學(xué)號(hào) 業(yè) 設(shè) 計(jì)題 目：智能總線通信適配器設(shè)計(jì)作 者 羅 狄 屆 別 2015屆 院 別 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 專 業(yè) 機(jī) 械 電 子 工 程 指 導(dǎo) 教 師 陸 金 忠 職 稱 教 授 完 成 時(shí) 間 2015年 5月 10日 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要CAN全稱為“Controller Area Network”，也就是大家所說(shuō)的控制器局域網(wǎng)。本文首先在引入 CAN現(xiàn)場(chǎng)總線概念的基礎(chǔ)上，論述介紹了 CAN現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的現(xiàn)在狀況和未來(lái)的發(fā)展方向，分析系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信模塊等關(guān)鍵技術(shù);最后設(shè)計(jì)一個(gè)較簡(jiǎn)單的CAN現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測(cè)量控制儀表，使它們各自都具有數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，成為能獨(dú)立承擔(dān)某些控制、通信任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 2。它對(duì)自動(dòng)化領(lǐng)域的變化，就像計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)計(jì)算機(jī)之間的功能和作用的變化。如果說(shuō)，把人類帶到信息時(shí)代是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，那么現(xiàn)場(chǎng)總線的作用就是讓自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和設(shè)備加入到了信息網(wǎng)絡(luò)的行列，成為了企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的底層，讓企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直拓展到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。所以把現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)比喻成一個(gè)控制技術(shù)新時(shí)代的開端并不過(guò)分。 本人首先介紹了什么是總線，把總線的概念引進(jìn)本文中，在熟悉了解了總線的概念的同時(shí)，引進(jìn) CAN總線的概念和理念。并介紹 CAN總線的現(xiàn)在狀況和未來(lái)發(fā)展情況。后來(lái)又介紹了 CAN現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理。在第二部分中會(huì)了解 CAN總線系統(tǒng)的構(gòu)成系統(tǒng)，CAN 總線系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)，CAN 總線系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和 CAN總線系統(tǒng)通信協(xié)議模型。在第三部分會(huì)介紹 CAN總線系統(tǒng)的工作原理。第四部分主要介紹了 CAN總線系統(tǒng)在中央空調(diào)控制系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。關(guān)鍵詞：CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線；現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)；通信模塊湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）IAbstractCAN stands for “Controller Area Network“, the controller area network is everyone talking about. Firstly, based on the introduction of CAN field bus concept, introduces the CAN fieldbus system present situation and the future direction of development, analysis of the key technologies of the system network structure and communication module; finally, the design of a relatively simple CAN fieldbus control system.Measurement and control instruments of CAN fieldbus technology will bededicated microprocessors into traditional, so that they each have digital computing and communication capabilities, network node becomes can takesome control, independent communication task 2. The changes it brings to the automation field, change as computer network to the computer between the function, effect. If the computer network, the human into the information age, sofield bus enables network system control tasks and equipment into the ranks ofthe underlying information network, become the enterprise information network,the coverage of enterprise information communication has been extended to theproduction field. So the field bus technology as the beginning of a new era of control technology is not too much.I firstly introduce what is the bus, the bus is introduced in this paper, the familiar with the bus concept at the same time, the concept and introduce the concept ofCAN bus. And introduces the CAN bus now and future