（电路与系统专业论文）besⅢ超导磁体数据采集系统的设计与实现.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 中文摘要 本课题是在北京正负电子对撞机北京谱仪升级改造国家重大科学项目的背景 下，设计与实现b e s i i i 超导磁体数据采集系统。该数据采集系统为b e s i i i 超导磁 体运行状态分析以及磁体失超分析提供数字接口，为超导磁体的安全运行提供有力 保障。 本文在简要分析设计要求的基础上，提出了基于c a n _ b u s 的分布式数据采集系 统架构，设计出基于s 3 c 4 4 b o x 微处理器和u c l i n u x 操作系统的c a n 2 e t h e r n e t 嵌入 式网关，连接c a n _ b u s 和以太网，并最终将采集的数据传到以太网上的控制计算机。 根据b e s i i i 超导磁体数据采集的特点和要求，制定了一套简单有效的c a n 总线用 户层协议。该协议从c a n 节点规模和数据帧类型上来说都是可扩展的。 在硬件电路设计部分，首先介绍了超导线圈和电流引线电压信号以及拉力传感 器信号、应力应变传感器信号、位移传感器信号的前端处理电路，然后介绍了基于 s s t 8 9 e 5 6 4 r d 单片机的数据采集节点电路：在c a n 2 e t h e r n e t 网关电路设计中介绍了 s 3 c 4 4 8 0 x 微处理器的存储接口、以太网接口和c a n - b u s 接口，并描述了c a n 总线控 制器s j a l o o o 控制逻辑的v h d l 语言实现。 在数据采集节点软件设计中介绍了模拟电压的a d 转换、数据的存储和c a n 节 点通信程序；在c a n 2 e t h e r n e t 嵌入式网关软件设计中介绍了交叉编译环境的建立、 b o o t l o a d e r 的分析和移植、u c l i n u x 操作系统的配置和编译、c a n - b u s 设备驱动程 序开发和应用程序开发。 论文最后给出了性能测试结果并对全文进行了总结。 关键词：b e s i i i 超导磁体；c a n _ b u s ；数据采集；嵌入式网关 a b s t r a c t 1 1 h i st h e s i si n t r o d u c e sm ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mf o r b e s l i ls u p e r c o n d u c t i n gs o l e n o j dm a g n e t ( s s m ) i nt h eb e p ( 佃e su p g r a d i n g t h i s s y s t e mp r o v i d e dad i 醇a li n t e r f a c ef o ra n a l y s i so fm a g i l e t sr u 皿i n gs t a t u sa n dm a g b e q u e n c h ，a n dp r o v j d e das t r o n gg u a r a n t e ef o rs a f e 叩e r a t i o no fm a g n e t o nt h eb a s i so fab r i e fa n a l y s i sf o rd e s i g nr e q u i r e m e n t s ，t h i st h e s i sb r i n g sf o r w a r d s y s t e ma r c h i t e c t u r eb a s e d o no _ b u s 3 2 - b i tm i c r 叩r o c e s s o rs 3 c 4 4 b o xa i i de m b e d d e d o su c l i n u xa r eu s e dt od e s i 印c a n 2 e t h e m e tg a t e w a y ，w h j c hc o n n e c t sc a n _ b u sa i i d e t l l e m e t u l t i m a t e l y t h e d a t aa c q u i r e d 丘o ms s mw a ss e n tt oc o n t r o ic o m p u t e l a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed a t aa c q u i s i t j o ns y s t e m ，d r e wu pas e to fs i m p l e a n du s e f u lc a n - b u su s e rp m t o c 0 1 ，w h i c hi se x p a n s i v et oc a n - n o d ea n df r a m es t m c t u r e h lh a r d w a r cd e s 牺，c o i l & k a dv o l t a g ea n do t h e rs 咖a lf r o