（机械制造及其自动化专业论文）基于can总线的网络测控系统设计.pdf

摘要 c a n 总线因其具有可靠性高，实时性好的优点，得到了越来越广泛的应用。课题主要对基 于c a n 总线的测控网络进行了深入的研究，设计了一个基于c a n 总线的网络测控系统，通过 c a n 网络数据在三个c a n 节点( 变频器、p l c 、p c ) 之间传送。 主要工作如下： 第一，在研究控制器局部网总线c a n 的基础上，着重论述了现场总线之一的控制器局部网 总线的分层结构、基本原理、通信协议等内容。 第二，在分析模块主要技术性能及比较多种控制器的基础上，针对c a n 总线与r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 的特点，进行了以a t 8 9 c 5 2 为主控制器芯片的通用串口到c a n 总线转换适配器的设计。 第三，提出了一种使用u s b 接口实现c a n 总线网络与计算机连接的方案。介绍了c a n 总 线与计算机之间的硬件接口电路，同时分析了在a r m 微控制器和u c o s i i 嵌入式操作系统的适 配器固件编程方法及u s b 驱动程序设计思路。 最后设计了相应的测控系统监控程序。实验结果表明，该通信系统工作稳定可靠，并且易于 扩展，具有很强的实用价值。 关键词：现场总线，控制器局部网，智能节点，微控制器 a b s t r a c t c a nb u sh a st h ea d v a n t a g e so fh i g h r e l i a b i l i t y , r e a l t i m e ，l o w - p r i c ea n dc a l lb ec a r r i e do u te a s i l y , s oi ti su s e dw i d e l y w i t ht h ea b o v er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nc a nb u s ，as i m p l em e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e mo ff i e l db u sw a sm a d e ，t h r o u g hw h i c hd a t aw a st r a n s f e ra m o n gt h r e ec a nn o d e ( c o n v e r t e lp l c ，p c ) i nt h i sp a p e r ，w em a i n l yd i s c u s s e dt h en e t w o r kb a s e do nc a nb u s ，t h ew o r ki sa s f o l l o w s ： f i r s t l y , t h e m a i ns t r u c t u r e ，b a s i cp r i n c i p l ea n dc o m m u f l i c a t o np r o t o c o l so fc a nb u sw e r e i n t r o d u c e db a s e do nt h es t u d yo nt h ef i e l db u s s e c o n d l y , c o m b i n e dw i t ht h ef e a t u r eo fr s 2 3 2 4 2 2 4 8 5a n dc a nb u s ，t h ed e s i g no fc o m m o ns e r i a l i n t e r f a c et oc a nb u si n t e r f a c ec o n v e r t e rw a sd e s c r i b e d o nb a s i so ft h ea n a l y s i so ft h et e c h n i c a l p e r f o r m a n c ea n dc o m p a r i s o no fc o n t r o l l e r s ，t h em a i ns t r u c t u r ew a sd e c i d e da n dh a r d w a r ec i r c u i t r y b a s e do na t 8 9 c 5 2w a sd e s i g n e d t h i r d l y , am e t h o dt or e a l i z ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc a n b u sa n dc o m p u t e rw i t hu s bi n t e r f a c ei s i n t r o d u c e di nt h ep a p e r 耵地h a r d w a r ei n t e r f a c ec i r c u i to fu s b c a na d a p t e ri si n t r o d u c e d a n di t s f i r m w a r ep r o g r a m m i n gm e t h o db a s e do na r ma n du c ，0 s - i io p e r a t i n gs y s t e m a n dt h ed e s i g ng u i d e l i n e o fu s