像机安装在电动云台上，可以使云台带动摄像机进行水平和垂直方向的转动，从而使摄像机能覆盖的角度更大。华赛奥 监控系统 在某些情况下，特别是在室外应用的情况下，为了防尘、防雨、抗高低温、抗腐蚀等，对摄像机及其镜头还应加装专门的防护罩，甚至对云台也要有相应的防护措施。传输部分就是系统的图像信号通路。一般来说，传输部分单指的是传输图像、声音信号。同时，由于需要有控制中心通过控制台对摄像机、镜头、云台等进行控制，因而在传输系统中还包含有控制信号的传输。在传输方式上，近距离一般采用视频线传输，不超过一两公里的距离一般采用同轴电缆传输，更远的距离则可采用光纤传输。对于远距离传输，还需配备视频信号放大、图像信号的较正与补偿设备。控制与记录部分负责对摄像机及其辅助部件（如镜头、云台）的控制，并对图像、声音信号的进行记录。目前硬盘录像机的技术发展得较完善，它不但可以记录图像和声音，而且还包含了画面分割切换、云台镜头控制等功能，基本上取代了以往使用的画面切换器、画面分割器、云台控制器、镜头控制器等产品。如果客户要求能对云台、镜头（特别是高速球）进行非常方便的控制，则可以加配控制键盘。显示部分一般由几台或多台监视器组成。在摄像机数量不是很多，要求不是很高的情况下，一般直接将监视器接在硬盘录像机上即可。如果摄像机数量很多，并要求多台监视器对画面进行复杂的切换显示，则须配备“矩阵”来实现。基站防盗报警监控系统专用监视器价格较贵，为了节省开支，也可用普通电视机替代。目前监控系统随着计算机的发展水平的提高，已经由模拟系统向数字化系统转变，数字化系统在功能上较模拟系统完善，操作极其智能化和集中化等。监控系统适用场所包括：政府机关、电力电信、监狱、军队、银行、金库、超市、商场、宾馆、小区、学校、办公楼、道路监控等。1.2电梯远程监控的概念 电梯远程监控系统（Remote Elevator Monitoring System，REMS），是指某个区域（一幢大楼，一群大楼，一个小区，一个城市，一个国家等）中安装多部电梯后，对这些电梯进行集中远程监控，并对这些电梯的数据资料进行管理、维护、统计、分析、故障诊断及救援。其目的是对在用电梯进行远程数据维护，远程故障诊断及处理，故障的早期诊断与早期排除，以及对电梯的运行性能及故障情况进行统计与分析，并在分析的基础之上选择合理的派梯方案。一般的远程监控系统都包括数据采集、信号转换、信号分析与处理、状态显示以及故障报警等几部分。电梯状态数据从电梯控制柜上的通讯接口出来，经由数据采集模块，在采集模块中通过一番处理，包括协议转换和故障判断等。然后，采集模块再将数据传送给上位机，上位机接收到数据后，根据这些数据，或进行状态画面显示，或通过多种手段（现场语音报警、电话报警、手机短信报警）进行故障报警，并把这些数据存入数据库，进行管理、维护和分析。1.3 现场总线技术现场总线是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。按照IEC的解释现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。 它是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。现场总线主要用于主要用于制造业、流程工业、交通、楼宇、电力等方面的自动化系统中。现场总线技术是控制、计算机、通讯技术的交叉与集成，几乎涵盖了所有连续、离散工业领域，如过程自动化、制造加工自动化、楼半自动化、家庭自动化等等。它的出现和快速发展体现了控制领域对降低成本、提高可靠性、增强可维护性和提高数据采集的智能化的要求。现场总线技术的发展体现为两个方面：一个是低速现场总线领域的不断发展和完善；另一个是高速现场总线技术的发展。而目前现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。从实际应用状况看，大多数现场总线，都能较好地实现速率要求较低的过程控制。因此，在速率要求较低的控制领域，谁都很难统一整个市场。就目前而言，由于FF基金会几乎集中了世界上主要自动化仪表制造商，其全球影响力日益增加，但其在中国市场营销力度似乎不足，市场份额不是很高，LonWorks形成了全面的分工合作体系，在国内有一些实质性的进展，在楼宇自动化、家庭自动化、智能通信产品等方面，LonWorks则具有独特的优势。在离散制造加工领域，由于行业应用的特点和历史原因，Profibus和CAN经在这一领域形成了自己的优势，具有较强的竞争力。国内厂商的规模相对较小，研发能力较差，更多的是依赖技术供应商的支持，比较容易受现场总线技术供应商 (芯片制造商等)对国内的支持和市场推广力度的影响。