多通信接口的MBUS主站中继器的设计与实现硕士学位论文.doc

工程硕士学位论文 多通信接口的 M BUS 主站 中继器的设 计与实现 The Design and Implementation of Multi configuration Data Acquisition Module by Dai Zupeng B E Hunan Normal University 2010 A thesis submitted in partial satisfaction of the Requirements for the degree of Master of Science in Electronic Science and Technology in the Graduate School of Hunan University Supervisor Vice Professor Wu Gui qing May 2012 I 湖 南 大 学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 日期 年 月 日 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 本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密 在 年解密后适用本授权书 2 不保密 请在以上相应方框内打 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 工程硕士学位论文 II 摘 要 人类进入21世纪以来 计算机科学技术 信息科学技术和自动化控制技术被广泛 的应用于现场的工业生产中 而数据传输是工业生产的重要环节 数据传输的质量直 接影响到生产效益 数据集中器被用在数据传输环节 传统的数据集中器由于功能单 一 总线接口过少 无数据处理能力等缺点已逐渐跟不上时代发展 新型的数据传输 系统的研究迫在眉睫 多通信接口的M BUS主站 中继器运用了欧洲仪表总线M BUS技术 代替传统的 RS485总线技术 在数据传输方面有着极大优势 由于PROFIBUS总线 CAN总线 MBUS总线和以太网技术 它们技术成熟 稳定性能高 应用范围广 在工业生产的 数据传输环节应用极为广泛 而嵌入式技术作为当今的新型技术的代表 也在生产实 践中被广泛运用 所以多通信接口的M BUS主站 中继器将PROFIBUS CAN总线技术 MBUS总线技术和以太网技术与嵌入式相结合 以NXP公司的LPC2387作为核心控制芯 片 成功的实现了M BUS从节点的数据与PROFIBUS CAN总线和以太网之间的数据 双向传输 多通信接口的M BUS主站 中继器的下行接口采用的是MBUS总线技术 上 行接口采用了Profibus总线 CAN总线和以太网通信技术 考虑到多功能性 还设计了 MBUS中继器接口 增加了MBUS从机的数据传输距离 多通信接口的MBUS主站 中继器的设计弥补了传统数据传输系统的不足 通过系 统功能测试 多通信接口的MBUS主站 中继器符合实际使用要求 可以用于各种工业 生产场合 关键词 关键词 M BUS PROFIBUS CAN 以太网 以太网 LPC2387 多通信接口的 M BUS 主站 中继器的设计与实现 III Abstract As mankind enters the 21st century computer science and technology information science and technology and automation and control technology is widely used in the scene of industrial production the data transmission is an important part of industrial production Traditional data concentrator features a single bus interface is too small the shortcomings of the data processing capacity has gradually keep up with the times the new data transmission system is imminent Communication interface M BUS master repeater use European instrument the bus M BUS technology instead of the traditional RS485 bus has a great advantage in terms of data transmission For PROFIBUS CAN bus M BUS bus and Ethernet technologies their technology is mature stable and high performance wide range of applications in the industrial