CAN总线通信的网络结构

1、3.3.5 CAN总线通信的网络结构CAN总线在ISO的基础上对物理层进行了标准化定义。在进行CAN总线设计的时候，因为CAN总线物理层的空间非常大，也就是说，CAN总线物理层中的空间足够CAN总线的应用。但是在设计网络的时候还要注意一个非常重要的问题，那就是必须要按照CAN总线竞争优先原则来进行设计，这个原则是CAN总线必须在遇到总线竞争的时候总是优先获得报文竞争权，这就意味着在其物理层中一定要有非破坏性位，可以让总线网络能够识别它属于媒体访问层，由此而获得优先权。所以，物理层中必须要能支持CAN总线的显性位和隐性位特征11。隐性状态表示总线无传输数据，只有接收到节点传来的显性位数据，显性位

2、才会覆盖隐性位，总线呈现显性。CAN总线的组建非常简单，而且也利于后期维护，无需掉电就能在CAN总线上增减设备，下图3-4表示了CAN总线结构。图3-4 CAN网络节点的物理结构3.4 本章小结本章是锅炉监控系统的整体方案设计章节，首先分析了系统的设计需求，之后对现有的锅炉控制器的组方式进行说明，并提出了改进后的组网控制方式。之后介绍了本次设计中使用到的CAN总线技术的原理和特点。第一章 CAN协议转换模块设计本课题在硬件设计上主要设计了CAN-RS485协议转换模块和CAN-RS232协议转换模块，CAN-RS485用于和锅炉控制器连接共同组成CAN节点设备，CAN-RS232用于和监控中心

3、的电脑连接作为CAN主站设备。本章将详细对这两个模块设计中的硬件和软件进行详细的设计。4.1 CAN-RS485协议转换模块框图设计CAN-RS485协议转换模块主要用于和现有的锅炉控制器连接，CAN-RS485协议转换模块主要包括CAN驱动器、CAN控制器、STC89C52单片机、RS485电路组成。其中RS485接口电路是和现有锅炉控制器进行通信，STC89C52单片机作为核心的处理器，CAN驱动器和CAN控制器实现CAN数据的发送和接收，整体硬件框图如下图4-1所示。图4-1CAN-RS485协议转换模块框图4.2 CAN-RS232协议转换模块框图设计CAN-RS232协议转换模块主要

4、用于和上位机监控中心的电脑连接，使数据可以传送到组态组态界面上。CAN-RS485协议转换模块主要包括CAN驱动器、CAN控制器、STC89C52单片机、RS232电路组成。其中RS232接口电路是和监控中心的电脑连接，STC89C52单片机作为核心的处理器，CAN驱动器和CAN控制器实现CAN数据的发送和接收，整体硬件框图如下图4-2所示。图4-2CAN-RS232协议转换模块框图4.3 CAN-RS485/RS232协议转换模块硬件电路设计通过上面4.1和4.2节中CAN-RS485和CAN-RS232中的模块框图，两个协议转换模块的硬件电路基本上是相同的，唯一不同的地方就是一个具有RS2

5、32接口，一个具有RS485接口，因此在设计电路板的时候把这两种协议转换模块制作到一块电路板上，使用的时候通过模式选择开关选择是CAN-RS485工作模式还是CAN-RS232工作模式。通过这样的方法也可以使协议转换模块的使用方式更加的灵活。4.3.1 STC89C52单片机电路设计CAN-RS485/RS232协议转换模块中使用STC89C52单片作为模块的控制器，STC89C52单片机 LQFP44封装。具有以下基本的功能：控制器内置4KB EEPROM，可以运行8KB Flash，配置32为I/O口线、支持512字节RAM，具有看门狗定时器功能，并且拥有复位电路，具有2个外部中断，具有2

6、个16位定时器/计数器，具有一个全双工串行接口。STC89C52单片机在0Hz静态逻辑操作的空闲模式时，CPU停止工作，但是定时/计数器、RAM、串口、中断可以继续工作， 工作电压3.8-5V工作电压。可通过串行接口直接下载程序，工作温度范围：-40+85。单片机最小系统电路图如图4-3所示。单片机最小系统电路包括晶振电路和复位电路，晶振电路主要的作用是给单片机提供可以工作的时钟脉冲信号。复位电路的主要的作用是给单片机提供复位信号。图4-3 STC89C52单片机最小系统电路图4.3. 2 CAN控制器电路设计本次设计的CAN控制器电路使用SJA1000实现，SJA1000是一种独立的CAN控

7、制器，在很多的CAN总线电路上都有使用，而且性能稳定。适用于工业网络中的区域网控制。可以完美的替代PCA82C200型号的控制器。SJA1000 CAN控制器有两种工作模式，PeliCAN模式和BasicCAN模式。芯片上电后默认的工作模式为BasicCAN模式。如果要使芯片工作在PeliCAN模式需要通过软件对芯片进行配置。PeliCAN模式也是SJA1000芯片新增的功能，这种模式支持对CAN2.0B协议14。在使用的时候可以根据需要配置SJA1000的工作模式。（1）SJA1000的功能下图4-4是SJA1000的功能框图，在途中可以看到SJA1000主要包括接收缓冲器、发送缓冲器、位流

