南京工业大学基于can总线的智能压力传感器设计
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南京工业大学基于can总线的智能压力传感器设计,毕业设计论文
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南京工业大学 毕业设计任务书 学院 专业年级 学生姓名 任 务 下 达 日 期 ： 2005 年 12 月 20 日 毕业设计日期： 2006 年 2 月 20 日至 2006 年 6 月 20 日 毕业设计题目：基于 CAN 总线的智能压力传感器 毕业设计专题题目： 毕业设计主要内容和要求： 1、了解目前压力监测装置的应用现状及发展 趋势 ; 2、 了解 CAN总线的原理、特点 ; 3、 设计一种基于 CAN总线的智能压力传感器，使之具有数据存储、显示、报警、修改上下 限报警值以及通信功能 ; 要求 硬件配置方面包括微控制器模块、压力传感器模块、数码管显示模块、通信模块及仪表的抗干扰措施的设计 ; 软件方面包括初始化模块、数据采集模块、数据处理模块、 LED显示模块、通信模块及控制模块 等 相应程序以及总程序 的编写 ; 最后进行软硬件 仿真 调试。 院长签字： 指导教师签字： nts 南京工业 大学毕业设计指导教师评阅书 指导教师评语 （基础理论及基本技能的掌握； 独立解决实际问题的能力；研究内容的 理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点； 工 作态度 及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题； 是否同意答辩等）： 成 绩： 指导教师签字： 年 月 日 nts 南京工业 大学毕业设计评阅教师评阅书 评阅教师评语 （ 选题的意义； 基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成 绩；存在问题； 是否同意答辩等 ）： 成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日 nts 南京工业 大学毕业设计答辩及综合成绩 答 辩 情 况 提 出 问 题 回 答 问 题 正 确 基本 正确 有一般性错误 有原则性错误 没有 回答 答辩委员会评语及建议成绩： 答辩委员会主任签字： 年 月 日 学院领导小组综合评定成绩： 学院领导小组负责人： 年 月 日 nts 摘 要 针对目前我国煤炭安装生产中液压支架监测系统传统测量方法存在的种种不足，从煤矿综合机械化采煤的特殊环境出发，提出了一种基于 CAN 总线的智能压力传感器。 本文针对 总线型仪表的要求，选用了 PIC 系列的带有 CAN 总线接口的 18F458 单片机，开发了一种基于 CAN 总线的智能压力传感器。本论文主要介绍了： 首先 对 CAN 总线进行详细的介绍；然后在硬件配置方面加以介绍，包括微控制器模块、传感器模块、显示模块、通信模块；接着从软件方面加以介绍，包括初始化模块、 A/D 转换模块、修改报警上下限模块、 LED 显示模块、通信模块以及软件抗干扰措施的编写，即给出了系统总的程序流程图和各子程序流程图。结合自己的调试经历说明了单片机系统软硬件调试原则和需要特别注意的地方。总结了自己在系统设计中所 完成的内容、遇到的问题及解决方案、所得到的收获和体会。 关键词： CAN 总线 ; 智能压力传感器 ; PIC18F458; 数据处理 nts ABSTRACT Based on the condition about disadvantage of traditional measuring method and special environment of the fully-mechanized coal mining,the paper presentes a kind of pressure measuring device based on CAN bus . In order to meet with requirements of fieldbus instruments,a smart senor of pressure based on CAN fieldbus techonogy is developed.It is exploited by using PIC18F458 series microcontroller with CAN interface.The major contents of this