（精密仪器及机械专业论文）基于CAN总线的分布式网络测控系统研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 现场总线技术是随着控制技术、计算机技术和通信技术的飞速发展和数 字化仪器仪表的成熟和广泛应用而逐渐发展起来的，具有开放式，全数字化， 双向串行，多节点通信等优点。 论文在对主流现场总线进行分析对比及深入了解国内外测控系统发展现 状的基础上，结合船舶航行数据记录仪( v d r ) 数据采集装置的研究课题，利 用c a n 总线作为通信总线，采用高速、外部接口丰富、集成有c a n 控制器的 c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机设计了以数据采集和开关控制为核心的c a n 网络测控系统。 该系统具有通用性强、可靠性高、扩展性好、系统配置灵活、可现场监控与 下载等优点。本文以测控系统的数据采集与控制、系统的可靠性为核心展开 了下列主要研究工作： ( 1 ) 数据采集与控制研究。为了增强系统的通用性，对采集与控制的各 种输入与输出信号进行了系统分析，分别进行了研究并设计了具体的应用电 路，对其它相关测控系统具有极强的借鉴价值。 ( 2 ) 系统可靠性研究。为了增强c a n 总线通信的可靠性，论文对c a n 总 线的冗余技术进行了深入研究，给出了具有光电隔离、故障判断与报警的双 收发器c a n 总线热冗余系统的设计方案和电路原理图。 ( 3 ) c a n 总线波特率设置研究。论文对现场总线c a n 2 o b 协议及其通信 原理进行了深入研究的基础上，结合c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机，对c a n 总线波特率 设置进行了深入细致的研究，推导出对c a n 波特率设置具有重要借鉴价值的 公式，并对其具体应用进行了深入讨论。 此外，为完成系统的功能，对测控系统的单片机软件及监控软件分别进 行了研究与设计。 关键词：现场总线；c a n 总线；测控单元；波特率设置：总线冗余 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef i d db u st c c l m o l o g y , w h i c hh a sal o to fa d v a n t a g e ss u c ha so p e n i n g , t o t a ld i g i t a l i z a t i o n , t w o - w a ya n ds e r i a l ，n o d a lc o m m u n i c a t i o n , e t c ，i sg r a d u a l l y d e v e l o p e da l o n gw i t l lt h es p e e d i l yd e v e l o p m e n to fc o n t r o lt e c h n i q u e ，c o m p u t e r t e c h n o l o g ya n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ee x t e n s i v eu s ea n da g e i n go f d i g i t a li n s t r u m e n t a f t e ra n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt ot h em a i ns 拄e a mf i e l db u sa n dd e e p l y u n d e r s t a n d i n gt h ed e v e l o p i n ga c t u a l i t yo f m e a s u r ec o n t r o ls y s t e mt h r o u g h o u tt h e w o r l d , t h r o u g hc o m b i n a t i o nw i t ht h er e s e a r c hs u b j e c to f t h ev o y a g ed a t a r e c o r d e r ( v d r ) sd a ma c q u i s i t i o nd e v i c e ，a n d u s eo f c a nb u sa st h ec o m m u n i c a t i o nb u s ， a n da d o p t i o no fc 8 0 5 1 f 0 4 0 ，w h i c hi n t e g r a t e dc a nc o n t r o l l e ra n dh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fh i g h e rv e l o c i t ya n dr i c hp e r i p h e r a li n t e r f a c e ，a u t h o rh a s d e s i g n e dt h ea c q u i s i t i o na n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nc a nb u sn e t w o r k , t h a t t a k e sd a t aa