畢業(yè)設計論文題目：基于CAN總線的分布式工業(yè)測控系統(tǒng)的應用研究英文題目：ApplicationandResearchonDistributedIndustrialMeasureandControlSystemBasedonCANField-bus學生姓名：班級：指導教師：專業(yè)：自動化二零零六年六月摘要現(xiàn)場總線是連接現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。它是計算機技術、通信技術和控制技術高度綜合與集成的產物，是一種開放式和分布式的新模式?，F(xiàn)場總線是當今自動化領域技術發(fā)展的熱點之一。CAN（控制器局域網）屬于現(xiàn)場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網絡。它特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設備的互連，己被公認為是最有前途的現(xiàn)場總線之一。本文以CAN現(xiàn)場總線技術為基礎，研究了一種分布式工業(yè)測控系統(tǒng)。其主要研究內容如下：本文對分布式工業(yè)測控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀以及CAN總線在分布式測控方面的應用進行了綜述，并對其主要特點做了簡要介紹。闡述了CAN總線的特點、CAN總線通信協(xié)議及CAN支持器件。然后根據(jù)測控系統(tǒng)的特點，給出了基于CAN總線測控網絡的總體設計方案、系統(tǒng)結構。接著根據(jù)系統(tǒng)的實際需要，主要設計了PC機通信適配卡和智能節(jié)點。對適配卡和測控節(jié)點的功能模塊組成，各個模塊的工作原理、硬件設計、軟件設計以及他們的實現(xiàn)方法，進行了較為深入的探討和詳細的論述。關鍵詞CAN總線；分布式測控系統(tǒng)；適配卡；智能節(jié)點AbstractFieldbusisadigital,bi-directionalandmulti-branchcommunicationnetworkthatconnectsfieldequipmentsandautomaticsystem.Asaproductintegratingtechnologyofcomputer,communicationandcontrol,thefieldbusfeaturedwithopeninganddistributionhasbeenoneofthekeytechnologiesinmodernautomatismfield.Asoneofthefieldbuses,CAN(ControllerAreaNetwork)isaserialcommunicationnetworkthatsupportsdistributedandrealtimecontroleffectively.CANveryfitinterlinkageofmonitorandcontrolequipmentsinindustryprocessandhasbeenwellacceptedasthemostperspectivefieldbus.AdistributedindustrialmeasurementandcontrolsystemwasstudiedbasedonCANfieldbus.Researchcontentincludesasfollows:FirstlytechnologiesasummaryismadeonthedevelopmentofdistributedindustrialmeasurementandcontrolsystemandtheapplicationsofCANindistributedindustrialmeasurementandcontrolsystem,andbriefintroductionofitscharacteristicsisgiven.ExpatiatedonthecharacteristicofCANbus,CANcommunicationprotocol,andthechipswithCANsupport.Secondlyaccordingtothecharacteristicsofthemeasurementandcontrolsystem,providedtheoveralldesignplanandthestructurefeature.Thenaccordingtowhatthesystemneed,mainlydesignthePC-CANinterfacecardandtheintelligentnode.Thispaperdiscussesthecomposingitsfunctionmodules,theworkprinciple,thehardwareframe,softwaredesignandthemethodofrealizationofeachmodule.KeywordsCANField-bus，DistributedMeasureandControlSystem，PC-CANinterfaceCard，Intelligentnode目錄摘要、關鍵詞緒論.11CAN總線的技術規(guī)范及結構.41.1CAN總線的概述及特點.41.2CAN通信協(xié)議.51.3CAN通信器件支持.61.3.1CAN控制器SJA1000.61.3.2CAN總線收發(fā)器82C250.102基于CAN總線的工業(yè)測控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn).112.1系統(tǒng)總體方案設計.112.2系統(tǒng)硬件設計.112.2.1上位機CAN總線通信適配卡設計.112.2.1.1CAN通信控制電路設計.122.2.1.2雙口RAM控制電路設計.132.2.1.3復位及看門狗電路設計.142.2.2智能節(jié)點設計.152.3系統(tǒng)軟件設計.162.3.1CAN適配卡軟件設計.162.3.2智能節(jié)點軟件設計.192.3.2.1初始化子程序.192.3.2.2發(fā)送子程序.202.3.2.3接收子程序.222.3.2.4數(shù)據(jù)溢出處理子程序.23結束語.26致謝.27參考文獻.28附錄.29附錄1CAN適配卡硬件電路圖.29附錄2CAN適配卡參考匯編程序清單.30附錄3智能節(jié)點參考匯編程序清單.35畢業(yè)設計緒論-1-緒論研究背景及意義隨著控制、計算機、通信和網絡技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)交換技術正在迅速覆蓋著工業(yè)控制的各個層次，從工廠的現(xiàn)場設備層到系統(tǒng)的控制和管理層。信息技術的飛速發(fā)展，引起了自動化系統(tǒng)結構的變革，組成以網絡集成自動化系統(tǒng)為基礎的企業(yè)信息系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線是在20世紀80年代中期在國際上發(fā)展起來的。隨著微處理器與計算機功能的不斷增強和價格的急劇降低，計算機與計算機網絡系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，而處于生產過程底層的測控自動化系統(tǒng)，傳統(tǒng)的方法采用一對一連線，用電壓、電流的模擬量信號進行測量控制，或者采用自封閉式的集散系統(tǒng)，難以實現(xiàn)設備之間以及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使得自動化系統(tǒng)成為“信息孤島”。要實現(xiàn)整個企業(yè)的信息集成，要實施綜合自動化，就必須設計出一種能夠在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運行的、性能可靠、造價低廉的通信系統(tǒng)，形成工廠底層網絡，完成現(xiàn)場自動化設備之間的多點數(shù)字通信，實現(xiàn)底層現(xiàn)場設備之間以及生產現(xiàn)場與外界的信息交換?，F(xiàn)場總線就是在這種實際需求的驅動下應運而生的。它作為過程自動化、制造自動化、樓宇自動化、交通等領域現(xiàn)場智能設備之間的互連通信網絡，溝通了生產過程現(xiàn)場控制設備之間以其更高控制管理層網絡之間的聯(lián)系，為徹底打破自動化系統(tǒng)的“信息孤島”1創(chuàng)造了條件?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)既是一個開放的通信網絡，又是一種全分布式控制系統(tǒng)2。根據(jù)IEC標準和現(xiàn)場總線基金會的定義：現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。這個網絡使用一對簡單的雙絞線傳輸現(xiàn)場總線儀表與控制室之間的通信信號，而且還可以對現(xiàn)場總線儀表如：現(xiàn)場總線使用的智能傳感器變迭器、智能執(zhí)行器(如智能調節(jié)閥、電子馬達)、可編程控制器、可編程調節(jié)器等裝置均稱為現(xiàn)場總線儀表供電。目前國際上有40多種現(xiàn)場總線，但影響較大的主要有FoundationFieldbus（基金會現(xiàn)場總線）、CAN（控制器局域網絡）、PROFIBUS（過程現(xiàn)場總線）、LonWorks（局域操作網絡）等1?，F(xiàn)場總線的主要優(yōu)點2：（1）增強了現(xiàn)場級信息集成能力現(xiàn)場總線可以從現(xiàn)場設備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動化系統(tǒng)的信息集成要求?，F(xiàn)場總線是數(shù)字化通信網絡，它不單純取代4到20mA信號，還可以實現(xiàn)設備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送。系統(tǒng)除了完成遠程控制，還可完成遠程參數(shù)化工作。（2）開放式、互操作性、互換性、可繼承性不同廠家產品只要使用同一總線標準，就具有互操作性、互換性，因此設備具有很好的可集成性。系統(tǒng)為開放式，允許其他廠商場上將自己專長的控制技術，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，市場上將有許多面向行業(yè)特點的監(jiān)控、測控系統(tǒng)。畢業(yè)設計緒論-2-（3）系統(tǒng)可靠性高、可維護性好基于現(xiàn)場總線的自動化測控系統(tǒng)采用連接方式替代一對一I/O連線，對于大規(guī)模I/O系統(tǒng)來說，減少了由接線點造成的不可靠因素。同時系統(tǒng)具有現(xiàn)場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成遠程設備的參數(shù)設定、修改等參數(shù)化工作，也增強了系統(tǒng)的可維護性。