content include the following parts: The first part is about CAN fieldbus features.The second part is about the design of hardware ,including the mirocotroller module,the sensor module,the LED module,the communication module .The third part is about the design of software,including the program of initialization,data acquisition,data processing,alter the high and low limit of the arming value,LED , communication and software anti-jamming measure . Whats more, the paper explaines the method of data processing and program flow sheets, and illustrates the principle and problems of system debugging according to my experience, and explaines problems and gains in my design. Keywords: CAN bus ; Smart Pressure Sennors ;PIC18F458; Data Processing nts 目 录 1 绪论 . 1 1.1 研究背景和介绍 . 1 1.2 现场总线技术综述 . 3 1.3 压力传感器的发展历程 . 4 1.3.1 压力传感器的发展历史 . 4 1.3.2 压力传 感器的发展现状 . 5 1.3.3 压力传感器的发展方向 . 6 1.4 课题研究的内容和方法 . 7 1.4.1CAN 总线技术的研究 . 7 1.4.2 硬件的设计 . 7 1.4.3 软件的编制 . 8 2 CAN 现场总线 . 9 2.1CAN 总线概述 7 . 9 2.2CAN 总线特点 . 11 2.3PIC18F458 中 CAN 总线模块特征 . 12 3 系统硬件设计 . 14 3.1 系统功能说明 . 14 3.2 系统硬件电路图组成模式 . 15 3.3 硬件电路原理图设计 . 15 3.4 系统功能模块介绍 . 18 3.4.1 主处理器模块 . 18 3.4.2 数 据信号采集模块 . 20 3.4.3 传感器模块的设计 . 21 3.4.4 数据显示与报警 . 23 4 系统软件设计 . 29 4.1 单片机软件设计步骤 . 29 4.2 本系统软件设计 . 31 4.2.1A/D 转换程序设计 . 34 4.2.2 延时子程序 . 35 4.2.3 标度变换子程序 . 35 4.2.4 修改报警上下限程序 . 37 4.2.6 软件抗干扰措施 . 43 5 系统软件调试 . 45 6 总结 . 48 6.1 系统所完成的工作 . 48 6.2 系统设计中的问题及解决方案 . 48 6.3 我在设计中的主要收获 . 49 附录 . 错误 !未定义书签。 nts nts 南京工业 大学 2006 届本科生毕业设计 第 1 页 1 绪论 1.1 研究背景和介绍 众所周知，提高矿井安全性能指标，始终是煤矿系统工作的重大课题。而液压支架系统是煤矿安全生产过程中的一个重要环节。液压支架的生命力所在，即“两力”：初撑力与工作阻力，它们既是液压支架性能特征的重要参数，也是工作面生产管理的重要指标，尤其是初撑力，在所有工作面生产管理的参数指标中占有举足轻重的地位，而且对其它一些参数指标起决定性的影响。现场常见的压垮型、漏冒型及推垮型三类顶板事故中，其事故发生原因大都在于支架的初撑力不 足 1，因为，支架初撑力不足，达不到设计标准要求，首先会直接导致直接顶和基本顶的离层，这样当基本顶断裂岩块岩块露出煤壁往下运动时，容易产生冲击载荷，诱发压垮型顶板事故的发生；其次，支架初撑力不足，顶梁接顶点后移，实端面距加大，再遇上软弱破碎顶板条件或断层破坏带，极易引发发生率极高的端面冒顶事故；再次，初撑力不足直接导致支架初撑力并确保其符合要求，就可以杜绝回采工作面绝大部分事故的发生。为此，实时采集支架压力，掌握支架的初撑力、顶板的周期来压的规律，对于煤矿的安全生产是十分重要的。