production data transmission link applications is extremely broad and embedded technology as today s new technologies on behalf of widely used also in production practice so PROFIBUS CAN bus technology M BUS bus and Ethernet technology and embedded combination of LPC2387 of NXP as the core control chip the successful realization of data M BUS from the node two way transmission of data between the PROFIBUS CAN bus and Ethernet The communication interface M BUS master repeater downlink interface is MBUS bus technology the uplink interface Profibus bus CAN bus and Ethernet communications technology taking into account the versatility of design M BUS repeater interface increasing the the the MBUS slave data transmission distance Compensate for the lack of conventional data transmission system for the design of the communication interface MBUS master repeater system functional testing communication interface the MBUS main station repeater in line with actual requirements can be used for a variety of industrial production occasions Keywords M BUS PROFIBUS CAN Ethernet LPC2387 工程硕士学位论文 1 目 录 学位论文原创性声明 I 学位论文版权使用授权书 I 摘 要 II Abstract III 第一章 绪论 3 1 1 课题背景及意义 3 1 2 国内外研究现状及发展现状 4 1 3 相关通信接口的简介 5 1 3 1 M BUS 总线简介 5 1 3 2 Profibus 总线简介 7 1 3 3 CAN 总线简介 9 1 3 4 以太网简介 10 1 4 中继器的介绍 12 1 5 本文总体结构 13 第二章 多通信接口的 M BUS 主站 中继器的总体设计 14 2 1 系统整体概述 14 2 2 多通信接口的 M BUS 主站 中继器的主控芯片介绍 16 2 2 1 TinyArm2387 嵌入式工控模块概述 16 2 2 2 TinyArm2387 嵌入式工控模块硬件资源 17 2 3 多通信接口的 M BUS 主站 中继器系统的需求与分析 18 2 3 1 多通信接口的 M BUS 主站 中继器系统硬件功能需求 19 2 3 2 多通信接口的 M BUS 主站 中继器系统软件功能需求 19 2 3 3 多通信接口的 M BUS 主站 中继器系统性能需求 20 2 4 本章小结 20 多通信接口的 M BUS 主站 中继器的设计与实现 2 第三章多通信接口的 M BUS 主站 中继器硬件设计与实现 21 3 1 硬件整体概述 21 3 2M BUS 收发电路的设计 22 3 2 1 M BUS 发送电路 22 3 2 2M BUS 接收电路 23 3 3 多通信接口的设计 25 3 3 1 M BUS 中继接口的设计 25 3 3 2CAN 接口电路的设计 26 3 3 3Profibus 接口电路的设计 27 3 3 4 以太网接口电路的设计 29 3 3 5 调试辅助接口电路设计 30 3 4 其它模块电路的设计 31 3 4 1 电源模块 31 3 4 2 J TAG 接口电路 32 3 4 3 复位电路与 ISP 电路 33 3 5 系统 pcb 图 34 3 6 本章小结 34 第四章 多通信接口的 M BUS 主站 中继器软件设计与实现 35 4 1 系统主程序设计 35 4 1 1 配置模式设计 36 4 1 2CAN 通信模式的软件设计 38 4 1 3 Profibus DP 通信模式的软件设计 42 4 1 4 以太网通信模式的软件设计 47 4 1 5 中继器通信模式的软件设计 51 4 2 相关通信接口的帧结构 53 4 2 1M Bus 帧结构 53 4 2 2 CAN 帧结构 54 工程硕士学位论文 3 4 2 3 Profibus 帧结构 55 4 2 4 以太网帧结构 57 4 3 本章小结 58 