ms e n s o r sc o n d i t i o n j n g w e r ei n 打o d u c e d ，t h e i 仃o d u c e dt l l ed r c i l i to fc a n - n o d e ，w h i c hb a s eo nm c u s s t 8 9 e 5 6 4 r d hq n 2 e t h e m c t g a t e w a yd c s i 弘， i n t t o d u c e dt h es 3 c 4 4 8 0 x m j c m p m c e s s o r m e m 0 1 ys y s t e m ，b 1 l e m e ti n t c r f a o ea i l dc a n b u si n t e r f a c e a i l dt h e r c a l i z a t i o no ft h ec o n t r o l l o 百co fo 拭b u sc o n t f o l l e rs j a l 0 0 0i n d l l a n g l l a g ew a s a l s od e s c r i b e d i ns o n w a r ed e s j 印，a dc o n v e r s i o n ，d a t as t o m g ca n do 州- b u sc o 姗u n i c a t i o nw e r c i n t r o d u c e d ；s e t t i n gu pc r o s s c o m p i l e rf o ra r m ，t r 锄s p l 柚tf o rb o o n o a d e r c o 6 9 i l r a t i o n 锄dc o m p i l a t i o no fu c l i n u x ，d r i v e ro fc a n b u sa i l du s e rp r o f a mw e r cj n t r o d u c e di n o 气n 2 e t h e m e tg a t e w a ys o f t w a r ed e s i g n i nt h ee n d ，t h et h e s i sg a v et e s tr e s u l to ft h ed a t aa c q u i s i t i o s y s t e ma n ds u m m a r y k e y w o r d s ：b e s i i is s m ；c a n - b u s ；d a t aa c q u i s i t i o n ；e m b e d d e dg a t e w a y 硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：彳摹p 易寸钙日期：j 。簿6 月f 。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，即：学校有权 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。本人授权华中师范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。 作者签名：瘢p 扫、易 日期：如5 年6 月l 。日 导师签名：专i 小 日期：工“年6 月日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。回亟途塞提交后进后；旦圭生i 旦= 生；旦三生筮盔! 作者签名：瓣p 豸 场 日期：扣伊6 月 。日 导师签名：争l l 矗 日期：工h 年月c 日 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 课题背景 第一章绪论 1 1 1 北京正负电子对撞机和北京谱仪 北京正负电子对撞机【1 l ( b e i j i n ge 1 e c t r o np o s i t r o nc 0 1 l i d e r ，简称b e p c ) 是利用 加速后的电子和正电子碰撞的大型科学仪器。北京谱仪( b e s ) 是与北京正负电子 对撞机协同工作的大型磁谱仪，研究末态粒子的性质和相互作用规律。我国在粒子 探测器领域的探索研究从五十年代己开始，到七八十年代已经研制成功一系列粒子 探测器，最具代表的就是1 9 8 9 年建成的3 5 g e v 北京正负电子对撞机上的北京谱 议，成功运行十几年来获得了一系列令国际瞩目的高能物理研究成果。 1 9 9 6 年加速器和探测器均进行了升级，使用了第二代北京谱议b e s i i ，使对撞 机性能有了相当大的改进。 2 0 0 3 年2 月北京正负电子对撞机重大改造工程( b e p c i i ) 正式立项。升级后 的b e p c i i 采用当今世界上最先进的双环交叉对撞技术，即在现有储存环隧道内重 建和安装两个储存环，大幅度提高北京正负电子对撞机的性能。改造后的对撞机仍 “一机两用”，它主要用于探测微观世界的高能物理研究，也可用于同步辐射应用。 b e p c 升级改造，要求有一个与其相配合的采用现代探测技术的高质量探测器。