j ：拇人學(xué)壩 ：研究生論立 捎器 數(shù)據(jù)通信是工業(yè)測控網(wǎng)絡(luò)的獲鍵技術(shù)，隨著當前用微處理褥技術(shù)窳現(xiàn)過 程控制以及智能傳感器的發(fā)展，褥要實現(xiàn)王業(yè)過程現(xiàn)場儀表和控制系統(tǒng)之間 的全數(shù)字化、雙向、多站點的串行通信網(wǎng)絡(luò)，遮就形成了現(xiàn)場總線?，F(xiàn)場總 線不僅僅楚一種邋信技術(shù)，它是爆毅一代的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)的 分布式控制系統(tǒng)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 ) ，實現(xiàn)現(xiàn)場總線通信網(wǎng)絡(luò)與 控制系統(tǒng)的集成。 乍者農(nóng)基于c a n 總線的基破上對支持多主多從和主多 從的現(xiàn)場總線測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行了深入的研究。本課題受山東省教委的資 助。 本文首先介紹了現(xiàn)場總線原理和現(xiàn)狀以及c a n 技術(shù)規(guī)范和控制器件原 蠖，繪出了基于c a n 現(xiàn)場總線梅成的工業(yè)測掇網(wǎng)絡(luò)的總體設(shè)計方案、系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)、工作原理。該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可實現(xiàn)多個主節(jié)點和多個從節(jié)點的數(shù)據(jù)通信與 信息共享。 其次，作者詳細設(shè)計并實現(xiàn)了c a n 總線現(xiàn)場測控裝置和p c 總線c a n 邋醒器的嬡 牛系統(tǒng)，繪如了詳細的線路服理、技術(shù)指標稠使髑說明，勢在設(shè) 計中采取了抗干擾措施。 霉次， 乍者提蹬了鬣向應(yīng)鼴殿的c a n 總線鼴絡(luò)邋傣協(xié)議b + + ，赫依據(jù) 該協(xié)議開發(fā)了主節(jié)點和從節(jié)點的通信軟件，實現(xiàn)了基予c a n 總線網(wǎng)絡(luò)通信 功能；采孀中斷技術(shù)設(shè)計了從節(jié)點測控軟件的控制結(jié)構(gòu)，為不同的應(yīng)用環(huán)境 提供了編程模型，具有_ 陂用程序獨立性_ 的特點。 最后，l 乍者農(nóng)分板和討論改避的p i d 控制冀法秘實用蛉參數(shù)整定方法的 基礎(chǔ)上，宓現(xiàn)了藻于c a n 總線測控網(wǎng)絡(luò)的工稔應(yīng)用實例，即乳膠制齲生產(chǎn) 線計算極控辜4 系統(tǒng)。 實例證明，本文提出并實現(xiàn)的基于c a n 總線的測撩網(wǎng)絡(luò)綜合了a i 、a o 、 d i 、d o 鑄多耱功能，其技術(shù)指標完全終合系統(tǒng)的設(shè)計要求，既適用予數(shù)握 采集，又適用于控制場合，可方便的構(gòu)成現(xiàn)場總線多主從分散型測控網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng)。 關(guān)鍵湄：現(xiàn)場總線；c a n ：控制網(wǎng)絡(luò)；遭僚協(xié)議；計算機控制系絞 第| 頁 ：海大學(xué)碩士研究生論支 a b s t r a c t d a t ac o m m u n i c a t i o ni st h ec r u c i a lt e c h n i q u eo fi n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h em i e f o d r o e e s s o r s c o n t r o lo ft h ep r o c e s sa n dt h ei n t e l l i g e n t t r a n s d u c e r s ，t h er e a l i z a t i o no ft h ea l l - d a t a 。b i 。d i r e c t i o n a l ，a n dm u l t i s t a t i o n s e r i a lc o m m u n i e a t i o n sn e t w o r k sb e t w e e nt h ee q u i p m e n t sd u r i n gt h ei n d u s t r i a l p r o c e s sa n d t h ec o n t r o ls y s t e mi su n d e rg r e a tr e q u i r e m e n t ，w h i c hr e s u l t si 1 1t h e f o r m a t i o no ff i e l d b u s f i e l d b u si sn o to n l yt h ec o m m u n i c a t i o n st e c h n i q u e b u ti t i sa l s ot h er e p l a c e m e n to ft h et r a d i t i o n a ld c sb yt h en e wb u s f i e l d c o n t r o l l e d s y s t e ma n dt h ei n t e r g r a t i o no f t h eb u s f i e l dc o m m u n i c a t i o n sn e ta n dt h ec o n t r o l s y s t e m t h ew r i t e rm a k e sac a r e f u ls t u d yo ft h ef i e t d b u s - c o n t r o l l e dn e tw h i c h s u p p o r t i n g m u l t i m a s t e r - a n d m u l t i - s l a v en o d e sa n d m u l t i m a s t e r a n d s i n g l e s l a v e n o d e sb a s e do nc a nb u s t h i st a s ki s b e i n g s p o n s o r e db ys h a n d o n g e d u c a t i o nc o m m i s s i o n ， f i r s t l y , w ea r ea c k n o w l e d g e di nt h ea r t i c l et h 鑫tt h ep r i n c i p l ea n dt h ec u r r e n t s i t u a t i o no ft h ef i e l d b u s m e a n w h i l ew