第五章 系统运行及测试 59 5 1 中继器模式通信测试 59 5 2 CAN 模式通信测试 60 5 3 Profibus DP 模式通信测试 63 5 4 以太网模式通信测试 66 5 5 本章小结 67 总结与展望 68 参考文献 70 致 谢 72 附录 A 攻读学位期间发表的学术论文 73 附录 B 攻读学位期间参加的科研项目 74 多通信接口的 M BUS 主站 中继器的设计与实现 4 第一章 绪论 1 1 课题背景及意义 近年来 随着现代化生产的持续发展 科学技术不断的进步 我国的电 气 水 用量日益增加 与此同时 对水 气 电用户的管理日益增强 传统的手工抄表由于 耗费大量人力物力 已经不再适应时代的需要 我国水 电 气事业与人们的生活息 息相关 如何解决水 电 气三大系统与用户之之间的协调管理 将直接影响到国民 的生活水平 间接影响到我国的经济发展 伴随着生活条件的不断改善 住宅的智能 化要求日益提高 一户一表的推行 对费率水价的实施以及用水管理部门对用水量统 计及收费管理的需要 推动着自动化抄表技术在水表领域的不断发展 最初由计量工 人挨家挨户的直接读取到今天的智能化自动抄表技术的完善 种种迹象表明我国已经 加快了现代化的步伐 但是 由于某些方面的原因 远程抄表系统并未完善 即便是 新型的RS485总线传输技术代替了原有的手工抄表 但是还是有很多问题亟待解决 1 传统的RS485总线通信设备容量少 最多接入数量不超过128个 不适合现代化的楼宇 之间的信息传输 通信速率非常容易受距离的限制 当通信距离超过数百米时 其可 靠的通信速率小于1200bps 非隔离的方式使得RS485芯片不能应用于长距离户外通信 隔离方式需要提供隔离电源 成本较高 不能给从设备供电 从设备需要单独外加电 源供电 布线拓扑只能为串行布线 不能构成星形等任意分支 但是串行布线对小区 的实际布线设计难度太大 远距离通信时 RS485芯片容易损坏 M BUS 总线是欧洲新型的仪表总线 是由德国 Paderborn 大学的 Ziegler 和德国 Techem AG 公司 Texas Intrument 公司共同开发的 基于 ISO OSI 模型四层模型 用 到了其中的物理层 数据链路层 网络层和应用层 其中数据链路层协议采用 IEC870 标准 应用层协议采用 EN1434 3 标准 在欧洲 M BUS 总线由于其特有的总线供电 模式而被广泛的应用于水 电 气远程抄表系统 并且由于其实时性相对较好可以广 泛用于智能化控制总线和火灾报警系统 M BUS 通信高速稳定 2400m 可靠传输波 特率为 4800bps 静态功耗低 可接入站点容量大 使用普通双绞线 抗干扰能力强 总线拓扑任意 预留多种通信协议 扩展极为方便 传统的 RS485 数据集中系统传输 速度慢 实时性差 安装麻烦 抗干扰能力弱等已经难以适应现现代数据集中的要求 而基于 M BUS 总线传输的数据集中器具有所有 M BUS 的优点 并且 传统的 RS485 数据集中器一般只是针对某种总线传输的进行设计 当工业生产中数据传输总线接口 发生改变时 传统的数据中继系统由于接口不匹配 不能适应现有的总线接口 导致 原有的 RS485 数据中继系统不能使用 造成工业生产的浪费 不利于企业发展 2 3 针对传统 RS485 数据集中器的不足 研究和讨论了一种新的数据集中系统的设计 工程硕士学位论文 5 方案 系统采用综合设计的思想 提出了一种具有多通信接口的高速数据采集系统设 计方案 该数据采集系统结合了嵌入式工控模块 T2387 LPC2387 集成在工控模块中 M BUS 总线 Profibus 总线 CAN 总线 中继器技术 以太网技术 以 ARM 微处 理器 LPC2387 为核心 M BUS 为数据采集总线 将采集到的数据 经过核心芯片处 理后 可通过 Profibus 总线 以太网口 CAN 总线传输到相应的总线上 实现多种总 线上数据的传输 另外 由于该系统设计有中继接口 所以该系统还可以作为中继器 实现数据在 M BUS 主站与从站之间的远距离通信 1 2 国内外研究现状及发展现状 随着微型计算机技术 智能控制技术和嵌入式技术的不断进步 数据集中器也得 到了长足的发展 工业化生产的过程中 需要将工业数据通过传感器或者其他采集装 置采集 然后通过数据集中器上传至相应的数据传输通道 便于实现数据处理等 实 现了数据从源端到目的端的数据交换 可以说 数据传输是工业生产不可或缺的一个 部分 所以数据集中器就显得尤为重要 数据集中系统产生于上个世纪 50 年代 由美国率先运用在军事上 将采集到的侦 察数据进行集中后在传输到监控室 这一数据传输技术运用在军事领域 为军事情报 部门提供了准确实时的作战数据 这标志着二次世界大战之后 美国已经将信息传输 技术率先运用在军事领域 并且将在日后取得了不断的突破 20 世纪 70 年代 随着微计算机技术的发展 微计算机技术与数据传输相融合 将用传统方法不能实现的数据传输采用新的技术手段 成功的实现了数据传输 使得 数据传输技术上了一个新的台阶 20 世纪 90 年代到今天 由于大规模集成电路技术的发展 数据集中器的成本得 到降低 节省了印刷板的空间 数据集中器已经可以由原来的体积大 智能化程度低 逐渐转变为体积小 