8、处理器、接口管理器、验收滤波器等基本功能模块以及位时序和错误管理逻辑量大逻辑构成。图4-4 SJA1000功能框图（2）SJA1000与单片机连接的电路SJA1000CAN控制器和单片机连接的接口电路如下图4-5所示。SJA1000自身需要晶振电路和单片机通过8位的并行数据口连接。图4-5 SJA1000与STC89C52连接图4.3.3 CAN收发器电路设计本次设计中选用TJA1050型号的芯片作为CAN总线的收发器。TJA1050是CAN协议总线上的物理层接口芯片，它是一种高速的CAN收发器，最高的速度可以达到1Mbps，并且与ISO 11898标准完全兼容。TJA1050有两种工作模式静

9、音模式和高速模式，通过芯片的引脚“S”的高低电平可以选择工作模式，当引脚“S”接地的时候芯片处于高速模式，按照芯片的内部接口可以看出，芯片的引脚“S”内部已经有下拉电阻，在默认模式下，芯片通电就会处于高速工作模式。芯片引脚“S”与高电平接通，这时的芯片是静音模式在运行，此刻禁用发送器使能，其他功能可以正常运行，芯片处于静音模式的好处在于不会因为CAN控制器出现故障导致网络通信收到阻碍。SJA1000CAN收发器最多可以连接110个节点，自身具有电源和地线短路保护功能，具有过热保护和浪涌保护等功能。TJA1050的内部结构框图如下图4-6所示。图4-6 TJA1050结构TJA1050CAN收发

10、器在硬件连接上是和SJA1000CAN控制器连接，实现CAN总线数据的接受和发送。TJA1050与SJA1000连接的电路图如下图4-7所示。在设计中SJA1000的RX0和TX0直接与TJA1050的RXD和TXD链接，TJA1050的8脚也就是上面所说的“S”引脚和地线连接， TJA1050工作在高速模式。TJA1050的6脚和7脚CANH和CANL连接CAN网络中的CANH和CANL。图4-7SJA1000与TJA1050连接图4.3.4 RS485接口电路设计为了实现锅炉控制器与CAN-RS485协议转换模块的连接，本设计需要一个RS485接口电路。MAX485芯片为+5V的低功耗半双

11、工收发器20-22，能够完全满足RS485网络的串行协议要求。发送器和接收器都是通过差分模式进行输入和输出的，当负载为0的时候，其输出电压是05V，输入电阻为15K。它的数据传输速率能达到10Mbps。其接收器具有故障自动保护特性。其管脚图如图4-8所示，典型应用电路如图4-9所示。GNDABVCCDIDERERO72345618DR图4-8 MAX485管脚配置图图4-9 RS485接口电路4.3.5 RS232接口电路设计为了实现监控中心电脑与CAN网络的连接，本设计需要一个CAN-RS232协议转换模块，因此就需要设计一个RS232接口电路。CAN-RS232协议转换模块可以将CAN网络

12、上的数据转换成RS232串口数据给上位机的监控画面，也可以将上位机监控画面中的数据经过串口转换成CAN协议的数据发送到CAN网络中。本次使用MAX232芯片作为数据接收驱动器，由于芯片内部具有电压发生器可以将5V的电平信号转换成RS232电平信号，提供给电脑。芯片内部的接收器也可以将RS232电平信号转换成5V的TTL/CMOS电平给单片机使用。如下图4-10所示是MAX232芯片和单片机连接的电路图，图中的J5是DB9接口MAX232芯片的8脚和7脚连接，MAX232的9脚和10脚和单片机的RX引脚和TX引脚连接。图中的J8和J9插针是用来进行模式选择的，在上面说过，为了简化电路板的设计，C

13、AN-RS485和CAN-RS232设计在一个电路板上，在使用的时候需要通过跳线选择，图中的J8和J9就是进行选择的选择是RS485接口还是RS232接口。图4-10 RS232接口电路图4.3.6 CAN-RS485/RS232协议转换模块整体电路图CAN-RS485/RS232协议转换模块整体的电路有原理图间附录1所示，CAN-RS485/RS232协议转换模块PCB图见附录2所示。4.4 CAN-RS485/RS232协议转换模块软件设计按照上面对CAN-RS485/RS232协议转换模块的硬件设计和功能介绍，协议转换模块主要完成的工作就是实现CAN协议和Modbus协议的相互转换。因为

14、现有的锅炉控制器的通信协议为Modbus协议。单片机索要处理的是两个外部事件（RS232事件和RS485事件）这里单片机索要处理两个外部事件，而且还要对CAN事件进行处理，处理方式是通过处理器的中断来实现的17。软件系统执行的程序主要进行中断处理以及报文收发，主要包括：CAN报文接收与发送，RS232/485报文接收与发送等。为了实现协议转换的功能需要详细的了解CAN协议和Modbus协议的原理和转换方式，因此首先对两种协议的转换方式进行了介绍。4.4.1 Modbus协议与CAN协议转换Modbus协议在性能上和稳定向都非常的高，是工业应用的最为广泛的一种协议，Modbus协议有两种模式，M