因此， 有必要建造一个新型探测器第三代北京谱议【2 】( b e s i i i ) ，这个工程将预计进行 到2 0 0 7 年。 1 1 2 旺s i | i 超导磁体 b e s 和b e s i i 都是采用大功率( 约1 2 3 m w ) 的常规磁体，b e s i h 探测器的一 项重大改进就是采用超导螺线管磁铁( s s m ) 。b e s i i i 超导磁体【3 】是目前中国最大的 超导磁体之一，设计长度3 5 米，直径3 米，它为北京谱仪提供大小1t ，均匀度5 的磁场。超导线材料为带有纯铝( 纯度 9 9 9 9 ，r r r 5 0 0 ) 稳定体的n b t i ，c u ( 1 ：1 ) 合金。为了减少真空筒对超导线圈的辐射漏热，设计有7 7 k 的液氮屏。超导磁体结 构如图1 1 所示。 图1 _ 1b e s i l i 超导磁体结构示意图 整个磁体系统主要由超导线圈、支撑筒、液氮屏、真空筒及阀箱组成。超导线 圈是由超导线内绕于支撑筒的内壁而成。绕线前，支撑筒的外壁焊接液氦管道，内 壁加敷两层g u g ( g l 踮s f i b e r - u p j l e x g l a s s f i b e r ) 1 乍为对地绝缘层。线圈的匝间绝缘材 料为0 0 7 5m 厚的u g ( u p i l e x g i a s s 助e r ) 薄膜，1 0 0 单层覆盖超导线。低温胶采用 a v l l 9 。超导线总长度8 5k m ，由三段连接而成。连接匝采用1 1 g ( t u n g s t e ni n e r t g a s e 曲技术焊接。焊接接头电阻控制在低温时1 1 0 - 9 q 以下。线圈由2 4 根轴向杆和 2 4 根径向杆支撑，来承受自身重力及运行时的电磁力。支撑杆材料采用g h 【p ( g l a s s f i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c l ，以减少室温环境对超导线圈的漏热。超导线圈由液氦管道 内流动的两相氦冷却，防辐射屏由液氮冷却。 b e s l l i 超导磁体设计参数如表1 1 所示： 表1 1b e s i i i 超导磁体设计参数 项目数值 中心场强 磁场均匀度 运行电流 线圈自感 线圈储能 绕线结构 线圈长度 线圈半径 线圈匝数 2 兰禽翠 曲，3 l 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 2 超导磁体运行过程中需要采集的信号及其要求 1 2 1 线圈和电流引线电压信号以及辅助电压信号 超导线圈所承载的电流大于临界电流时，磁体失超1 4 j 。一旦失超，磁体的储能 将主要以热的形式释放出来，可能造成超导线圈匝问绝缘击穿或烧毁，超导线过热 退化，低温胶脱落等。因此，超导磁体失超的及时探测和保护尤为重要。 s s m 超导磁体失超保护系统【5 l 由隔离放大器、失超探测电路、保护逻辑电路、 泄能电阻、泄能开关、慢放电二极管组成，如图1 2 所示。一旦检测出磁体失超， 立即通过p l c 电路控制泄能开关，切断电源，将磁体储存的能量释放到泄能电阻上。 图1 2b e s i i i 超导磁体失超保护系统 无阻是超导磁体在超导态的最基本特征，承载电流的超导线圈在局部导体失超 后由于存在电阻，两端将出现电压，这是超导磁体失超的一级效应；导体温度变化 引起冷却剂的流量、压力变化，这是超导磁体失超的次级效应。桥路法是最为广泛 使用的失超信号检测方法【6 】。 s s m 超导线圈( c o i l ) 是由三段超导线焊接而成，线圈的两端各有一根电流引线 ( k a d ) ，从线圈和电流引线上一共引出1 1 根电压抽头，如图1 3 所示，这些电压抽 头组成两个桥电路，以探测磁体失超和电流引线故障。 顽士学住论文 m a s t e r s t h e s i s 图1 3b e s i i i 超导磁体c o i l l e a d 电压抽头 s s m 超导磁体有两种泄能方式：慢卸载和快卸载。直接关闭电源就启动慢卸 载，磁体储能通过大功率的二极管释放，卸载过程大约为1 小时；关闭电源，同时 切断回路开关就启动快卸载，磁体储能通过泄能电阻释放。泄能电阻阻值为o 1q ， 卸载过程约为1 0 0 秒。在电源故障、供电系统故障、低温系统故障、真空丢失等情 况下启动慢放电，在磁体失超、严重设备故障、电流引线母排或者二极管过热、出 于安全连锁的需要等情况下启动快放电。 上述失超保护电路主要基于传统的模拟技术，缺点是没有数字接口，不利于事 后分析。采集和记录c o i l & k a d 电压，对于分析磁体状态以及研究磁体失超和失超 传播是非常有意义的。 c o i l m d 电压信号采集要求两种模式：慢采模式和快采模式。慢采模式采样 频率为1 h z ，快采模式采样频率为2 5 0 h z 。磁体正常运行时用慢采模式，磁体失超 4 后切换到快采模式，采样时间持续1 2 0 秒。从慢采模式到快采模式的切换是通过失 超探测电路发送失超连锁信号。 除了磁体内部c o i l & k a d 电压信号以外，对磁体外部一些辅助电压信号的监测 可以发现可能存在的安全隐患，有利于磁体安全运行。这些辅助电压信号包括：慢 放电二极管两端电压、回路开关两端电压、泄能电阻两端电压、对地漏电电阻两端 电压。 