c q u i s i t i o na n ds w i t c hc o n t r 0 1 t h i ss y s t e m sa d v a n t a g e sf i r et h eb e t t e rc o m m o n a l i t y , t h eh i g hr e l i a b i l i t y t h e c o n v e n i e n te x t e n s i o na n d s y s t e mc o n f i g u r a t i o n ，f i e l ds u p e r v i s i o n a n d d o w n l o a d t h i sd i s s e r t a t i o ni ss u r r o 吼d i n gd a t aa c q u i s i t i o na n dt h ec o n t r o la n d r e l i a b i l i t yo fs y s t e m ，c a r r i e do u tf o l l o w i n gm a i ns t u d i e s ： ( 1 ) s t u d yo f d a t aa c q u i s i t i o na n dc o n 缸o l i no r d e rt os t r e n g t h e nt h es y s t e m a t i cc o m m o n a l i t y ，t h ev a r i o u si n p u t sa n d o u t p u t so ft h i sa c q u i s i t i o na n dc o n l x o ls y s t e mh a v eb e e nt a k e ni n t oa c c o u n ta n d t h es y s t e m sa n a l y s i s ，h a v eb e e ns t u d i e dd e s i g n e dt h ec o n c r e t ea p p l i c a t i o nc i r c u i t r e s p e c t i v e l y ，a n dt h i sd e s i g np o s s e s s e se x t r e m e l ys t r o n gr e f e r e n c ev a l u et oo t h e r c o r r e l a t i v es y s t e m s ( 2 ) s t u d yo f s y s t e mr e l i a b i l i t y i no r d e rt os t r e n g t h e nt h ec o m m u n i c a t i o nr e l i a b i l i t yo fc a nb u s ，t h e a u t o m a t i cj u d g m e n ts y s t e mi ss t u d i e da n dd e s i g n e d t h i sd i s s e r t a t i o nh a sg i v e n 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 - _ i l _ _ _ _ _ _ _ l l _ l _ _ i i i i - - _ _ _ _ _ l | i _ _ l _ _ _ - o u tt h ed e s i g ns c h e m ea n dt h ec i r c u i ts c h e m a t i cd i a g r a m s , w h i c hd o s s c s ss u c h c h a r a c t e r i s t i c sa sl i g h te l e c t r i c a li s o l a t i o n , t u r n o f fj u d g m e n to fc a nb u sa n d a l a r m ( 3 ) s t u d yo f c o n f i g u r a t i o no f c a nb u s sb a u d a u t h o rh a sd e e p l ys t u d i e dc a n 2 o bp r o t o c o la n di t s p r i n c i p l e c o m b i n e d c 8 0 5 1 f 0 4 0 ，t h i sp a p e rh a ss t u d i e dt h ec o n f i g u r a t i o no f c a nb u s ，sb a u dc a r e f u l l v a n dt h o r o u g h l y ，a n dd e r i v e da n dd i s c u s s e da f o r m u l a , w h i c hh a sv e r yi m p o r t a n t m e a n i n g t ot h ec o n f i g u r a t i o no f c a n b u s sb a u d i na d d i t i o n , i no r d e rt o a c c o m p l i s ht h ef u n c t i o no fs y s t e m , s o f t w a r eo f m c a s r r gc o n t r o lu n i ta n d s u p e r v i s i o ns o f t w a r eh a v es t u d i e da n dd e s i g n e d r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：f i e l db u s ；c a nb u s ；m e a s u r ec o n t r o lu n i t ；c o n f i g u r a t i o no f b a u d ； r e d u n d a n c yo f c a nb u s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。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 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：五丝冱 日 期：抄7 年；月夕日 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 1 1 课题背景和意义 第1 章绪论 随着控制技术、计算机技术和通信技术的飞速发展，数字化仪器仪表的 成熟和广泛应用，数字化作为一种趋势正在从工业生产过程的决策层、管理 层、监控层和控制层一直渗透到现场设备。为了把具有信息处理和控制功能 的各种现场设备连接成网络系统，现场总线技术出现了。现场总线技术将专 用微处理器置入传统的测量控制仪表，使其具有数字计算和数字通信能力， 成为能独立承担某些检测、控制和通信任务的网络节点。通过普通双绞线把 多个测量控制仪表、计算机等作为节点连接成网络系统；使用公开、规范的 通信协议，在位于生产控制现场的多个微机化测控设备之间、以及现场仪表 与用作监控、管理的远程计算机之间，实现数据传输与信息共享，形成各种 适应实际需要的自动控制系统。开放的、可互操作的现场总线控制系统把通 信总线一直延伸到现场设备，使许多现场设备可在同一总线上进行双向多信 息数字通信，实现了信号传输全数字化和计算机测控网络化。从技术进步的 角度看，无论从控制的功能完善性，安全性，节省电缆上，还是信息量的获 得上，现场总线技术有着无可比拟的优越性，具有良好的发展前景。各类现 场总线的研究、开发与应用已成为工业数据总线及其它领域的热点。现场总 线控制系统的出现代表了工业自动化领域中一个新纪元的开始，并将对该领 域的发展产生深远的影响。 本文主要以我校研制的船载航行数据记录仪( v d r ) 系统为工程应用背景， 对工业自控及其它领域内最具前途的现场总线技术之一，即控制器局域网 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线技术在、，d r 数据采集装置中的设计和具 体应用的前提下，完成了此数据采集装置在自动控制领域的具体应用。 1 2 研究现状与发展前景 1 2 1 自动化技术的研究现状与发展前景 哈尔滨工程大学硕士学位论文 近年来，随着计算机、通讯、控制、网络技术的进步，自动化技术也随 之获得了迅猛的发展。就自动化的主流技术而言，6 0 7 0 年代是以模拟信号 为主的模拟仪表控制系统时代，其显著缺点是模拟信号精度低，易受干扰。 7 0 8 0 年代采用的是以单片机为主的集中式数字控制系统技术，它的优点在 于控制器内部传输的是数字信号，克 b t t 模拟仪表控制系统中模拟信号精度 低的缺陷，提高了系统的抗干扰能力；易于根据全局情况进行控制计算和判 断。缺点是对控制器要求很高，必须具有足够的处理能力和极高的可靠性， 当系统任务增加时，控制器的效率和可靠性将急剧下降。8 0 9 0 年代d c s ( 分 布式控制系统) 技术占主导地位，其核心思想是集中管理、分散控制。上位 机用于集中监视管理，若干台下位机分散到现场实现分布式控制，各上下位 机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。这种分布式的控制系统 结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高 的缺陷，但是由于不同的d c s 厂家为达到垄断经营的目的而对其控制通讯网 络采用各自专用的封闭形式，难以实现不同网络的互连和信息共享，且d c s 造价昂贵。在这种情况下，开放、可互操作、价格低廉的网络控制系统成为 用户的迫切要求。上世纪9 0 年代至今，开放的、可互操作的现场总线控制系 统( f c s ) 顺应潮流而诞生。它把各种现场设备通过现场总线连接起来，使许 多现场设备可在同一总线上进行双向多信息数字通信，实现了信号传输全数 字化和计算机测控网络化m “u m “一。 现场总线控制系统( f c s ) 与传统集散控制系统( d c s ) 相比，主要进步在于 f c s 废弃了d c s 的输入输出单元和控制站，由现场总线智能仪表和操作站取 而代之，即把d c s 控制站的功能化整为零，分散地分配给现场仪表，从而构 成虚拟控制站，实现彻底的分散控制，它们的区别如图1 i 所示： 从技术进步的角度看，无论从控制的功能完善性、安全性、布线易行性、 节省电缆上，还是信息量的获得上，现场总线技术有着无可比拟的优越性， 具有良好的发展前景。现场总线产品的应用对于改进和完善d c s 的现场测控 站、通讯网络，实现一次仪表与二次系统信息的数字双向交换或一体化具有 极为重要的意义。 