15、odbus ASCII和ModbusRTU模式，本次设计中使用的锅炉控制器的通信协议为Modbus RTU协议。而课题的设计目的是对现有的锅炉控制系统进行改造，是系统可以通过CAN总线进行组网，因此就需要将现有锅炉控制器中的ModbusRTU协议的数据转换层为CAN协议格式数据。在进行软件协议转换之前我们首先要对这两种协议的格式进行了解，这样才能完成从Modbus RTU协议和CAN协议之间的相互转换。Modbus RTU协议中规定的方式是主从应答的方式，又Modbus RTU主站设备按照固定的功能码向从站设备发送请求，从站设备收到后会根据功能码回复为主站设备需要的数据，在回复的过程中发送多少

16、字节，是由功能码的所少来决定的。在CAN协议规定，传输每一帧的数据量是8个字节，在进行两者的协议转换的时候就可能造成数据的丢失护着数据错误的现象发生。为了能够解决上述的现象发生，需要设计人员人为规定一种规则。本次设计的主要思想是制定了一种CAN分段通信格式实现Modbus RTU数据和CAN数据的相互转换，CAN-RS485模块接收锅炉控制器的Modbus RTU数据，按照分段规则对数据进行分段接收。CAN网络中的数据发送给锅炉控制器的方式也是类似的，使用分段发送的方式。（1）Modbus RTU帧格式现有锅炉控制器中采用的是标准的Modbus RTU协议，协议的帧格式如下图4-11所示。协议

17、中规定起始位位3.5个字符时间、地址位占用1个字节、功能码1个字节、数据N个字节、CRC校验2个字节、结束符3、5个字符时间。此帧最大长度为255个字节。图4-11 RTU帧格式（2）CAN帧格式CAN协议也是工业中适合用的比较广泛的协议，本次设计为了实现CAN协议和Modbus RTU协议之间的相互转换对CAN协议制定了一种分段报文传输协议。具体的思路是当帧信息长度大于8个字节时进行分段重新组合。报文分段规则如表4-1所示，在数据2处开始接收Modbus RTU数据，当检测到的数据如果检测到的数据超过7字节，就采用分段传送的方式进行传送，将前面7个字节作为首段数据进行传送，后面的数据就按照分

18、段传送的方式进行传送，一直将最后一个字节传送完毕。表4-1 CAN报文分段传输格式属性D7D6D5D4D3D2D1D0帧信息FFRTRXXDLC（数据长度）帧ID1ID.10ID.9ID.8ID.7ID.6ID.5ID.4ID.3帧ID2ID.2ID.1ID.0XXXXX数据1分段标志分段计数数据2数据传输位数据8在表4-1中，数据1就是用来对数据进行分段标志和计数的。当数据1中的分段标志为00的时候说明此时不需要进行分段传输。当数据1中的数据为01的时候说明此时需要进行分段传输，切传输第一分段内容，此时的分段计数值为0x00。当数据1中的数据为10的时候说明此时需要进行分段传输，切传输第二分

19、段内容，此时的分段计数值为0x01。以此类推，当数据1中的数据为11的时候说明此时需要进行分段传输，切传输最后分段内容，此时的分段计数值为0x10。分段接收与发送的规则流程图如下图4-12，4-13所示。图4-12 分段报文发送规则图4-13 分段报文接收规则（3）转换方式按照上面介绍中，在协议转换的过程中分为正常转换和分段转换两种模式，当Modbus RTU数据不大于7个字节的时候采用正常转换的方式，正常转换过程图如图4-14所示。当Modbus RTU数据大于7个字节的时候采用分段转换的方式，分段转换过程图如图4-15所示。图4-14 通信帧正常相互转换格式图4-15 通信帧分段相互转换格

20、式4.4.2 主程序设计按照上面对两种协议的分析详细分析，以及制定的分段传输规则，本次使用C语言对协议转换程序进行了编写，可以实现CAN总线协议和RS232/RS485总线协议之间的相互转换。转换主程序流程图如下图4-16所示。图4-16 主程序流程图4.4.3 系统初始化初始化过程主要完成系统的单片机的配置和CAN芯片的配置等工作。（1）单片机初始化本次设计中使用STC89C52单片机，在使用的时候会应用到单片机的引脚、定时器和串口等内容，因此在设计的需要初始化单片机引脚的功能，定时器功能和串口通信功能，流程图如下图4-17所示。图4-17微处理器初始化流程图（2）CAN控制器初始化本次设计

21、中使用的CAN控制器为独立控制器SJA1000，在使用的时候需要按照需求对CAN控制器进行初始化，主要是对寄存器进行初始化，主要初始化的寄存器包括接收、发送、屏蔽以及总线定时寄存器四个方面。SJA1000控制器中某些寄存器在配置的时候需要处于复位状态，所以，初始化之前首先需要将芯片调整为复位状态。本部设计中初始化CAN总线的通信速率为125Kbps、部分中断使能、工作模式为正常模式SJA1000初始化流程图如图4-18所示。图4-18 SJA1000初始化流程图完成初始化操作以后，复位模式1变为工作模式0，这样控制器就可以开始发送与接收数据了。以下为SJA1000控制器的具体初始化程序：uns

22、igned char Sja_1000_Init(void) bit s; EA=0; /关总中断 s=BCAN_ENTER_RETMODEL (); if (s=1) return 1; s=BCAN_CREATE_COMMUNATION(); /建立通信 if (s=1) return 2; s=BCAN_SET_OUTCLK (0x88); /Pelican if (s=1) return 3; s=BCAN_SET_OBJECT(0xFF,0x4E,0x16,0x00,0xff,0xff,0xff,0xff);/屏蔽寄存器，都设为无关，接收所有报文 if (s=1) return 4;