c o i l k a d 电压信号有8 路，磁体外部辅助电压信号8 路，均为差分输出。 1 2 2 拉力和应力应变传感器 b e s i i i 超导磁体的4 k 筒是通过2 4 根径向和2 4 根轴向拉杆固定在3 0 0 k 筒上， 对拉杆受力情况的监测是非常必要的。为此，在每根拉杆上安装了拉力传感器 ( l o a d c e l l ) ，型号为o i i l e g a 公司l c 9 0 1 1 2 3 0 k 。另外，由于超导线圈是内绕在4 k 筒的内壁，在系统加电时4 k 筒会受到超导线圈的径向挤压，应力应变片 ( s t i a i g a 舻) 安装在4 k 筒的外壁，用来监测4 k 筒因为受力而发生的形变。 s t r a i n g a g e 型号为0 m e g a 公司s g 3 3 5 0 l y l 3 。 l o a d c e l l 和s t r a i n g a g e 原理相似，内部电路如图1 4 所示。当传感器不受力时， 4 个电阻组成的桥电路平衡，输出为0 ；当传感器受力时，电阻阻值发生改变，导 致桥电路不平衡，输出差分的模拟电压。输出电压和受力成线性关系。 + 5 j 血l o i l i p i i t 图1 4s t r a i n g a g e 电路 系统要求l o a d c e l l s t r a i n g a g e 的最小分辨率为1 0 0 磅，换算成传感器的输出 电压为2 5 u v ，经过信号调理电路放大后为1 2 5 m v 。l o a d c e l l s t r a i n g a g e 信号为慢 5 信号，采样频率为1 h z 。 l o a d c e l l 传感器一共4 8 路，s t r a i n g a g e 传感器一共6 路。 1 2 3 位移传感器 位移传感器( p o t e n t i o m e t e r ) 用来测量超导线圈相对于3 0 0 k 筒的位移，具体型 号为4 0 4 r 1 k t 5 l 1 o l t 。p o t e n t i o m e t e r 传感器实质上是l k 的电位器，如图1 5 所 示。 r e t m c t r i = 习，p m ， ooo 图1 5p o t e n t j o m e t e r 传感器 系统要求p o t e n t i o m e t e r 传感器分辨率为o 1 册，在1 0 v d c 电源供电情况下， 0 1 姗位移对应电压改变量为6 5 m v 。p o t e n t i o m e t e r 信号为慢信号，采样频率为1 h z 。 p o t e n ti m e t e r 传感器一共8 路。 1 2 4 温度传感器 在b e s i i i 超导磁体内部有众多温度传感器： c 锄0 x s d 温度传感器：一共4 个，安装在超导电缆两个焊接匝上各一个， 液氦管进出口各一个。 c e m o x c u 温度传感器：一共4 个，安装在线圈表面。 铂电阻温度传感器：一个1 4 个，其中6 个4 k 筒上，8 个在液氮屏上。 另外，为了监测电源和母排的发热情况： 在电源变压器和散热片安装一总线温度传感器d s l 8 8 2 0 ，一共1 2 个； 在母排上每隔2 3 m 安装一个d s l 8 8 2 0 ，一共有1 6 个。 1 3 课题研究内容和论文结构 b e s i i i 超导磁体数据采集系统采用基于c a n _ b u s 的分布式数据采集方案，用 c a n 2 e t h e r n e t 网关连接c a n - b u s 和以太网，最终将数据传送到以太网上的b e s i i i 超导磁体控制计算机。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 本课题的主要任务包括： 1 i 制定c a n 总线用户层协议。 2 数据采集节点的软硬件设计，包括磁体电压数据采集节点、辅助电压数 据采集节点、l o a d c e l l 传感器数据采集节点、s t r a i n g a g e 传感器数据 采集节点和p o t e n t i o m e t e r 传感器数据采集节点。 3 o n 2 e t h e m e t 嵌入式网关的软硬件设计。 论文分为五章。第一章为绪论，主要介绍课题背景和超导磁体运行过程中需要 采集的信号的特点及要求；第二章分析系统运行需求，提出系统设计方案，介绍c a n 总线的特点，并制定c a n 总线用户层协议：第三章为硬件电路设计，包括数据采集 节点电路和c a n 2 e t h e r n e t 嵌入式网关电路；第四章介绍软件设计；第五章给出性 能测试结果，并对全文进行总结。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 2 1 系统运行需求分析 第二章系统设计 由第一章的介绍可知，b e s i i is s m 磁体运行过程中需要检测的信号包括：8 路 c o i l k a d 电压信号、8 路辅助电压信号、4 8 路l d a d c e l l 传感器信号、6 路s t r a i n g a g c 传感器信号、8 路p o t e n t i o m e t e r 传感器信号以及众多温度传感器信号。