bd r i v e ra r ea l s od i s c u s s e d f i n a l l y , t h ec o r r e s p o n d i n gm o n i t o rp r o g r a mo ft h es y s t e mw a sa l s od e s i g n e d 1 h er e s u l to ft h e e x p e r i m e n ts h o w st h a tt h es y s t e mr e a l i z e dt h ee x p e c t a n tg o a l t h es y s t e mi se a s yt oe x p a n d ，a n dh a s v e r yh i g hp r a c t i c a l l yv a l u e k e yw o r d ：f i e l db l x s , c a nb u s ，i n t e l l i g e n tn o d e ，m c u 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得中国农业大学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己在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 一弓r 争 时间：枷喝年月f 1 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：1 今专 时间：6 年月l 日 导师签名：j 教时间：仰多年多月段日 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 ! 鼍i , i 目! ! ! 皇! ! ! 摹自! ! 鲁| ! ! 曼| ! ! ! 自e ! ! e 自! ! ! 目! ! 鼍! | ! ! e s ! ! ! s e ! ! s ! ! ! ! | ! ! ! | e ! ! e ! ! ! ! ! ! 鼍 第一章绪论 1 1 本课题研究的意义 现场总线( f i b l db u s ) 是指应用在生产现场、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。它在制造业、流程工业、交通运输业、楼宇等方面的自动化系统中具有广 泛的应用前景。现场总线带来了传统控制系统结构的变革，形成了新型的网络集成式全分布式控 制系统一一现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y e t e m ) 。i l j 在学校实验室环境或工业测控系统中般有控制单元，显示单元、传感器单元、数据采集单 元和执行单元等，各个单元之间往往要进行数据通信。而且有时在各单元内部的各个设备之问也 需要通信。为了实现多工控设备测控的需要，一般会通过扩展控制单元的i o 或组建网络的方式 来实现。扩展控制单元的i o 的方式往往使控制单元变得复杂，系统布线复杂混乱，故障排除难。 工业最初使用的r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 网络，网络系统故障隔离能力差、总体可靠性低、可扩展性差、 网络速度有限，总线控制能力有限。 随着集散控制系统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 ) 的出现，它能从一定程度上克服扩展i o 和r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 网络方式的某些缺陷，但其通信由专用网络的封闭系统来实现，成本较高，维 护较难。现场总线控制系统f c s 突破了集散控制系统d c s 中所造成的缺陷，把基于封闭、专用 的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案；同时把d c s 集中与分散相结合的集散系统 结构，变成了全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身便可实现基本 控制功能。通过现场总线组建的工业测控通讯系统，系统稳定、成本较低、数据通信速度高、数 据传输距离长，并且易于扩展。 深入研究现场总线技术并把它们广泛应用于工业测控系统中，有利于测控过程的网络化、智 能化、和测控系统的实时性和灵活性。 1 2 现场总线国内外研究现状 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的。随着微处理器与计算机功能的不断增 强和价格的急剧下降，计算机与计算机网络系统得到迅速发展，而处于生产过程底层的测控自动 化系统，采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测量控制，或采用自封闭式的集散系统， 难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统成为信息孤岛。要实现整个企 业的信息集成，要实施综合自动化，就必须设计出一种能够在工业现场环境下运行的、性能可靠、 造价低廉的通信系统，从而形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现 底层下现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换i 2 j 。