（4）降低了系統(tǒng)及工程成本對大范圍、大規(guī)模I/O的分布式系統(tǒng)來說，省去了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設工程費用，降低了系統(tǒng)及工程成本。現(xiàn)場總線把單個分散的測控設備變成網絡節(jié)點，以現(xiàn)場總線為紐帶，把它們連接成可以相互溝通信息、共同完成自控任務的網絡系統(tǒng)與測控系統(tǒng)。因而研究基于現(xiàn)場總線技術的智能測控節(jié)點成了研究測控的新技術和新發(fā)展的重點。由于現(xiàn)場總線適應了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網絡化、智能化發(fā)展的方向，它一經產生便成為全球工業(yè)自動化技術的熱點，受到全世界的普遍關注?，F(xiàn)場總線的出現(xiàn)，導致目前生產的自動化儀表、集散控制系統(tǒng)、可編程控制器在產品的體系結構、功能結構方面的教大變革，自動化設備的制造廠家被迫面臨產品更新?lián)Q代的又一挑戰(zhàn)。因而對智能測控節(jié)點的研究既是對先進技術應用的研究，也是開發(fā)市場的需要。國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢目前現(xiàn)場總線在美國和歐洲等發(fā)達國家和地區(qū)發(fā)展迅速，并已經有較多的應用范例。在亞洲遠東地區(qū)，許多大學和研究機構正在利用他們自身的條件幫助用戶提高對現(xiàn)場總線技術的認識和理解。根據(jù)市場的需求和技術的發(fā)展趨勢，國外各大儀表制造廠都把發(fā)展現(xiàn)場總線技術和產品放在技術進步的第一步3。CAN(ControllerAreaNetwork)總線又稱控制器局域網，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，最初由德國Bosch公司80年代用于汽車內部測試和控制儀器之間的數(shù)據(jù)通信。由于其卓越的性能，極高的可靠性，獨特靈活的設計和低廉的價格，現(xiàn)已廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場控制、智能大廈、小區(qū)安防、交通工具、醫(yī)療儀器、環(huán)境監(jiān)控等眾多領域。CAN已被公認為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一4。CAN總線規(guī)范已被ISO國際標準組織制訂為國際標準ISO11898，并得到了Motorola、Intel、Philips等大半導體器件生產廠家的支持，迅速推出各種集成有CAN接口的產品。截至2000年，帶有CAN的微處理器芯片總量已經超過1億片，因此在接口芯片技術方面CAN已經遙遙領先于其他所有現(xiàn)場總線。正是由于CAN總線的諸多優(yōu)勢和應用的便捷性，所以在組建現(xiàn)代工業(yè)測控系統(tǒng)中具有較大的優(yōu)勢。作為一種重要的現(xiàn)場總線，CAN也在朝標準化的方向完善和發(fā)展。目前，已經出現(xiàn)了CAN協(xié)議的國際標準化ISO/DISI1898(通信速率小于等于1Mbps)和ISO/DIS(通信速率小于等于125Kbps)CANopen協(xié)議5，CAN協(xié)議被國際標準化組畢業(yè)設計緒論-3-織承認，進一步促進了CAN總線在各種測控領域中的應用。總的說來，CAN總線有強大的生命力，作為剛剛在國內興起的技術手段，它將隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，以其獨到之處，成為現(xiàn)場測控網絡，乃至更廣范圍內控制網絡的明智選擇。在我國工業(yè)控制系統(tǒng)，低端設備的控制系統(tǒng)，大多是分散式的，各測控點之間不能溝通，由操作人員來控制其協(xié)調工作，效率十分低下；中端設備大多為集中式控制系統(tǒng)控制，但是一旦主機出現(xiàn)故障，就會造成整個控制回路癱瘓。在這種應用弊端下，現(xiàn)場總線的出現(xiàn)和廣泛應用就可以很好的解決這個問題。因此可以看出，現(xiàn)場總線的出現(xiàn)是順應了工業(yè)控制體系完善發(fā)展的趨勢的，具有良好的推廣價值和研究價值的我國的現(xiàn)場技術起步很晚，起點也較低，正處于現(xiàn)場總線技術的初級階段。我國現(xiàn)場總線的市場是巨大的，據(jù)估計近期可以達到2到3億美元，而其潛力更令國外開發(fā)商垂涎。面對國外各路總線正以迅猛之勢進軍中國，尤其是中國加入WTO之后，如果迎接挑戰(zhàn)，最大限度的跟上國際技術發(fā)展的步伐，積極吸收和引進國外現(xiàn)場總線的先進技術和管理經驗，是急需解決的問題。在已過去的六七年里，CAN總線技術的應用水平得以不斷提高，我國工業(yè)自動化水平也有很大發(fā)展。CAN總線技術必然會隨著現(xiàn)場總線時代的到來以及我國不斷的經濟改革以及市場開放的巨大需求而得以更加深入的理解和更為廣泛的應用。本文主要工作本文將對CAN總線的特點、CAN總線通信協(xié)議及CAN支持器件進行系統(tǒng)地闡述。然后根據(jù)測控系統(tǒng)的特點，給出基于CAN總線測控網絡的總體設計方案、系統(tǒng)結構。接著根據(jù)系統(tǒng)的實際需要，主要設計PC機通信適配卡和智能節(jié)點。