其中，辅助 电压信号和部分温度传感器位于b e s i l i 超导磁体电源问，其它的传感器都在b e s i i l 谱仪大厅。因为需要采集的信号较多，传感器节点较分散，所以有必要采用分布式 数据采集方案，由多个数据采集节点共同完成上述信号的采集。c a n 总线在工业自 动化领域应用非常广泛，数据采集节点采用c a n 总线进行通信，能保证数据传输 的实时性和可靠性。 b e s i i i 超导磁体数据采集中不同类型传感器信号采集要求不一样，其中以 c o i l k a d 电压采集的要求最高，特别是磁体失超以后c o i l k a d 电压的变化是最 值得关心的，要求快采样( 频率为2 5 0 h 匕) 。磁体失超启动快卸载方式后磁体电压 变化如图2 1 所示。为了降低系统的复杂度以及从系统运行维护角度考虑，应该尽 量使各数据采集节点的设计保持一致。 0 5 0 1 0 0 罂一 s o 拿抽o 。2 5 0 ，3 0 0 r i ! i l ：m a g n 盯v o l t a g e 垤t 。m e l 厂 。1 。o” ” 鑫c 0 n 器 ” 图2 1 快卸载方式磁体电压变化 数据采集节点应该包含3 个基本模块：控制器、a d c 、c a n 控制器和收发器。 在快采样模式下，采样频率相对较高，数据量较大，不能保证数据的实时传输，应 该将数据先缓存在节点上，因此，功a d k a d 电压采集节点还应该扩展数据存储器。 a d c 的选型将会决定系统的性能指标。本设计中要求a d c 具有5 v 。+ 5 v 双 极性模拟输入范围和1 0 m v 的分辨率，因此a d c 需要1 0 位以上精度，同时要求 a d c 具有较高的转换速率，以适应快采样模式的需要。 b e s i i i 谱仪大厅( 超导磁体电源问) 电子学环境恶劣，电磁干扰比较严重，设 计硬件电路时应该考虑电磁干扰的抑止。为了保障超导磁体的安全运行，应该保证 前端信号和数据采集电路之问的电气隔离。 2 2 系统设计框架 在大型企业自动化系统中，上层企业管理层和生产监控层一般都采用以太网和 p c 机，而下层车间现场则采用现场总线和单片机测控设备1 7 】。这种构架适合b e s i i i 超导磁体的数据采集系统( s s m d a q ) 的特点，因此，s s m d a q 采用如图2 2 所示的设计 方案： 图2 2s s m d a q 系统设计框图 s s m d a q 由1 1 个数据采集节点组成，数据采集节点采用o n 总线进行数据 传输。超导磁体控制计算机( s s mc o n t r o lc o m 口u t e f ) 连接到以太网，来自c a n 总 线的数据通过c a n e t h e r n e t 网关传送到控制计算机中，进行处理和记录。网关用来 桥接c a n - b u s 和以太网，实现c a n 总线和以太网之间的数据透明传输。 数据采集节点命名为s s m d a q n ( n = 1 、2 1 1 1 ，具体如下： s s m d a q l 2 3 ：l 0 a d c e l l 传感器数据采集 9 s s m d a q 4 ：s t r a j n g a g e 传感器数据采集 s s m d a q 5 ：p o t e t i o m e i e r 传感器数据采集 s s m d a q 6 ，7 ：超导磁体c o i l l c a d 电压信号 s s m d a q 8 9 ：辅助电压信号采集 s s m d a q l o 1 1 【8 】：电源运行参数、母排温度传感器数据采集。 2 3c 州总线 2 3 1c a n 总线介绍 控制器局部网h ( c a n c 0 n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 是德国b o s c h 公司为现代 汽车应用推出的一种多主机局部网，属于总线式通信网。c a n 总线最初是为解决现 代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的，适合应用于对抗干扰能 力和实时通信能力较高但单次通信数据量较小、通信距离在3 5 k m 以内的一些场合。 由于其卓越性能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。 1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运载工具一数字信息交换一高速通信控 制器局部网( c a n ) 国际标准( i s 0 1 1 8 9 8 ) 。c a n 协议的一个最大特点是废除了传统 的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点是可使网络 内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由l l 位或2 9 位二进制数组成， 因此可以定义2 k 或5 1 2 m 个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同 的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。