另外，对液压支架的数据测量 /传输必须兼顾快速性、准确性、可靠性、通讯的灵活性等原则。利用 CAN 总线的性能和极高的可靠性把压力数据传给终端，对提高生产效率，确保煤炭生产的安全性具有重要的现实意义。 对液力支架初撑力的监测一直是现场和工作人员研究的重点，但据资料显示，国内外煤炭生产对液压支架初撑力监测的措施及装置几乎寥寥无几。在我国，对该项指标的监测方法也比较落后，多数的综采工作面沿用临时安装压力表（常见的如直读式压力表）的方法 2。此方法的优点是压力显示直观，初期购置费用低，缺点是工作量大，数据记录周期长，实时性差，只能随机由人工读 取压力值，易受人为因素的影响，而且使用寿命普遍较短，一般为 1 个月 3 个月。这种压力监测形式不能快速而真实地反映支架在每个工作过程或循环中的实际工作状态，总结不出有关支架和顶板状态分析的技术资料和管理经验；况且凭支架操作人员的经验及感觉来决定初撑力的大小显然是不科学的，同时也是相当危险的：因为在不同的顶板及地质条件下，支架的设计或标准初撑力一经量化地确定以后，支架的操作就必须严格按标准要求执行，以确保支架对顶板的合理控制以及支架 围岩系统的良性运作，否则必然引起顶板事故，后果不堪设想。 nts 南京工业 大学 2006 届本科生毕业设计 第 2 页 还有一种常见的 方法，就是在液压支架上安装圆图压力自记仪。它与直读式压力表相比具有一定的优越性，但使用中，仍有诸多不完善之处：初期购置费用高、工作寿命不理想（ 3 个月 6 个月换机芯）、测量精度低、使用操作工作量大。到目前为止，因其测量点少、数据代表性差，还未能得到推广利用。 总而言之，以前的液压数据监测仅仅提供现场数据的显示和报警，在各设备上加智能仪表，比较分散，不利于整体了解现场具体情况和进行及时检修，液压数据也无法保存，而这些数据是查清液压支架故障原因和检修的重要依据；智能仪表的各种操作，如调零、限值、精度都因环境 和人为因素，影响了简单仪表的显示、报警功能，加之工作环境恶劣（高温、震动、电磁波辐射等），导致其实时性、准确性都较差。目前我国煤矿液压支架监测监控系统存在明显的缺点和不足 3： 1） 无法构成多主结构，不能满足在分布式系统中监控分站之间相互通信的要求 ; 2） 主接点任务繁忙，一旦主节点出现故障就可能引起系统瘫痪 ; 3） 数据通信方式为命令响应式，数据传输速率低 ; 4） 当下端出现异常时，数据不能立即上传，系统灵活性差，实时性不够高。 随着科学技术的发展，煤矿生产自动化及工作面的逐步实现，现有的煤炭生产管理也面临着一场新的革命，现 代化的科学、经济、合理的煤炭生产管理已为期不远。目前，世界上已经出现了先进的液压监测设备，如德国的 PM3、 PM4 等，可将支架压力监测与移架控制、工作面监测信号、工作面扩音电话集成在一个系统中传输。我国部分煤矿也引进了这些设备，提高了矿井安全性能，增加经济和社会效益。 另外，现场总线技术的发展突飞猛进，总线技术广泛应用于各种工业现场，特别适用于做优化、分析及维护的系统。 90 年代，国内开始对现场总线进行研究，并已在诸多领域中应用。针对目前煤炭液压监测的许多缺点和弊端，现场总线技术在该行业中的应用越来越受到人们的 关注。 本课题的主要内容是研制出一套适用与井下液压支架压力监测的装置。系统所实现的功能是实时采集压力数据并存储、显示、传输。按功能定义的不同，压力监测装置可分为四部分，其中数据采集部分主要完成对压力的实时采样；数据处理部分主要完成对采集数据的处理；显示部分主要显示所采集的压力的大小。同时，信nts 南京工业 大学 2006 届本科生毕业设计 第 3 页 息传输部分还要将监测到的数据及时的通过 CAN 总线传递给终端，以实现对参数的随机查询，对信息的存储与处理，及时调整控制方案，提高生产安全。 1.2 现场总线技术综述 现场总线是用于连接过程自动化和制造自动化最 底层的现场设备或现场仪表的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成。 现场总线的特点主要表现在以下方面： （ 1）一对 N 结构 一对传输线， N 台仪表，双向传输多个信号。这种一对 N 结构使得接线简单，工程周期短，安装费用低，维护容易。如果增加现场设备或现场仪表，只须并行挂接到电缆上，无需架设新的电缆。 （ 2）可靠性好 现场总线采用数字信号传输，而数字信号传输抗干扰性强，精度高，因此可靠性好。 （ 3）可控状态 操作员在控制室既可以了解整个系统中现场设备和仪表的工作状况，也能对其进行参 数调整，因此可以预测或发现故障，提高了系统的可控性和可维护性。 （ 4）互换性 用户可以自由选择不同制造商所提供的性能价格比最优的现场设备或现场仪表，并将不同品牌的仪表互联。 （ 5）互操作性 用户把不同制造商的各种品牌的仪表集成在一起，进行统一组太，构成其所许需要的控制回路；而不必为集成不同品牌的产品在硬件或软件上花费力气或增加额外投资。 （ 6）分散控制 控制站功能分散在现场仪表中，通过现场仪表就可构成控制回路，实现了彻底的分散控制，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。 （ 7）统一组态 由于现场设备或现 场仪表都引入了功能块的概念，所有制造商都使用相同的功能块，并统一组态方法，这样用户就不需要学习新的组态方法及编程语言。 （ 8）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，各制造商都必须遵循。同层网络内部设备可以互联，不同层网络之间设备也可互联。 nts 南京工业 大学 2006 届本科生毕业设计 第 4 页 1.3 压力传感器的发展历程 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。现代信息技术的三大基础是信息采集、传输和处理技术，即传感器技术、通讯技术和计算机技术，它们分别构成了信息技术系统的“感官”、“神经”和“大脑”。信息采集系统的首要部件是传感器，且置于系统的最前端，仅此而言，传感器可称得上尖端技术。 1.3.1 压力传感器的发展历史 硅单晶材料优良的压阻效应与完美的微加工技术相结合，被广泛用于制备压力传感器。现以薄膜压力传感器为例来说明传感器的发展过程 4。 半导体传感器的发展可以分为四个阶段 5, (1)发明阶段 (1947 1960):这个阶段主要是以 1947年双极 性晶体管的发明为标志。此后，半导体及设备的特性得到了广泛应用。史密斯 (C. S. Smith)于 1945年发现了硅和锗的压阻效应，即当有机械力作用于半导体材料时，其电阻发生变化。依据此原理制成的第一个压力传感器是把硅和锗应变电阻片粘在金属薄膜上，将力信号转化为电信号进行测量。此阶段最小尺寸大约为 lcm。 (2)基础技术发展阶段 (1960 1970):为提高传感器的性能，应变片被直接扩散在硅杯的底面簿膜上。用硅杯代替金属膜。这个阶段也是“商业和市场发展的阶段”，即把技术研究变为实际应用。此阶段最小加工线度为 0. 5cm。 (3)批量加工阶段 (1970 1980):采用选择性的各项异性的化学腐蚀加工的工艺提高膜片的性能。由于腐蚀可以在整个表面进行，因此，数百个传感器膜片可以一批加工完成。这一阶段类似于集成电路的制作。由于表面光刻技术的发展，加工尺寸十分精确，加之离子注入工艺的应用使工艺水平进一步提高。此阶段最小加工尺寸为 0.2cm 。 (4)微机械加工阶段 (1980今 ):微机械加工工艺适应于结构型传感器，或nts 南京工业 大学 2006 届本科生毕业设计 第 5 页 线度在微米级 (10 6um)范围的其他结构。利用这一技术可以加工、蚀刻微米级的沟、条、膜，标志着传感 器己进入了微米阶段。此阶段标志传感器的最小尺寸为 0.02cm。 1.3.2 压力传感器的发展现状 微机械加工的压力传感器主要是以微机械加工为标志的，线度大约在 12mm左右的微型压力传感器，这种压力传感器由于体积很小，可以放置于人体的重要器官 ( 如 : 血 管 、 眼 睛 等 ) 内 进 行 有 关 数 据 的 采 集 。Hachol ,Andrzej ;Dziuban ,JanBochenek ,Andrzej 1996年报导了他们研制的用于测量眼压的眼压计，其膜片直径为 lmm。在内眼压力 (IOP-Intraocular pressure)为 60mmHg时，静态输出为 40mV，灵敏度系数亦较高 :Marco, S和Samitier, J等人于 1997年也报导了使用极薄膜片构成的高性能、用于生物学研究的压阻式力传感器，主要用于血管压力测量。 温度漂移的补偿由于温度是影响压力传感器线性度的土要原因，温度漂移效应补偿研究成为众所关注的课题，近年来发表此方面的论文也比较多，归纳起来有两大类 :其一是利用双惠斯登电桥结构对温度漂移进行补偿，如 :Lee, Young -Tac和 Seo , Hee -Don等人提出的利用双惠斯登单臂电桥结构补偿法 ;Hou , Chenggui提出的双电桥制成的压力传感器，利用双电桥来改善压力传感器的灵敏度，消除零压输出，减小灵敏度温度漂移己得到了实现等。其二是利用线性电压激励，使压阻式力传感器的灵敏度改变得以补偿。 Gakkested , Jakob ;Ohlckers, Per III Halbo , Leif成功地实现 T这一设想。