现场总线就是在这种实际需求的情况下 出现。 现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使他们各自都具有了数字计算和数 字通信能力，采用可简单连接的双绞线等作为通信介质，把多个测量控制仪表联结成网络系统， 并按公开，规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表及远程控 制计算机之间，实现数据传输和信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之， 它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 1 息，共同完成自控任务的网络系统与控制系统。 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一对的设备连线， 按控制回路分另进行连接。位于现场的测量变送器与位于控制室的控制器之间，控制器与位于现 场的执行器之间均为一对一的物理连接。 现场总线系统由于采用了智能现场设备，能够把原先d c s 系统中处于控制室的控制模块、 各输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场的测量仪表可以和执行机构直 接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室计算机或控制仪表直接在现场完成，实现了 彻底的分散控制。 1 2 1 几种有影响的现场总线 自八十年代现场总线产生以来，有几种现场总线技术已经逐渐形成了影响，并在特定的应用 领域显示了自己的优势p j 。它们具有各自的优点，也显示了市场竞争能力。 控制器局部网总线c a n ( c o n t r o l a r e a n e t w o r k ) 最早是由德国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道。其总线规范己被i s o 国际标准组织制定为国际标准。 h a r t 是h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r 的缩写。角早由r o s e m o u n t 公司开发并得到 八十多家著名仪器仪表公司的支持。于1 9 9 3 年成立了h a r t 通信基金会。h a r t 总线的特点是 在现有模拟信号传输线上实现数字信号通信属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡型产 品，因而在当前过渡时期具有较强的市场竞争能力。 p r o f i b u s 是德国国家标准d i n l 9 4 2 5 和欧荸秆标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线标准。由 p r o h b u s - d p p r o f i b u s - f m s ，p r o f i b u s - p a 组成了p r o f i b u s 系列。d p 型用于分散外设 间的高速数据传输，适合于加工自动化领域的应用。f m s 型适用于纺织、楼宇自动化、可编程控 制器、低压开关等。p a 型是适用于过程自动化的总线类型，它遵从i e c l l 5 8 2 标准。 l o n w o r k s 总线是由美国e c h o 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 年正式公布的。l o n w o r k s 总线主要应用于楼宇自动化、家庭自动化、保安系统等。 基金会现场总线，即f o u d a t i o n f i e l d b u s ，简称f f ，这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有 良好发展前景的技术。 1 2 2 现场总线的技术特点 1 )系统的开放性。开放系统是指通信协议公开，各不同厂家的设备之间可进行互连并实现信 息交换，现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。这里的开放 是指对相关标准的一致性和公开性，强调对标准的共识与遵从。 2 )互可操作性与互用性。这里的互可操作性，是指实现互连设备间、系统间的信息传送与沟 通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。而互用性则意味着不同生产厂家的性能类似 的设备可进行互换而实现互用。 3 )现场没备的智能纯与功能自治性。将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分 散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时渗断设备的 运行状态。 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 4 1 系统结构的高度分散性。由于现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线 构成一种新的全分布式控制系统的体系结构，从根本上改变了现有d c s 集中与分散相结 合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 5 1对现场环境的适应性。