数据段长度 最多为8 个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要 求。同时，8 个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。c a n 协议 采用c r c 检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。 另外，c a n 总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串 行总线以及广播通信的特点。c a n 总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其 它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。 c a n 总线协议的分层结构如图2 3 所示。其中，物理层定义实际信号的传输方 法：数据链路层分为传输子层和对象子层，传输层是c a n 协议的核心，它负责位定 时及同步、报文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定、故障界定，它把接收到的报 文提供给对象层以及接收来自对象层的报文；对象层的功能是报文滤波以及状态和 报文的处理【1 0 】【l l 】。 1 0 项士举住论文 m a s t e r st h e s i s 应用层 对象层 报文滤波 报文和状态的处理 传输层 故障界定 错误检测和标定 报文校验 应答 仲裁 报文分帧 传输速率和定时 物理层 信号电平和位表示 传输媒体 图2 3c a n 总线协议分层结构 其中c a n 的物理层和数据链路层通信协议主要由c a n 总线收发器和c a n 总线控 制器来完成。c a n 总线控制器主要实现c a n 总线协议数据链路层的所有功能；c a n 总线收发器则用于实现c a n 总线协议物理层的功能；应用层协议需要用户自定义。 c a n 总线逻辑实际上是所有总线节点“线与”的结果1 1 2 l ，c a n 总线通过两条信 号线c a n h 和c a n l 传递数据。当前总线上传输的信息是由c a n h 和c a n l 差分电 平决定的。当差分电平大于阈值时表示逻辑0 ：小于阈值时表示逻辑1 。所谓“线 与”是指当一个节点发送逻辑o 而另一个节点发送逻辑1 到总线上去时，总线状态 为逻辑o ，因此，逻辑0 称为显性位，逻辑1 称为隐性位。 c a n 总线的通信总是基于下面的规则进行协调： 1 总线访问：c a n 是共享媒体的总线，它对媒体的访问机制类似于以太网的 访问机制，即采用载波监听多路访问( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s ， c s m a ) 的方式。 2 仲裁：当总线空闲时呈隐性电平，此时任何一个节点都可以向总线发送一 个显性电平作为一个帧的开始。 3 编码解码：帧起始域、仲裁域、数据域和c r c 序列均采用位填充技术进 行编码。 4 出错标注：当检测到位错误、填充错误、形式错误、应答错误时，检测出 错条件的c a n 控制器将发送一个出错标志。 1 l 硕士学位论文 m s t e r s t h e s i s 5 超载标注：一些c a n 控制器会发送一个或者多个超载帧以延迟下一个数据 帧或远程帧的发送。 2 3 2c a n 总线和其它通信方案的比较 c a n 总线与其它通信网的不同之处主要体现在两点：一是报文传送中不包含目 标地址，它是以全网广播为基础，各接收节点根据报文中反映数据性质的标识符过 滤报文。这样做的好处是可以在线上网下网、即插即用和多站接收；二是特别强化 了对数据安全性的关注，满足控制系统及其它较高可靠性要求的系统需求。从总线 的角度看，可靠性可以理解为，对传输过程产生的数据错误的识别能力。为了检测错 误，c a n 总线采取的措施包括：监听、c r c 校验、位填充和报文格式检查。对于c a n 总线，所有全局性错误都可被检测；发送器的所有局部错误可被检测；报文中的多 至5 个随机分布错误可被检测；报文中长度小于1 5 的突发性错误可被检测以及报 文中的任何奇数个错误可被检测。未检测出来的已损报文的残余错误概率小于报文 出错概率的4 7 丰1 0 。1 1 1 1 3 】，可见，c a n 总线具有极高的可靠性。 c a n 用位仲裁的方法解决当两个站同时发送数据时产生的冲突，在仲裁期间， 每个发送器将发送位电平同总线上监测到的电平进行比较，若相等，则节点可以继 续发送。当送出一个隐性电平，而监测到显性电平时，节点丢失仲裁，并转变为接 收状态；当送出一个显性电平，而监测到隐性电平时，表明节点检测出位错误。这 种位仲裁的方法不同于以太网的消息仲裁。以太网m a c 层采用c s m a c d 协议，冲突 发生时所有冲突站点终止传送，等待一个随机的时间。以太网在重负载情况下，冲 突概率加大，效率变低，甚至崩溃。c a n 非破坏性解决总线冲突的方法，确保在不 传送有用消息时总线不被占用。