（木材科学与技术专业论文）基于can总线甲醛监测网络的研究.pdf

摘要 建筑装修材料中所释放的甲醛严重影响人类的健康，已引起世界各国的高度重视。 就目前的情况看，建筑装修材料中甲醛的检测方法与手段已基本成形。而工作场合，家 庭或含甲醛挥发物材料的生产企业中甲醛浓度的实时监测方法与手段还没有成形。目前 我国对公共场所、家庭、办公环境甲醛含量的检测，采用抽检的方式。这种方式不能对 上述环境进行连续、在线和实时监测与控制，监控环节明显滞后。另外，上述场合在我 国以亿为单位计算，需要庞大的抽查队伍，是一种巨大的资源浪费。我国人造板甲醛释 放限量已经写入国家强制性标准，如果甲醛释放量超标，便不能进入我国市场。因此， 生产企业急需解决生产过程中甲醛释放量超标问题。 面对我国人造板行业的实际状况，构建甲醛监测网已成为迫切需求。随着网络技术、 控制技术和通讯技术的高速发展及甲醛气体传感器的研制成功，以网络技术为核心的信 息技术迅速渗入，为分布式甲醛自动报警监控网络系统的建立拓展了发展空间甲醛监 测网研制成功后，可应用于人造板生产过程中的环境监测，同时促进关于人造板厂各个 生产工段车问内空气中甲醛含量国家强制性标准的制定和实旄。另外可实现两个伺后控 制，提高配胶工段的工作效率，节省资源，最大限度地减少人造板内甲醛含量，从源头 控制甲醛释放量，提高人造板的商业价值。这项研究工作可为我国人民享受清洁健康的 居住和工作环境提供技术支撑，对于增强我国人造板产品在国际市场上的竞争力，使我 国成为名副其实的人造板生产大国和强国有着十分重要的现实意义。 本论文设计开发了基于c a n 总线的分布式甲醛监测网络系统，可对上述场合进行在 线监测。 甲醛监测网络系统由中心监控主机、c a n 总线网络和智能节点构成。中心监控主机采 用装有p c - - c n 适配卡的计算机，实现了计算机实时监测与控制。 c a n 总线网络采用串行总线式拓扑结构，采用多主发送的通信方式。c a n 的基本协 议只有物理层协议和数据链路层协议，需要针对不同的应用领域制定了不同的上层协议 本设计在前人对c a n 实时性和确定性进行研究成果的基础上，基于理论和实际问题提出 了一种新的通讯协议本设计使用c a n 协议中的扩展帧，其中d 号、数据长度和命令 字在仲裁场标识符中定义；2 9 位的标识符中的8 位( 1 个字节) 挪用做通信时用的命令 字；另外8 位( 1 个字节) 作为m 号；另外8 位( 1 个字节) 作为数据长度；数据域和 校验和在数据场中定义；数据场的长度在c a n 协议中的控制场中定义，最多8 个字节， 长度等于数据长度+ 2 ；其具体格式为“m 号+ 数据长度+ 命令字+ 数据域+ 校验和”的形式， 其中d 号：l 字节，可连接节点为2 5 6 个；数据长度：l 字节，传输数据的长度；命令 字；l 字节，通讯命令特征；数据域：其数据长度根据实际可以没有，最多为6 个字节； 校验和：2 字节，包括“命令”和“数据域”的所有字节数的a s c i i 码之和；所有数据都以十 六进制表示；所有日期、时间数据都以b c d 码表示； 智能节点平时按照设定采样频率( 6 分钟采集一次) 采集现场空气中的甲醛含量，并 监听c a n 总线上的命令，经判断后，根据命令做出相应动作。从现场甲醛传感器传送来 的信息是模拟量( 4 0 - 2 0 0 m v ) ，模拟量通过信号调理，l o 位s d i ) 转换成数字信息，经微 控制器处理后，显示在智能节点的l c d 液晶显示屏上，同时存储在相应的数据存储区内， 并判断采集值是否超出设定上限值，若超出则通过c a n 总线向中心监控主机发送报警信 息。从中心监控主机发送来的数据中包含智能节点i d 和具体命令，并且对数据已经进行 了二次校验。智能节点的c a n 收发控制器首先进行第一级数据校验( c r c l 6 ) 和智能节 点d 判断。若接收到的智能节点d 和本地地址一致，则将有效数据传送给微控制器。 微控制器首先进行第二级数据校验( 校验和) ，若通过校验则根据具体命令完成相应的动 作。智能节点由c p u 主控模块、c n 通信模块、l c d 显示模块、实时时钟模块、数据采集 模块、初始设置模块、电源模块、数据存储模块、报警处理模块、看门狗模块和复位模 块组成，采用适合工业现场环境的微控制器芯片a t m e g a l 2 8 作为主控芯片。本设计采用 符合a n s i 标准的c 语言，i m a g e c r a t t 的i c c a v r 作为开发微控制器程序的工具。软件 设计同硬件的设计一样，也是分模块进行的，即一种特定硬件对应一个模块。主要包括： c a n 总线通信子模块、l c d 显示子模块、地址m 波特率子模块、系统时钟子模块。 基于c a n 总线的甲醛监测网络是利用现场总线集散控制系统的特点，将信息处理降 低到现场进行，通过中心监控主机进行集中管理。