工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专为现 场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强 的抗干扰能力，能采用两线制实现通信。1 1 1 现场总线因为具有以上的特点，与其他工业总线相比，具有很多优点，节省硬件数量与投资、 安装费用、维护开销等：用户具有高度的系统集成主动权，用户可以自由选择不同厂商所提供的 设备来集成系统；提高了系统的准确性与可靠性。例 现场总线能同时满足对过程控制和制造业自动化的需要，因而现场总线已经成为工业数据总 线领域中最为活跃的一个领域。现场总线的研究已经成为工业数据总线领域中的一个热点。 1 2 3 现场总线的国内外现状 现场总线是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的，现在已经被广泛接受。2 0 0 2 年欧洲有 4 0 的自动化工程项目采用了现场总线控制系统，预计到2 0 0 6 年后将达6 5 7 0 。经过近二十 年的竞争发展到今天出现了在竞争中“合作共存”与“共同进化”的局面【4 】 ”，主要体现在以下几个方 面： 1 )各总线协议下，形成了由一家或几家公司牵头、众多公司参与的国际组织，如i s p 基金 会fi s pf o u n d a t i o n ) 、f f 基金会( f i e l d b u sf o u n d a t i o n l 、w o r l d f i p 国际用户组织、 p r o f i b u s 国际用户组织、p n e t 国际用户组织、c o n t r o l n e t 国际用户组织等。而各企 业在从事自己主流现场总线技术的同时，研发其它总线标准的产口。如p r o f i b u s 代表 的s i e m e n s 开发了d e v i c e n e t 、e t h e m e t 、a s i n t e r f a c e 等。 一些典型控制系统在技术上包含了多种总线标准，共存一体，如f i s h e r - r o s e m o u n t 公司 的d e l t av 系统包容了f f 的h 1 、h a r t 、e t h e m e t ，也可以兼容p r o f l b u s d p 、s i e m e n s 公司的p c s 7 包容了工业e t h e m e t 、p r o f i b u s - d p p a 、d e v i c e n e t 和a s i n 2 t e r f a c e 等 总线。 3 )制定出了不同背景的企业标准、国家标准和地区标准，这些标准也分别是相应国际组织的 标准：较具代表性的有以德国s i e m e n s 公司为主要后台的p r o h b u s ，以法国a l s t o m 公 司为主要背景的w o r d f i p ，以丹麦p r o c e s s d a t a a s 公司领头的p n e t ( 上述三个标准 在分别成为各自国家标准后，于1 9 9 4 年并列为欧洲标准) ，a l l e n - b r a d l l e y r o c k 2 w e l l 公司支持的c o n t r o l n e t ，p h o e n i x 公司的i n t e r b u s 和现场总线基金会的f f 等等。多种总 线并存于2 0 0 0 年最新通过的i e c 6 1 1 5 8 协议。 4 1e t h e r n e t 在工业自动化和过程控制市场迅速增k ，儿乎所有远程i o 接口技术产品都提 供了支持t c p i p 的以太网接口，各种p l c 、基于现场总线的f c s 唧e l d b u sc o n t r o l s y s t e m ) 系统等都可以与e t h e r n e t 连接，直至与i n t e r a c t 相连。可以预见，e c 6 1 1 5 8 的通 过，并不会使其它总线的发展在短期内停止，多总线共存的局面将持续相当长的时间。 随着现场总线国际标准的完成和应用环境的形成与完善，采用现场总线技术协议的各种 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 智能仪表和系统的发展速度将进一步加快，市场占有份额将逐步增加，传统的仪表及系统 ( d c s ) 终将由现场总线智能仪表和开放型控制系统( f c s ) 所取代，f c s 将成为2 1 世纪 自动控制系统的主流，其发展方向是加入i n t e m e t 、i n t r a n e t 大家族中，现场总线网络的 通信由局域网过渡到i n t e m e t 网络，使工控在i n t e m e t 上实现远程监控、管理和操作成为 可能。 从“九五”开始，我国政府就投资现场总线的开发，其中c a n 在国内已经得到较广泛的应用， 被大量地应用于工农业监控、电厂测控、火灾报警、变电站、煤炭综合监控等。很多大专院校及 科研单位也投入大量的人力和资金加强现场总线，尤其是c a n 总线技术的研究和开发。而到现 在的国内的情况来看，大多企业还处于模拟仪表和人工控制阶段，甚至采用d c s 控制系统的企 业仍是少数；国内绝大部分的现场总线的研发单位或学校主要是致力于推进现场总线技术的应 用，而实际对现场总线协议标准化推进的研究做得较少，到目前为止也没有完成适合于我国生产 企业的现场总线 6 1 。