而且，还有一个不可忽视的一点就是在构建自动化管理系统时，选择的上位机，比如组态软件对总线设备的支持程度，有些监控组态软件，比如紫金桥监控组态软件或者InTouch等对一些主流的总线设备比如Lonworks、PROFIBUS、CAN等有着良好的支持，通过DDE、OPC或者直接连接等方式进行通讯，采集数据。这样可以方便用户的选择，而一些组态软件则支持的种类较少，是用户选择的范围也随之减少。由于目前自动化技术从单机控制发展到工厂自动化FA，发展到系统自动化。工厂自动化信息网络可分为以下三层结构：工厂管理级、车间监控级、现场设备级，而现场总线是工厂底层设备之间的通信网络。这里先介绍一下以太网，本文特指工业以太网，工业以太网是作为办公室自动化领域衍生的工业网络协议，按习惯主要指IEEE 802.3协议，如果进一步采用TCP/IP协议族，则采用“以太网+TCP/IP”来表示，其技术特点主要适合信息管理、信息处理系统，并在IT业得到了巨大的成功。在工厂管理级、车间监控级信息集成领域中，工业以太网已有不少成功的案例，在设备层对实时性没有严格要求场合也有许多应用。由于现场总线目前种类繁多，标准不一，很多人都希望以太网技术能介入设备低层，广泛取代现有现场总线技术，施耐德公司就是该想法的积极倡导者和实践者，目前已有一批工业级产品问世和实际应用。可是就目前而言，以太网还不能够真正解决实时性和确定性问题，大部分现场层仍然会首选现场总线技术。由于技术的局限和各个厂家的利益之争，这样一个多种工业总线技术并存，以太网技术不断渗透的现状还会维持一段时间。用户可以根据技术要求和实际情况来选择所需的解决方案。1.4 CAN总线技术1.4.1 CAN总线概述CAN是Controller Area Network 的缩写（以下称为CAN），是ISO国际标准化的串行通信协议。它是Bosch公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其高性能、高可靠性、实时性等优点现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。控制器局部网将在我国迅速普及推广。随着计算机硬件、软件技术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高要求，工业控制系统的发展主要表现为：控制面向多元化，系统面向分散化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。分散式工业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的。这类系统是以微型机为核心，将 5c技术computer（计算机技术）、 control（自动控制技术）、communication（通信技术）、crt（显示技术）和 change（转换技术）紧密结合的产物。它在适应范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面，较之分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统都具有明显的优越性。典型的分散式控制系统由现场设备、接口与计算设备以及通信设备组成。现场总线（fieldbus）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领域。现场总线的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点。尽管目前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的标准，但现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统采用。同时，正由于现场总线的标准尚未统一，也使得现场总线的应用得以不拘一格地发挥，并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据。控制器局部网 CAN（controller aeranetwork）正是在这种背景下应运而生的。由于CAN为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。为此，1991年9月Philips Semiconductors制订并发布了 CAN技术规范（version 2.0）。该技术规范包括a和b两部分。