运用c a n 总线技术，极大地提高了系 统的可靠性、实时性，系统开发较价廉，性能价格比高，安装维护简捷方便，是通信网 络自动化领域的一个重要发展方向，因此具有广阔的应用前景 在本次设计中，硬件和软件都采用了模块化结构，其中基于硬件的软件模块使软件 的调试变得相对简单，从而达到了易于维修、易于系统的功能转换和系统升级换代的目的 实验结果证明，基于c a n 总线甲醛监测网络的设计方案是成功的该网络中的数据 采集通信控制器能高速、有效的采集和处理现场数据，并能进行现场实时监测和显示， 实现了信息的本地处理，且通信速率高，出错率低，运行效果好，充分体现了c a n 总线 高性能、高可靠性的优点。c a n 通信速率达到了设计所要求的最高通信速率i m b p s ，并 很好地完成了信息帧的发送和接收，满足了系统实时性和可靠性的要求。同时，将总线 距离延长到1 0 0 米，通信波特率也可达到5 0 0 k b p s 在总线上增减智能节点较为方便，不 需要对系统其它智能节点做大的改动。 本设计的成功对我国人造板行业整体水平的提升和健康发展将起到积极推动作用。 关键词：甲醛，监测网络，c a n 总线，智能节点，通信协议 a b s t r a c t 1 7 0 r m a l d c l a y d er o l e a s e db ya r c h i t e c t u r a ld e c o r a t i o nm a t e r i a l ss e r i o u s l yd a m a g e sh u m a n h l 乱s oi th a sa l r e a d ya t t r a c t e dt t a cw o r l d sa t t e n t i o n o nt h 麝p r e s e n ts i t u a t i o n , f o r m a l d e h y d e d e t e c t i n gm e t h o d sa n dn l e l l n si na f e h i t e e t u r a ld e c o r a t i o nm a t e r i a l sh a sb a s i c a l l yt a k e ns h a p e b u tt h er e a l t i m em o n i t o r i n gm e t h o d sa n dm l ：a n $ f o rf o r m a l d e h y d cc o n c e n t r a t i o ni nf a m i l y , w o r k p l a c 宅0 1 m a n u f a c t u r ee n t e r p r i s e sw h i c hp r o d u c ef o r m a l d e h y d e - c o n t a i n i n gm a t e r i a l sh a w n o tf o r m e d t h et h e s i sd e s i g n e da n dm a d et h ec a nb u sb a s e dd i s t r i b u t e df o r m a l d e h y d e m o n i t o r i n gn e t w o r ks y s t 锄a , w h i e l ac 孤m o n i t o rf o r m a l d e h y d ec o n c e n t r a t i o n so n - l i n eo nt h e s e o e c a s i o m t h ef o r m a l d e h y d em o n i t o r i n gn e t w o r ks y s t e mi n c l u d e sc e n t r a lm o n i t o r i n gh o s lc a nb u s n e t w o r ka n di n t e l l i g e n tn o d e c e n t r a lm o n i t o r i n gh o s ti sac o m p u t e ra d o p t i n gt h ep c - c a n a d a p t e r , w h i c hm a k et h er e a l - t i m em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gb e c o m t 。t r u e c a nb u s n e t w o r k i ss e r i a lb u st o p o l o g yu s i n gm u l t i p l eh o s tc o m m u n i c a t i o n , a n dt h et h e s i sd e v e l o p san e w c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb a s e do nt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a li s s u e s i n t e l l i g e n tn o d ei sc o m p o s e d o ft h ec p um a i n - c o n t r o lm o d u l e , c a