在中国流行的最为流行的现场总线为p r o f l b u s 和c a n 总线，主要的科研 单位有：上海电器科学研究所( 总线产品研究) ，中国科学院自动化研究所( 协议研究，数据库 系统等) ，鼎实公司( p r o f i b u s 产品认证) 北京楼宇自动化工程中心( v b u s 虚拟现场总线) 。总 之，现场总线在中国的全面应用和标准化还有待于业内人士的继续努力。 1 3 研究的目标与内容 研究目标：组建一个基于c a n 总线的传输距离尽可能长、传输数据尽可能快而稳定的网络 测控实验系统。 主要研究内容： 1 1c a n 总线通讯协议的研究与应用。 2 )完成c a n 基本节点及与r s 2 3 2 、r s 4 2 2 4 8 5 通讯适配器的硬件及软件设计，包括器 件的选型，电路板的设计和焊接，相关软件等。 3 )完成基于u s b 总线的c a n 节点与上位机通讯适配器软件设计，提出硬件设计原则。 4 ) 利用设计的c a n 总线的串行适配器与c a n - u s b 适配器，实现c a n 总线网络实验平 台的搭建，设计人机监控界面，实现相关数据的测试。 4 一 中国农业大学硕士学位论文第二章基于c a n 总线的襁8 控系统方案 第二章基于c a n 总线的测控系统方案 在工业测控系统或自动化生产线中一般都通过网络来实现各工控设备的通讯，目前在工控领 域比较流行的网络方案有三种：传统的r s 4 8 5 网络，d c s 集散控制系统，f c s 现场总线控制系 统。传统的r s 4 8 5 网络只适应于极小型网络需要，并且有很多局限性。相对于f c s 现场总线控 制系统，d c s 集散控制系统出现的时问较早，目前使用的场合也比较多。在本章中，首先分析 d c s 集散控制系统与f c s 现场总线控制系统各自特点，并选择了c a n 现场总线作为本课题的网 络通讯方案。然后根据实验特点的需要，选择变频器、p l c 以及p c 机作为c a n 总线系统的三 个c a n 节点，组建c a n 总线的测控系统。 2 1 现场总线方案选择 2 1 - 1 d c s 系统与f c s 系统 d c s 集散控制系统是采用标准化、模块化和系列化的设计，由过程控制级、控制管理级和生 产管理级组成的一个以通讯网络为纽带的集中显示而操作管理、控制相对分散、配置灵活、组态 方便、具有高可靠性的实用系统【7 】。 d c s 集散控制系统的主要特点是： ( 1 ) 分散控伟4 系统d c s 与集散控制系统t d c s 是集4 c ( c o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t e r ，c o n t r o l ， c r t ) 技术于一身的监控技术。 ( 2 ) 从上到。f 的树状拓扑大系统，其中通信( c o m m t m i c a t i o n ) 是关键。 ( 3 ) p i d 在中断站中，中断站联接计算机与现场仪器仪表与控制装置。 ( 4 ) 是树状拓扑和并行连续的链路结构，也有大量电缆从中继站并行到现场仪器仪表。 ( 5 ) 模拟信号，a d _ d ，a 、带微处理器的混合。 ( 6 ) 一台仪表一对线接到i o 。由控制站挂到局域网l a n 。 ( 7 ) d c s 是控制( 工程师站) 、操作( 操作员站) 、现场仪表( 现场测控站) 的3 级结构。 ( 8 ) 缺点是成本高，各公司产品不能互换，不能互操作，大d c s 系统是各家不同的。 ( 9 ) 用于大规模的连续过程控制，如石化等。 f c s 系统在系统的开放性、互可操作与互用性、现场设备的智能化与功能自治性、系统结构 及对环境适应性方面有着比较明显的优点，相对于d c s 集散控制系统来说，它的主要特点表现 在以f 几个方面： ( 1 ) d c s 系统是个大系统，其控制器功能强而且在系统中的作用十分重要，数据公路更是 系统的关键，所以，必须整体投资一步到位。事后的扩容难度较大。而f c s 功能下放较彻底， 信息处理现场化，数字智能现场装置的广泛采用，使得控制器功能与重要性相对减弱。因此， f c s 系统投资起点低，可以边用、边扩、边投运。 ( 2 ) d c s 系统是封闭式系统，各公司产品基本不兼容。而f c s 系统是开放式系统，用户可 以选择不同厂商、不同品牌的各种设备连入现场总线，达到虽佳的系统集成。 ( 3 ) d c s 系统的信息全都是二进制或模拟信号形成的，必须有d a 与a d 转换。而f c s 中国农业大学硕士学位论文第二章基于c a n 总线的测控系统方案 系统是全数字化，就免去了d a 与a d 变换，高集成化高性能，使精度可以从- 2 0 5 提高到 0 1 。 ( 4 ) f c s 系统可以将p i d 闭环控制功能装入变送器或执行器中，缩短了控制周期，目前可 以从d c s 的每秒2 0 次，提高到f c s 的每秒1 0 - 2 0 次，从而改善调节性能。 ( 5 ) d c s 它可以控制和监视工艺全过程，对自身进行诊断、维护和组态。但是，由丁自身 的致命弱点，其i o 信号采用传统的模拟量信号。因此，它无法在d c s 工程师站上对现场仪 表( 含变送器、执行器等) 进行远方诊断、维护和组态。f c s 采用全数字化技术，数字智能 现场装置发送多变量信息而不仅仅是单变量信息，并且还具备检测信息差错的功能。f c s 采用的是双向数字通信现场总线信号制。因此，它可以对现场装置( 含变送器、执行机构等) 进行远方诊断、维护和组态。f c s 的这点优越性是d c s 无法比拟的。 ( 6 ) f c s 由于信息处理现场化，与d c s 相比可以省去相当数量的隔离器、端子柜、终 端、i o 件、i o 文件及i o 柜，同时也节省了i o 装置及装置室的空间与占地面积，减少 大量电缆与敷设电缆用的桥架。有专家认为可以省去6 0 。 ( 7 ) f c s 相对于d c s 组态简单，由于结构、性能标准化，便于安装、运行、维护。 综合说来，f c s 现场总线控制系统在系统稳定性、通信速度、成本、传输距离以及扩展难易 程序方面都要优越于d c s 集散控制系统。 2 1 2p r o f i b u s 与c a nb u s 现场总线 目前出现的现场总线种类有许多种，而在我国较为流行的现场总线为p r o f i b u s 总线和 c a n 总线，它们发展速度最快，相关的技术资料较为全面，应用的案例也很多，因此在选择一 种现场总线作为本课题的网络控制方案时，重点比较了p r o f l b u s 总线和c a n 总线。 p r o f i b u s 根据应用特点分为p r o f i b u s - d p ，p r o f i b u s f m s ，p r o f i b u s p a 三个兼容 版本。p r o f t b u s f - m s 应用于通用性自动化场合，多主通信。p r o f i b u s - d p 应用于工厂自动化， 快速即插即用。p r o f i b u s p a 应用于过程自动化，总线供电、本质安全。 p r o f i b u s 主要特点为： ( 1 ) 传输方式符合美国e i a r s 4 8 5 。 ( 2 ) 网络拓朴形式有：线形、星形、环形等多种拓扑结构。 ( 3 ) 传输速率：9 6 k b i t s t 2 m b i t s ( 4 ) 传输介质：屏蔽双胶线电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件( e m c ) 。光纤波导( l w l ) ， 用于环境干扰较强的场合，以及在高速传输条件下增大传输距离。 ( 5 ) 总线访问方式：采用混合总线访问方式。主站之间使用令牌传递，主站和从站之间通 讯的主从方式。 ( 6 ) 总线上每个分段最多3 2 个站点，带中继器可多到1 2 7 个站点。 c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其主要特点如下： ( 1 ) c a n 为多主式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动的向网络上其他节点发送 信息，而不分主从，通信方式灵活，且无须站地址等节点信息。利用这一特点可方便 的构成多机备份系统。 6 中国农业大学硕士学位论文 第二章基于c a n 总线的测控系统方案 ( 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，需要紧急发送的 数据可采用高优先级尽快得到传输。 ( 3 ) c a n 采用非破坏性的总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低 的节点会主动的退出发送，而高优先级的节点可不受影响的继续传输数据，从而大大节 省了总线冲突仲裁时问。尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况( 以 太网则可能) 。 ( 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几种方式传送接收数 据，无需专门的“调度”。 ( 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 s 以一r ) ；通信速率最高可达1 m b p s ( 此 时通信距离最跃为4 0 m ) ，c a n 的通信介质可灵活选择为双绞线、同轴电缆或光纤。 ( 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，有中继器会更多。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 ) 的报文标识符数目几乎不受 限制。 ( 7 ) c a n 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，保证了数据出错率极低。 从p r o f i b u s 与c a n 总线的特点分析，它们各有其优势，综合来说，c a n 总线的开发应用 场合灵活，安全稳定，开发的难度稍小。同时p r o f i b u s 总线的相关产品在以西门子集团为首的 企业设计下产品线已比较成熟，没有更多的必要对它作深入的研究。因此在本课题中选择c a n 现场总线作为选用的网络通讯方案。 c a n 总线自问世以来，由于其高通信速率、高可靠性、连接方便和高的性能价格比等突出 优点深得许多应用部门的青睐。在国外，尤其是美国及欧洲，c a n 总线已经被广泛应用于汽车、 火车、轮船、机器人、智能楼宇、机械制造、数控机床、纺织机械、医疗器械、农用机械、液压 传动、消防管理、传感器、自动化仪表等领域。国内对c a n 总线的应用研究已开始起步，但一 些c a n 控制器芯片的应用技术还有待进一步摸索和开发。随着c a n 总线技术的研究不断深入， c a n 总线必定会有更加广阔的应用前景。 2 2 现场总线测控系统总体方案 系统总体设计要考虑到工作可靠性，实时性，降低成本，以及具有通用性。可扩展性等要求， 本课题的c a n 网络实验方案中选用了三个节点：变频器的c a n 节点，p l c 的c a n 节点，上位机的 c a n 节点，测控系统示意框图如图2 1 所示。