智能化程度高 特别是随着嵌入式技术的出现 可以将一块体积 很小 功能很强大的芯片应用于各种智能化的系统 这一技术应用在数据传输领域 使得原先数据集中系统的功能增加 扩大了数据集中器的运用场合 我国目前及今后的一段时间内 数据集中器将得到飞速的发展 原先的数据集中 器没有 MCU 仅仅由收发电路和传输接口组成 由于高速 ARM DSP FPGA 和大 容量的存储芯片的出现 将使得数据集中器不仅仅具有数据处理能力 还可以将数据 进行存储 进而进一步处理 而且强大的上位机开发软件也慢慢和数据集中系统结合 起来 如 JAVA 等 使得数据集中和监控有机结合 更加方便现场工作人员对数据的 分析和掌握 数据集中系统近年来也逐渐向高精度 高速化 网络化 模块化 通用 化的方向发展 而且随着工艺等方面的改进 成本和价格将会下降 使得数据集中系 统运用更加普及到普通工业领域 另一方面 数据集中系统采用 SoC ARM DSP 等嵌入式微处理器 RS485 双 多通信接口的 M BUS 主站 中继器的设计与实现 6 绞线 CAN 总线和 Profi bus 总线等 支持多种通信接口 可广泛运用于工业现场数据 传输和控制等领域 同时 伴随着局域网技术的飞速发展 一个工厂管理层局域网和 车间层局域网的底层设备网络能够连接到一起 这样可以通过这些网络将多台数采设 备有效的联接在一起 实现在线对生产设备运行状态数据的实时采集和监控 1 3 相关通信接口的简介 1 3 1 M BUS 总线简介 M BUS 总线 全称 Meter bus 是一种专门用于各类仪表或装置的远程读数或读取 相关信息的网络系统结构 采用远程读数的欧洲抄表总线标准 广泛运用于水 电 气等部门的远程抄表系统 这种总线对楼宇自动化事业及相关的应用有着极端的重要 作用 现阶段我国建设部门推广的水 电 气三表合一 采用的就是这种总线标准 M BUS 总线有着其显著的特点 1 两根双绞线或电缆实现无极性远程数据传输 2 主机可远程供电给从机 3 结构拓扑简单 4 总线长度可以达到 1km 5 主从式半双工数据传输 将 M BUS 仪表总线用于各类消费性相关装置 可将相关数据或信息编码收集并 传递至 M BUS 主站 然后再通过各类方式传送至上位机进行相应的处理 这样可以 实现远程数据的实时采集 巡检和监控等功能 4 5 6 M BUS 总线构成的抄表系统应用 于居民小区 则可实现远程计量 抄表 报警 智能化的控制和管理等 M BUS 总线 的运用对于构建智能化住宅小区和公共事业管理部门的现代化建设具有重要的意义 M BUS 通信是由主机发起通信 从机应答 从机之间没有信号传输 从机之间通 过地址编码区分 M BUS 总线主机对从机 36V 的电压供电 并通过总线远程传输数 据给从机 主机到从机的信号传输采用电压调节方式 即 36V 代表逻辑 1 24V 代表 逻辑 0 主机通过在 M BUS 总线上不断的改变电压值将信号传输到 M BUS 从机 Vmark 36V Vspace 24V Space 0Mark 1 t Master to Slave 图 1 1 主机到从机传输的数据码流 M BUS 从机到主机之间的信息传输采用的是电流调制 一般在设计 M BUS 从机 的时 可选用等过 Texas Instruments 公司生产的 TSS721 芯片作为从机的收发芯片 工程硕士学位论文 7 TSS721 是根据 M BUS 通信标准 EN1434 3 制作的终端收发芯片 TSS721 由 M BUS 总线供电和数据传输 具有抗极性颠倒能力 它与从机的微处理器之间可以有 多种连接方式 对从机微处理器的供电方式多种多样 有总线供电方式 电池供电方 式和后备电池供电方式 从机到主机的数据交换采用的是电流调制 从机中 TSS721 向 主机发送的是一系列的电流脉冲 在稳态时 从机和主机无数据交换式 每个从机消 耗掉电流为 1 5mA 该电流值表示逻辑 1 当从机向主机传输逻辑 0 时 由从机增加一 个 11 20mA 的电流 总线上的电流消耗就增加了 11 20mA 这样主机很容易检测到 逻辑 0 信号 M BUS 总线数据链路 Space 0Mark 1 t Imark 1 5mA Ispace 11 20mA Slave to master 图 1 2 由从机向主机传输的 电流 数据码流 层规定 M BUS 数据传输为 11 个字节 其中 1 位起始位 8 位数据位 1 位数据校验 位和 1 位停止位 图 1 3 为 M BUS 总线的比特流传输格式 M BUS 的数据链路层传 输协议基于 IEC 870 5 M BUS 数据链路岑协议采用的是异步串行的传输方式 传输 的每个字节有 8 个位 8 位之前加上一个起始位和之后加上一个校验位和一个结束位构 成十个位来传输 总线在静止状态的时候为高电平 用逻辑 1 MARK 表示 因此每 个字节的起始为必须为低电平 即逻辑 0 SPACE 结束位为高电平 即逻辑 1 MARK 表示该字节的信息的结束 7 8 作为 M BUS 从设备到 M BUS 总线的接口电 路 TSS721 大大降低了从节点的设备成本 TSS721 不仅可以按照 M BUS 总线规范 来收发数据 还具有从设备与微处理器之间的电平转换电路 用来实现微处理器和从 