nc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，l c dd i s p l a ym o d u l o , r e a l - t i m ed o c km o d u l o , d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e , i n i t i a ls e t 叩m o d u l e , p o w e rs u p p l ym o d u l e , d a t as t o r a g em o d u l e , n l a r mp r o c e s s i n gm o d u l e , w a t c h d o gm o d u l ca n dr e s e tm o d u l o i ta d o p t s m i e r o e o n t r o l l e rm e g a l 2 8a st h ed o m i n a n tc h i p w h i c hi ss u i t a b l ef o ri n d u s t r i a ls i t u a t i o n t h ec a nb u sb a s 哉if o r m a l d e h y d em o n i t o r i n gn e t w o r ks y s t e m 锄c o l l e c ta n dp r o e e u t h ef i e l dd a t ai naf a s ta n de f f i c i e n tm a r m o t , e a r l yt h r o u 曲t h er e a l - t i m eo n - s i t em o n i t o r i n ga n d d i s p l a y i n g , a n d a e l a i c v ol o c a li n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g i t a l s oa e h i o v a h i 班- s p e c c l e o m m t m i e a t i o n , l o wd a t al o s sr a t ea n dg o o do p e r a t i n gr e s u l t s w h e nt l a cs y s t e m w a l l s u c c e s s f u l l yd e v e l o l ，c d i tc m b eu s e dt oe n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gi nt h ep r o c e s so f p r o d u e i n s w o o d - b a s e dp a n e l a tt h es 锄呲t i m e , i tc 吼p r o m o t et l a cf o r m u l a t i o na n di m p l e m e n to ft h e c o m p u l s o r yn a t i o n a ls t a n d a r d sa b o u tt l a cf o r m a l d e h y d ec o n t e n ti nw o o dp r o d l i d i o np r o e e u w o r k s h o p i na d d i t i o n , t h i ss y s t e mc 缸a c l a i o v et w oa t t e rc o n t r o l 。i m p r o v et l a ce f l i e i e n e yo f r e s i nd i s t r i b u t i n gp r o c e s s ，s 眦硝。嗽髓，r e d u c ef o r m a l d d a y d cc o n t e n tw i t h i nt h cw o o d - b a s e d p n n e l ，a n di m p r o v et l a ec o m m e r c i a lv a l l 砖o f w o o dp _ 蚺1 k 呵咖r 出：f o m l , i d l ：y a e , m 蛔血g n 嘲岫吒c a nb u s , h 印螗旺n o 峨c c 脚衄矗c 晒嘲p i a 咖l l v 图表目录 表卜1 甲醛毒害程度与接触浓度之间的关系l 表2 1 不同现场总线比较7 表2 2 传输媒体比较7 图2 - 1 总线位的数值表示1 2 图2 2 数据帧帧格式。1 2 图2 3 仲裁场帧格式1 3 图2 - 4 控制场帧格式1 3 图2 - 5 远程帧帧格式1 4 表2 - 3c a n 控制寄存器中标准帧格式1 4 表2 4c a n 控制寄存器中扩展帧格式1 5 图2 6 信息帧在总线上的竞争情况1 7 图2 - 7 单滤波器配置图一标准帧1 8 图2 8 单滤波器配置图扩展帧1 8 图3 - 1 现场总线网络拓扑结构2 1 图3 2 系统总体结构2 3 图3 3 网络拓扑结构框图2 4 表4 1c n 总线收发控制器表3 0 图4 - 1 现场节点的结构框图3 l 图4 _ 2 主控制器电路图。