如果需要扩展，还可以很方便的将其它节点挂接到 总线上。方案要实现的目标是基于c a n 总线的多变频器实时测控系统。测控系统的框图如图所示， 变频器是富士的f r e n i c s 0 0 g l l s ，p l c 使用的是西门子的s 7 2 2 4 型p l c ，上位机即为p c 机。上位 机通过c a n u s b 接入c a n 总线网络，变频器 i p l c 使用c a n r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 适配器接入 c a n 总线网络。 网络拓扑结构采用总线式结构，这种结构简单可靠成本低。传输介质采用取绞线，为了提 高系统的抗干扰能力，还可以在控制器与传输介质之间加接光电隔离，电源采用d c d c 变换器等 措施。 中国农业大学硕士学位论文第二章基于c a n 总线的测控系统方案 p c 机 c a n d s b 适配器 ，、a 酯姥 c a n r s 4 8 5 适配器c a n , r s 4 8 5 适配器c a n r s 4 8 5 适配器 l ”1l “”“ll l 图2 - 1测控系统示意框图 变频器在本测控系统中用来控制三相电机的速度，它具有r s 4 8 5 接口。p l c 是一种应用广泛 的控制器，其应用领域从单一的逻辑控制扩展到了复杂过程控制领域中，并可以与工业控制计算 机组成自动化控制网络，能够满足各种工业现场的控制要求。随着p l c 和现代通信技术、网络技 术的发展，网络化p l c 控制系统的应用前景更广阔。但由于传统p l c 或变频器采用的点对点或 r s 4 8 5 网络的控制方式，往往使系统显得复杂而传输速度慢，距离短，不能满足现代工业现场控 制的需求【gj 。r s 4 8 5 网络节点的增加，网络中有复杂的连线，系统成本、安装调试难度随着控制 系统的增加而显箸增；0 1 h 将p l c 或变频器的串行网络升级到c a n 总线网络，系统中的每个功能 模块可作为网络一个节点，各个节点通过c a n 总线和p l c 交换信息，通过c a n 总线与r s 2 3 2 或u s b 协议的转换与个人电脑连接，能大大的扩展测控系统的功能，提高测控系统的功能，并 降低了成本。 在嵌入式测控系统中，底层节点的数据与p c 机实时通信的方式有多种，可以是简易的r s 2 3 2 方式，也可以是i s a 总线或p c i 总线方式，还可以是u s b 的方式。r s 2 3 2 通信虽然简易，但其 带宽有限，而且其通信方式是单工的。而i s a 总线由于其设计复杂性与带宽而使用的场合越来越 少。p c i 在现在来说是用得比较多的一种方式，它的带宽较大，但使用也不太方便。相对以上来 说，u s b 有相对比较多的优势，高效灵活，不占用微机系统资源【9 】。 通过这个实验方案，可以很方便的实现p l c 对多变频器的动作控制，在p c 机上用v c 设计 的人机监控程序可以对底层各个节点的状态监控，特别是变频器的运行的详细情况，同时还能监 视整个实验系统的通信的数据流。 中国农业大学硕士学位论文第三章通用串口到c a r 总线的适配器设计 第三章通用串口到c a n 总线的适配器设计 变频器和p l c 分别作为实验测控系统的一个c a n 节点，它们是以r s 4 8 5 与外界进行数据通 讯的，为此设计了通用串口到c a n 总线适配器。本单中首先描述了c a n r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 适配器 的功能，然后对比了r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 与c a n 总线的特点，并简单介绍了c a n 总线的协议规范。 最后介绍了适配器的硬件与软件的设计过程。 3 1c a n r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 适配器的功能描述 本c a n 适配卡具有三个网络通信接口，分别为r s 2 3 2 ，r s 4 2 2 4 8 5 和c a n 接口，能够完成以 下功能： 1 r s 2 3 2 与r s 4 2 2 4 8 5 之间的数据互相转换，带有r s 2 3 2 接口的控制站点、智能网络节点或 现场控制单元可以通过现场总线适配卡的r s 4 8 5 2 接口与更高一级的设备相连，从而组成更高一级 的网络，实现网络间的数据传输。 2 c a n 总线与r s 2 3 2 、r s 4 2 2 4 8 5 之间的通信转换。带有c a n 接口的控制站点、智能网络 节点或现场控制单元可以通过现场总线适配卡的r s 2 3 2 接口与更高一级的设备相连，从而组成更 高一级的网络，实现网络间的数据传输。 3 进行短暂的独立工作。本适配卡可在短时间内进行独立工作，即可以先由适配卡通过网 络采集数据，然后再一次性地传给i p c 机。这种工作模式既可以提高1 p c 机的c p u i 作效率，又可 以使得工控机进入或离开工控网更为灵活方便。 3 2o n 总线与r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 的比较 3 2 1r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 标准 1 r s 2 3 2 、r s - - 4 2 2 与r s 4 8 5 的由来1 1 0 l r s 2 3 2 、r s - 4 2 2 与r s 一4 8 5 都有是串行数据接口标准最初是由电子工业协会( e i a 制订并 发布的，r s 2 3 2 在1 9 6 2 年发布，命名为e i a - 2 3 2 - e ，作为工业标准，以保证不同厂这产品之间 的兼容。