2.0a给出了曾在CAN技术规范版本1.2中定义的CAN报文格式，能提供11位地址；而2.0b给出了标准的和扩展的两种报文格式，提供29位地址。此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通运载工具-数字信息交换-高速通信控制器局部网（CAN）国际标准（ISO11898），为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路。在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN 通信协议。此后，CAN 通过ISO11898 及ISO11519 进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。现在，CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。CAN属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。较之目前许多RS-485基于r线构建的分布式控制系统而言, 基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：首先,CAN控制器工作于多主方式,网络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据,且 CAN协议废除了站地址编码,而代之以对通信数据进行编码,这可使不同的节点同时接收到相同的数据,这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强,并且容易构成冗余结构,提高系统的可靠性和系统的灵活性。而利用RS-485只能构成主从式结构系统,通信方式也只能以主站轮询的方式进行, 系统的实时性、可靠性较差。其次,CAN总线通过CAN收发器接口芯片82c250的两个输出端CANh和CANl与物理总线相连,而CANh端的状态只能是高电平或悬浮状态,CANl端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会出现象在RS-485网络中,当系统有错误,出现多节点同时向总线发送数据时,导致总线呈现短路,从而损坏某些节点的现象。而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点的操作不受影响,从而保证不会出现象在网络中,因个别节点出现问题,使得总线处于“死锁”状态。而且,CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现,从而大大降低系统开发难度,缩短了开发周期,这些是只仅仅有电气协议的RS-485所无法比拟的。另外,与其它现场总线比较而言,CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。这些也是目前 CAN总线应用于众多领域,具有强劲的市场竞争力的重要原因。CAN 即控制器局域网络,属于工业现场总线的范畴。与一般的通信总线相比,CAN总线的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,CAN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Benz(奔驰)、Bmw(宝马)、 Porsche(保时捷)、Rolls-Royce(劳斯莱斯)和Jaguar(美洲豹)等都采用了CAN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。同时,由于CAN总线本身的特点,其应用范围目前已不再局限于汽车行业,而向自动控制、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发展。CAN已经形成国际标准,并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。其典型的应用协议有： Sae J1939/ISO11783、CANopen、CANaerospace、Devicenet、Nmea 2000等。1.4.2 CAN总线的性能特点CAN总线之所以被重视发展和应用于新型工业设备系统中，主要是其具有十分优越的特点，使人们乐于选择，这些特性包括：1）CAN是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。2）CAN协议遵循ISO/OSI模型，采用了其中的物理层、数据链路层与应用层。