3 4 图4 - 3 下载线电路图3 4 图4 _ 4c a n 模块电路图3 5 图争5s j a l 0 0 0 内部结构图3 7 袭4 - 2p c 8 2 c 2 5 0 外部引脚表3 8 表4 _ 3 管脚l l s 选择的三种不同工作模式3 8 表4 - 4 液晶芯片接口表3 9 图4 _ 6l c d 连接图4 0 图4 _ 7 数据采集电路4 0 图4 8 报警处理电路4 1 图4 - 9 网络供电图4 l 图4 - 1 0 初始设置模块电路图4 2 表4 - 5 波特率设置对应速率表：4 2 图4 - 1 1 复位电路图4 3 圈4 - 1 2 时钟电路图4 5 图4 - 1 3p r o t e l 9 9 s e 电路原理图设计4 6 图4 - 1 4p r o r e l 9 9 s e 生成网络表4 6 图4 - 1 5p r o r e l 9 9 s e 印制电路板设计4 7 图4 - 1 6 项目文件镐 图4 - 1 7 编译成功界面4 8 图4 - 1 8 主程序流程图4 9 表4 _ 6 基本操作时序表5 0 表4 7 指令说明表5 0 图4 - 1 8 写命令、数据软件流程图5 l 图4 - 1 9 地址i d 波特率子模块的软件流程图5 1 表4 - 8d s l 2 c 8 8 7 内部存储器组织表5 2 图4 - 2 0 读写时间信息软件流程5 3 表4 - 9p e l i c a n 模式下s j a l 0 0 0 寄存器结构及地址分配表5 5 表4 - 1 0 晶振频率为1 6 m h z 时，s j a l 0 0 0 标准波特率及对应总线长度5 7 图4 - 2 1s j a l 0 0 0 初始化程序5 7 图4 - 2 2 发送程序流程图5 8 图4 - 2 3 消息接收中断流程5 9 图5 - 1 系统信息6 0 图5 - 2 数据显示 图5 - 3 通信测试6 1 图5 q 参数设置6 2 图5 - 5 读取节点时问信息眈 图5 _ 6 读取今日数据6 2 图5 - 7 高浓度试验6 3 图5 - 8 低浓度试验6 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得本研究生培养单位或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日期：年月同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解中国林业科学研究院有关保留、使用学位论文的规定，中 国林业科学研究院有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人授权中国林业科学研究院可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 年月日 学位论文作者毕业联系方式 工作单位： 联系电话： 电子邮件： 通讯地址、邮编： 导师签名； 年月日 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 据国家林业局中国林学会最近统计数据表明，2 0 0 5 年我国人造板全年总产量达到 6 3 9 0 万m 3 ，我国已经成为名副其实的人造板生产大国，其年产量己高居世界人造板生产 大国之首【n 。 然而，在成绩背后我们应清楚地看到甲醛超标问题的严重性。有关报导常见报端： 杭州市疾控中心环境与职业卫生监测所对1 0 家写字楼的内环境进行监测，结果这l o 家 写字楼的甲醛全部超标，最大超标量高出国家标准的5 2 5 倍。河北邢台1 6 3 家人造板厂 因甲醛超标被勒令停产 2 】o 甲醛属有毒化学物质，长期接触低剂量甲醛可以引起慢性呼吸道疾病。高浓度甲醛 对神经系统、免疫系统、肝脏等都有毒害。动物试验已证明甲醛有致畸、致癌作用1 3 q 】。 “欧洲室内空气质量及其健康影响联合行动组织”提出了一系列的方案和标准，其中第 七部分报告主要分析了欧洲国家室内空气的甲醛污染现状【6 l 。表1 1 为甲醛毒害程度与接 触浓度之间的关系。 ： 表卜1 甲醛毒害程度与接触浓度之间的关系 t a b l e l 1r e l a t i o n s h i p b e t w e e n h a r m a n d d a n s i t y o f f o r m a l d e h y d e 甲醛浓度( m 咖3 ) 对人类的影响程度,formaldehydeconcentration) ( i m p a c td e g r e e ) 中间值范围 ( m e d i a n ) ( s c o p e ) 第一章绪论 由于甲醛对人们的身体健康造成了危害，故监测甲醛含量有非常重要的意义对室 内空气一般监测，人们经常使用分光光度法、色谱法、光学法、传感器法和极谱法来简 便地测定甲醛含量r ”。