development. Then this paper introduces the structure and principle of CAN Fieldbus system. In the second part will understand the system structure for CAN bus system, CAN bussystem, the topology structure and communication protocol of CAN bus system model of CAN bus system. In the third part will introduce the working principle of the CAN bus system. The fourth part mainly introduces the CAN bus system in the design and application of the control system of central air conditioner.Key words: CAN Bus ;Fieldbus Control System;communication module湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）II目 錄摘 要 .IABSTRACT .II1 緒 論 .11.1 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展?fàn)顩r和它的前景 .11.2 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線的概念 .11.2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線的簡(jiǎn)介 .11.2.2 現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)形成 .21.2.3 什么是 CAN 總線 .31.2.4 CAN 總線的特點(diǎn) .41.2.5 CAN 總線的技術(shù)規(guī)范 .52.CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理 .62.1 CAN 總線系統(tǒng)的構(gòu)成 .62.2 CAN 總線系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn) .72.3 CAN 總線系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) .72.4 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議模型 .83.CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線工作原理 .93.1 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線的位數(shù)值表示 .93.2 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線的幀結(jié)構(gòu) .103.3 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線仲裁方式 .123.4 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線錯(cuò)誤檢測(cè) .124.系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例CAN 總線在中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用 .134.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路 .134.2 中央空調(diào)控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) .144.3 硬件設(shè)計(jì) .164.4 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì) .174.5 CAN 通信電路設(shè)計(jì) .214.6 軟件設(shè)計(jì) .234.7 主程序設(shè)計(jì) .244.8 AD 轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì) .254.9 設(shè)計(jì)小結(jié) .27結(jié) 束 語(yǔ) .28參考文獻(xiàn) .29致 謝 .30湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）01 緒 論1.1 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展?fàn)顩r和它的前景CAN最早是由德國(guó) Bosch 公司在 80年代推出的，應(yīng)用于汽車內(nèi)部測(cè)量和執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信，也適用于工業(yè)過(guò)程控制與工業(yè)設(shè)備與監(jiān)控設(shè)備之間的互連。由于它的高性能、高可靠性、實(shí)時(shí)性以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療器械以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門。因而 CAN現(xiàn)場(chǎng)總線越來(lái)越受到工業(yè)界的重視，也已經(jīng)被公認(rèn)為最有前途的幾種現(xiàn)場(chǎng)總線之一。因此CAN也將在中國(guó)迅速普及推廣。盡管 CAN以經(jīng)發(fā)展多年，也很受人們重視，但它仍然在發(fā)展完善。比如基于安全方面的考慮和安全臨界應(yīng)用等，德國(guó)專業(yè)協(xié)會(huì) BIA和德國(guó)安全標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu) TuV已經(jīng)確認(rèn)一了些現(xiàn)有的基于 CAN的安全系統(tǒng)。例如：CANopen安全就是第一個(gè)得到 BIA試驗(yàn)性批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn) CAN解決方案。在其他方面，這個(gè)規(guī)范定義了從 CANopen網(wǎng)絡(luò)到冗余總線系統(tǒng)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。就是這樣的不斷完善，相信 CAN總線會(huì)更好地適用于各種領(lǐng)域的應(yīng)用。1.2 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線的概念1.2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線的簡(jiǎn)介要了解 CAN現(xiàn)場(chǎng)總線，首先要了解現(xiàn)場(chǎng)總線。