2 哈尔滨工程大学硕+ 学t i ) = 论文 l a n d c s 典型结构f c s 典型结构 图1 1f c s 与d c s 的区别 1 2 2 现场总线技术的研究现状与发展前景 1 2 2 1 现场总线定义 根据国际电工委员会i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o nt e c h n i c a l c o m m i s s i o n ) 和现场总线基金会的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动 化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。 1 2 2 2 现场总线的本质原理和技术特征 现场总线不单是一种通信技术，它还能够实现智能仪表、通信网络和控 制系统的集成。现场总线的本质原理和技术特征集中表现在： ( 1 ) 现场通信网络。现场总线作为一种数字式通信网络一直延伸到生产 现场中的现场设备，使过去采用点到点式的模拟量信号传输或开关量信号的 单向并行传输变为多点一线的双向串行数字式传输。 ( 2 ) 现场设备互连。仅仅用一对传输线( 如双绞线、同轴电缆、光纤或 电源线等) 将传感器、变送器和执行器等现场仪表和设备互连起来。 ( 3 ) 互操作性。现场仪表或设备品种繁多，不可能从一家制造公司购齐。 在遵守同一通信协议的前提下，现场总线允许选用各制造商性能价格比最高 的产品集成在一起，实现对不同品牌的仪表或设备互相连接，统一组态。 3 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 ( 4 ) 功能分散。将集散系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 的3 级结构改革为现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t o r ls y s t e m ) 的2 级结 构，废弃了d c s 的输入输出单元和控制站，将控制功能分散到现场仪表，从 而构成虚拟控制站。由此现场仪表成为了智能型多功能仪表。 ( 5 ) 现场总线供电。现场总线除了传输信息之外，还可以完成为现场设 备供电的功能。 ( 6 ) 开放式互连网络。由于现场总线协议是一个完全开放的协议，它不 像d c s 那样采用封闭的、专用的通信协议，而是采用公开化、标准化、规范 化的通信协议，因此来自不同厂家的现场总线设备，只要符合现场总线协议， 就可以通过现场总线网络连接成系统；现场总线作为开放式互联网络，既可 与同层网络互连，也可以通过网络互联设备与不同层次的控制级网络和信息 级网络互联，资源共享、统一调度，实现综合自动化。 综上所述，现场总线是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设 备互连的实时控制通信网络，它遵循i s o o s i 开放系统互联参考模型的全部 或部分通信协议。 1 2 2 3 现场总线的标准现状和最新进展 现场总线发展迅速，现处于群雄并起、百家争鸣的阶段，目前己开发出 4 0 多种现场总线。统一的现场总线协议标准对于现场总线的发展意义重大， 所以在1 9 9 9 年年底具有8 种现场总线协议的i e c 6 1 1 5 8 国际标准被正式获得 通过。这8 种总线协议是：p r o f i b u s 、基金会现场总线f f 、i n t e r b u s 、 c o n t r o l n e t 、w o r l d f i p 、f f ( h s e ) ，s w i f t n e t 以及p r o c e s s 等。在2 0 0 3 年4 月由i e c s c 6 s c m t 9 小组把i e c 6 11 5 8 修订为i e c 6 11 5 8e d 3 ( 现场总线标准 第3 版) ，i e c 6 1 1 5 8e d 3 正式成为国际标准。在新版本标准中规定了1 0 种类 型的现场总线，以反映工业网络通信技术的最新发展。它们是：t y p e l 现 场总线( t s 6 1 1 5 8 ) ；t y p e 2 现场总线( c o n t r o l n e t 和e t h e r n e t i p ) ； t y p e 3 现场总线( p r o f i b u s ) ；t y p e 4 现场总线( p _ n e t ) ；t y p e 5 现场总 线( h s e ) ；t y p e 6 现场总线( s w i f t n e t ) ；t y p e 7 现场总线( w o r l d f i p ) ； t y p e 8 现场总线( i n t e r b u s ) ；t y p e 9 现场总线( f f h l ) ；t y p e l o 现场 总线( p r o f i n e t ) 。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 综上所述，目前的现场总线国际标准还是多种总线协议并存的标准，并 没有达到完全的统一。 此外，还有几种在工业监控领域广泛应用的总线，如德国b o s c h 公司为 汽车应用而开发的c a nb u s 、美国e c h e l o n 公司开发的l o n w o r k s 总线等。 