3）CAN可以多主方式工作，本质上也是一种CSMA/CD方式，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它节点发送信息，而不分主从，节点之间有优先级之分，因而通信方式灵活；CAN采用非破坏性位仲裁技术，优先级发送，可以大大节省总线冲突仲裁时间，在重负荷下表现出良好的性能；CAN 可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播等几种方式传送和接收数据。4）CAN的直接通信距离最远可达10km（传输速率为5Kbps）；最高通信速率可达1Mbps（传输距离为40m）。5）CAN上的节点数实际可达110个。6）CAN数据链路层采用短帧结构，每一帧为8个字节，易于纠错；CAN 每帧信息都有CRC校验及其它检错措施，有效地降低了数据的错误率；CAN 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭的功能，使总线上其它节点不受影响。7）信号调制解调方式采用 NRZ 编码/解码方式，并且采用插入填充位（位填充）技术。8）数据位具有支配“0”（Dominant bit）和退让“1”（Recessive bit）两种逻辑值，采用时钟同步技术，具有硬件自同步和定时时间自动跟踪功能。CAN总线是一种面向一般工业设备的高速通信总线，它具有精简、实时性高、可靠性强等一系列特点，可以满足大部分工业设备的通信要求，适合低压电器领域的广泛应用。对于电梯智能监控系统，CAN总线技术也是非常适合使用的。1.4.3 CAN 总线的技术规范1.4.3.1 CAN基本概念报文(Messages)：总线上传输的信息即为报文，它们以若干个不同的固定格式发送，但长度受限。当总线空闲时，总线上任何单元均可发送新报文。信息路由(Information Routing)：在CAN系统中，CAN不对单元分配站地址，报文的寻址内容由报文的标识符指定。标识符不指出报文的目的地，但是这个数据的特定含义使得总线上所有单元可以通过报文滤波来判断该数据是否与它们相符合。位速率(Bit Rate)： 即总线的传输速率。在一个给定的CAN系统中，位速率是唯一的，也是固定的。优先权(Priorities)：在总线访问期间，标识符定义一个静态的报文优先权。远程数据请求(Remote Data Request)：当总线上某单元需要请求另一单元发送数据时，可通过发送远程帧实现远程数据请求。多主机(Multimaster)：总线空闲时，总线上任何单元都可以开始向总线上传送报文，但只有最高优先权报文的单元可获得总线访问权。仲裁(Arbitration)：总线空闲时，若同时有两个或两个以上单元开始发送报文，总线访问冲突运用逐位仲裁规则，借助标识符ID解决。错误标定和恢复时间(Error Signaling and Recovery Time)：任何检测到错误的单元会标志出已被损坏的报文。此报文会失效并将自动重传。如果不再出现错误，则从检测到错误到下一报文的传送开始为止，恢复时间最多为31位的时间。故障界定(Fault Confinement)：CAN单元能够把永久故障和短暂的干扰区别开来。连接(Connection)：CAN通信链路是一条可连接多单元的总线。理论上，总线上单元数目是无限制的，实际上，单元数受限于延迟时间和总线的电气负载能力。单通道(Single Channel)：CAN总线由单一通道组成，借助数据重同步实现信息传输。总线数据表示(Bus Values)：CAN总线上有两种互补逻辑数值，显性(Dominant)电平和隐性(Recessive)电平。若显性位与隐性位同时发送，总线上数值将是显性。应答(Acknowledgment)：所有接收器对接收到的报文进行一致性检查。对于一致的报文，接收器给予应答；对于不一致的报文，接收器做出标志。1.4.3.2 CAN总线的位数值表示与通信距离CAN总线上用显性(Dominant)和隐性(Recessive)两个互补的逻辑值表示0和1。当在总线上出现同时发送显性位和隐性位时，总线上数值将出现显性。 图1.1 CAN总线逻辑表1.1 CAN总线距离速率对照表CAN总线上任意两单元最大距离及速率对照表位速率/kbps10005002501251005020105最大距离/m40130270530620130033006700100001.4.3.3 报文传输和帧结构报文传输由以下4个不同的帧类型表示和控制：1）数据帧：数据帧将数据从发送器传输到接收器。2）远程帧：总线单元发出远程帧，请求发送具有同一标识符的数据帧。