23、 s=BCAN_SET_BANDRATE(ByteRate_125k); /设置波特率125K 16MHZ if (s=1) return 5; SJA_BCANAdr=REG_OCR ; *SJA_BCANAdr=0x1a; SJA_BCANAdr=REG_INTENABLE; *SJA_BCANAdr=0x1D; /设置中断，接收中断 SJA_BCANAdr=REG_CONTROL; /退出 复位模式 *SJA_BCANAdr=*SJA_BCANAdr&0xfe; if(*SJA_BCANAdr!=0x00) return 6; EA=1; /开中断 return 0; 4.4.4 数据的

24、接收与发送经过改造的锅炉控制器系统的数据接收和发送就流程是上位机组态软件通过RS232串口把数据发送到CAN主站设备上，在有CAN主站设备通过CAN总线网络传输给各个从站设备。从站节点在把CAN协议的数据转换成为Modbus数据发送给各个锅炉控制器。锅炉控制器收到数据后会返回自身的状态信息，返回过程是上面的发送过程的反向过程。因为本次协议转换中定义了CAN协议的分段转换规则，因此下面主要介绍了CAN接收数据和发送数据的程序流程图。（1）CAN报文接收中断程序本次设计中STC89C52单片机和CAN控制器SJA1000使用中断的方式进行数据收发。SJA1000收到数据后，会向单片机发送信号，请求

25、中断操作。单片机在接收到中断请求后，开始启动玩不中断子程序INT0，然后打包处理已经接收到的数据，处理之后对接受缓冲区释放，等待接收下一包数据。图4-19 CAN接收中断流程图当CAN进入接收子程序的时候首先单片机会关闭INT0中断，这样可以保证只对当前的数据进行处理，不会对其它接收到的数据处理。之后会判断接收的数据是否是正常，如果接收不正常则会进行错误处理，如果正常接收，那么单片机就开始启动中断程序操作，读取SJA1000接收缓存器中的数据，将数据保存到单片机的内存单元中。接受完成后将数据接收标志位置位。时能INT0中断等待下一次数据的处理。图4-19为接收中断流程示意图（2）CAN报文的发

26、送程序使用查询的方式发送数据，当锅炉控制器有数据回复的时候单片机的串口会受到数据，此时单片机会查询接收到的数据是否完成，如果接收完成了怎会把发送的数据进行打包处理，在通过SJA1000转发出去。其具体流程如图4-20所示。图4-20 CAN发送程序流程图4.5 本章小结本章主要是对CAN-RS485/RS232协议转换模块的整体的框图的设计和详细的硬件电路的设计，以及系统的软件的协议，软件设计主要包括对Mosbus RTU和CAN协议格式的详细介绍，制定了CAN分段转发规则，最后进行了相关的程序流程图的设计。第二章 组态监控界面设计5.1 监控软件的任务分析随着计算机技术的不断的发展和进步，在

27、工业控制中上位机组态界面具有重要的意义，上位机组态界面可以实时的现实系统中实时工作参数。当今传统的上位机开发软件有VB、C+等软件，本次使用了MCGS组态软件设计了锅炉监控系统的上位机监控界面，主要实现如下的功能：（1） 画面能够实时的显示各个锅炉控制器的系统参数和控制参数（2） 通过组态界面可以实现对各个锅炉控制器的控制（3） 具有图形显示的功能（4） 具有历史数据保存和报表输出的功能（5） 画面具有动态演示的功能。5.2 MCGS简介MCGS全称Monitor and Control Generated System，是工业控制中使用的比较广泛的组态监控软件，该软件可以用在32位和64位W

28、indows平台上。MCGS组态软件具有友好的设计界面，软件中有很多集成的图形组件，对于开发者来说能够快捷的实现对软件的开发。在采集现场数据的基础上，采用不同的方式提供给用户多种问题应对方案，这些方式主要包括动画、报警、曲线图、执行控制程序以及输出报表等。MCGS比传统的工控机系统的实用性更为广泛，在自动化领域运用非常普遍21。目前，MCGS软件有几种典型的版本，嵌入式版本、通用版本和WWW网络版本三种软件。三种软件的功能有所不同、但是界面的设计风格是一样的，三个版本的软件之间也可以相互的兼容。在工业控制中发挥这重要的作用。软件内部集成了现场工业数据的采集、数据处理、数据浏览等功能，是控制系统

29、具有自动控制的功能。5.2.1 MCGS的系统组成MCGS软件由组态环境和运行环境两部分组成，这两部分的功能是不一样的，组态环境是设计人员进行开发的环境，运行环境是使用人员监控的外部环境。在MCGS开发设计中，经常用到组态环境，用户在组态环境条件下可以根据设计需求编辑和配置，开发人员可以根据整体MCGS系统的相关设计方案，使用组态环境工具实现编程操作。在组态环境软件下编写界面后自动的生成一个数据库文件，称作组态结构数据库22。运行环境MCGS软件中进行成果演示的软件，运行软件实际上就开发人员通过组态环境工具进行软件开发以后再进一步对其验证。根据已经完成的编程，对运行界面中的数据采集并且完成控制