1 2 2 4 几种典型现场总线介绍及性能分析与对比 当前的现场总线国际标准还是多种总线协议并存的标准，在这些总线中， 在国内和国际上最具影响力的有如下5 种，分别是f f ，p r o f i t b u s ，h a r t ，c a n 、 w o r l d f i p 和l o n w o r k s 。下面分别对这五种总线分别进行介绍。 f f 基金会现场总线 f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 现场总线分低速h 1 和高速 f 2 ( h s e - - h i g h s p e e de t h e r n e t ) 两种通信速率。 h 1 现场总线是由f f 现场总线基金会负责制定的，总线协议由物理层、数 据链路层、应用层、以及考虑到现场装置的控制功能和具体应用而增加的用 户层组成。直接支持的介质有：双绞线、同轴电缆、光纤和无线介质。h l 总 线主要用于现场级，其传输速率为3 1 2 5 k b p s ，通信距离可达1 9 0 0 m ( 可加中 继器延长) ，可支持总线供电。 1 2 是现场总线技术与成熟的高速商用以太网技术相结合的新型高速现 场总线，该总线使用框架式以太网( s h e l fe t h e r n e t ) 技术，传输速率从1 0 0 m 到1 g b p s 或更高。h s e 于2 0 0 0 年3 月开始推向市场，标志着e t h e r n e t 网络 开始全面进入工业自动化领域，代表了今后现场总线的发展方向。物理传输 介质可支持双绞线、光缆和无线发射。h s e 总线主要面向过程控制级、远程 i o 和高速工厂自动化的应用。 l o nw o r k s l o nw o r k s 是由美国e c h e l o n 公司推出，并由它与摩托罗拉、东芝公司 共同倡导，于1 9 9 0 年正式公布而形成的。它采用了i s o o s i 模型的全部七层 通讯协议，采用了面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化 为参数设置，其通讯速率从3 0 0 k b p s 至1 5 m b p s 不等，直接通信距离可达到 2 7 0 0 m ( 7 8 k b p s ，双绞线) ；支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电 源线等多种通信介质。 哈尔滨工程大学硕七学位论文 l o nw o r k s 的介质存取控制采用带预测的p 坚持c s 姒方式，较好地解决 了c s m a 在重负荷时的性能。 l o nw o r k s 技术所采用的l o nt a l k 协议被封装在称之为n e u r o n 的神经 元芯片中而得到实现。它已经被广泛应用于楼字自动化、家庭自动化、保安 系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业。另外，在开发智能通信 接口、智能传感器方面，l o nw o r k s 神经元芯片也具有独特的优势。 p r o f i b u s p r o f i b u s 是作为欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的第2 部分和德国国家标准d i n l 9 2 4 5 的现场总线，得到p r o f i b u s 用户组织p n o ( p r o f i b u sn a t i o n a lo r g a n i z a t i o n ) 的支持，西门子公司则是p r o f i b u s 产品的主要供应商。p r o f i b u s 系列由 p r o f i b u s d p ( 分散型外围设备) 、p r o f i b u s 一邮( 现场信息规范) 和 p r o f i b u s - p a ( 过程自动化) 等3 个兼容部分组成。 ( 1 ) p r o f i b u s d p 特别适用于装置一级自动控制系统与分散i o 之间高 速通信，它使用物理层、数据链路层以及用户接口。这种结构能够保证快速 而有效的数据传送，在用户接口中定义了用户和系统使用的应用功能，以及 p r o f i b u s d p 装置的特性。传输可使用r s - - 4 8 5 或光纤媒体。d p 型用于分散 外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。 ( 2 ) p r o f i b u s f m s 用于车间级监控网络，是一个令牌f m s ( 现场总线报 文规范) 和l l i ( 低层接口) 组成。该总线可使用r s - - 4 8 5 和光纤传输技术。 f m s 适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化。 ( 3 ) p r o f i b u s p a 专为过程自动化设计，它能够将变送器和执行器连接 到一根公共总线，符合i e c 6 1 1 5 8 2 物理层规范，使用两根线可以完成供电和 数据通信，并实现本质安全。p a 的数据传输采用扩展的p r o f i b u s - d p 协议， 还具有描述现场设备行为的p a 行规。 p r o f i b u s 的传输速率为9 6 k 1 2 k b p s ，最大传输距离在1 2 k b p s 时为 1 0 0 0 m ，其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆，最多可挂接1 2 7 个站点。 