現(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)儀表、現(xiàn)場(chǎng)電器，設(shè)備及控制室主機(jī)系統(tǒng)之間的一種開放的、雙向的、多站、全數(shù)字化的通信系統(tǒng)，屬于自動(dòng)化控制領(lǐng)域中較低層的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)里規(guī)定了控制系統(tǒng)里一定數(shù)量的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備怎樣相互交換數(shù)據(jù)。傳輸數(shù)據(jù)的媒介有：電線電纜、電話線、光纜、無(wú)線電等等。現(xiàn)場(chǎng)總線是指在現(xiàn)場(chǎng)使用的總線技術(shù)。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)接線方式是并聯(lián)接線。PLC（可編程序邏輯控制器）控制各個(gè)電器元件，每個(gè)元件相對(duì)應(yīng)有一個(gè) I/O口，需要用兩根線對(duì)兩者進(jìn)行連接，做控制或電源。整個(gè)系統(tǒng)的接線在 PLC控制的電器元件數(shù)多到幾十個(gè)或幾百個(gè)時(shí)就會(huì)變得相當(dāng)復(fù)雜，很容易出錯(cuò)，維護(hù)和施工都非常不便。針湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1對(duì)這個(gè)，人們想把大量導(dǎo)線并到一起，只用一根導(dǎo)線將所有設(shè)備連起來(lái)，而這根導(dǎo)線將會(huì)承載所有的數(shù)據(jù)和信號(hào)流通，設(shè)備之間的通信及控制同時(shí)可以任意設(shè)置。這根線因此被稱作了總線。就像計(jì)算機(jī)內(nèi)部的總線概念一樣。只是系統(tǒng)的控制對(duì)象大都在工地、礦地現(xiàn)場(chǎng)，不像計(jì)算機(jī)主要用于室內(nèi)，因此這類總線被人們稱為現(xiàn)場(chǎng)的總線，現(xiàn)場(chǎng)總線就是其簡(jiǎn)稱。比較著名的現(xiàn)場(chǎng)總線有 Foundation Fieldbus,LonWorks,PROFIBUS,HART,CAN等，CAN 為本文的主題。1.2.2 現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)形成控制系統(tǒng)大致發(fā)展到今天經(jīng)歷了以下四個(gè)階段:(1) 模擬儀表的控制系統(tǒng)模擬儀表的控制系統(tǒng)是在六到七十年代應(yīng)用最廣的系統(tǒng)。其較突出的缺點(diǎn)有：模擬信號(hào)因位精度低而容易被干擾。(2) 集中式數(shù)字的控制系統(tǒng)集中式數(shù)字的控制系統(tǒng)是七到八十年代應(yīng)用最廣的系統(tǒng)。此系統(tǒng)的控制器采用了PLC、單片機(jī)或微機(jī)等，它內(nèi)部的傳輸為數(shù)字信號(hào)，因此克服了模擬儀表的控制系統(tǒng)里模擬信號(hào)的精度過(guò)低的缺點(diǎn)，因此提高了控制系統(tǒng)的抗干擾性能。此控制系統(tǒng)相比其他系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是容易按照全局情況作出控制判斷和計(jì)算，對(duì)于控制機(jī)時(shí)和空間方式的選擇則統(tǒng)一安排和調(diào)度，缺點(diǎn)是，此系統(tǒng)要求控制器本身的性能要高，比如相當(dāng)?shù)奶幚硇阅芎透呖煽啃允且欢ㄒ邆涞?，控制器效率，系統(tǒng)可靠性隨系統(tǒng)任務(wù)遞增而急劇下降。(3) 集散控制系統(tǒng)(DCS)集散控制系統(tǒng) DCS是八到九十年代應(yīng)用最廣的系統(tǒng)。此系統(tǒng)的核心思想為管理與控制相分離；上位機(jī)用于集中監(jiān)視管理，多臺(tái)下位機(jī)被用于現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行分散式控制，上下位機(jī)之間相互的信息傳遞則通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)互連來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，集中式數(shù)字控制系統(tǒng)里的缺陷則通過(guò)此分布式的控制體系結(jié)構(gòu)得以完善。(4 )現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)FCS是一種開放式系統(tǒng)，是一種開放的、徹底分散的、可互相操作性的分布式控制系統(tǒng)，很有可能成為新世紀(jì)控制系統(tǒng)的主流產(chǎn)品。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是通過(guò)把連接于總線上、作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的那些智能設(shè)備連接成湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2一種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而使其形成自動(dòng)化的系統(tǒng)，來(lái)達(dá)到基本控制，參數(shù)修改，補(bǔ)償計(jì)算，報(bào)警，監(jiān)控，優(yōu)化及控管一體化的全面自動(dòng)化功能。這是一項(xiàng)綜合技術(shù)的主要內(nèi)容是智能傳感器，控制，網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字通信，計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)場(chǎng)總線之所以一經(jīng)生成就受到全世界的廣泛關(guān)注，成為全球工業(yè)自動(dòng)化的熱點(diǎn)，就是因?yàn)樗c工業(yè)控制系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化、分散化、智能化發(fā)展的方向極度的相適應(yīng)。受到現(xiàn)場(chǎng)總線的影響，現(xiàn)在生產(chǎn)的自動(dòng)化儀表、可編程空制器(PLC)在產(chǎn)品的體系結(jié)構(gòu)、集散控制系統(tǒng)(DCS)、結(jié)構(gòu)和功能方面產(chǎn)生了非常大的改革，具有數(shù)字通信功能的智能化數(shù)字儀表將逐步取代了傳統(tǒng)的模擬儀表，同時(shí)產(chǎn)生了一批具備控制、運(yùn)算、檢測(cè)功能集于一身的變送控制器。產(chǎn)生了具有反饋故障信息的執(zhí)行器?，F(xiàn)在的設(shè)備管理維護(hù)方法從根本上發(fā)生了改變。1.2.3 什么是 CAN 總線CAN （Controller Area Network 的縮寫）是 ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議，是一種實(shí)時(shí)控制或者有效支持分布式控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。下面介紹一下 CAN中的一些基本概念。（1）報(bào)文:就是總線上的信號(hào)，但長(zhǎng)度會(huì)有限。