對適配卡和測控節(jié)點的功能模塊組成，各個模塊的工作原理、硬件設計、軟件設計以及他們的實現(xiàn)方法，進行了較為深入的探討和詳細的論述。畢業(yè)設計1CAN總線的技術規(guī)范及結構-4-1.CAN總線的技術規(guī)范及結構1.1CAN總線的概述及特點控制器局域網CAN（ControllerAreaNetwork），是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，最初由德國Bosch公司80年代用于汽車內部測試和控制儀器之間的數(shù)據(jù)通信。由于其卓越的性能，極高的可靠性，獨特靈活的設計和低廉的價格，現(xiàn)已廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場控制、智能大廈、小區(qū)安防、交通工具、醫(yī)療儀器、環(huán)境監(jiān)控等眾多領域。目前，許多數(shù)字化分布式測控系統(tǒng)都是基于RS-485網絡構建的，這種基于RS-485網絡的分布式測控系統(tǒng)由于具有結構簡單、抗干擾能力強、傳輸距離遠、成本低等優(yōu)點，而被廣泛應用于各種實時分布式測控現(xiàn)場。但在構建復雜并且存在強干擾的實時測控網絡時，必須保證系統(tǒng)具有良好的可靠性、抗干擾性和實時性，以及足夠的通信距離。而RS-485本身具有諸多缺點，不能給出良好的解決辦法。RS-485僅僅是一種半雙工式通信的電氣協(xié)議，其通信介質為雙絞線，信號在傳輸?shù)碾p絞線上呈現(xiàn)一對相異的電平信號。由RS-485構成的分布式測控系統(tǒng)，任何時候，只能允許一個節(jié)點向網絡系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中每一個節(jié)點的RS-485驅動器都有一個發(fā)送使能端DE。DE的作用是驅動器在發(fā)送數(shù)據(jù)時，控制該發(fā)送單元有效，使其向網絡中的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，則禁止驅動器的發(fā)送單元工作，使其處于高阻狀態(tài)，從而影響網絡中的數(shù)據(jù)傳輸。如果發(fā)生故障，出現(xiàn)幾個節(jié)點同時向網絡發(fā)送數(shù)據(jù)，使整個網絡回路呈現(xiàn)短路狀態(tài)，最終損壞其節(jié)點的驅動器。如果網絡中的節(jié)點太多，超過了RS-485驅動器的負載能力，或者各節(jié)點之間的距離大于RS-485規(guī)定的距離，則必須使用中繼器來增加網絡中的節(jié)點數(shù)或延長各節(jié)點之間的距離。由于RS-485只是一種電氣協(xié)議，它本身并未提供可靠高效的通信協(xié)議的實現(xiàn)，加之這種網絡的工作方式是命令響應型，因此，為了保證數(shù)據(jù)通信的準確性和系統(tǒng)運行的可靠性，就必須編制完善的調度程序和通信協(xié)議，這就增加了系統(tǒng)開發(fā)的難度和開發(fā)周期。對于這些問題，RS-485網絡本身無法給出良好的解決辦法。而新興的CAN總線技術則使這些問題得到了較好的解決，CAN具有一系列的優(yōu)點如下:（1）廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，取而代之對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼，采用這種方法可使網絡內節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，可實現(xiàn)多主工作方式，數(shù)據(jù)收發(fā)方式靈活，可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等多種傳輸方式；可將DCS結構中主機的常規(guī)測試與控制功能分散到各個智能節(jié)點，節(jié)點控制器把采集到的數(shù)據(jù)通過CAN適配器發(fā)送到總線，或者向總線申請數(shù)據(jù)，主機便從原來繁重的底層設備監(jiān)控任務中解放出來，進行更高層次的控制和管理功能，比如故障診斷、優(yōu)化協(xié)調等；（2）提供高速數(shù)據(jù)傳送，在短距離(40m)條件下具有高速(1Mbit/s)數(shù)據(jù)傳輸能力，畢業(yè)設計1CAN總線的技術規(guī)范及結構-5-而在最大距離10000m時具有低速(5kbits/s)傳輸能力，極適合在高速的工業(yè)應用上；（3）采用非破壞性基于優(yōu)先權的總線仲裁技術，具有暫時錯誤和永久性故障節(jié)點的判別及故障節(jié)點的自動脫離功能，使系統(tǒng)其它節(jié)點的通信不受影響；同時CAN具有出錯幀自動重發(fā)功能，可靠性高；（4）信號傳輸用短幀結構（8字節(jié)），可滿足通常工業(yè)領域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8個字節(jié)不會占用總線時間過長，實時性好；（5）不關閉總線即可任意掛接或拆除節(jié)點，增強了系統(tǒng)的靈活性和可擴展性；（6）采用統(tǒng)一的標準和規(guī)范，使各設備之間具有較好的互操作性和互換性，并可在同一網絡上連接多種不同功能的傳感器（如位置、溫度或壓力等），系統(tǒng)的通用性好；（7）通訊介質可采用雙絞線，無特殊要求；現(xiàn)場布線和安裝簡單，易于維護，經濟性好?？傊珻AN總