c a n c a n 是控制器局域网c o n t r o la r e an e t w o r k 的简称，最早由德国b o s c h 公 司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信，目前有两种版本的 技术规范；c a n 2 o a 与c a n 2 o b ，其总线规范现已被i s o 国际标准组织制订为国 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 际标准，得到了m o t o r o l a ，i n t e l ，p h i l i p s ，s i e m e n s ，n e c 等公司的支持。 其信号传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤，通信速率最高可达i m b p s ，直接 传输距离最远可达l o k m ，可挂接设备最多可达1 1 0 个。目前，已有多家生产集 成有c a n 控制器的m c u 芯片或c a n 收发器芯片的公司，如m o t o r o l a 、p h i l i p s 、 a t m e l 、i n t e l 以及c y g n a l 等公司，并且还有插在p c 机上的c a n 总线接口卡，具 有接口简单、编程方便、开发系统价格便宜等优点。 w o r l d f i p 总线 成立于1 9 8 7 年的w o r l d f i p 协会制定并大力推广t y p e 7 现场总线。 w o r l d f i p 协议是欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的第3 部分，物理层采用i e c 6 1 1 5 8 2 标 准，被广泛应用于发电与输配电、加工自动化、铁路运输、地铁和过程自动 化等领域。 w o r l d f i p 现场总线协议由物理层、数据链路层和应用层组成。它能满足 用户的各种需要，适合于集中型、分散型和主站从站型等多种类型的应用结 构。用单一的w o r l d f i p 总线可满足过程控制、工厂制造加工和各种驱动系统 的需要。 w o r l d f i p 的特点是具有单一的总线，可用于过程控制以及离散控制，而 且没有任何网桥或网关；低速与高速部分的衔接用软件的办法来解决；己经 有较为完整的系列产品。 通过对前面五种现场总线的技术性能的分析，我们可以得出下面的五种 现场总线的性能对照表1 1 。 通过上面的性能对照表可以看出各种现场总线在工作原理与应用范围方 面均存在较大的差异。上面的各种总线都有相应的芯片从硬件上实现全部协 议，其中l o n w o r k s 、p r o f i b u s 和c a n 都有相应的厂商生产固化其协议的单片 机，从而大大降低了系统的复杂度和开发成本。f f 的h l 总线适用于过程自动 化方向，且由于h l 总线支持总线供电，所以也支持本质安全防爆环境。在国 内，f f 产品开发目前还处在实验阶段，在国内应用较少；p r o f i b u s 主要 面向通用目的自动化、工厂自动化与过程自动化领域，在国内已有基于 p r o f i b u s 的成熟产品，但尚未形成规模；l o n w o r k s 比较适用于一些大型的， 对响应时间要求不太高的分布式监控系统( 如楼宇自动化) ，在工业监控领域 不是主流；c a n 总线主要适用于小型的，对实时要求较高的系统。c a n 总线在 7 哈尔滨下程大学硕士学位论文 国内应用非常广泛。 表1 1 典型现场总线性能对照表 f f p r o f i b u s 特性 l o n w o r k si 0 r l d f i p洲 h 18 2 ( h s e )d pf m sp a 应用范围所有方面 所有方面所有方面过程控制汽车 i s o 层次l 、2 、71 7l 、2 、7 l 、2 、7 1 、2 、7 传输介质、红外线 3 1 2 5 1 0 叫 通信速率 3 0 0 k k b d s1 5 m g 6 k 1 2 m b p s2 6 m b p s 5 k l m 1 g b p s 通信距离1 9 k m2 7 k ml k l o k m 每区域 节点数每段3 2 每段3 2 l l o 3 2 7 6 8 寻址方式广播 广播 系统类型总线网络 总线总线总线 c s 姒c 介质访问 c s i n c d 总线供电不是是是 是 不是 总线型、 星型，环线线线型 拓扑结构总线型总线型 型、混合型型树型 型 q ) 同轴电缆、电源线，光纤、无线电，红外线双绞线、光纤 单点、多点、广播 主从、令牌 总线型，菊花链型、树型 从目前来看，还没有哪一种现场总线能够满足全部工业环境要求，各种 现场总线都有自己的长处和短处，所以要根据应用场合来选择适合的总线。 由于c a n 总线具有芯片资源丰富、可靠性高、通信速率高、连接方便和开 发成本低等诸多优点，所以本论文选用c a n 总线作为该系统的通信总线。 1 2 3c a n 总线的研究现状与发展前景 1 2 3 1c 州总线的研究现状 在国外，控制器局域网c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 是一种主要用于 控制系统中的多主机局部网络系统。