当总线在重负载情况下，以消息内容为优先级的总 线占用被证明是非常有效的。 c a n 总线和r s 4 8 5 总线相比具有众多优点1 1 4 】。r s 4 8 5 总线不支持竞争，通信采 用“一主多从”的方式，运行效率低，高峰期容易堵塞，而c a n 总线具有非破坏性 的总线仲裁，支持竞争，通信采用多主机方式，主机之间是对等的；r s 一4 8 5 总线通 信及组网的灵活性不强，通信速率比较低，c a n 总线的组网方式非常灵活，通信速 率最大可达1 m b p s ；r s 一4 8 5 总线标准只是一个电气标准，并没有自己的通信协议， 没有故障定位和错误处理能力，因此，r s 一4 8 5 总线构成的网络维护比较困难，往往 一个节点出现故障却要每个节点进行排查。而c a n 总线在这方面具有较强的能力。 采用c a n 总线来进行底层数据采集网络的组建从可行性、经济性、可靠性上来 考虑是不错的选择。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 4c a n 总线与以太网的桥接 c a n 总线与以太网通信，通常采用两种方案，一种是采用工控机加网卡或者 p c 机加p c l 接口c a n 总线采集卡来实现，这种方案成本较高；另一种是采用单片 机( 微处理器) + o s 的方案，这种方案采用嵌入式单片机，并且在嵌入式操作系统 平台上进行软件开发，在嵌入式系统中实现t c p i p 的协议处理。随着嵌入式技术 发展成熟，嵌入式系统应用越来越广泛，采用嵌入式系统实现c a n 总线和以太网 桥接的方案被广泛采用。 目前，有些嵌入式单片机带有o n b u s 和以太网的接口，能比较方便地实现 c a n - b u s 和以太网的连接，甚至有的是8 位的单片机，例如d s 8 0 c 4 0 0 【1 5 】系列网络 微控制器。d s 8 0 c 4 0 0 就是加强版的5 1 单片机，包括1 0 1 0 0 m 以太网m a c 和o n 控制器，并且在内部r o m 中提供完整的、可被应用程序访问的t c p i p v 4 v 6 网络 栈和o s 。但是，d s 8 0 c 4 0 0 处理能力有限，网络栈和o s 固化到内部r o m 中，只 提供a p i 函数，系统不具备良好的扩展性和移植性。 网关需要运行t c p 口协议，并且要和1 1 个c a n 节点通信，要求c p u 具有 较强的处理能力。本课题中c a n 2 e t b e m e t 网关采用3 2 位a r m 7 处理器s 3 c 4 4 b ( 和u a i n u x 操作系统的设计方案。 2 5c 州总线用户层协议的制定 。蝌总线仅仅定义了第1 层、第2 层( i s 0 1 1 8 9 8 标准) ，即物理层和数据链 路层。实际设计中，这两层完全由硬件来实现。c a n 协议没有规定应用层，本身并 不完整，需要一个高层协议来定义。卅报文中的1 1 2 9 位标识符和8 字节数据的使 用1 1 ”。基于o n 总线的工业自动化应用中需要一个开放的、标准化的高层协议， 这个协议支持各种c a n 厂商设备的互用性、互换性，能实现在c a n 网络中提供标 准的，统一的系统通信模式，提供设备功能描述方式，执行网络管理功能。o 气n 总 线的高层协议有很多种，目前尚未标准化，比较流行有c 心o p e n 、s a e j l 9 3 9 、 d e v i c e n e t 等1 1 7 j 。这些协议结构都比较复杂，适合大型系统的应用。对于本课题来 说，定制更为简单、实用、可靠的o n 总线高层通信协议非常必要。 n 总线是通过位仲裁机制解决总线访问冲突的，帧i d 越小，帧优先级越高。 两个节点同时向总线发送数据，帧i d 优先级高的节点获得总线控制权，优先级的 低节点转换成接收状态，在监听到下次总线空闲后，重新发送数据。为了保证系统 可靠运行必须对系统中的帧i d 进行严格分配，确保在某一时刻，某个i d 的数据帧 1 3 硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s 只能由某个确定的节点来发送，避免不同的节点同时发送帧相同的数据帧。本 设计中所有c a n 控制器工作在b a s i c o n 方式，帧i d 为1 1 位。将系统中可能会 出现的所有的帧进行分类、编码。编码规则是i d 的高6 位表示帧类型，低5 位表 示c a n 节点i d 编号。帧类型编码如表4 1 所示： 表4 1 数据帧分类和编码 数据帧类型 编码 r e a d vo ( ) 0 0 0 0 s t a no ( ) o 0 0 1 r e s e t0 0 0 0 1 0 e r r o r0 0 0 0 1 1 c o i l k a d 和辅助电压数 0 0 0 1 0 0 据帧1 2 0 0 0 1 0 1 l o a dc e l l 传感器数据帧0 0 1 0 0 0 t 2 b | 4 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 s 砌ng a g e 传感器数据帧 0 0 1 1 0 0 1 ，20 0 1 1 0 1 p o t e n t i o m e t e r 传感器数据 o o n