对温度变化引起的灵敏度和线性度漂移利用软件或硬件进行补偿同样取得了良好的效益。 目前，传感器在很多方面存在严重不足，因结构尺寸人，时间 (频率 )响应特性差 ;输入 -输出特性存在非线性，且随时间漂移 ;参数易受环境条件变化的影响而漂移等。 nts 南京工业 大学 2006 届本科生毕业设计 第 6 页 1.3.3 压力传感器的发展方向 1、向高精度发展 :随着自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也在不断提高，必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应速度快、互换性好的新型传感器以确保生产自动化的可 靠性。目前能生产精度在万分之一以上的传感器的厂家为数很少，其产量 也远远不能满足要求 6. 2、向高可靠性、宽温度范围发展 :传感器的可靠性直接影响到电子设备的抗干扰等性能，研制高可靠性、宽温度范围的传感器将是永久性的方向。提高温度范围历来是大课题，大部分传感器其工作范围都在 -200 700，在军用系统中要求工作温度在一 400 850范围，而汽车锅炉等场合要求传感器工作在 -200 1200，在冶炼、焦化等方面对传感器的温度要求更高，因此发展新兴材料 (如陶瓷 )的传感器将很有前途。 3、向微型化发展 ;各种控制仪器设备的功能越来越人，要求各个部件体积能占位置越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好，这就要求发展新的材料及加工技术，目前利用硅材料制作的传感器体积己经很小。如传统的加速度传感器是由重力块和弹簧等制成的，体积较大、稳定性差、寿命也短，而利用激光等各种微细加 工 技术制 成的硅加速度传感器体积非常小、互换性可靠性都较好。 4、向微功耗及无源化发展 ,传感器一般都是非电量向电量的转化，工作时离不开电源，在野外现场或远离电网的地方，往往是用电池供电或用太阳能等供电，开发微功耗的传感器及无源传感器是必然的发展方向，这样既可以节省能源又可以提高系统寿命。日前，低功耗损的芯片发展很快，如 TI2702运算放大器，静态功耗只有 1.5mW，而工作电压只需 2 5V。 5、向智能化数字化发展 :随着现代化的发展，传感器的功能己突破传统的功能，其输出不再是一个单一的模拟信号 (如 0 10mV )，而是经过微电脑处理好后的数字信号，有的甚至带有控制功能，这就是所说的数字传感器 8。 nts 南京工业 大学 2006 届本科生毕业设计 第 7 页 1.4 课题研究的内容和方法 课题研究围绕传感器仪表的设计展开。首先确定要开发的 CAN 总线智能压力传感器具有测量、控制和通信的功能，并规定设备的工作过程如下 :被测压力信号作用于压力传感器，产生对应的电压信号，经过信号调理电路对信号进行放大、滤波后，送入 PIC18F458 微控制器，其内嵌的 A/D 转换模块将模拟电压信号转换成数字电压信号，再经过一系列的相关软件 (数字滤波等 )处理后，进行数码管显示，完成压力测 量功能 :根据预先设定的上下限值，若超过则报警；将压力测量值发送给 CAN 总线，并接收总线上来自上位机和其他网络仪表的发送帧，进而实现通信功能。 接下来围绕硬件设计和软件编写进行开发，并对软、硬件进行了统一考虑，表现在以下几个方面 : (1)尽可能选择功能强、集成度高的标准化和模块化芯片，尽量减少插接件和相互连线，以提高仪表的可靠性和成功率。 (2)充分发挥软件的作用，以降低硬件成本，并能提高仪表的灵活性和适应性。 (3)各功能模块的设计在满足系统功能要求的基础上，留有适当的余地，以备将来修改和扩展之用。 (4)设备的抗干扰设计在设备开发中也是需要重点考虑的，对此后面有专门讨论。 1.4.1CAN 总线技术的研究 CAN 总线技术的研究主要从 CAN 总线的特点、 PIC18F458 的 CAN 模块及其应用等几个方面进行。 1.4.2 硬件的设计 CAN 总线智能压力变送器的硬件部分由传感器模块、微控制器模块、通信模块、上下限报警模块、显示模块、电源模块组成。利用 Protel99 进行电nts 南京工业 大学 2006 届本科生毕业设计 第 8 页 路原理图及印刷电路板的设计。 1.4.3 软件的编制 配合硬件结构，确定合适的软件结构和程序算法，绘制程序流程图，采用汇编语言最后进行仿真 调试和脱机运行调试。软件基于模块化设计思想，采用分层分块的结构，使程序编写容易，易于扩展、维护和调试。软件部分主要包括初始化程序、数据采集与处理程序、修改报警上下限程序、数码管显示程序、通信程序等。 