30、执行器，以此来验证程序是否合格。一套完整的功能需要组态环境与运行环境的完美统一，单独的时候是没有任何意义的。用户最终的使用系统就是由这两部分共同组成的。当设计人员对组态系统的开发已经完成的时候可以生成一个组态结构数据库，在这种情况下，用户只需要运行环境就能进行监控操作，而不需要组态环境的支持 23。在组态环境和运行环境之间动态数据库发挥了非常重要沟通作用，图5-1为各环境与数据库的关系示意图。图5-1 MCGS系统构成示意图一个完整的MCGS组态监控系统一共需要五部分内容组成，主窗口设计、用户窗口设计、设备窗口设计、实时数据窗口设计和运行厕所窗口设计。在这个五部分中每部分都有自己的功能和实现的

31、任务，从而满足整个工程项目的需求，下面对这无部分内容进行详细的介绍：主控窗口：主窗口是界面中的监控窗口，主窗口是又多个不同的用户窗口、设备窗口等组合到一块的，主窗口是真个体组态界面的骨架。用户窗口：用户窗口是用于对数据的处理和分析用的，操作人员可以在用户窗口生成系统的一些参数、报表生成等。设备窗口：设备窗口可以实时的显示设备的状态，实现设别数据的匹配操作。实时数据库：实时数据库可以采集系统中的所有的数据，并对数据进行分析和处理，实时数据库将获得的数据可以给其他的窗口共享使用。运行策略：运行策略窗口是用户进行策略开发的窗口，在此窗口下用户可以通过脚本语言编写策略程序，以及一些控制算法等。可以为系

32、统提供更多的功能。5.2.2 MCGS组态软件的特点相比于同类产品，MCGS主要有以下特点：（1）MCGS软件操作简单；（2）具有丰富的功能和简单的设计方案；（3）能进行数据并行处理，实时操作性强；（4）中英文相互转换，界面可视性好；（4）软件内部不具有动画操作组件；（6）软件内部集成各种设备组件，通用性强；（7）具有强大的数据处理功能；（8）能够支持RS485、RS232、TCP/IP、无线网络等体系结构；（9）软件可以进行扩充功能；（10）软件的连续性较强；5.3 上位机界面设计步骤本文设计需要监控四台锅炉，首先设计上位机的显示界面，本文首先设计了其中一台锅炉的控制界面，然后再根据这个控制

33、界面加入其它三台锅炉，最终形成了完整的锅炉监控系统界面。主要操作步骤为以下几步：（1） 绘制监控界面。绘制监控界面其实在控制系统软件中设计出与锅炉现场的设备结构以及元件对应的图例并按照实际关系进行连接，通过控制界面来查看现场状况。（2） 定义相关数据对象。采集外部对象，然后针对属性进行设置，包括状态和数值等方面的变量关系。MCGS控制系统设计中，用户实际的现场物理变量用一些数据对象表示，然后再根据各变量的特征设置相关的类型和属性，再设置这些数据的关系，最终形成实时数据显示。（3） 对动画连接进行设置。为了能够更加生动的还原现场设备状态，利用动画、模拟、图片、颜色等设置表示现场设备或装运行状态，

34、假设锅炉在现场出现警报，那么就会通过闪烁来显示其报警内容。锅炉的进风、加料等操作动作，则用块流功能显示。并且在控制界面，这些动画连接与实际数据库的数据时相对应的。（4） 编写相关控制策略。在实际操作中需要根据锅炉状态实现对锅炉的运行控制，同时处理一些故障。在编写MCGS程序的时候，要根据相应的策略编辑脚本程序，完成控制策略，实现对锅炉的操控。（5） 联机调试，主要是将MCGS程序与下位机联接进行测试，对监控设置程序进行验证。5.4 上位机监控界面设计本文所论述的锅炉监控系统设计中，还要非常重视上位机界面的相关设计，在上位机界面可以直观的看到锅炉控制系统中各个锅炉的工作的状态。可以实时的查看系统

35、参数、实时参数、报警参数等。通过上位机界面用户可以进行每台锅炉的开启和关闭。考虑到系统的安全的性能，锅炉控制的相关监控显示界面主要功能时见识，而控制只起到辅助作用。本文所研究的锅炉监控系统核心部位为设计了锅炉监控界面。系统参数修改界面、报警界面、用户参数设置界面、历史数据界面等。操作人员通过上位机界面可以方便的熟悉每台锅炉的工作的状态。5.4.1 主控窗口设计主窗口是完成MCGS组态界面主要的窗口，主窗口可以将系统中给所有的功能各异的窗口联系起来，并对各个窗口进行管理和调度保证每个窗口都能正常的工作。所以说界面的核心就是主窗口。在主窗口上，可以进行工程命名操作，设定界面启动形式、设置和授权用户