目前我国对公共场所、家庭、办公环境甲醛含量的检测，采用抽 检的方式。这种方式不能对上述环境进行连续、在线和实时监测与控制，监控环节明显 滞后。另外，上述场合在我国以亿为单位计算，需要庞大的抽查队伍，是一种巨大的资 源浪费。我国人造板甲醛释放限量已经写入国家强制性标准，如果甲醛释放量超标，便 不能进入我国市场。因此，生产企业急需解决生产过程中甲醛释放量超标问题。另外， 现阶段我国有相当一部分人造板企业进行了企业信息化建设的探索，一些大企业成功地 探索了企业资源计划的推广与应用，并取得了一定成果【5 】。人造板企业希望将生产过程 中甲醛含量作为一个重要技术指标，集成到现有系统中，进而提高企业的市场竞争力。 面对我国人造板行业的实际状况，构建甲醛监测网已成为人造板企业的迫切需求。 随着网络技术、控制技术和通讯技术的高速发展及甲醛气体传感器的研制成功，以网络 技术为核心的信息技术迅速渗入，为分布式甲醛自动报警监控网络系统的建立拓展了发 展空间。甲醛监测网研制成功后，可应用于人造板生产过程中的环境监测，同时促进关 于人造板厂各个生产工段车间内空气中甲醛含量国家强制性标准的制定和实施。另外可 实现两个伺后控制，提高配胶工段的工作效率，节省资源，最大限度地减少人造板内甲 醛含量，从源头控制甲醛释放量，提高人造板的商业价值。这项研究工作可为我国人民 享受清洁健康的居住和工作环境提供技术支撑，对于增强我国人造板产品在国际市场上 的竞争力，使我国成为名副其实的人造板生产大国和强国有着十分重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 由于人造板甲醛释放的原因和方式复杂，以及检测成本、企业规模和地域及国家的 不同等原因，导致了限定甲醛释放量的标准和相应的检测方法不同即。 目前，世界上通用的测定人造板内甲醛释放量的方法有四种：穿孔萃取法、干燥器 法、气候箱法和气体分析法 t o 1 3 1 穿孔萃取法 1 4 , t 5 ：主要用于测定中密度纤维板、高密度纤维板、刨花板、定向刨花板 等产品的甲醛释放量。首先将试件与甲苯溶剂共热，逸出甲醛与甲苯一起蒸发后，被 水收集，并用乙酰丙酮光度测定法分析，结果由每l o o g 绝干板中甲醛含量表示。 2 干燥器法又分为美国干燥器法和日本干燥器法1 1 6 ，1 7 l ，分述如下：美国干燥器法是将8 2 第一章绪论 个封边的样品( 7 0 x 1 2 7 m m ) 置于l o 5 l 的玻璃干燥器中，其内部玻璃容器中装有2 5 m l 蒸馏水。干燥器密封2 个小时，此间释放出的甲醛溶于蒸馏水中。此实验在2 4 d ：6 c 条件下进行。实验结束后，对水进行分析得出甲醛含量。日本干燥器法规定根据样品 的厚度放置7 1 0 件样品( 5 0 x 1 5 0 m m ) 于干燥器中，暴露表面积约为1 8 0 0 c m 2 ，厚 板材可少用些样品。该检测方法规定用3 0 0 r a l 蒸馏水来吸收甲醛。干燥器密封后， 在2 0 一2 5 0 c 条件下搁置2 4 小时 3 气候箱法o s , j 9 】：l m 3 气候箱检测方法是国外普遍采用的室内装饰、装修材料甲醛释放 量检测的标准方法，其特点是模拟室内气候环境，检测结果更贴近实际，因而真实、 可靠。样品的表面积为l m 2 ，边部密封，放置在l m 3 的气候箱内。箱内温度为2 3 ， 相对湿度为4 5 ( 欧洲标准) ，空气交换率为每小时1 次。气候箱内空气中的甲醛浓 度须多次检测，待其达到稳定值时所测数值作为最后结果。用气洗瓶来收集甲醛，气 洗瓶内吸收液的甲醛浓度，则用变色酸法或乙酰丙酮法经显色后用分光光度计测定， 结果的表达为p p m 或m g m 3 ，也可以用m g m 2 - h 来表达样品的甲醛释放速度。整个 检测过程约需要2 个星期，1 个星期用于样品预处理，1 个星期用以进行检测 2 0 1 。 4 气体分析法又称快速检测法【2 l 】，其基本原理是将一块具有一定暴露面积的测试样品， 安放在温度、湿度、气流和压力等均控制在规定范围内的检测室中，甲醛从测试样品 中释放出来，与检测室内的空气混合在一起，从检测室连续抽取混合气体4 小时并通 过气体吸收瓶。气体吸收瓶内蒸馏水对所释放出的甲醛吸收，直到测试最后，用分光 分度计测定，用测定的浓度、抽样( 气体) 的时间和试件暴露的面积计算出甲醛释放 量。以每平方米每小时释放甲醛毫克数计。 分析上述方法，穿孔萃取法简单易行，操作方便，但检测结果不能直接反映甲醛释 放量对环境的污染；干燥器法标定甲醛时采用滴定法，测试精度低，测试范围窄；气候 箱法最大的优势在于对实际环境的模拟能力，该方法可以对人造板及其制品的试样甚至 大幅面整体试件进行模拟气候处理，评定其甲醛释放性能，但测试周期较长，最多可能 延续至2 8 天，不适应快节奏的市场变化和进出口货物通关的要求。气体分析法能够快速 测出甲醛释放量，具有广阔的应用前景。 目前国内有很多监测方法用于检测空气中的甲醛水平，主要有以下3 种： 1 有动力采样监测目前常用，结果比较可靠。它是利用盛有吸收液的冲击式气泡吸收 管连接采样器进行采样，带回实验室分析。其分析方法有酚试剂分光光度法，对氨基 偶氮苯分光光度法、付品红法及变色醇法、乙酸丙酮比色法等，这些方法一般有灵敏 3 第一章绪论 度高、抗干扰性强等特点，其检测水平可达微克级以下，对职业卫生和非职业卫生环 境监测均比较适用。 