當(dāng)總線處于開放時(shí)，任何的連接單元都可以發(fā)送一個(gè)新的報(bào)文。（2）信息路由: 一個(gè)結(jié)構(gòu)信息的節(jié)點(diǎn)將不使用的系統(tǒng)在系統(tǒng)。它包含了一些非常重要的概念。報(bào)文通信: 郵件內(nèi)容由標(biāo)識(shí)符 ID。但我不是原來(lái)的那個(gè)消息意圖命名，但數(shù)據(jù)的意義，為了便于在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)的縮影，將使用消息篩選器確定是否他們啟動(dòng)數(shù)據(jù)。成 組:由于采用了報(bào)文濾波，所以所有節(jié)點(diǎn)都可接收?qǐng)?bào)文，并同時(shí)會(huì)被相同的報(bào)文所激活。數(shù)據(jù)相容性:CAN 網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)包可以被所有節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)收到了沒(méi)有，因此，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)一致性是通過(guò)接觸組和錯(cuò)誤處理。（3）位速率:可以在不同的系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸速率是不同的，但在系統(tǒng)給出率是唯一確定的，并且是固定的。（4）優(yōu)先權(quán): 接入標(biāo)識(shí)總線在定義消息優(yōu)先級(jí)。（5）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求: 通過(guò)發(fā)送遠(yuǎn)程幀，需要數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)可以請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)發(fā)送另一個(gè)類似的數(shù)據(jù)幀和數(shù)據(jù)幀，遠(yuǎn)程幀和相應(yīng)的會(huì)在同一個(gè)標(biāo)識(shí)符 ID命名。（6）仲裁: 當(dāng)總線是開放的，每個(gè)單元可以開始發(fā)送消息，如果有兩個(gè)或兩個(gè)湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3以上的單元發(fā)送，總線訪問(wèn)沖突將采用逐位仲裁規(guī)則的解決方案，ID 標(biāo)識(shí)符的幫助。仲裁規(guī)則將使信息和時(shí)間都沒(méi)有損失。如果具有相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀，將優(yōu)先于遠(yuǎn)程幀。在仲裁過(guò)程中，每個(gè)發(fā)射器將水平與總線電平發(fā)送檢測(cè)比較，如果相同的單位繼續(xù)發(fā)送。在發(fā)送一個(gè)“隱藏”的水平，但巴士為“主導(dǎo)”的水平，該單位將退出仲裁，沒(méi)有傳輸后，繼承王位。（7）安全性 : 為了使數(shù)據(jù)傳輸安全性更高，在每個(gè) CAN節(jié)點(diǎn)中都設(shè)有錯(cuò)誤檢測(cè)、標(biāo)定還有自檢的強(qiáng)有力的措施。檢測(cè)錯(cuò)誤的措施包含有：發(fā)送自檢、循環(huán)冗余校檢、位填充以及報(bào)文格式檢查。（8）出錯(cuò)標(biāo)注和恢復(fù)時(shí)間 ：已損報(bào)文由檢驗(yàn)出錯(cuò)誤的節(jié)點(diǎn)對(duì)它進(jìn)行標(biāo)注。此類報(bào)文就會(huì)失效，并自動(dòng)進(jìn)行重發(fā)送。如果不存在新的錯(cuò)誤，從檢出錯(cuò)誤到下一個(gè)報(bào)文開始發(fā)送的恢復(fù)時(shí)間最多為 29個(gè)位時(shí)間。1.2.4 CAN 總線的特點(diǎn)CAN屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)。由于其應(yīng)用了很多新的技術(shù)和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通信總線相比，CAN 總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。其特點(diǎn)可概括如下：(1)通信方式靈活。CAN 為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)的向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，而且無(wú)需站地址等節(jié)點(diǎn)信息。利用這一特點(diǎn)可方便的構(gòu)成多機(jī)構(gòu)備份系統(tǒng)。(2)CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求，高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)最多可在 134us內(nèi)得到傳輸。(3)CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況。(4)CAN只需通過(guò)報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無(wú)用專門的“調(diào)度” 。(5)CAN最遠(yuǎn)的直接通訊距離可以達(dá)到 10km（速率 5kbps以下） ；通信速率可達(dá)到最高 1Mbps（此時(shí)通信距離長(zhǎng)為 40m） 。湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）4(6)CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要由總線驅(qū)動(dòng)電路決定，現(xiàn)在可達(dá) 110個(gè)；報(bào)文標(biāo)識(shí)符可以達(dá)到 2032種(CAN2.0 A)，而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)(CAN2.0B)的報(bào)文標(biāo)識(shí)符可以說(shuō)不受什么限制。(7) 可以用短幀結(jié)構(gòu)信息，傳輸時(shí)間短，干擾的概率是低的，所以，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率一般非常低。（8）信息的每個(gè)幀都會(huì)有一個(gè) CRC校驗(yàn)和錯(cuò)誤檢測(cè)和其他措施，效果很好。（9）通信介質(zhì)可以是雙絞線，同軸電纜或光纖，選擇靈活。（10）CAN 節(jié)點(diǎn)具有自動(dòng)關(guān)閉在嚴(yán)重故障的情況下的輸出功能，其他節(jié)點(diǎn)，在公共汽車上運(yùn)行不受影響。（11）CAN 總線具有很高的性能價(jià)格比。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于采集設(shè)備，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的價(jià)格較低，但也容易掌握的技術(shù)，充分利用了