1 9 8 6 年2 月德 r o b e r t b o s c h 公司在底特 律的汽车工程协会大会上介绍了一种新型的串行总线能控制器局域网，标志 着c a n 的诞生。当初研究c a n 的起点是应用于客车系统，但在其他领域得到非 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 常普遍的应用，如在电梯中、x 光机的内部网络中、纺织机械等的信息传输。 由于c a n 总线的应用领域越来越广泛，在1 9 9 1 年9 月，p h i l i p s $ 1 j 订并发布了c a n 总线技术规范( v e r s i o n 2 o ) 。该技术规范包括a 和b 两部分。2 o 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 0 b 给出了标准的和扩展的 两种报文格式。1 9 9 2 年5 月c i a ( c a ni na u t o m a t i o n ) 用户集团正式成立。1 9 9 3 年1 1 月，国际标准化组织i s o 正式颁布了道路交通运载工具一数字信息交换一 高速通信控制器局域网( c a n ) 国际标准( i s o l l 8 9 8 ) ，为控制器局域网标准 化、规范化推广铺平了道路。在1 9 9 5 年c i a 发表了完整版的c a n o p e n 通讯子协 议。从2 0 0 0 年开始，一个由数家公司组成的i s o 任务组织定义了一种时间触 发c a n 报文传输的协议，此协议定义为时间触发c a n ( t t c a n ) 。今天， c a n 己经成为全球范围内最重要的总线之一，甚至领导着串行总线。其应用领 域也开始从工业向家庭消费和娱乐方向发展。 在国内，大约是在1 9 9 5 年c i a 发表了完整版c a n o p e n 通讯子协议后，才逐 步引起我国的一些单位和广大科技工作者的兴趣。1 9 9 6 年底，北京航空航天 大学出版了c a n 总线原理和应用系统设计( 邬宽明编著) 一书后，把c a n 总 线的应用热情调动了起来。这之后，关于c a n 总线应用的成果大量发表在各类 相关的科技期刊上，应用领域非常广泛：如楼宇监控和电梯的控制系统、机 器人的分布式控制系统、船舰上的控制系统和医疗仪器主监控系统、轴承检 测系统、矿井监控系统、停车场灯光监控系统、船舶航行数据记录仪( v d r ) 等等诸多领域，呈现出一片欣欣向荣的景象。 1 2 3 2c a n 总线的发展前景 c a n 总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，其应用 领域广泛是因其具有如下特点：( i ) 可以多主方式工作，网络上任意一个节 点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从；( 2 ) 通信方式灵活，可以点对点、点对多点及全局广播方式发送和接收数据；( 3 ) 网络上的节点信息可分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求；( 4 ) 采 用非破坏性总线仲裁技术。当两个节点同时向网络上发送数据时，优先级低的 节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，大大 地降低了总线仲裁的冲突时间，在网络负载很重的情况下也不会出现网络故 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 障或瘫痪；( 5 ) 直接通信距离最大可达1 0 j ( m ( 速率5 l ( b s 以下) ，最高通信速率 可达1 m b s ( 此时距离最长为4 0 m ) ；( 6 ) 系统可扩充性能好。c a n 总线是基于 发送报文的编码，而不是对c a n 控制节点进行编码，这样即使增添或删除c a n 总 线上的控制节点不会对系统造成太大的影响。( 7 ) c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，具有极好的检错效果。( 8 ) c a n 是被最早制定为国际 标准的现场总线。且其传输数据的可靠性和实时性已获得国际自动化控制领 域的认可，其应用前景必然会十分光明m m m “。 c a n 总线技术必然会随着现场总线时代的到来以及我国不断的经济改革 以及市场开放的巨大需求而得到更加深入的理解和更为广泛的应用，将使控 制系统的体系结构以及自动化技术发生一次根本性变革。随着社会经济水平 的进步，现代化程度的加深，自动化程度在各行各业得以不断的渗透，人们 对网络自动化的需求会越来越多也愈加紧迫，基于c a n 总线的网络测控系统 的应用也会愈加广泛。 1 3 本文主要研究内容 本论文的工作内容包括以下几个方面： 1 、通过阅读大量国内外文献，研究了当前的主流工业现场总线，并对其 性能进行了分析与对比。 2 、对当前工业控制及其它领域的现场信号进行细致分析的基础上，研究 设计了具有采集与控制等功能的测控单元电路。 3 、利用德国k e i l 公司的最新的c 5 1 编译器，利用k e i lc 开发了测控单 元程序。 4 、对c a n 总线2 0 b 协议及c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机原理进行较为深入研究的 基础上，展开了c a n 总线波特率设置的研究。 