2 无动力式监测依靠企业作业场所和环境中甲醛蒸汽的扩散吸附到采样器具上进行分 析，如甲醛监测器、检测管等，无动力式采样监测相对方便、经济，缺点是不适宜低 浓度的环境监测，常受温度、相对湿度诸因素影响，可靠性不能保证。 3 仪器分析法检测目前，便携式小型分析仪是用于检测空气中甲醛含量的直读式仪器， 仪器内设有电池供电的内置采样泵，检测元件为电化学传感器。检测时，样气进入传 感器，气体浓度以p p m 为单位直接显示。便携式甲醛检测仪的监测结果与传统的乙 酰丙酮分光光度法的监测结果还存在一定的差距，但基本上能满足环境监测的要求。 同时，便携式现场监测仪在环境应急监测上对传统实验室分析方法在一定程度上起到 了一定的补充，便携式现场监测仪的方便，快简基本能满足我国在突发性环境污染事 故中的环境监测任务，传统的实验室分析方法在精确性和准确性上要强于便携式现场 监测分析仪。 c a n 总线作为现场总线的一种，经过许多年的发展，技术已经十分成熟，已经广泛 运用在各种工业现场，用来监测控制各种环境变量。由于c a n 总线可以挂接许多节点， 这些节点之间可以相互通信，所以就构成了网络。国内已有人将其运用在温室环境测控 系统中，不仅具有通信质量高、系统性能稳定的优点，而且节省了人力提高了效益。国 内还有人将其运用在煤矿井下风机的监控系统中，用于对煤矿井下风机提供综合保护， 既可设定风机的运行参数，又可监视风机的运行状态和故障信息。另外，国内有人将c a n 总线运用到果园气象监测网络中，通过监测果园的气象条件，如温度、土壤的水分、光 照以及风力的强弱来及时地以人为因数改善果树的生长条件。 由于各国政府对环境污染问题越来越重视，都制定了一些相应的监控方法和手段。 我国政府也制定了污染源在线自动监控( 监测) 系统数据传输标准。该标准适用于污染 源在线自动监控( 监测) 系统自动监控设备和监控中心之间的数据交换传输，并规定了 数据传输的过程及系统对参数命令、交互命令、数据命令和控制命令的数据格式和代码 定义污染源自动监控系统从底层逐级向上可分为现场机、传输网络和上位机三个层次， 是一个庞大的系统，可以覆盖一个城市。该标准对系统结构、协议层次、通讯协议进行 了详细定义和规定。 甲醛污染可直接危害企业一线的生产工人及居住者的身心健康，已引起我国政府和 人民的高度重视。为此，国家质量技术监督检验检疫总局制定、发布并于2 0 0 2 年7 月1 4 第一章绪论 日开始实施了十个国家标准，都是针对有害物质释放限量的标准，都是强制性的国家标 准，其中与人造板生产企业有最直接联系的是g b l 8 5 8 0 - - 2 0 0 1 室内装饰装修材料人造 板及其制品中甲醛释放限量国家标准，其限量值与欧洲标准e n3 1 2 一1 9 9 7 刨花板 等有关国外先进标准的指标相一致【2 甜。其中规定：中密度纤维板、高密度纤维板、刨花 板和定向刨花板等采用“穿孔萃取法， 鱼测，可直接用于室内的最高容许浓度为9 m g l o o g 。 中华人民共和国国家标准居室空气中甲醛的卫生标准1 2 3 规定：居室空气中甲醛 的最高容许浓度为o 0 8 m g m 3 。检测方法为分光光度计化学分析法，在现场进行空气采样， 然后在实验室进行分析。特点是数值准确、抗干扰性强，是目前国家室内空气甲醛浓度 的唯一标准检测方法。我国公共场所空气中甲醛浓度不超过o 1 2 m g m 3 ，工作场所空气中 甲醛最高容许浓度为0 s m m 3 1 2 4 1 。 目前国内外对甲醛监测的研究主要集中在对人造板及其制品和室内装饰装修材料 上，而对室内、人造板生产车间等一些大场合环境中甲醛含量监测的研究比较少，在线 监测耒见先例。 1 3 研究目标和主要研究内容 本论文主要完成网络智能节点的软硬件设计，上位机监控软件的设计，通讯协议的 制订，最终实现人造板车问甲醛监测网络的顺利运行。整个设计分为四个部分： 1 熟悉整个系统设计构成原理，规划监控网络。 2 完成c a n 一明s 通讯协议制订( 主要指应用层) 。 3 完成基于s j a l 0 0 0 的c a n - b u s 智能节点硬件电路设计和软件设计。 4 完成基于p c i - 9 8 1 0 非智能c a n 接口卡的上位机监控软件设计，实现智能节点与上位 机之间的数据传输，完成整个网络系统的数据通信。 5 第二章基础理论和知识 2 1 现场总线 第二章基础理论和知识 随着控制、计算机、通讯、网络等技术的发展，信息交换沟通领域正迅速覆盖从工 厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的 市场。信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动 化系统为基础的企业信息系统。现场总线就是顺应这一形式发展起来的新技术。 现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字 通信的系统，也称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。