3）错误帧：任何单元检测到总线错误就发出错误帧。4）过载帧：过载帧用于在先行和后续数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时。数据帧和远程帧可以使用标准帧及扩展帧两种格式。它们用一个帧间空间与前面的帧分隔。数据帧，它由7个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC 场、应答场、帧结尾。数据帧组成如下图。图1.2 数据帧组成远程帧，其也有标准格式和扩展格式，而且都由6 个不同的位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、CRC 场、应答场、帧结尾。远程帧的组成如下图。图1.3 远程帧组成出错帧则由两个不同的场组成。第一个场是由不同站提供的错误标志（ERROR FLAG）的叠加；第二个场是错误界定符。出错帧的组成如下图。图1.4 错误帧组成过载帧，它包括两个位场：过载标志和过载界定符。过载帧的组成如下图。图1.5 过载帧组成1.4.3.4 错误处理错误检测（ 5种不同的错误类型）：1）位错误：单元在发送位的同时也对总线进行监视。如果所发送的位值与所监视的位值不相同，则在位时间里检测到一个位错误。2）填充错误：如果在使用位填充法进行编码的信息中，出现了6个连续相同的电平时，将检测到一个填充错误。3）CRC错误：CRC序列包括发送器的CRC计算结果。如果计算结果与接收到的CRC序列的结果不相符，则检测到一个CRC错误。4）形式错误：当一个固定的位场含有1个或多个非法位，则检测到一个形式错误。5）应答错误：只要在应答间隙期间所监视的位不为显性，则发送器会检测到一个应答错误。错误标定：检测到错误条件的站通过发送错误标志指示错误。对于“错误主动”的节点，错误信息为“主动错误标志”，对于“错误被动”的节点，错误信息为“被动错误标志”。 1.4.3.5 故障界定至于故障界定，单元的状态可能为下列三种之一：错误主动、错误被动、总线关闭。错误主动的单元可以正常地参与总线通信并在检测到错误时发出主动错误标志。错误被动的单元不允许发送主动错误标志。错误被动的单元参与总线通信，在错误被检测到时只发送被动错误标志。而且，发送以后，错误被动单元将在初始化下一个发送之前处于等待状态。总线关闭的单元不允许在总线上有任何的影响。1.4.3.6 位定时与同步位定时与同步定义CAN总线的通信速率，相关名词有：1）标称位速率(Nominal Bit Rate)：一理想的发送器在没有重新同步的情况下每秒发送的位数量。2）标称位时间(Nominal Bit Time)：1/标称位速率。标称位时间可分成几个不重叠的片段，分别是：同步段(SYNC_SEG）、传播段(PROG_SEG)、相位3）缓冲段1(PHASE_SEG1)、相位缓冲段2(PHASE_SEG2)。4）同步段(SYNC_SEG)：用于同步总线上不同的节点，这一段内要有一个跳变沿。5）传播段(PROG_SEG)：用于补偿网络内的物理延时时间。它是总线上输入比较器延时和输出驱动器延时总和的2倍。6）相位缓冲段1(PHASE_SEG1)、相位缓冲段2(PHASE_SEG2)：用于补偿边沿阶段的误差。这两个段可以通过重新同步加长或缩短。7）采样点(Sample Point)：读总线电平并解释各位的值的一个时间点。采样点位于相位缓冲段1之后。8）信息处理时间(Information Processing Time)：信息处理时间是以一个采样点作为起始的时间段。采样点用于计算后续位的位电平。9）时间份额(Time Quanta)：时间份额是派生于振荡器周期的固定时间单元。存在一个可编程的预比例因子，将整体数值范围为132的整数，以最小时间份额为起点，时间份额的长度为：时间份额=m 最小时间份额，其中，m为预比例因子。10）时间段长度(Length of Segments)：同步段为1个时间份额，传播段的长度可设置成1、28个时间份额，相位缓冲段1的长度可设置成1、28个时间份额，相位缓冲段2的长度为相位缓冲段1和信息处理时间之间的最大值，信息处理时间少于或等于2个时间份额。一个位时间总的时间份额值可以设置在825的范围。2 基于CAN总线的电梯监控系统方案2.1 CAN总线电缆及波特率在电梯控制系统中，一般采用4芯式的通讯电缆，其中2根传输电源，另2根传输CAN-bus信号。本设计中楼宇间间隔设定为270m左右。因此本系统采用屏蔽双绞线作为CAN-bus通讯电缆，使用国标AWG18（截面积为0.75mm2）的导线，此方案一般可以保证在1KM距离下实现CAN-bus可靠通讯。