36、权限。设置数据存储位置、设置各项控制参数以及报警参数等。实现对现场的简便操作。本文所研究的MCGS控制系统设计，每个主窗口对应一个工程，在某个工程中，主窗口对象是独立存在的。通过在主窗口的属性设置中就可以设置主窗口对象的操作。主窗口就相当于整个系统的菜单，对主窗口的设计就相当于对工程的菜单的设计，菜单可以实现对菜单下的各个子菜单的管理。本次按照MCGS的使用手册以及结合本次设计的锅炉监控系统的主要的要求，设计的主窗口如下图5-2所示。图5-2 系统窗口设计（1）系统管理系统管理菜单中设置了用户登录、管理、退出登录和系统以及修改登录密码等字功能菜单。如下图5-3所示。系统管理的菜单内容是为用户设

37、计的。图5-3 菜单样式1）用户登录根据菜单的名称就知道用户登录子菜单的功能，主要是用于用户登录监控软件使用，在登录的时候根据人员的操作权限可以设计了负责人登录或者工作人员登录两种方式，而且进入系统是需要登录密码的。这样就可以防止锅炉的误操作发生。其登录窗口如图5-4所示。图5-4 用户登录窗口2）管理用户管理用户子菜单主要的功能是可以通过用户管理器实现对用户的增加、复制用户、设置用户的属性、删除用户等操作。用户管理器如下图5-5所示。图5-5 用户管理器窗口3）退出登录退出登录子菜单是当用户需要退出的时候点击“退出登录”按钮，负责人或者是工作人员就可以安全的退出。弹出退出窗口如图5-6所示。

38、图5-6 退出窗口4）修改密码上面提到了，工作人员和负责人在进入系统中都是需要通过输入密码才能确认登录的。密码修改子菜单的主要的目的是进行登录密码的修改。点击“密码修改”按钮会弹出如下图5-7所示的界面，按照界面的提示就可以实现对登陆密码的修改。图5-7 改变用户密码窗口（2）用户窗口本文研究设计的MCGS锅炉监控系统在主窗口上包含了状态监控、参数设置与修改以及设定界面、系统分参数修改和设置界面、历史数据、运行模式、报警界面等组成。锅炉控制器的所有的控制变量都可以在用户界面上显示。同时在用户界面上也可以完成一些的控制功能。打开MCGS组态软件在软件点击组态中的用户窗口据就可以弹出如下图5-8所

39、示的界面。在界面可以实现对界面动画组态的设计、属性的设置等操作。图5-8 用户窗口界面5.4.2 锅炉监控界面设计锅炉监控界面可以直观的提供给使用者一个视图，通过在锅炉监控界面上可以对每台锅炉的运行情况进行监控其中包括锅炉的温度、大棚室内温度、锅炉压力等。同时还可以通过手动按钮对每台锅炉进行启停控制，某台锅炉出现故障的时候会自动的在界面弹出是那台锅炉存在故障和故障的类型等。锅炉监控界面如下图5-9所示。图5-9锅炉监控画面在上面的锅炉监控界面上可以清晰的看到每个锅炉的状态指示：（1）锅炉运行状态指示在锅炉状态指示框中可以看到每台锅炉的工作状态，其中包括工作状态/停止状态指示、故障状态指示、锅炉

40、引风机状态、锅炉水泵状态、锅炉喂料电机状态、锅炉上料电机状态、锅炉推灰点击状态、锅炉点火状态等。（2）参数指示参数指示框中可以看到锅炉的炉内温度、点火温度、尾气温度、冷端温度和室内温度等参数，这些参数会随着锅炉的状态的变化而发生变化。同时还具有锅炉运行时间的累积显示、锅炉压力值的显示，以及可以手动的调节锅炉的功率。（3）手动控制部分手动控制主要是可以通过上位机的按钮实现对锅炉的启动/停止控制、水泵电机控制、引风电机控制、喂料电机控制、推灰电机控制、点火开关控制和上料点击控制等。5.4.3 历史数据界面数据数据保存和打印功能是很多工程项目中不可缺少的部分，本次使用MCGS组态软件也设计了历史数据

41、的保存和打印功能。通过历史数据的查看可以看到每一台锅炉的运行情况，在出现故障的时候可以根据历史数据快速的找出出现故障的原因，对故障的分析具有很好的帮助意义。本次的历史数据界面如下图5-10所示。图5-10历史数据窗口5.4.4 报警界面设计报警界面的主要的功能是可以记录每台锅炉的报警发生数据，主要报警内容有点火失败、安全开关故障、超温警报、尾气温度过高、尾气热电报错、锅炉电阻报错、以及试问热电阻故障等。一旦出现报警信号报警界面会记录锅炉的编号，报警的类型和报警的时间。为了是用户更加快速的发现报警，自爱设计报警界面的时候增加了报警弹出功能，在正常没有报警的时候界面是隐藏的，当个由锅炉报警的时候会

42、快速的弹出界面，进行闪烁并且有报警声音发出，以此来提醒操作人员。报警界面如下图5-11所示。图5-11报警记录界面5.4.5 参数设置界面锅炉的参数包括系统参数和用户参数两大类，为了可以通过上位机界面修改系统和用户相关参数，因此设计了专门的修改界面。其中用户参数主要包括锅炉的功率设置、分时段控制温度参数设置、室内温度设定。锅炉温度设定等等。用户参数修改界面如下图5-12所示。按照界面的提示就可以完成用户参数的修改。系统参数在正常情况下是保护允许用户是修改的，只要负责人才能对系统参数进行修改。系统参数可以实现对时钟的设定、锅炉控制器模拟量输出的设定、设定分素参数等等 这里就不一一介绍。系统参数修