在工业测控系统中， 为了提高工业现场实时效率，经常需要现场级的数据传输。同时，现代工业自动化系统 发展的趋势使得现场仪表之间、仪表与控制室设备之间构成网络互连系统，实现全数字 化、多变量的数字通信，现场总线技术的应用是目前国际通信网络自动化领域的热点。 现场总线在技术上的特点决定其具有以下优点【2 5 】； 1 节省硬件数量与投资：由于现场总线系统中分散在现场的智能设备可直接执行多种传 感控制报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不需单独的调节器、计算单元等， 也不需d c s 系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂的连线，还可用工控p c 机作为操作站，从而节省了大笔硬件投资，并可减少控制室的占地面积。 2 节省安装费用：现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上可挂接多个 设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量 也大大减少。当需要增加现场设备时，无需增设新电缆，可就近连接在原有的电缆上， 既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。 3 。节省维护费用：由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理能力，并通过数字通讯 将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可查询所有设备的运行，诊断维护信息，以 便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连 线简单而减少了维护工作量。 4 。用户具有高度的集成主动权：用户可自由选择不同厂商提供的设备来集成系统。避免 因选择了某一品牌的产品而被框死使用设备的选择范围，不会因系统集成中不兼容的 6 第二章基础理论和知识 协议、接口而一筹莫展，使系统集成过程中的主动权牢牢掌握在用户手中。 5 提高系统精确度与可靠性：由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比， 从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。同时，由于系统结构简化， 设备连线减少，现场仪表内部功能加强，信号往返传输减少，工作可靠性提高。 目前国际上存在多种总线，都有各自的组织、标准、芯片和应用领域。每一种现场 总线都是在其支持公司或者多年产品技术研发成果积累的基础上产生的，其技术侧重面 不一，各有特色，主要应用的领域也不尽相同【2 6 】。下面列出了4 种常用典型的现场总线： b a c n e t ，c a n b u s ，c e b u s ，l o n w o r k s 。表2 一l 中列出各总线应用范围、支持媒介、速率等 性能指数。 表2 - 1 不同现场总线比较 t a b l e 2 - 1c o m p a r i s o no f d i f f e r e n tf i d d l m s 各种网的通信距离与通信媒介有关，若双绞线，一般都在l 2 k m l 2 7 。为了工程应用 中方便，对现场总线在不同媒介中的应用作比较，如表2 2 。 表2 - 2 传输媒体比较 t a b l e 2 - 2c n i a r i o f d i f f e r e n tt r a n s m i s s i o ni n c d i a 从目前各种现场总线的技术看，还没有一种现场总线能够完全适用于所有的应用领 7 第二章基础理论和知识 域。因此，应用层的用户要根据自身系统的实际情况、工程的具体要求和经济实力选择 适合自身的现场总线，使其能充分地发挥长处，达到最好的效果。在选用现场总线之前， 应该根据下列情况进行分析： 1 规模的大小，即需要运用现场总线构成网络的节点大小； 2 环境条件，包括节点分布距离，现场的安全防爆要求，电磁环境等； 3 传输信号情况，包括通信量的大小，实时性的要求； 4 开发的成本，包括器件的来源，产品的成本等。 2 2c a n 的基础 c a n 是英文c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k 的缩写，中文即为控制器局域网络。c a n 最早 是由德国b o s c h 公司为解决现代汽车中的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种 数据通信协议，按照i s o 有关标准，c a n 的拓扑结构为总线式，因此也称为c a n 总线。 由于c a n 被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，1 9 9 1 年9 月，p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 制订并发布了c a n 技术规范( v e r s l 0 n 2 0 ) 。