r s - 4 2 2 由r s 2 3 2 发展而来，它是为弥补r s 2 3 2 之不足而提出的。为改进r s 2 3 2 通信 距离短、速率低的缺点，r s 4 2 2 定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到l o m b s 传输距 离延长到4 0 0 0 英尺( 速率低于1 0 0 k b s ) ，并允许在一条衡总线上连接最多1 0 个接收器。r s 4 2 2 是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为t i a e i a 4 2 2 a 标准。为扩展应用 范围，e i a 又于1 9 8 3 年在r s 4 2 2 基础上制定了r s 4 8 5 标准，增加了多点、双向通信能力，即 允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总 线范围，厉命名为t t a , i e a - 4 8 5 a 标准。 2 r s 2 3 2 接口标准 目前r s 2 3 2 是p c 机与通信工业中应用最广的一种串行接口。r s 2 3 2 被定义为一种在低速 率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。r s 2 3 2 采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。常剧的 连接器有d b 2 5 和d b 9 两种。在通信速率低丁2 0 k b s 时，r s 2 3 2 所能直接连接的最大物理距离 中国农业大学硕士学位论文第三章通用串口到c a n 总线的适配器设计 为1 5 m ( 5 0 英尺1 。 r s - 2 3 2 的收、发端的数据信号是相对于信号地来说的。对于数据( 信息码) ：逻辑1 ( 传号) 的电平低于- 3 v ，逻辑0 ( 空号) 的电平高于+ 3 v ；对于控制信号：接通状态( o n ) 即信号有效 的电平高于+ 3 v ，断开状态( o f f ) 即信号无效的电平低于_ 3 v ，也就是当传输电平的绝对值大于 3 v 时，电路可以有效地检查出来，介于3 v 和+ 3 v 问的电压无意义，低于1 5 v 或高于+ 1 5 的电 压也认为无意义。 3 r s 4 2 2 接口标准 r s 4 2 2 标准是一种平衡方式传输。所谓平衡方式，是指双端发送和双端接收，所以，传送信 号要用两条线，发送端和接收端分别采用平衡发送器( 驱动器) 和差动接收器。当两线之间的电 平高于2 0 0 m v 时表示逻辑1 ，当两线之间的电平低于2 0 0 m v 时表示逻辑0 。 r s - 4 2 2 接口标准的电路由发送器、平衡连接电缆、电缆终端负载和接收器组成。它通过平衡 发送器把逻辑电平变换成电位差，完成始端的信息传送；通过差动接收器，把电位差变成逻辑电 平，实现终端的信息接收。r s 4 2 2 标准由于采用了双线传输，大大增强了抗共模干扰能力。因此 最大传输速率可达1 0 m b s ( 传送1 5 m 时) 。若传输速率降到9 0 k b l s 时，最大距离可达1 2 0 0 m 。 4 r s 一4 8 5 接口标准 它与r s 4 2 2 标准一样，也是一种平衡传输方式的串行接口标准，它和r s 4 2 2 兼容，并且扩 展了r s - 4 2 2 的功能。两者主要差别是，r s - 4 2 2 标准只许电路中有一个发送器，而r s 4 8 5 标准 允许在电路中可有多个发送器。r s 4 8 5 允许一个发送器驱动多个负载设备，负载设各可以是驱动 发送器、接收器或收发器组合单元。r s - 4 8 5 的共线电路结构是在一对平衡传输线的两端都配置电 阻，其发送器、接收器、组合收发器可挂在平衡线上的任何位置实现在数据传输中多个驱动器 和接收器共用同一传输线的多点应用。 表3 - 1 中列出了r s - 2 3 2 、r s - 4 2 2 和r s - 4 8 5 几种标准的工作方式、直接传输的最大距离、最 大传输速率、信号电平以及传输线上允许的驱动器和接收器的数目等特性参数。 表3 - 1 r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 特点 规定 r s 2 3 2r s 4 2 2r $ 4 8 5 工作方式单端差分差分 节点数1 收、1 发1 发1 0 收1 发、3 2 收 最大传输电缆长度5 0 英尺4 0 0 英尺4 0 0 英尺 最大传输功率2 0 k b s1 0 m b s1 0 m b s 晟大驱动输出电压 + ，一2 5 v- 0 2 5 v 4 - 6 v7 v 一+ 1 2 v 雩量霎竺掌烹导电平负载 + | - 5 v 一+ - 1 5 v+ f 一2 v 一1 5 v ( 负载最小值) ” 萼翌曼彗些! 学电平空载 + - 2 5 v+ 扣6 v+ - 6 v ( 负载最大值)一 驱动嚣负载阻抗( o )3 k 7 k1 0 05 4 摆率( 最大值)3 0 v g s n a n a 接收器输入电压范围 + - 1 5 v一1 0 v 一+ 1 0 v一7 v 一+