43、改界面如下图5-13所示。图5-12用户参数设定界面图5-13系统参数设定界面在设计上微机组态界面的时候还有很多的辅助设计界面，这里有就不意义详细介绍。5.5 本章小结本章是对锅炉监控系统的上位机组态界面的介绍，首先介绍了整体系统的功能需求，确定了设计思路。介绍了MCGS组态界面的使用方法，并对设计中的每个功能界面进行了详细的描述。完成了上位机组态监控界面的设计。第三章 测试系统搭建与调试在本章节的设计中主要是进行了系统的实验环境的搭建、通过对实现环境的搭建来对系统进行测试，收集测试数据和验证方案的可行性。6.1 锅炉硬件搭建6.1.1 锅炉测试板本次为了能够对锅炉进行调试，设计了一个锅炉测试

44、板，锅炉测试板和锅炉控制器连接，具有状态显示指示灯，其中包括水泵状态指示灯、引风状态指示灯、喂料状态指示灯、推灰状态指示灯、上料状态指示灯、点火状态指示灯等。同时还具有模拟传感器的按钮开关其中包括安全开关、上料开关、下料开关、行程开关等。通过这些开关可以用来模拟外部的传感器信号，锅炉测试板如下图6-1所示。图6-1 测试版实物图6.1.2下位机控制系统组成本次由于是演示，在CAN总线网络中连接了三个锅炉控制器节点。下位机主要由锅炉控制、24V电压源、CAN-RS485/RS232协议转换模块、指示灯显示板四部分组成。24V电源给锅炉控制器和CAN-RS485/RS232协议转换模块供电，锅炉控

45、制器的RS485接口和CAN-RS485协议转换模块的RS485接口连接实现数据的接收和发送，显示板连接锅炉控制器的输入和输出端口。下位机实物图如图6-2所示。图6-2 下位机控制系统6.1.3 上位机控制系统组成一般来说，用微机和RS232-CAN适配器组合构成了上位机控制系统。下图6-3就是常规连接图。上位机系统由两部分组成一个是笔记本电脑PC机，一个是CAN-RS232协议转换模块，PC机上面安装好设计好的锅炉控制器监控界面可以实现串口数据的接收和发送，CAN-RS232协议转换模块的RS232接口和监控界面的串口连接，进行数据收发。其实物图如图6-3所示图6-3上位机控制系统6.2 整

46、体监控系统使用流程在进行系统上位机和下位机整体调试之前需要学会上位机监控界面的使用。使用的方法很简单。操作步骤如下：（1）双击电脑上面的监控界图标进入监控及面。（2）进入界面后首先需要进行串口的选择，设置串口波特率等参数。通讯波特率为9600、数据位8、停止位1、无校验。（3）点击MCGS界面，按照提示根据身份输入相应的登录密码，登录操作界面。（4）然后根据需要点击相应菜单，就会连接到不同界面。（5）根据连接的控制器的ID设置界面上的锅炉相关参数。（3）点击系统启动按钮后会系统会进入开启状态，上位机界面通过CAN-RS232协议转换模块开始和锅炉控制器进行通讯，界面上会有相关的指示灯显示。（4

47、）系统运行成功后可以根据自己的需求在设置其他的参数，这里就不在详细说明。（5）通过对应的按钮实现历史数据查询、报警查询、系统参数和用户参数修改等操作。6.3 系统的整体调试搭建好锅炉控制系统的整体硬件连接后，可以通过上位机监控界面开始对所有锅炉的监控。其主要的通信方式是，上位机通过串口发送控制命令给CAN-RS232协议转换模块，将上位机发送的命令转换成CAN总线协议的数据。CAN-RS232作为CAN主站设备将CAN数据发送到CAN总线上，对应CAN从站节点设备会接收到数据，经过CAN-RS485协议转换模块后有变成Modbus协议数据给节点控制器。节点控制器收到数据后会判断数据是否正确如果

48、数据正确返回数据到监控界面（注：返回过程是发送过程的逆过程）。通过这样的方式就可以验证系统的搭建是否正确。其连接图如图6-4所示。图6-4 整体连接图6.3.1 监控系统运行调试搭建好系统的操作环境，而且上位机也已经设置好，打开监控软件，画面如下图6-5所示。 本次CAN总线上有三个节点设备，画面中显示的是3#锅炉的工作状态图。其它地址的锅炉的监控界面和操作方式都是一样的，这里以3#锅炉为例进行说明。在3#锅炉的监控界面上，锅炉现场的室内温度、锅炉温度、点火温度、尾气温度功率和运行时间等信息都能一目了然。此时说明上位机界面和下位机的锅炉控制器的通信是正常的，如果通讯有故障数据是采集不到的。图6

49、-5 监控界面运行状态6.3.2控制锅炉启动调试在上面调试中确认上位机和锅炉控制器通信正常后可以通过上位机界面实现对锅炉控制器的开启操作。以3#锅炉控制器为例，点击监控界面的“锅炉启动开关”，再对界面上的锅炉状态进行观察，看显示界面和实际锅炉控制器操作是否一致。如下图6-6所示。3#锅炉被打开。上位机的开关状态变成绿色开启状态。图6-6 锅炉启动状态6.3.3 手动控制调试通过锅炉监控界面，可以手动控制锅炉控制器，监控界面上有手动控制按钮，水泵、推灰、引风、点火、喂料与上料按钮等。当点击对应的按钮时候，锅炉测试板上的指示灯会点亮，实现手动操作的测试功能。如下图6-7所示是引风按钮按下是的调试界