该技术规范包括a 和b 两部分。2 0 a 给出了曾在c a n 技术规范版本1 2 中定义的 c a n 报文格式，而2 o b 给出了标准的和扩展的两种报文格式。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 ) ，为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路。 c a n 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，代之以对通信数据块进行编 码。这种方法的优点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1 1 位或2 9 位二进制数组成，因此可以定义2 1 1 或2 2 9 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问过长，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。 总之，c a n 总线是现场总线中技术较为成熟，普遍应用并有着良好前景的一种总线， 8 第二章基础理论和知识 其具有独特的传输距离长、实时性好、可靠性高等特点。由于c a n 总线本身具有卓越的 特性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，越来越受到工业界重视，其应 用范围已不再局限于汽车行业，而向自动控制、智能楼宇、航空航天、航海、过程工业、 机械工业、纺织机械、农业机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。 c a n 总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制芯片已商品化，性价比高， 特别适用于分布式测控系统之间的数通讯，方便地构成分布式监控系统1 2 s l 。 2 2 1c a n 的特性 c a n 属于总线式串行通信网络，由于采用了许多新技术以及独特的设计，与一般通 信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的性能、可靠性、实时性和灵活性。c a n 的 主要特性包括例： 1 通信方式灵活。c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网 络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息。 2 c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求。 3 c a n 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，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大 大节省了总线冲突仲裁时间。 4 c a n 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传送数 据，无需专门的调度，c a n 可根据报文的d 决定接收或屏蔽该报文。 5 c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k i n ( 速率5 k b p s 以下) ；通信速率最高可达1 m b p s ( 此时通信距离最长为4 0 m ) 6 c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个；报文标识符可达2 0 3 2 种( c a n 2 0 a ) ，而扩展标准( c a n 2 0 b ) 的报文标识符几乎不受限制。 7 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。 ， 8 c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，数据出错率极低。 9 c a n 通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 1 0 c a n 节点在错误严重情况下具有自动关闭输出功能，使总线上其他节点不受影响。 1 1 c a n 总线通信接口中集成了c a n 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数 据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等多项工作 总之，c a n 总线具有实时性强、可靠性高、通信速率快、结构简单、互操作性好、 9 第二章基础理论和知识 总线协议具有完善的错误处理机制、灵活性高和价格低廉等特点，被人们广泛选择应用。 2 2 2c a n 的分层结构 遵循o s i 七层参考模型的标准，c a n 总线网络采用三层网络结构0 0 ：物理层、数据 链路层和应用层。其