l o 帧1 20 0 1 1 1 1 温度传感器数据帧 0 1 0 0 ( 】o 1 | 锄3 | 4 i s 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 u c n c h d a t 馥_ e n d 标志帧 0 1 1 0 0 0 时问帧 0 1 1 0 0 1 保留其它 在s s m d a q 的c a n 总线网络中，一共有1 2 个节点，分别是：网关、磁体电 压采集节点( 2 个) 、辅助电压采集节点( 2 个) 、l o a d c e l l 传感器信号采集节点( 3 个) 、s t r a j n g a g e 传感器信号采集节点( 1 个) 、p o t e n t i 锄e t e r 传感器信号采集节点( 1 个) 、温度传感器信号采集节点( 2 个) ，其中网关的o n 节点优先级最高。每个通 道经过a d 转换后占2 个字节，一帧数据包含4 个通道，因此，系统能够采集1 6 路磁体电压信号、1 6 路辅助电压信号、4 8 路l o a d c e n 传感器信号、8 路s t r a i n g a g e 1 4 额士学位论文 m a s t e r st h e s i s 传感器信号和8 路p o t e n f i o m e t e r 传感器信号，满足设计要求。 节点i d 编码如表4 2 所示： 表4 2o n 节点m 编码 c a n 节点 i d 网关 0 0 0 0 0 c o i l & k a d 电压采集节点 0 1 0 0 0 ( s s m d a q 6 仂 0 1 0 0 1 辅助电压采集节点 0 1 0 1 0 ( s s m d a 0 8 ，9 ) o l o l l l o a d c e l l 信号采集节点 0 1 1 0 0 ( s s m d a q l 2 ，3 ) 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 s t r a i n g a g e 信号采集节点 0 1 1 1 1 ( s s m d a q 4 ) p o t e n t i o m e t e r 信号采集节点 1 0 0 0 0 ( s s m d a 0 5 ) 温度信号采集节点 1 0 0 1 0 ( s s m d a o l o ，王1 ) 1 0 0 1 1 在s s m d a q 数据采集系统中，每个数据帧中的数据可以通过帧来解释。 下面以采集节点s s m d a q l 所发送的数据帧为例说明数据帧的格式。描述符为2 个 字节，由1 l 位i d 、r t r 位、数据长度位组成： 识别码1 l o a d w a s 玎! r j 弧a 瑚巳2 n o d em 0o 1 0 0 1o 1 识别码2 n o d ei dr 1 r 数据长度 100010 0o 数据长度为8 个字节，由4 个模拟电压通道的a d 转换结果组成，格式为： d od 1d 2d 3d 4d 5d 6d 7 l 高字节低字节高字节低字节高字节 低字节高字节低字节 模拟通道4模拟通道5模拟通道6模拟通道7 本协议中，每个采集节点只和控制计算机通信，采集节点之间没有信息交换。 r 勘山y 、s t a r t 、r e s e t 、e r r o r 帧表示采集节点和控制计算机之间的控制信息。 采集节点上电后自检，自检通过后给控制计算机发送r e a d y 帧，反之发送e 盯o r 帧。r 彤山y 帧的数据长度为3 字节：d o = o x 4 f ，d 1 = o x 4 b ，d 2 = 本节点i d 。e f r o r 帧的内容根据错误信息的不同而不同。控制计算机收到r 酗l d y 帧后给采集节点发 送s t a n 帧，长度为2 个字节：d o = o x 5 3 ，d 1 = 目的节点的i d 。另外，控制计算机通 过r e s e t 帧使采集节点复位，r e s e t 帧数据长度为2 个字节：d o = o x 5 2 ，d l = 目 的节点的i d 。采集节点收到r e s e t 帧以后将启动看门狗定时器( w d t ) ，通过w d t 的超时来使单片机复位。失超数据发送完以后，采集节点给控制计算机发送 q u e n c hd a t ae n d 标志帧。数据长度为1 字节：d o = 本节点i d 。 1 6 第三章硬件电路设计 s s m d a q 的硬件电路主要包括两个部分：数据采集节点电路和c a n 2 e t h e m e t 嵌入式网关电路。数据采集节点采用基于s s l 8 9 e 5 6 4 r d 的硬件平台，o k n 2 e t h e m e t 嵌入式网关采用基于a r m 7s 3 c 4 4 b o x 的硬件平台。本章重点介绍这两个平台的硬 件电路设计。 3 1 采集节点硬件设计 数据采集节点将超导磁体内部各种传感器以及c o i l k a d 输出的模拟电压信 号转换成数字信号，并传送给s s m 控制计算机。在实际应用中各个传感器到采集 节点的距离可能较远，传感器输出信号受外围环境干扰比较严重，特别是当信号较 小( l o a d c e l l 传感器有效输出信号小于3 m v ) 的时候。因此，