nts 南京工业 大学 2006 届本科生毕业设计 第 9 页 2 CAN 现场总线 2.1CAN 总线概述 7 控制器局域网（ CAN）是一个串行通信协议，它具有非常高的鲁棒性（ robustness），能有效支持分布式实时控制。 Robert Bosch GmbH 在 1991 年的CAN 规范 V2.0B 中完整定义了此协议。 CAN 总线的应 用领域包括从高速网络到低成本多路传输线路。在汽车电子应用领域，引擎控制单元、传感器、防滑系统等都通过 CAN 连接起来，最高位速率可达 1Mbit/s。 CAN 网络以一种节省成本的方法替代了汽车工业中繁杂的信号传输线。 CAN 总线在噪声环境中的鲁棒性，以及错误状态的检测和恢复能力使其适用于 eviceNet、 SDS 和其他现场总线协议等工控应用。 CAN 是具有一个逻辑总线线路的异步串行总线系统。为开放式、线性总线结构，总线节点平均分布。 CAN 总线由两个或多个节点组成。总线上的节点数量可以动态改变，而不会影响其 他节点的通信。这样就很容易连接或者断开总线节点（例如为了增加系统功能、错误恢复或总线监测）。总线逻辑对应“线与”机制，“隐性”位（ Recessive bits，通常，但不是必须，等于逻辑电平“ 1”）被“显性”位（ Dominant bits，通常逻辑电平为“ 0”）覆盖。只要没有总线节点在发送显性位，总线线路就处于隐性状态，但是只要任何总线节点发送了显性位，总线线路即处于显性状态。因此，对于 CAN 总线线路，必须选择能传送两种可能位状态（显性和隐性）的介质。其中最常见也最经济的方法是使用双绞线。此时总线线路称为“ CANH”和“ CANL”，可以直接与节点连接或通过连接器与节点连接。对于连接器的使用， CAN 规范中并没有定义标准。通过在总线线路的始端和末端接端接电阻来端接双绞线。总线长度小于或等于 40米时，最大总线速度可达 1 Mb。如果总线长度超过 40米，总线速度必须要降低（ 1000 m 的总线可达到 40 Kb 的总线速度）。总线长度如果超过 1000米，则应该使用专门的驱动器。总线上不连接其他设备时至少可以连接 20个 节点。由于采用差分信号进行传输，两条总线线路受到相同的影响，因此差分信号不会受到影响，所以 CAN 不易 受 EMI 的影响。也可以屏蔽nts 南京工业 大学 2006 届本科生毕业设计 第 10 页 总线线路以降低总线本身的电磁辐射，尤其是在高波特率下。 二进制数据是按 NRZ 码（不归零码；低电平 = 显性状态；高电平 = 隐性状态）编码的。为确保所有总线节点的时钟同步，使用了位填充。就是说在报文发送过程中，最多可以有 5个 连续位具有相同的极性。只要发送了相同极性的 5 个位，在继续发送其他位前，发送器将在位流中插入一个极性相反的位。接收器也会检查相同极性的位数，并把填充位从位流中去除（去填充）。 在 CAN 协议中，不寻址总线节点，而是将地址信息放在要发送的报文中。这是通过标识符（包 含在每个报文中）实现的，标识符标识报文内容（比如引擎速度、油温等）。标识符另外还会表明报文的优先级。标识符的二进制值越低，报文的优先级越高。 对于总线仲裁，使用的是非破坏性仲裁（ Non-Destructive Arbitration， NDA）的载波侦听多路访问冲突检测（ Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection， CSMA/CD）。如果总线节点 A 要通过网络发送报文，它首先会检查总线是否处于空闲状态（“载波侦听”），也就是说没有节点在发送报文。如果这样（并且没有其他节点希望在这一时刻开始发送），节点 A 就成为总线主节点并发送报文。在第一个发送位（帧起始位）期间，所有其他节点切换到接收模式。在正确接收了报文后（由每个节点应答确认），每个总线节点分别检查报文标识符并在必要时存储报文。否则，报文就会被丢弃。 如果两个或多个总线节点同时开始发送报文（“多路访问”），则通过逐位仲裁（“冲突检测非破坏性仲裁”和“线与”机制，“显性”位覆盖“隐性”位）来避免报文冲突。每个节点发送其报文的标识符位（先发送 MSb）并监视总线电平。如果节点发送的是隐性标识符位但是读回的 是显性标识符，则该节点失去总线仲裁并切换到接收模式。当争用节点报文标识符的二进制值较低（显性状态 = 逻辑 0）时就会出现此情况，因此该争用节点将发送具有较高优先级的报文。这样，具有最高优先级报文的总线节点将赢得仲裁，而不需要浪费时间来重复发送报文。一旦总线回到空闲状态，其他节点就会自动尝试重复发送。