本电梯控制系统中CAN-bus通讯波特率250kbps，为CiA标准通讯波特率2.2 基于CAN总线的远程电梯监控的拓扑结构本系统采用总线拓扑结构，如图2.1所示每个下位机端口作为一个只能节点接入CAN总线，若距离较长则可使用CAN中继器以避免信号衰弱CAN中继器电梯1电梯3电梯2上位机图2.1 电梯监控系统拓扑结构下位机端接口以采用时下电梯监控领域应用较为广泛的RS485串口，而传输线路采用CAN总线以兼顾改造成本及传输效率而上位机端接口则采用常见的RS-232串口（如图2.2所示）电梯下位机RS-485RS-232CAN/232转接卡CAN/485转接卡监控终端CAN-Bus图2.2 数据传输流程在CAN 通信适配卡价格昂贵的前提下，通过串口与CAN总线配合,组成串口-CAN 转换模块电路，实现智能节点与上位机的通信,也是有其现实意义的。详细硬件设计方案见第3章。2.3 上位机监控软件方案选择上位机监控软件选择使用西门子公司的WinCC 6.0（Windows Control Center ）。SIMATIC WinCC是第一个使用最新的32位技术的过程监视系统，具有良好的开放性和灵活性。从面市伊始，用户就对SIMATIC WinCC印象深刻。一方面，是其高水平的创新，它使用户在早期就认识到即将到来的发展趋势并予以实现；另一方面，是其基于标准的长期产品策略，可确保用 户的投资利益。凭籍这种战略思想，WinCC，这一运行于Microsoft Windows 2000和XP下的Windows控制中心，已发展成为欧洲市场中的领导者，乃至业界遵循的标准。如果你想使设备和机器最优化运行，如果你想最大程度地提 高工厂的可用性和生产效率，WinCC当是上乘之选。其突出的优点是：通用的应用程序，适合所有工业领域的解决方案；多语言支持，全球通用；可以集成到所有自动化解决方案内；内置所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态；可基于Web持续延展，采用开放性标准，集成简便；集成的 Historian 系统作为IT 和商务集成的平台；可用选件和附加件进行扩展 ；“全集成自动化” 的组成部分，适用于所有工业和技术领域的解决方案。WinCC集生产自动化和过程自动化于一体，实现了相互之间的整合，这在大量应用和各种工业领 域的应用实例中业已证明，包括：汽车工业、化工和制药行业、印刷行业、能源供应和分配、贸易和服务行业、塑料和橡胶行业、机械和设备成套工程、金属加工业、食品、饮料和烟草行业、造纸和纸品加工、钢铁行业、运输行业、水处理和污水净化。 WinCC是SIMATIC PCS 7过程控制系统及其它西门子控制系统中的人机界面组件。还为垂直市场解决方案提供有丰富的选件(options)和附加件(add-ons)。通过利用“FDA选件”，并在工程与组态时采取适当的措施 这在白皮书中已阐明 SIMATIC WinCC符合制药和食品行业FDA 21 CFR Part 11的要求(FDA = 美国食品和药物管理局)。众多的任选件，将使工厂认证更为容易，而这种认证为这些工业领域的各种要求更是提供了非常有说服力的全面响应。 例如，已开发出了一些应用于垂直市场，如供水行业的WinCC附加件：应用Sinaut ST7cc的远程控制系统，应用PM-Aqua的归档和记录系统，应用Siwa-Plan的运行成本优化系统，应用FunkServer - Pro的报警管理系统等。多语言支持，全球通用：WinCC的组态界面完全是为国际化部署而设计的：只需点一下按键就可在德文、英文、法文、西班牙文和意大利文之间进行切换。亚洲版还支持中文、韩文和日文。自然，你可以在项目中设计多种运行时目标语言， 即同时可使用几种欧洲和亚洲语言。这意味着，可在几个目标市场使用相同的可视化解决方案。如果要翻译文本，只需一种标准的ASCII文本编辑器即可。可集成到任何公司内的任何自动化解决方案中：WinCC提供了所有最重要的通 讯通道， 用于连接到SIMATIC S5/S7/505控制器(例如通过S7协议集)的通讯，以及如PROFIBUS-DP/ FMS、DDE(动态数据交换)和OPC(用于过程控制的OLE)，等非专用通道；你亦能以附加件的形式获得其它通讯通道。由于所有的控制器制造商都为其 硬件提供了相应的OPC服务器，因而事实上可以不受限制地将各种硬件连接到WinCC。本系统中将设计两个监控画面，具体方案实现见本文第4章。3 串口-CAN总线适配器设计3.1硬件设计软件介绍Altium Desinger原名protel,从2004年开始更名为protel dxp 而后是新版 Altium Designer 6.0 而在6.9以后开始了以年份命名。 