5 、着重研究了c a n 总线的冗余技术，并给出了具体的实际应用电路。 6 、结合带有i t 总线的时钟日历芯片p c f 8 5 6 3 对i z c 总线进行了深入 的研究，并给出了具体的应用电路。 7 、利用v c + + 6 0 的m f c 进行了c a n 总线测控系统的监控机人机界面和监 视与控制程序的开发。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章c a n 总线的网络测控系统的总体设计方案 2 1 测控系统功能的制定 本测控系统的总体设计方案通过下面的总体功能框图与功能说明来阐 述。 2 1 1 测控系统的总体功能框图 测控系统的总体功能框图如图2 1 所示 管理计算机1 管理计算机2管理计算机n ( 以太网卡) ( 以太网卡)( 以太网卡) ttt i l 工 上位机 h u b i 监控机 ( 人机界面、c a n 适配卡、以太网卡) + c a n hi l r c ff 、 ，f 姒岫 c a n t ititit i 测控单元ll测控单元2i1 测控单元。i 下位机 j 。l j 1 i 执i 馏lil 掷 船2l l 执i 谱nl lll i 测控对象l i 测控对象2 测控对象n 图2 1 测控系统的总体功能框图 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 2 1 2 测控系统的功能 如图2 i 所示，整个控制系统由上位机和下位机两大部分组成，采用c a n 现场总线连接。上位机是下达控制命令的中心枢纽，同时，它也是下位机信 息反馈的终端显示器。上位机由监控计算机与若干管理计算机组成，通过以 太网连接，提供管理、调度与监控。下位机是上位机的管理对象，由若干现 场控制器、执行器和测控对象组成，主要功能是运行实时监控任务并进行收， 发信息。这些任务完成的功能有：( 1 ) 接收上位机发送的控制命令；( 2 ) 现场信息的采集及处理；( 3 ) 控制和显示报警；( 4 ) 向上位机发送测控对 象的实时信息等。 下面对各模块的功能进行简单的描述。 最底层的各测控单元、执行器与测控对象：测控单元对测控对象所发出 的实时信号进行采集，一方面把采集到的信号通过c a n 总线适时地发送到监 控机并通过监控机的人机交互界面进行显示，同时还要把信号进行处理、分 析、判断，并由控制线通过执行器来控制测控对象。测控单元还具有信号采 集、控制设定( 通过键盘、液晶显示实现) 和语音报警的功能。根据各现场 控制器的具体关系是独立的还是关联的来决定各测控单元之间信息的流动 ( 通过c a n 总线) 。执行器由继电器组成，对测控对象进行控制。 监控机：监控机通过c a n 适配卡与挂接在c a n 总线上的各测控单元进行 连接，同时通过以太网与各管理计算机进行通信。监控机利用人机界面和c a n 总线既可以通过测控单元对测控对象进行直接控制，也可以对测控单元进行 控制信息的下载，从而使系统具有控制灵活，易于功能扩展，适用面广的特 点。 管理计算机：监控机与管理计算机通过以太网( 利用网卡为媒介) 进行 连接，这样管理计算机可以随时获得现场的信息，便于管理与调度。 2 2 测控单元硬件设计方案的确定 测控单元硬件整体的设计方案如图2 2 所示。 在设计方案中，根据各部分实现功能的不同，这里把测控单元的硬件实 现划分成以下三个功能模块：单片机模块；采集与控制模块；键盘与 哈尔滨工程大学硕士学位论文 l c d 显示模块。单片机模块主要由电源电路、c a n 总线电路、r s 一4 8 5 电路、 r s 一2 3 2 电路、晶振和复位电路、报警电路、时钟日历电路、j t a g 接口电路 等组成；采集与控制模块主要由采集开关量电路、采集模拟量电路和控制电 路组成；键盘与l c d 显示模块由键盘电路和l c d 显示屏组成。 图2 2 测控单元硬件整体的设计方案结构框图 2 3 测控系统软件设计方案的确定 2 3 1 测控单元开发软件的确定 当系统的硬件电路确定之后，系统的主要功能将依赖于软件来实现。在 测控单元软件程序的开发上，由于c 5 1 的模块化程序设计思想使得应用程序的 开发过程大大简化，而且c 5 1 程序的移植和修改相对容易，但是使用c 5 1 语言 开发程序具有产生的代码较长，运行速度相对慢的缺点；而汇编语言运行速 哈尔滨工程大学硕士学位论文 度快、效率高，且能够完全控制硬件，但开发起来较为复杂。因此，该系统 软件设计中，采用汇编语言和c 5 1 语言混合编程方法，开发应用程序采用模块 化的c 5 1 语言进行设计而其中对于一些直接操作硬件或者使用汇编语言可以 方便实现的功能采用汇编语言设计，这样可以充分发挥c 5 1 语言和汇编语言各 自的优点，提高程序开发的效率m “m 。 2 3 2 监控机开发软件的确定 现场信息由c a n 总线通过接插在现场监控机p c i 插槽上的c a n 接口卡传输 到现场监控计算机，为了对现场所采集到的信息进行处理用以监视现场情况 和下达控制指令，在现场监控计算机内需要安装监控软件。 目前，在大型的监控系统中，大多使用组太软件来开发监控程序。组态 软件通常有以下几种功能：( 1 ) 强大的画面显示组态功能。具有强大的绘画功 能，可以方便快捷地编辑出任意美观的画面；丰富的动画连接方式，使画面 生动、直观。( 2 ) 丰富的功能模块。利用各种功能模块完成实时监控、生产报 表，显示历史报表、实时报表，报警等功能，使系统具有良好的人机界面， 易于操作。( 3 ) 强大的数据库。配有实时数