不允许不同的节点使用同一标识符来发送报 文，因为可能失去仲裁，并导致冲突以及稍后报文出错。 nts 南京工业 大学 2006 届本科生毕业设计 第 11 页 2.2CAN 总线特点 CAN 总线是一种多主总线 8，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，通信速率可达 1 Mbit/s(传输距离为 40m)，通信距离可达 lOkm(传输速率为5Kbit/s) 。 CAN 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，使网络内的节点数在理论上不受限制。由于 CAN 总线具有较强的纠错能力、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 得到 Motorola, Intel,Philip, Siemence, NEC 等公司的支持，CAN 的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络， )，广泛地应用于离散控制系统。 CAN 的信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节 数为 8 个，因而传输时间短，受干扰的概率低。由于其采用 CRC-16 的校验方式，误码率仅为3x10-5。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该节点与总线的联系，使通信线上的其他节点的通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。 所以 CAN 以其独特的设计，低成本、高可靠性、实时性、抗干扰能力强等特点能得到广泛的应用。 CAN 是 Controller Area Network 的英文缩写，称为控制器局部网，它是一种简化型网络结构，属于现场总线的一种。由于 CAN 总线的高性能及独特的设计，已被公认为几种最有前途的现场总线之 一。 CAN 作为一种数据通信协议最初由德国 Robert Bosch 公司为汽车检测控制系统而设计的，于 1986 年 2 月在 SAE(汽车工程师协会 )大会上首次介绍。 1991年 9 月 CAN 技术规范 2.0 版推出，该规范包括 A 和 B 两部分。 2.0A 给出了曾在CAN 技术规范 1.2 版中定义的 CAN 报文格式，而 2.0B 给出了标准和扩展两种报文格式。此后， 1993 年 11 月， ISO.正式颁布了国际标准 IS011898(高速应用 )和 IS011519(低速应用 )， 1995 年又对 ISO 11898 进行了扩展，以附录的形式说明了 29 位 CAN 标识符，这些规定为 CAN 的标准化、规范化及推广应用铺平了道路。 由于采用了许多新技术以及独特的设计方法，使得 CAN 总线具有突出的可靠性、实时性和灵活性，其特点具体表现在以下方面 9: CAN 为多主方式工作，网络上任一智能节点均可在任意时刻主动向网络上nts 南京工业 大学 2006 届本科生毕业设计 第 12 页 其他节点发送信息，而不分主从，且无需站地址等节点信息，通信方式灵活。利用这一特点可方便地构成多机备份系统。 CAN 网络上的节点信息分成不同的优先级 (报文有 2032 种优先权 )，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在 134,us 内得到传输。 CAN 采用非破 坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，大大节省了总线冲突仲裁时间。 CAN 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式收发数据，无需专门“调度”。 CAN 的直接通信距离最远可达 l Okm(速率 Skbps 以下 ):通信速率最高可达1Mbps(此时通信距离最长为 40m) 。 CAN 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达 110 个 ;报文标识符可达 2032 种 (CAN2.OA)，而扩展 (CAN2.OB)的报文标识符几乎不受限制。 采用短帧结构，传 输时间短，受干扰概率低。 CAN 的每帧信息都有 CRC 校验及其它检错措施，保证了数据出错率极低。 CAN 节点在错误严重的情况下具有
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