Altium Designer Winter 09 提供了唯一一款统一的应用方案，其综合电子产品一体化开发所需的所有必须技术和功能。Altium Designer Winter 09 在单一设计环境中集成板级和FPGA系统设计、基于FPGA和分立处理器的嵌入式软件开发以及PCB版图设计、编辑和制造。并集成了现代设计数据管理功能,使得Altium Designer Winter 09成为电子产品开发的完整解决方案一个既满足当前，也满足未来开发需求的解决方案。 Altium 创新电子设计平台集成了广受好评的 Altium Designer Winter 09 一体化电子设计软件和 Altium 可重构硬件平台 NanoBoard 系列。 该方法将器件智能置于设计流程的核心。由此形成了一个完整的一体化电子设计环境，以全新的方式创建和推出智能型关联电子产品。 Altium Designer Winter 09是业界唯一的一体化电子设计解决方案：大量新增功能；每六个月就发布新版本，让您与新兴技术保持同步。无论是独自工作，还是与设计团队成员协作，或在一家大公司里工作，Altium 都能提供一系列灵活的许可证选项，可以在桌面上安装合适的功能。Altium 的许可证选项提供了获取 Altium Designer Winter 09 核心功能的多种选择：可以充分挖掘当今大容量可编程器件的潜力；或者运用包括核心功能集、完全定制电路板设计和制造能力在内的 Altium Designer Winter 09 扩展功能。 Altium Designer Winter 09的板级设计功能可完全定义并实现设计中的物理元素。强大的规则驱动设计、版图和编辑环境可在直观高效的环境中完全控制设计中的各个方面。Altium Designer Winter 09 提供综合的器件数据管理和库资源，无论您组织的大小或需求是什么，均可控制部件的使用。 Altium Designer Winter 09 起到设计和制造间的桥梁作用，可管理所有制造数据的生成和验证。 Altium Designer Winter 09 可充分利用了当今大容量可编程器件在设计中的潜力。可在易于升级的软件领域中工作，令修改硬件与软件同样方便。 可编程器件能否顺利集成到物理设计流程对设计生产率十分关键。 Altium Designer Winter 09 提供FPGA 设计项目的无缝链接，通过板卡设计把它们联系在一起。电子产品开发不再是独立的流程。Altium Designer Winter 09 统一了整个设计流程，可在单一、集成的设计流环境中管理开发的所有方面。 3.2 485-CAN适配器硬件设计3.2.1 RS-485系统概述EIA-485（即RS-485 或者RS485）是隶属于OSI模型物理层的电气特性规定为两线，半双工，多点通信的标准。它的电气特性和RS-232大不一样。用缆线两端的电压差值来表示传递信号。一极的电压标识为逻辑1，另一段标识为逻辑0。两端的电压差最小为0.2V以上时有效，任何不大于12V或者不小于7V的差值对接受端都被认为是正确的。EIA-485仅仅规定了接受端和发送端的电气特性。它没有规定或推荐任何数据协议。EIA-485可以应用于配置便宜的广域网和采用单机发送，多机接受通信链接。它提供高速的数据通信速率。（10 m 时35 Mbit/s ；1200 m时 100 kbit/s 1200 m）。EIA-485和EIA-422一样 使用双绞线进行高电压差分平衡传输，它可以进行大面积长距离传输（超过4000码，1200米）。和EIA-422相对照的是，EIA-422采用不可转换的单发送端，EIA-485 的发送端需要设置为发送模式，这使得EIA-485可以使用双线模式实现真正的多点双向通信。EIA-485推荐使用在点对点网络中，线型，总线型，不能是星型，环型网络。理想情况下EIA-485需要2个终接电阻，其阻值要求等于传输电缆的特性阻抗。没有特性阻抗的话，当所有的设备都静止或者没有能量的时候就会产生噪声，而且线移需要双端的电压差。没有终接电阻的话，会使得较快速的发送端产生多个数据信号的边缘，这其中的一些是不正确的。之所以不能使用星型或者环型的拓扑结构是由于这些结构由不必要的反映，过低或者过高的终接电阻可以产生电磁干扰。EIA-485在使用四线时可以和EIA-422一样实现全双工。EIA-485可以实现真正的多点通信，在许多情况下并没有什么用处。在某些限制条件下EIA-485 和EIA-422可以实现相互的连接。3.2.