节点设备的通信 另外 TSS721 还具有总线电压故障指示和极性接反的保护等功能 1 2345678 效 验 位 停 止 位 起 始 位 数据位 1 8 图 1 3 M BUS 比特流传输格式 1 3 2 Profibus 总线简介 现场总线是一种连接智能现场设备和自动化系统的开放式 数字化双向多点通信 多通信接口的 M BUS 主站 中继器的设计与实现 8 的底层控制网络 9 Profibus Process Fieldbus 是面向工厂自动化 流程自动化的一 种国际性的现场总线标准 是一种具有头广泛应用范围的 开放的数字通信系统 适 合于快速 时间要求严格和可靠性要求高的各种通信任务 基于分布式控制思想发展 而来的 最初的设计构想是基于扩展的 MAP MMS 标准的思想 建立一个基于客户 服 务器结构的 面向对象的 使用能够与工厂上下各层的工业通信系统 在德国 有 90 的工厂自动化检测和控制设备上都配有 Profibus 的标准接口 凭 借这 Profibus 标准中涵盖了各种需求的各个自己规约的优势 如 DP PA Profinet 等 其技术已经发展到了全面成熟的阶段 Profibus 产品覆盖了各行各业 Profibus 总线自 1997 年进入中国后 市场发展非常迅速 据 CPO 对北京周边 300 多家企业的调查结果显示 Profibus 的市场占有率为 40 50 而在全国市场至少有 30 40 以上的占有率 Profibus 是唯一全集成 H1 和 H2 的现场总线解决方案 是一 种不依赖制造商的开放式总线标准 目前国际上通用的现场总线标准之以其独特的技 术特点 严格的认证规范 开放的标准 众多厂家的支持和不断发展的应用行规已成 为最重要的现场总线技术 Profibus 总线的特点是不同制造商生产的设备不用对接口进 行特别的调整就可以直接通信 且特别适用于高速且对时间要求比较高的复杂通信场 合 Profibus 按照应用范围可以划分为 10 11 12 Profibus FMS Profibus DP 和 Profibus PA 四个版本虽然应用场合不同 但是版本兼容 Profibus FMS 主要解决车 间级通行任务 完成中等速度的循环和非循环通信任务 广泛用于电气传动 传感器 纺织工业和楼宇自动化 一般构成实时多主网络系统 Profibus DP 是一种优化的高速 通信连接 用于自动可控制系统和设备及分散 I O 只见到通信设计 还可用于分布式 控制系统的高速数据传输 Profibus PA 数据传输采用扩展的 Profibus DP 协议 另外 还是用了描述现场设备行为的 PA 规范 并可以使使现场设备通过总线供电 采用分段 耦合器 Profibus PA 设备可以很方便的集成到 Profibus DP 网络上 一般 Profibus FMS 和 Profibus DP 一起使用 有三种类型传输方式 DP 和 FMS 的 RS485 传输 PA 的 ICE1158 2 传输和光纤传输 DP 和 FMS 的 485 传输技术 RS485 采用屏蔽的双绞线 共用一根导线对 适用 于需要高速传输和设备简单而又便宜的各个领域 在不使用中继器时 每段最多有 32 各站点 使用中继器最多可以扩展到 127 个站点 总线的传输速率可选用 9 6kbps 到 12Mbps 一旦设备投入运行 全部设备据需选用同一个传输速率 电缆的可靠传输距 离与传输速率有着很大的关系 见表 1 1 表 1 1 电缆长度与传输速率的关系 波特率波特率 kbit s 9 619 293 75187 5500150012000 距离距离 m1200120012001000400200100 工程硕士学位论文 9 PA 的 IEC1158 2 传输技术 IEC1158 2 传输技术可以满足石油化工的要求 可保 证本质安全性和现场设备通过总线供电 13 IEC1158 2 是一种位同步协议 可进行无 电流的数据连续传输 在没有使用中继器时 每段最多有 32 个站 使用中继器时 最 多可以有 126 个站点 传输速率为 31 25kbit s 光纤传输技术 在电磁干扰很大的场合 一般运用光纤传输数据 一种专用的总 线插头可以将 RS485 信号转换成光纤信号或者是将光纤信号转换成 RS485 信号 这使 得在同一系统中 可同时使用 RS485 和光纤传输技术 为了使不同的设备生产厂家的 从站设备能够很方便的挂接在 Profibus 总线上进行通信 必须创建一个 GSD 文件 GSD 文件以电子文档形式记录了对应从站设备的各种参数 从某种意义上来说 GSD 文件是从站设备的一个电子版使用说明书 用户在实际上创建一个 Profibus 应用系统 时 由组态软件工具在主站上读入该从站设备的 GSD 文件 在主站上建立一个缓冲区 且再通过网络将初始化参数赋给从站设备 PI 组织为 GSD 文件定义了大量的标准字 通过这些标准化的描述 使得不同厂商生产的主站能够从 GSD 文件中读取从站信息 GSD 文件一般可以分成三个部分 14 总规范 包括了生产厂商和设备名称 支持的波特率 软硬件的版本 总线插头的制 定 监视的时间间隔等 与 DP 有关的规范 包括与主站相关的一些参数 如该主站所允许的从站个数 主站 的上传和下载的能力 与 DP 从站相关的规范 输入和输出的通道数 类型 诊断数据等 1 3 3 CAN 总线简介 CAN 总线全称是 controller area network 即控制器局域网 15 16 在国际上 CAN 作 为现场总线的一种应用很广泛 CAN 总线是串行通信总线的一种 最初被设计应用在 汽车工业中的微控制器通信 由于 CAN 的设计独特且可靠性高 在多主系统中的实用 性等方面的优势很明显 CAN 总线已经广泛的被应用于现代汽车工业 航天工业等领 域 CAN 总线是目前为止唯一一种成为国际通用标准的现场总线 它被认为是目前最 有前途的现场总线之一 CAN 通信介质 双绞线 同轴电缆或者光缆 通信速率可以达到 1Mbit s 通信距 离可达 10km CAN 总线的最大特点废除了传统的依靠站地址来编码 取而代之的是对通信数据 块进行编码 使其网络上的节点数在理论上不受限制 另外 由于 CAN 总线的纠错能 力很强 并且支持差分收发 因而适合高干扰环境 并具有较远的传输距离 CAN 总线的特性 17 1 CAN 总线是一种串行通信网络 它优先支持分布式 实时控制 2 CAN 协议遵循 ISO OSI 参考模型 用到了 ISO OSI 模型的物理层 数据链路层和 应用层 多通信接口的 M BUS 主站 中继器的设计与实现 10 3 CAN 总线节点可达 110 个 4 CAN 数据链路层采用的是短帧结构 每帧数据位占 8 字节 易于纠错 CAN 节点 在严重错误的情况下 可以自动关闭 不会影响总线其它节点 5 CAN 总线传输速率随距离改变而改变 两个站点最远的直接距离最远可以达到 10km 传输速度为 5kbit s 最高通信速率可达 1Mbit s 传输距离 40m 表 1 2 为 CAN 总线通信速率与传输速度之间关系 波特率波特率 Kbps通信最大距离通信最大距离 m 510000 106700 203300 501300 100620 125530 250270 500130 100040 6 CAN 可以多主方式工作 本质上也是一种 CSMA CD 方式 在任意时刻 网络上 的任意一个 CAN 节点可以主动地向 CAN 总线上的其它的 CAN 节点发送信息 而不 分主从 由于节点之间依靠优先级区分 因而通信方式颇为灵活 7 CAN 总线采用的非破坏性逐位仲裁技术 使优先级高的先发送 极大地节省总线 冲突仲裁时间 即使是重负载的情况下 CAN 网络也可以采用一点对多点或点对点方 式收发数据 8 CAN 信号调制解调方式采用不归零编码 解码方式 并采用插入填充技术 数据位具 有显性位 0 和隐形位 1 两种逻辑电平 CAN 总线的数据通信具有可靠性突出 实时性好 灵活性能高 其总线规范已经 成为国际标准 被公认为几种最有前途的总线之一 由于其性能卓越现已广泛应用于 工业自动化 交通工具 医疗仪器 多种控制设备以及建筑 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 1 3 4 以太网简介 以太网 18 19 20 英文名为 Ethernet 是当今世界上应用范围最广的一种网络技术 以太网这个术语是一种技术规范 而不是某种具体的网络 一般是指 20 世纪 80 年代 初期 由 Xerox 公司 英特尔公司和 DigitalEquipment 公司联合公布的一个标准 以太 网技术是 TCP IP 协议所采用的主要的局域网技术 以太网是应用最为广泛的局域网 包括标准的以太网 10Mbit s 快速以太网 100Mbit s 和 10G 10Gbit s 以太网 符合 IEEE802 3 规范 早期以太网连接采用总线拓扑结构 现在但由于它存在的固有缺陷 工程硕士学位论文 11 已经逐渐被以交换机和集线器为核心的星型网络所代替 以太网采用一种称作带冲突检测的载波侦听多路访问 CarrierSense MultipleAccesswithCollisionDetection 的访问控制方法 简称 CSMA CD 指的是以太网的联网技术如何操作和运行 CSMA CD 技术规定了多台 设备共享一个通道的方法 因为所有的通信信号都在共用线路上传输 即使信息只是 拉给其中的一个终端 destination 某台设备发送的消息都将被所有其他终端接收 在 正常情况下 网络接口卡会滤掉不是发送给自己的信息 接收目标地址是自己的信息 时才会向 CPU 发出中断请求 以太网的数据格式是数据包 源主机向目的主机发送数据包时 数据包 TCP IP 分层模型中的传输过程图 1 4 所示 在应用层将要发送的数据打包后 将打包后的数据 发送到传输协议层 在该层加上标识符 标明自己的目标地址和身份 在传输层的数 据打包完后 把打包好的数据传给网络层 加上一个标题 以符合网络 IP 层的要求 在网络层将数据处理完成之后 将封装好的 IP 数据包传送至了下面的数据链路层 在 数据链路层中 该数据包会被加上一个包头和一个包尾来完成 IP 包的最终的封装工作 被封装好的数据包将会被发往的物理层 变成数码流的形式 通过网络媒介到达宿主 主机中 宿主主机会按照上述相反的方向对数据进行接收 然后分别在各层实现拆包 的工作 最后提取出来的原始发送的数据或者控制命令 报头数据段 报头数据段 报头数据段 报头数据段 报头 报头报头 报头报头报头 发送 接收 应用层 传输层 网络层 数据链路层 图 1 4 以太网数据包传输过程图 以太网中的某台主机要进行数据包传输 过程如下 21 1 首先监听信道上是否处于忙状态 即是否有信号在传输 如果监听到有信号传输的 话 表明信道处于忙状态 就继续监听到信道空闲为止 2 若没有监听到任何信号 表示总线当前空闲 就进行数据包传输 3 在数据传输的时候继续对信道进行监听 如发现有别的数据包在传输 就表示发送 冲突 将执行退避算法 然后随机等待一段时间后 重新执行监听信道上是否处于 忙状态 如果监听到有信号传输的话 表明信道处于忙状态 就继续监听到信道空 多通信接口的 M BUS 主站 中继器的设计与实现 12 闲为止 4 若没有发现冲突 则表示发送成功 M BUS 主站通过网口要向一台主机 B 发送报文 会查询本地的 ARP 缓存表 找 到 B 的 IP 地址对应的 MAC 地址后 就会进行数据传输 如果未找到 M BUS 主站 则会向网络发送一个 ARP 请求报文 里面包含了 M BUS 主站的 IP 地址和物理地址 和 B 的 IP 地址 并请求主机 B 回答自身的物理地址 在帧被传送到网络上后 所有主 机包括 B 都可以收到 ARP 请求 但是只有主机 B 识别自己的 IP 地址 于是便向 M BUS 主站发送一个包含 B 的 MAC 地址的 ARP 响应报文 M BUS 主站在接收到 B 的 ARP 响应报文后 就会将本地的 ARP 缓存表更新 然后 M BUS 主站可以使用 B 的 MAC 向 B 发送数据 MAC 是由网卡附加的 1 4 中继器的介绍 由于存在线路损耗 在线路上传输的信号会逐渐衰减 衰减到一定程度时将造成 信号失真 因此会导致接收方的数据接收错误 中继器就是为解决这一问题而设计的 中继器 REPEATER 作为网络物理层上面的连接设备 适用于完全相同的两类网络 的互连 主要功能是网络信号以推动 通过对数据信号放大 再生 达到远距离传输 信号的目的 中继器连接同一个网络的两个或多个网段 如以太网常常利用中继器扩 展总线的电缆长度 标准细缆以太网的每段长度最大 185 米 最多可有 5 段 因此增 加中继器后 最大网络电缆长度则可提高到 925 米 一般来说 中继器两端的网络部 分是网段 而不是子网 中继器是连接在两段局域网之间的电缆 可以将电缆上的数 字信号放大 再生 然后发送 这些功能是 OSI 模型中的物理层的功能 22 23 24 使用 中继器可以适当的增加局域网的覆盖范围 例如 按照以太网的规定标准 单段信号 传输电缆的最长只能为 500 米 但如果使用了中继器连接 4 段电缆之后 以太网中信 号传输可以达到 2000 米 但是中继器只是简单的将某段电缆上的数据发送到另一段电 缆上 而不管数据是否出错误数据或者数据是否不适应于网段的传输 从理论上讲中 继器的使用是无限的 网络也因此可以无限延长 事实上这是不可能的 因为网络标 准中都对信号的延迟范围作了具体的规定 中继器只能在此规定范围内进行有效的工 作 否则会引起网络故障 中继器的优点 1 扩大了通信距离 2 增加了网络节点的最大数目 3 可以使各个网段通信速率不同 4 大大提高了数据传输可靠性 5 系统性能得到改善 工程硕士学位论文 13 中继器的缺点 1 中继器的工作机理对收到被衰减的信号再生 恢复 到发送时的状态 并转 发出去 这就加大了数据传输的时延 2 当网络上的数据传输量大和速度很快 导致网络传输超负荷时 中继器可能 由于缓冲区的存储空间较小 而发生数据溢出丢失 产生帧丢失的现象 中继器若出 现故障 对相邻两个子网的工作都将产生影响 1 5 本文总体结构 本论文对多通信接口的 M BUS 主站 中继器系统的通信服务器作了较为详细的描 述与介绍 论文主要内容如下 第 1 章是绪论 主要介绍了数据集中技术的的发展及其特点 并对多通信接口的 M BUS 主站 中继器系统所涉及的通信接口总线进行了详细的介绍 第 2 章对系统的设计所采用的一些关键技术作了详细的介绍 对系统的整体功能 需求和软硬件功能需求做出了详细讲解 并将要达到的成果做出了详细的介绍 第 3 章介绍了多通信接口的 M BUS 主站 中继器系统的硬件的设计及实现 详细 的说明了系统硬件的组成 实现的功能 第 4 章介绍了多通信接口的 M BUS 主站 中继器系统的软件的设计及实现 给出 了程序流程图并对部分关键代码作了详细解析 给出了程序流程图及部分代码 第 5 章对系统各个功能做了详细的功能测试 最后是结论 对论文所作工作进行总结 并对多通信接口的 M BUS 主站 中继器 系统测试及实际使用情况作了介绍 对多通信接口的 M BUS 主站 中继器系统的不足 进行了思考 探讨了多通信接口的 M BUS 主站 中继器系统需要改进的问题 多通信接口的 M BUS 主站 中继器的设计与实现 14 第二章 多通信接口的 M BUS 主站 中继器的总体设计 完整的数据监控系统通常由监控终端 数据采集装置和控制系统等几大部分组成 系统设计在需求分析的基础上 结合考虑系统功能 功耗 成本及可靠性 稳定性等因素 完成系统的总体设计 本章首先从整个系统的整体出发简单介绍 系统各组成部分的功能及其在系统中的作用 然后着重介绍多通信接口的 M BUS 主 站 中继器功能需求和实现方式 2 1 系统整体概述 完整的工业生产系统 是由多种不同功能的系统有机组成的 其中数据监控处理系 统是不可缺少的 数据 监控处理系统 又包含了数据采集 集中和上位机的监控处理 实时性好 可靠性高的数据对工业生产的好坏起到决定性的作用 工业数据 如水位 烟雾 温度 振动等 通过各类传感器采集之后 转换成电压信号 通过 MCU 的处理 经过数据集中控制系统传输到监控装置 监控人员根据传输上来的数据做出科学的分 析之后 做出相应的处理 或者是工厂根据自己的需要 需要对终端进行相应的控制 直接在监控室输入控制命令 经通道传输到终端 终端做出相应的反应 Profibus 和 CAN 总线均为现场总线 CAN 总线是目前为止唯一成为国际标准的现 场总线 Profibus 是一种相当有影响力的现场总线技术 通信协议属于国际标准 IEC61158 的子集 属于欧洲标准 EN50170 已经被采用为 CHINA 国家标准 profibus 总线从技术开发到控制网络应用都较为活跃 它们对现场总线的发展有着重要的影响 被广泛运用在工业自动化和网络技术的研究与开发 profibus 总线是一种广泛范围的 开放的数字通信系统 适合于快速 时间要求严格和可靠性要求高的各种通信任务 CAN 总线支持分布式控制的串行通信网络 相当于 RS485 总线构成的分布式控制系统 有着太多的优点 CAN 总线废除了对站地址的编码 采用对数据块的编码 可以使 CAN 网络上的不同节点接收到相同的数据 有效的增强数据传输的实时性 CAN 控制 器芯片和接口芯片完全可以实现 CAN 的通信协议 大大降低系统开发难度 缩短了开 发周期 这些是 RS485 总线不能比拟的 与其他的现场总线相比 CAN 总线的通讯速 率高 易实现 且性价比高已经逐渐形成标准的现场总线 以太网作为一种基带局域 网规范 随着网络技术的不断进步 由标准以太网逐渐发展为万兆以太网 数据传输 量巨大 是目前采用最为广泛的数据传输方式 几乎工业过程自动化的数据传输都会 用到以太网进行传输 且以太网拓通信介质多样 可以采用光纤 双绞线 同轴电缆 等 极大的节约了通信线路的成本 由于 Profibus 总线 CAN 总线和以太网众多优点 及广泛的应用领域 固选择其作为系统的通讯接口 可以使多通信接口的 M BUS 主 工程硕士学位论文 15 站 中继器应用于多种场合 多通信接口的 M BUS 主站 中继器是用来解决在工业生产中数据传输环节的数据 集中与控制 可以将 M BUS 从节点上的传输的数据进行集中 存储 然后转换成与 上位机通信的通信总线的帧格式进行传输 也可以接收总线上传输的控制命令 然后 跟据控制信息对 M BUS 从机进行相应的控制 多通信接口的 M BUS 主站 中继器设 计思想 由于在工业生产中 工业控制是核心环节 而数据传输是核心中的核心 考虑 到传统的 M BUS 数据集中器由于接口不匹配导致原有的 M BUS 数据集中系统不能使 用 造成工业浪费 另外 传统的数据集中系统不带 CPU 仅仅由 M BUS 切换电路 和 RS232 通信接口组成 在接收到数据后 不能进行数据存储 处理 导致系统不能 进行复杂的工作 多通信接口的 M BUS 主站 中继器针对原有数据集中器的不足 采 用应用广泛 实时性很好的现场总线 Profibus 和 CAN 总线 外加传输数据量大的以太 网技术作为对上位机通信数据的接口 与下位机进行通信的总线接口使用仪表采集领 域使用广泛的 M BUS 仪表总线传输技术 整个系统的通用性强 实时性好 传输数 据量大 外加 M BUS 中继接口的设计 可以增加数据传输的距离 整个系统功能强 大 即可作为 M BUS 主站使用 又可作为中继器使用 上位机 多通讯接 口的M BUS 主机 1 从机 N 从机 2 从机 CAN口or 网口or profibus口 MBUS 中继器 1 从机 N 从机 2 从机 Mbus总线 图 2 1 系统连接示意图 整个系统由工控模块 M BUS 电平转换电路 电源系统和四种通信接口电路四部 分组成 主控系统 T2387 主要负责配置四种接口模块 收发下位机数据 收发上位 机数据 响应用户命令 升级用户软件等 M BUS 总线主要负责从机采集到的数据向 多通信通道数据采集系统进行传输和用户传输的数据经过该采集系统向从机传输配置 多通信接口的 M BUS 主站 中继器的设计与实现 16 命令 收发命令 用户可以用自己配置的命令通过该数据采集系统想从机进行命令传 输 从机接到命令后作出相应动作 T2387 主要用来接收 处理和发送用户和从机之 间的数据 还可以通过软件配置还可以实现数据的透明传输 即从机向用户发的数据 和用户向从机发送的数据不经过任何处理直接进行传输 此时 该数据采集系统相当 于以一个透明的通道 可作为中继器来增加信号传输距离 选用的四种总线通信接口 分别为 CAN 总线接口 Profibus 总线接口 以太网接口和 M BUS 中继接口 在现今 阶段应用相对成熟 且应用范围广 可实现数据从 MBUS 从机和四种通信通道间的数 据传输 多通信接口的 M BUS 主站 中继器有两种模式 M BUS 主站模式和中继器模式 其中 M BUS 主站模式 依据对上