50、面。图6-7 手动调试结果6.3.4 权限调试通过锅炉监控系统，还可以设定不同人员的权限，不同权限人员在登录后看到的操作界面也是不同的。本文设计的权限主要是区分负责人和一般工作人员。工作人员可以实现对用户参数的修改和设置，对监控窗口的监视，而不能对系统参数进行修改。负责人除了可以操作工作人员做进行的操作外还可以修改锅炉控制器的系统参数。图6-8是负责登录的界面，在图中可以看到在参数设定的菜单栏下可以看到系统参数的修改和设置。图6-9工作人员登录界面，在图中可以看到在参数设定菜单栏下，系统参数是灰色的不能修改。图 6-8 负责人登录菜单状态图6-9 工作人员登录菜单状态6.3.5 报警功能调试锅

51、炉控制器监控系统具有报警自动提示的功能，当某个锅炉有报警信号的时候会在上位机界面上提示报警信息，包括锅炉控制器编号，报警类型等。如下图6-10所示是3#号锅炉的安全开关报警提示界面，在图中可以看到界面自动弹出报警界面。图6-10 安全开关报警界面6.4 本章小结 本章主要是系统的调试环境搭建和功能调试章节，为了验证本次设计的正确性，搭建的锅炉控制系统的整体调试系统，并以3#锅炉为测试对象对上位机组态界面和CAN-RS485/RS232协议转换模块的功能进行了测试。测试了系统的CAN总线通信能力和上位机组态界面的监控功能。第四章 总结与展望7.1 论文总结经过研究生这段时间的学习和设计，到现在为

52、止已经完成了本课题的相关的设计，本次主要是设计了一款基于CAN总线网络的温室大棚中的锅炉监控系统。本次研究的对象是三个的锅炉控制器，实现了对多台锅炉的集散控制系统。本次通过在现有的锅炉控制器的数据通讯接口上扩展了CAN总线网络，把锅炉控制器中的控制参数通过锅炉控制器中的RS485接口进行读取，读取后的数据在通过CAN-RS485协议转换模块后实现CAN组网的功能。实现由RS485转CAN总线传输。最后通过PC机上的的监控软件实现对锅炉控制器参数的读取和写入。在整个设计过程中主要完成如下的工作内容：（1）在课题的开始阶段，首先明确课题的设计任务和设计目标。对现有的锅炉控制器进行了仔细的研究，包括

53、锅炉控制器的控制过程、锅炉控制器的数据通信接口、锅炉控制器所使用的Modbus协议等。（2）进行对课题的进一步分析，选择合理的方案，并进行比较，最后选择了CAN总线网络方式实现监控中心与各个锅炉控制器子节点设备的数据通信和数据传输。（3）着手开始进行对CAN-RS485/RS232协议转换模块的设计，并用过上位机实现对CAN-RS485/RS232协议转换模块的测试，测试模块的性能特点是否可以实现本次监控系统设计的目的。（4）根据本次设计要达到的目的，通过MCGS系统实现编程和设计监控界面，实现PC机和锅炉控制器的通信。根据本次设计要达到的目的，通过MCGS系统实现编程和（5）完善课题的内容，

54、在控制界面上增相关的界面、包括控制界面、显示界面、报警界面、历史数据界面等等。使用户可以方便的实现对远程的各个子节点锅炉的控制。（6）搭建实验演示环境，进行系统的整体的测试，通过测试找出问题并逐渐修改和完善。（7）对调试的结果进行统计、对实现的数据进行整体，并开始撰写论文。7.2 展望此次设计符合设计指标满足设计要求，功能性较好，能够实现对锅炉控制系统的集散控制，对于温室大棚的厂区的扩建一定的实践意义，将会在更多场合应用。但由于本人的能力有限本设计中可能还存在着许多的不足之处。（1）上位机软件界面操作还不够灵活，希望对上位机的软件代码还可以进一步的完善。（2）随着科技的进步，无线网络技术不断发

55、展，4G网络、5G网络和物联网等技术日新月异。无线监控技术在工业、农业生产生活中的应用越来越广泛。本系统的进一步开发、升级存在较大的需求。还有其它的比方希望各位老师指出。本人会加以改正，使整个系统更加的完善。参考文献1 倪向红.生物质燃料锅炉控制策略研究及其控制系统研制D.合肥:合肥工业大学,硕士论文.2009:182 李双祥,李坚.国产生物质锅炉现状调查报告J.应用能源技术.2010 (5):23253 余珂，胡兆吉，刘秀英，国内外生物质能利用技术研究进展，江西化工，2006年第4期4 赵敏玲.基于ARM和CAN总线技术的溢流染色机控制系统研究D.济南:济南大学硕士,学位论文.2012:9125 百度文库.CAN总线技术的基本概念.6 牛春刚.基于CAN总线的中药滴丸机控制器的研究与开发D.天津:河北工业大学,硕士论文.2007: