（系统分析与集成专业论文）基于can总线的自动气象站系统的研究与开发.pdf

南京信息工程大学硕士学位论文 摘要 天气现象与我们的生活密切相关。随着人类社会生产力的不断进步和发展， 人们迫切希望能够有效地监测和预报灾害性天气。天气预报需要详细准确的气 象数据，这就需要建立自动气象站，并增加站点密度。 目前，我国气象部门所使用的自动气象站都属于集中式结构，且结构封闭。 国内各厂家生产的传感器独立性不强，且互换性差。为了保证自动气象站观测 数据的准确性，每次维修或更换传感器后都需要重新校准标定，而且必须整机 进行，从而使得校标过程过于复杂。对于这些弊端，采用基于总线制分布式或 网络型结构的自动气象站可以很好地解决，成为现代自动气象站的发展趋势之 一。 总线制分布式自动气象站里所采用的是智能传感器，它不同于普通的气象 传感器，区别在于智能传感器不是简单的输出电信号，而是将电信号经过变换、 采样计算，直接输出我们所需的气象数据，一个智能传感器就相当于一个单要 素自动站。总线制分布式自动气象站所谓的“分布 ，一方面是指传感器模块不 是集中在一起，而是分布在一个相对较大的区域里，通过一条数据总线( 如现 场总线) 把各个部件连接起来；另一方面是指各传感器模块工作相对独立，气 象数据采集分散在各个智能传感器里面。分布在不同区域里的各种智能传感器 都可以通过总线与上位机进行数据通讯，从而实现分布式测量。 本系统主要是通过利用c a n 总线、单片机、传感器，将采集到的数据传输 给上位机。由上位机负责将采集到的数据保存到数据库中，并显示。利用热插 拔技术，实现自动气象站各要素的即插即用，解决了当前气象部门所采用的自动 气象站数据采集要素固定所带来的不便。 关键词：自动气象站，c a n 总线，分布式，即插即用 南京信息工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w e a t h e rp h e n o m e n aa r ec l o s e l yr e l a t e dt oo u rl i f e w i t ht h ec o n t i n u o u sp r o g r e s s a n dd e v e l o p m e n to fp r o d u c t i v ef o r c e s ，p e o p l ee a g e rt om o n i t o ra n df o r e c a s ts e v e r e w e a t h e re f f e c t i v e l y w e a t h e rf o r e c a s tr e q u i r e sd e t a i l e da n da c c u r a t ew e a t h e rd a t a , w h i c hr e q u i r e st h ee s t a b l i s h m e n to fa u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o n s ，a n di n c r e a s e st h es i t e d e n s i t y a tp r e s e n t ，a u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o nb e l o n gt ot h ec e n t r a l i z e ds t r u c t u r ed o s e d ； t h ei n d e p e n d e n c eo fd o m e s t i cs e n s o r si sn o ts t r o n g ，i n t e r c h a n g e a b i l i t yp o o r ； c e n t r a l i z e da u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o ni no r d e rt oe n s u r et h ea c c u r a c yo fo b s e r v a t i o n a l d a t a , e a c hr e p a i ro rr e p l a c e m e n tm u s tr e c a l i b r a t es e n s o rc a l i b r a t i o n , a n dm u s t c o m p l e t em a c h i n e ，m a k i n gt h ep r o c e s st o oc o m p l i c a t e d f o rt h e s ed r a w b a c k s ， b u s - b a s e ds y s t e mf o rd i s t r i b u t e do rn e t w o r k - t y p es t r u c t u r eo ft h ea u t o m a t i cw e a t h e r s t a t i o nc a nb ea g o o ds o l u t i o na n db e c o m eo n e o ft h ed e v e l o p m e n tt r e n do fa u t o m a t i c w e a t h e rs t a t i o n t h es e n s o r so fd i s t r i b u t e da u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o ni sq u i t ed i f f e r e n tf r o mt h e m e t e o r o l o g i c a ls e n s o r s ，t h ed i f f e r e n c ei sn o tas m a r ts e n s o ro u t p u ts i g n a l s ，b u tr a t h e r e l e c t r i c a ls i g n a l st h r o u g ht h es i g n a lc o n v e r s i o n ，s a m p l i n gb a s i s ，t h ed i r e c to u t p u to f m e t e o r o l o g i c a ld a t aw en e e d ，as m a r ts e n s o r si se q u i v a l e n tt oas i n g l ee l e m e n to fa n i n t e g r a t e da u t o m a t i cs t a t i o n s a u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o n ss o c a l l e d ”d i s t r i b u t i o n ”， o n eh a n di sr e f e r r i n gt ot h eh a r d w a r ed e v i c ei sn o tt o g e t h e r , b u ts p r e a do v e ra r e l a t i v e l y w i d e r a n g e o fr e g i o n s ，t h r o u g had a t ab u st oc o n n e c tt h ev a r i o u s c o m p o n e n t s ；t h eo t h e rh a n d ，r e f e r st ot h eh a r d w a r ei sr e l a t i v e l yi n d e p e n d e n t d a t a a c q u i s i t i o ns c a t t e r e di nv a r i o u ss m a r ts e n s o r si n s i d e t h ev a r i o u ss m a r ts e n s o r so f d i s t r i b u t e di nd i f f e r e n tr e g i o n sa r ea v a i l a b l et oc o m m u n i c a t ew i t hc o m p u t e rt h r o u g h t h eb u s ，i no r d e rt oa c h i e v et h ed i s t r i b u t i o no f m e a s u r e m e n t s t h i ss y s t e mi sm a i n l yt h r o u g ht h eu s eo fc a n - b u s ，m i c r o c o n t r o l l e r , s e n s o r s ，t o c o l l e c tt h ed a t a ，t r a n s m i tt ot h eh o s tc o m p u t e r t h eh o s tc o m p u t e ri sr e s p o n s i b l ef o r s a v i n gt h ed a t at ot h ed a t a b a s e ，a n dd i s p l a y e d t h eu s eo fh o t s w a pt e c h n o l o g yt o r e a l i z et h ee l e m e n t so fa u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o np l u ga n dp l a y , t os o l v et h e i n c o n v e n i e n c eo fc u r r e n tm e t e o r o l o g i c a ld e p a r t m e n tu s e dt h ef i x e dd a t ac o l l e c t i o n e l e m e n t so ft h ea u t o m a t i c w e a t h e rs t a t i o n k e y w o r d s ：a u t o m a t i cw e a t h e rs t a t i o n ，c a n - b u s ，d i s t r i b u t e d ，p l u g a n d p l a y 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。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。其他同志对本研究所做的贡献均已在 论文中作了声明并表示谢意。 学位论文作者签名：丝盔垄 签字日期：纠2 ：么：垣 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、中国 科学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，并 通过网络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京信息工程大学研究 生部办理。 i 母公开口保密(年月) ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协 议) 学位论文作者签名：乏l 煮盔 指导教师签名： 签字日期：纠翌：兰 签字日期：乙略趣 南京信息工程大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 1 1 1 研究背景 天气现象与我们的生活密切相关。人类社会的进步和发展，在很大程度上受到天气、 气候条件的制约和影响。近些年来，极端天气现象不断出现，暴雨、飓风、雷暴、冰雹和 暴雪等灾害性天气给人们的生命财产、工农业生产、公共设施等造成巨大损失。因此，随 着人类社会生产力的不断进步和发展，人们迫切希望能够有效地监测和预报灾害性天气。 天气预报需要详细准确的气象数据，这就需要建立自动气象站，并增加站点密度。 现在，中国气象部门所使用的自动气象站的传感器都是集中式的，即所有的传感器都 连接在一到两个微控制器上。微控制器负责把所有的传感器数据处理好，并通过串行总线 发送给上位机。如果微控制器发生故障，则整个系统将瘫痪。而且，集中式的自动气象站， 传感器升级、更换也极为不方便。 随着微电子技术、通信技术、计算机技术的飞速发展，现代测试技术也逐步向智能传 感器方向发展。 2 0 世纪8 0 年代现场总线技术才开始形成和发展，这是与微型计算机，特别是嵌入式 系统的高速发展分不开的。在十几年的时间中，已经出现了好几种现场总线技术走向成熟 并且得到逐步的推广应用，显示出特有的优势和强大的生命力。 常用的现场总线有c a n ( c o n t r o u c r a r e a n e t w o r k ) 、基金会f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 、 l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、h a r t ( h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 。其中c a n 是唯 一拥有国际标准的现场总线，因而得到广泛的应用。 本系统就是基于c a n 总线设计的。 1 1 2 研究意义 自动气象站应最大程度地保证自动运行以减少维护费用和人力资源，其结构设计要充 分注意模块化和扩展性。若有额外的传感器模块需要加入，只需要将新的传感器模块插入 自动气象站，而不需要改变已有的硬件结构。并且任何模块都应该是可升级的，以便于仪 器将来的扩展。目前，我国气象部门所使用的自动气象站都属于集中式结构，且结构封闭。 国内各厂家生产的传感器独立性不强，且互换性差。为了保证自动气象站观测数据的准确 性，每次维修或更换传感器后都需要重新校准标定，而且必须整机进行，从而使得校标过 程过于复杂。对于这些弊端，采用基于总线制分布式或网络型结构的自动气象站可以很好 地解决，成为现代自动气象站的发展趋势之一。 总线制分布式自动气象站里所采用的是智能传感器，它不同于普通的气象传感器，区 别在于智能传感器不是简单的输出电信号，而是将电信号经过变换、采样计算，直接输出 南京信息工程大学硕士学位论文 我们所需的气象数据，一个智能传感器就相当于一个单要素自动站。总线制分布式自动气 象站所谓的“分布”，一方面是指传感器模块不是集中在一起，而是分布在一个相对较大的 区域里，通过一条数据总线( 如现场总线) 把各个部件连接起来；另一方面是指各传感器 模块工作相对独立，气象数据采集分散在各个智能传感器里面。分布在不同区域里的各种 智能传感器都可以通过总线与上位机进行数据通讯，从而实现分布式测量。 总线制分布式自动气象站系统的研究、开发将使自动气象站系统冲破长期封闭的禁锢， 而走上开放发展的道路，这对自动气象站系统的发展是极好的机遇。在推进气象观测业务 发展的进程中，应该向着趋于系统开放、通信协议统一的方向发展，并建立共同遵守的标 准规范，而这符合我国气象发展战略研究中的“综合气象观测系统工程”的发展要求i l 8 】。 1 2 国内外研究现状 目前国内有多个厂家生产自动气象站系统，如江苏无线电研究所生产的z q z - ci i 系列、 北京华创升达高科技发展中心和天津气象仪器厂生产的c a w s 系列、广东省气象技术装备中 心生产的z d zi i 型、长春气象仪器厂生产的d y y zi i 系列以及北京阿斯曼科技发展公司生 产的a s m 、x y z 系列。其中c a w s 6 0 0 、x y z 0 6 在军队和地方台站得到了广泛的应用和推广。 综合比较各种型号的自动气象站系统在我国的应用情况，总结如下： ( 1 ) 大部分自动气象站系统采用集中式结构，系统的开放性不高，不同型号的传感器 配套不同的数据采集器，各生产厂家之间标准不统一。维修或增加新的传感器都必须对自 动气象站系统重新进行校准标定，过程复杂，这不符合我国气象发展战略研究中的“综合 气象观测系统工程”的发展要求。 ( 2 ) 国产自动气象站系统所采用的气象传感器主要依赖进口，受科技技水平和生产工 艺的限制，国产传感器的可靠性、准确性都较差。观测项目仅限于传统的温度、气压、湿 度、风速、风向和降雨等六要素。云、能见度、降水现象等要素急需要纳入自动气象站系 统的观测项目。 ( 3 ) 国产自动气象站系统所采用的数据采集器大多只能与相应的自动气象站系统配套 使用，当需要增加自动气象站观测项目，增加新的气象传感器时，不能直接进行升级，而 必须更换，从而造成重复投资和资源浪费。 目前全世界有7 0 多个国家、2 0 多个地区和组织基本上都在使用芬兰维萨拉公司生产 的气象产品进行气象观测，自动气象站系统也不例外。维萨拉公司的自动气象站代表系列 是m a w s 系列。目前，全球的大多数国家和地区使用的都是m a w s 2 0 1 系列，该系列自动气象 站现已发展到了m a w s 3 0 1 、m a w s 4 1 0 系列。国外的自动气象站和气象传感器与国产自动气象 站相比，具有如下特点： ( 1 ) 传感器技术先进，产品的稳定性和精确性优越，除了基本的六要素传感器外，水 和土壤的温度、土壤湿度、太阳辐射、云、能见度等要素的传感器已经有了成熟的产品出 现。 ( 2 ) 自动气象站可以根据用户的需求增减传感器的种类和数量，操作简便。采用通用 2 南京信息工程大学硕士学位论文 的数据传输格式，因而用户能够自由配置数据的输出格式。基本上能满足世界各国各种业 务应用的需要。 ( 3 ) 自动气象站系统采用了良好的防护措施，能够适用于各种恶劣环境。在操作的便 捷性、装备使用的机动性、维修的快捷性、对恶劣环境的适应性等方面都做得比较好。 ( 4 ) 尽管国外自动气象站系统和传感器性能优越，但是通过对进口自动气象站在我国 长期运行的情况来看，其软件和硬件的表现并不尽如人意。这是因为国外自动气象站系统 的结构、传感器以及软件等都是针对当地的具体情况而设计的，并不完全符合我国的实际 情况【卜引。 1 3 本文主要研究内容 在分析了国内外自动气象站的现状之后，我们发现基于总线制分布式或网络型结构的 自动气象站，成为自动气象站发展的趋势之一。另一个趋势是基于无线传感器网络的结构。 它们各有优点和用途。 总线式结构主要适用于气象局的观测场，观测场距离办公楼较近，布线成本较低，而 且有线的抗干扰能力较强。 无线式结构主要适用于野外无人值守的气象站，可以采用太阳能电池板供电。可以降 低成本，而且安装方便。 本系统的设计是针对气象局的观测场的，所以采用现场总线式结构。其结构设计充分 考虑到模块化和扩展性。若有额外的传感器需要加入，只需要将新的传感器插入自动气象 站而不需要改变已经存在的硬件结构。并且任何硬件模块都是可升级的，以适应仪器将来 的扩展。 本系统主要是通过利用c a n 总线、单片机、传感器，将采集到的数据，通过总线转换 器传输给上位机。由上位机负责将采集到的数据保存到数据库中，并显示。利用热插拔技 术，实现自动气象站各传感器模块的即插即用，解决了当前气象部门所采用的自动气象站数 据采集要素固定所带来的不便。具体内容如下： ( 1 ) 分析自动气象站的特点，确定总体方案。 ( 2 ) 制定适用于本系统的e 蛾总线应用层协议 ( 3 ) 设计自动气象站系统的电路原理图，并根据原理图制作电路板。 ( 4 ) 编写相应的软件程序，使电路系统能够运行。 3 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章系统总体设计方案 2 。1 现场总线技术概述 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。现场总线是现代计算机、通信和控制技术的集成，使自动化技术正在进入第三次飞 跃。 2 1 1 现场在线技术的发展概况 现场总线技术起始于2 0 世纪8 0 年代中期，于2 0 世纪9 0 年代初期开始形成了几种较 有影响的标准：f i p ( 法国标准) 、p r o f i b u s ( 德国和欧洲标准) 、i s a s p 5 0 ( 美国仪表协 会标准) 、i s p ( 可交互系统标准) 。此外还有一些厂家、公司推出了自己的现场总线产品， 从而形成了事实上的标准，其中比较著名的有h a r t 、c a n 和l o n w o r k s 。1 9 9 4 年至1 9 9 5 年，i s p ( 可交互系统标准) 与w o r l df i p 现场总线的北美和欧洲分会宣布合并，并成立 f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 现场总线基金会组织，支持和帮助i e c i s a s p 标准化委员会的 工作，推动建立一个开放的、统一的、国际性的现场总线标准。许多国际知名的仪表和控 制系统公司如r o s e m o u n t ，h o n e y w e l l ，f o x b o r o ，s i m e n s 以及y o k o g a w a 等纷纷加入，组织 实力强大。但因f f 总线通讯协议的技术目标比较高，涉及面又比较广，受到各厂商自身利 益的影响，使标准的制定工作非常缓慢。反而那些单个厂商和组织制定的现场总线标准及 其产品却拥有了较大的业绩 9 1 2 】。 2 1 2 现场总线系统的特点 现场总线系统( f c s ) 与传统的d c s 控制系统相比有明显的优点。现场总线技术具有 以下五个主要特点： ( 1 ) 采用数字信号取代4 2 0 m a 模拟信号： ( 2 ) 使基本计算、控制功能在现场完成； ( 3 ) 设备增加了非控制信息，比如自诊断信息； ( 4 ) 实现现场控制和管理的统一； ( 5 ) 真正实现了系统的开放性、互操作性。 现场总线不仅是一种通信技术，而且实际上还融入了智能仪器仪表、开放系统互连 ( o s i ) 和计算机网络等技术的精髓。所有的这些特点使得以现场总线为基础的现场总线控 制系统( f c s ) 相对于传统的d c s 系统具有更大的优越性： ( 1 ) 系统的结构大大简化，成本也显著降低： ( 2 ) 现场设备的自治性加强，使得系统性能全面提高： ( 3 ) 增强了信号传输的精度和可靠性； ( 4 ) 真正实现全数字化、全分散的控制网络： 4 南京信息工程大学硕士学位论文 ( 5 ) 使得用户始终拥有系统集成权 9 1 2 】。 图2 1 基于现场总线的自动气象站结构 图2 2 传统的集中式自动气象站结构 现场总线的这些优点也正是基于现场总线的自动气象站( 如图2 - i 所示) 相对于传统 的集中式自动气象站( 如图2 2 所示) 的优点。 因为总线转换器结构简单，成本较低，可以在总线上接一个备用的总线转换器。这样 可以在原总线转换器出现故障时，可以及时更换，而不致影响整个系统的通信。 2 1 3 五种典型的现场总线 目前较流行的现场总线主要有以下5 种： ( 1 ) c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k 控制器局域网) 目前为止唯一有国际标准的现场总线，本系统采用的就是c a n 技术，下面会有详细的 5 南京信息工程大学硕士学位论文 介绍。 ( 2 ) l o n w o r k s ( 局部操作网络) l o n w o r k s 于1 9 9 1 年由美国e c h e l o n 公司推出，属于对等控制网络，主要应用于楼宇 自动化、工业自动化和电力行业等。 l o n w o r k s 是一种基于嵌入式神经元芯片的总线技术，采用高性能、低成本的专用神经 元芯片，可以很容易地组成对等主从式、决策设备传感器总线以及高水准的现场总线系 统。 ( 3 ) p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s 过程现场总线) p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ) 是一种国际化的、开放式的、不依赖于设备生产商的标 准，广泛运用于流程工业自动化、制造业自动化、交通电力、楼宇等其它领域自动化。最 早是由德国西门子公司在1 9 8 7 年推出的，主要应用于p l c 。 p r o f i b u s 由三个兼容的部分组成，即p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) 、 p r o f i b u s - d p ( d e c e n t r a l i z e dp e r i p h e r y ) 以及p r o f i b u s f m s ( f i e l 曲u sm e s s a g e s p e c i f i c a t i o n ) 。 p r o f i b u s - p a 是专门为过程自动化设计的，可使传感器与执行机构联接在一根总线上， 能够满足化工与石油化工的要求。p r o f i b u s _ d p 是一种高速低成本的通信技术，可用于设 备级控制系统以及分散式i o 的通信。p r o f i b u s - f m s 主要用于车间级监控网络，是令牌结 构、实时多主网络。 ( 4 ) h a r t ( 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 可寻址远程传感器数据通路通 信协议) h a r t 于1 9 8 9 年由美国r o s e m o u n t 公司推出，主要应用于智能变送器。h a r t 是在现有的 4 一- 2 0 m a 的模拟仪表传输线的基础上，采用f s k ( f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ) 技术，利用载 波数字调频信号实现数字信号通信。它通过在4 2 0 m a 电源信号线上叠加不同频率的正弦 波( 2 2 0 0 h z 表示“0 ”，1 2 0 0 h z 表示“1 ”) 来传输数字信号，从而保证了数字系统和传统模 拟系统的兼容性。但h a r t 本质上是一种过渡性标准，适用场合比较有限。 ( 5 ) f f ( f i e l d b u sf o n u d a t i o n 现场总线基金会) 现场总线 f f 致力于发展符合i e c 和i s a 标准的国际现场总线。f f 有h i ( 低速) 和h 2 ( 高速) 两 种标准 9 1 2 1 。 2 2c a n 总线技术 c a n 总线是德国b o s c h 公司于1 9 8 3 年为汽车应用而开发的一种能有效支持分布式控 制和实时控制的串行通信网络。c a n 总线的最初动机是为了解决现代汽车中复杂的电子控 制装置之间的通信，以便减少不断增加的信号线。他们设计了一个单一的网络总线，使所 有的外围器件都可以挂接在该总线上。 1 9 9 2 年，为促进c a n 以及c a n 协议的发展，欧洲的一些公司在德国埃尔兰根成立了 一个商业协会c i a ( c a ni n a u t o m a t i o n ，国际用户和厂商协会) ，c i a 提供c a n 的技术产品 6 南京信息工程大学硕士学位论文 以及市场信息。 1 9 9 3 年1 1 月，i s o 正式颁布了控制器局域网c a n 国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ( 高速应用) 和 i s o l l 5 1 9 ( 低速应用) 。目前c a n 控制芯片已经商品化，性价比高，特别适用于分布式测 控系统之间的数据通信。 现在，c a n 总线不仅用于汽车电子控制系统，在大型仪器设备、传感器技术及数据采 集系统、工业控制、机器人网络互联、智能化居室和生活小区管理中都有广泛的应用9 叫2 1 。 2 2 1c a n 总线的特点 ( 1 ) c a n 总线是目前为止唯一拥有国际标准的现场总线。 ( 2 ) 在报文标识符上，c a n 总线上的节点可以分成不同的优先级，以满足不同的实时 要求，其中优先级高的数据最多可以在1 3 4 u s 内得到传输。 ( 3 ) c a n 总线采用了非破坏仲裁技术。当有多个节点同时向总线发送信息，而出现冲 突时，其中优先级较低的数据主动退出发送，优先级最高的节点可不受影响地继续传输数 据。 ( 4 ) 报文采用了短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，从而保证了数据出错率极低。 ( 5 ) c a n 总线的通信介质可以采用双绞线、光纤或同轴电缆，选择灵活。 ( 6 ) c a n 总线有较高的性价比。而且它结构简单，器件容易购买，每个节点的价格较 低，并且开发技术容易掌握，能够充分利用现有的单片机开发工具【1 3 15 1 。 2 2 2c a n 总线位数值表示与通信距离 图2 3 总线位的数值表示 c a n 总线上用“隐性”( r e c e s s i v e ) 和“显性”( d o m i n a n t ) 两个互补的逻辑值表示“1 ” 和“0 ”。当在总线上同时发送隐性和显性位时，其结果是总线数值为显性( 即“1 ”和“0 ” 想与的结果为“o ”) 。如图2 3 所示，脯- 工和删一日为c a n 总线收发器与总线之间的两 接口引脚，信号是以两线之间的“差分”电压形式出现。显性位用大于最小阀值的差分电 7 南京信息工程大学硕士学位论文 压表示。在隐性状态，删- 工和肼胡被固定在平均电压电平附近，近似于0 。在 总线处于空闲或隐性位期间，发送隐性位。 c a n 总线上的任意两个节点之间最大传输距离与其位速率有关，如表2 1 所示”叫5 1 。 表2 1c a n 总线系统任意两节点之间的最大通信距离 l位速率k b p s 1 0 0 05 0 02 5 01 2 51 0 05 02 01 05 i 最大距离m 4 01 3 02 7 05 3 06 2 01 3 0 0 3 3 0 06 7 0 01 0 0 0 0 2 2 3c a n 技术规范的介绍 ( 1 ) 依据i s o o s i 参考模型的c a n 分层结构 物理层：定义了信号是如何实际传输的，所以涉及位编码、位定时、解码以及同步的 解释。 数据链路层含有两个子层： 逻辑链接控制子层l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 涉及到过载通知、报文滤波和恢复管理。 介质访问控制子层m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 是c a n 总线协议的核心。它把接 收到的报文提供给l l c 子层，并且接收来自l l c 子层报文。m a c 子层负责仲裁、报文分 帧、错误检测、应答和标定。m a c 子层也受一个名叫“故障界定”( f a u l tc o n f i n e m e n t ) 的 管理实体的监管。这个故障界定为自检机制，以便于把短时扰动和永久故障区别开来。 ( 2 ) 报文( m e s s a g e s ) 总线上的信息是以几个不同的固定格式的报文发送，但是长度受限。当总线处于空闲 时，任何连接的节点都可以开始发送新的报文。 ( 3 ) 信息路由( i n f o r m a f i 0 1 1r o u t i n g ) 在c a n 总线系统里，c a n 的节点不采用任何有关于系统结构的信息( 如节点地址) 。 系统灵活性：不需要应用层以及任何节点硬件和软件的任何改变，就可以在c a n 网 络中直接添加新的节点。 报文路由：报文的寻址是由标识符指定的。标识符并不指出报文的目的地，但是这个 数据的特定含义使网络上的所有节点都可以通过报文滤波机制来判断该数据是否与它们相 符合。 多点传送：由于报文滤波机制的作用，任何数目的节点都可以同时对同一条报文接收 并对此作出反应。 数据一致性：在c a n 网络里要确保报文同时被所有的节点接收( 或无节点接收) 。系 统这种数据一致性是靠多点传送和错误处理功能来实现的。 ( 4 ) 位速率 在一个给定的c a n 总线系统里，位速率是唯一的，而且是固定的。 ( 5 ) 优先权 报文的远程帧和数据帧都有标识符段，在访问总线期间，该标识符确定了一个静态的 8 南京信息工程大学硕士学位论文 ( 固定的) 报文优先权。当有多个c a n 节点同时传输报文发生总线冲突时，报文的标识符 码值越小优先权越高。 ( 6 ) 远程数据请求 需要数据的节点可以通过发送远程帧，来请求另一节点发送与之相应的数据帧。数据 帧和相应的远程帧拥有相同的标识符。 ( 7 ) 多主机 总线空闲时，任何节点都可以开始传送报文。拥有较高优先权的报文单元可以获得总 线访问权。 ( 8 ) 仲裁 当总线访问冲突时。通过使用标识符的逐位仲裁可以解决这个冲突。而当具有相同标 识符的远程帧和数据帧同时发送时，数据帧优先于远程帧1 3 1 5 1 。 2 2 4 报文传输 ( 1 ) 帧格式 有两种不同的帧格式：含有2 9 位标识符的帧称之为扩展帧；含有1 1 位标识符的帧称 之为标准帧。 ( 2 ) 帧类型 报文传输有以下4 种不同类型的帧： 数据帧。数据帧把数据从发送器传输给接收器。 远程帧。总线节点发出远程帧，请求相应节点发送具有相同标识符的数据帧。 错误帧。任何单元检测到总线错误就发出错误帧。 过载帧。过载帧被用在相邻数据帧或远程帧之间以便提供附加的延时1 3 - 1 5 1 。 2 3 系统的总体结构 图2 4 系统总体结构 9 南京信息工程大学硕士学位论文 系统由传感器模块、通信模块、上位机三部分组成。传感器模块负责采集数据，通信 模块负责把处理好的数据上传到上位机中，上位机负责显示、保存数据。其中通信模块采 用c a n 总线。系统结构如图2 - 4 所示 1 6 19 1 。 2 4 总线转换器 c a n 总线虽有可连接设备数目多、传输距离远、抗干扰能力强等许多优点，但其不能 直接与计算机相连。必须把c a n 总线转换为能够与计算机相连的接口，才能把c a n 总线上 的数据传送到上位机。 徽 c a n 1卜 控 1 卜 r s 4 8 5 接口接口 电路 广 制 厂 电路 器 p c 机的串行接口为r s 2 3 2 或u s b 总线，还有一个并行端口。考虑到p c 机的实际应用， 本系统选择了串行接口。 但r s 2 3 2 接口因为传输速率低，传输距离短，抗干扰能力差【2 0 】。所以，采用了现阶段 应用更多的r s 4 8 5 进行通信。只需在p c 机箱上加一个r s 4 8 5 转r s 2 3 2 的接头就可以了，也 可根据自身需要加r s 4 8 5 转u s b 的接头。 转换器的微控制器负责整个转换器的监控任务，以及c a n 总线与r s 4 8 5 总线的通信任 务。转换器结构如图2 - 5 所示。 l o 南京信息工程大学硕士学位论文 第三章c a n 总线应用层协议的制定 c a n 协议本身只定义了物理层和数据链路层的规范，这使得c a n 能够更广泛地适应 不同的应用条件，但同时也给用户使用c a n 带来了不便。因为用户在应用c a n 协议时， 还必须根据实际需求来自行定义c a n 的高层协议。 为了把c a n 协议的应用推向更高的层次，并同时满足产品的互操作和兼容性。国际上 已经形成了许多基于c a n 的应用层协议，比如：c a n o p e n 、c a l 、d e v i c e n e t 。这些协议 主要应用在汽车行业、工业控制中，适合于气象参数检测的统一的c a n 高层协议还没有形 成。本章结合气象参数检测的实际情况，制定了简易的c a n 应用层协议，以方便c a n 系 统的开发。 c a n 应用层协议主要是规定了以下几个方面的内容：信息标识符的分配、点对点通信 实现、过程数据交换方法以及报文滤波机制的使用方法。 波特率的大小也应该约定好1 3 。15 1 。 3 1 信息标识符分配方案 在c a n 系统中，以信息标识符( d ) 来标识数据的含义，信息标识符( d ) 决定了 信息的优先权以及等待时间，同时也影响信息滤波机制的适用性。高效、合理的d 分配方 案是充分发挥c a n 总线优点的前提条件2 卜2 引。 3 1 1 信息标识符分配原则 依据c a n 的仲裁机制，c a n 总线信息标识符分配应该遵循如下原则。 在同一系统内，每条信息必须使用唯一的信息标识符。因为c a n 报文是以标识符来 标识信息含义的，标识符与信息含义之间必须具有一一对应的关系。否则，将会导致信息 不能被正确的理解。 具有给定标识符并且d l c ( 数据长度码) 不为0 的数据帧只可由一个节点启动。否则， 将会造成仲裁失效。 具有相同信息标识符但不同d l c 的远程帧不可以同时发送，否则，由于它们的仲裁场 完全一样，c a n 总线的仲裁机制无法确定总线的拥有权，将会导致无法解决的冲突。 信息标识符( d ) 的高7 位不能全部为1 2 1 - - 2 5 。 3 1 2 信息标识符结构 本系统信息标识符采用了静态分配的策略，采用p e l i c a n 模式，标识符为2 9 位，结 构如表3 - 1 所示。在本协议中，节点编码采用类型编码和节点编号相结合的方法，编号代 表某一类节点的个数，这样编号就不会太多，便于管理。 南京信息工程大学硕士学位论文 表3 1 标识符结构 c a n 地址 b r r 7b i t 6b r r 5b n 、4b i t 3b i t 2 b i t lb i t 0 1 7i d 2 8i d 2 7i d 2 61 i ) 2 5 i d 2 4 1 i ) 2 3i d 2 2 i d 2 1 1 8i d 2 0d 1 9l d 1 8d 1 7 d 1 6d 1 51 i ) 1 4d 1 3 1 9d 1 2d 1 1d 1 0i d 9 i d 8 i d 7 i d 6i d 5 2 0i d 4i d 3i d 2d 1i d 0xxx 各位的定义如下： d 2 8 ：0 ( 保证信息标识符的高7 位不能全为1 ) 。 d 2 7 ：源节点类型编码，0 表示总线转换器节点，1 表示传感器节点( 保证上 位机具有最高的优先权) 。 i d 2 6 - i d 2 1 ：源节点类型编码，最多6 4 种功能。0 表示温度传感器，1 表示湿度传 感器，2 表示风速传感器，3 表示风向传感器，4 表示气压传感器，5 表示雨量传感器 6 2 表示接收全部传感器数据的总线转换器，6 3 表示只接收某一类传感器数据的总线转换器 ( 暂未用) 。 d 2 0 i d 1 7 ：0 0 0 0 i d 1 6 i d 1 3 ：源节点编号( 每一类传感器或上位机，最多可接1 6 个) 。 d 1 2 d 1 1 ：0 0 1 1 ) 1 0 一- i d 5 ：目标节点类型编码( 最多6 4 种功能，编码方法和源节点一样) 。 d 4 1 ：目标节点编号。 d 0：0 3 1 3 信息优先权分配 按上述的信息标识符( d ) 分配方案，在c a n 的仲裁机制作用下，具有最低二进制 的标识符具有最高的优先级，信息优先权遵循以下原则。 ( 1 ) 上位机具有最高的优先权。 ( 2 ) 在同类信息帧中，节点号较小的帧具有较高的优先权。 ( 3 ) 具有相同标识符的帧，数据帧的优先权高于远程帧。 3 2 应用层信息帧格式 表3 - 2 应用层信息帧格式 仲裁场控制场数据场 源节点源节点目标节目标节r r r 位数据长度第一字节 类型编编号点类型 点编号第八字节 码编码 1 2 南京信息工程大学硕士学位论文 应用层信息帧是应用层与c a n 的基本通信部分之间进行数据交换的纽带。应用层将信 息帧解析后，传送给用户程序；应用层把用户程序需要发送的信息装配成帧后，提供给c a n 的基本通信部分进行发送。应用层信息帧格式如表3 2 所示【1 3 1 5 1 。 3 2 1 应用层信息帧的组装 用户的数据要在应用层按照应用层信息帧的固定格式组装起来，提供给c a n 的基本 通信程序读取使用。在应用层中，信息帧封装函数根据用户程序提供的待发送信息，来判 断待发送数据的具体功能和数据类型【l4 】。从而形成仲裁场中的源节点类型编码、源节点编 号、目标节点类型编码、目标节点编号和r t r 位。比如要发送温湿度数据( 本系统温湿度 传感器是一体的) ，源节点类型编码为4 0 h 、源节点编号为0 0 h 、目标节点类型编码为3 e h 、 目标节点编号为0 0 h 、r t r - - 0 。接着设置数据长度码。若r t r = i ，数据长度码不设置。 3 2 2 应用层信息帧的解析 接收到的信息帧，在应用层中被解析出来，供给用户程序使用。在应用层中，信息解 析函数按照如下步骤来解析。首先判断r t r 位的值，如果r t r = i ，则为请求发送的远程帧， 通知给信息帧封装函数。如果r t r = 0 ，则为数据帧，则根据节点编号判断是否接收。 3 3 数据交换方法 气象数据采集，主要是传感器向上位机发送数据帧。上位机可以向传感器发送远程帧， 要求发送数据，用于校正。主要采用点对点通信 2 1 。2 8 】。 3 3 1 远程请求方式 在本协议中，直接利用c a n 机制，为数据交换提供了另一种方式，即远程请求方式。 当上位机需要校正某一个传感器时，可以向其发送远程帧，请求数据。 3 3 2 点对点通信 正常的传感器上传数据，采用点对点通信。即每个传感器只向一个上位机发送数据。 如果系统中有多台上位机，则上位机在报文滤波时，可以忽略目标节点编号。 3 4 报文滤波机制的利用 报文滤波机制是c a n 总线技术最有用的特色之一，通过报文滤波机制，可以很容易 地实现一点对多点、点对点的通信。如何利用这一机制来更好地为系统通信提供方便，是