ea r ea w a r eo ft h eb a s i ct h e o r yo ft h e c o n t r o li n s t r u m e n t s t h ea r t i c l ea l s oc o v e r st h eg e n e r a ld e s i g ns c h e m e ，s t r u c t u r e f c a t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ec o n t r o ln e tb a s e do nc a nb u s f i e t d ，w h i c h i sa b l et or e a l i z et h ed a t ac o m m u n i c a t i o n sa n di n f o r m a t i o n s h a r i n g o f m u l t i m a s t e rn o d e sa n dm u l t i s l a v en o d e s s e c o n d l y , t h ew r i t e rs u c c e e d sd e s i g n i n gt h ec a n b u s f i e l dc o n t r o li n s t r u m e n t s a n dt h eh a r d w a r eo fc a na d a p t o r s w i t ht h en e t t i n e p r i n c i l b l e ，t e c h n i q u e s t a n d a r d sa n di n s t r u c t i o n si nd e t a i l f u r t h e r m o r e ，t h em e a s u r eo f i n t e f e r e n c e - p r o o f h a sb e e nt a k e nb y h i m t h i r d l y , t h e w r i t e rm a k e san e wp r o p o s a lo fu s e r o r i e n t e dc a nb u s f i e l d c o m m u n i c a t i o n sp r o t o c o lb + + a n dd e v e l o p st h ec o m m u n i c a t i o n ss o f t w a r eo f m a s t e rn o d e sa n ds l a v en o d e si na c c o r d a n c ew i t ht h ep r o t o c o lm e n t i o n e da b o v e 。 h er e a l i z e st h e 純n c t i o no fn e t w o r k s c o m m u n i c a t i o n sb a s e do nc a nb u s f i e l da s w e l l b e s i d e s ，t h ew r i t e rd e s i g n st h ec o n t r o ls t r u c t u r ea d o p t i n gt h ei n t e r f e r c n c e t e c h n i q u e w h i c h p r o v i d e sr e l e v a n tp r o g r a m m i n g m o d e l so nd i f f e r e n to c c a s i o n s l a s t ，t h ew r i t e rr e a l i z e st h ep r a c t i c a lu s e o ft h el a t e x p r o d u c t i o n l i n ea f t e r a n a l y z i n ga n dd i s c u s s i n gt h ei m p r o v e dp i dc o n t r o la r i t h m e t i ca n d t h ea p p l i e d m e t h o do f p a r a m e t e ra d j u s t m e n t 第1 i 貳 上海大學(xué)頂： 研究生論立 i tp r o v e st h a tt h ec o n t r o ln e t ，w h o s et e c h n i c a li n d e xm e e t sa l lt h er e q u i r e m e n t s ， a n dg a i n sq u i t eaf e wf u n c t i o n ss u c ha sa i ，a o ，d i ，d oe t c t h u s ，i ta p p l i e st o n o tj u s tt h ed a t ac o l l e c t i o nb u ta l s ot h ef i e l dc o n t r o l l i n g d c sc a nb ee a s i l y a c h i e v e df r o mt h i s k e y w o r d s ： f i e l d b u s ，c a n ，c o n t r o ln e t ，c o m m u n i c a t i o n sp r o t o c o l ，c o m p u t e rc o n t r o l s y s t e m 第1 1 頁 ：海大學(xué)碩士研究生論立 原創(chuàng)性聲明 本人聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工 作。除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他 人已發(fā)表或撰寫過的研究成果。參與同一工作的其他同志對本研 究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 簽名：瑪鋤 日期：蘭竺竺三：! 本論文使用授權(quán)說明 本人完全了解上海大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留論文 及送交論文復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱：學(xué)校可以公布論文的全部或部分內(nèi)容。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 簽名三生勱 翮簽名：土墮日期：塑! 墜! 第1 i 頁 海大學(xué)碩 講究生論立 第一章現(xiàn)場總線 1 1 現(xiàn)場總線的定義和特征 5 0 年囂，過稷控制系統(tǒng)基于3 1 5 p s i 氣動梅準售弩。6 0 至7 0 年弋發(fā)展 了4 2 0 m a ( d c ) 信號標準，贏到現(xiàn)在仍在使用。進入8 0 年代以來，用微處 遴器技本實現(xiàn)過程控裁以及罄簸捷感爨戇發(fā)篪，導(dǎo)致籬要薅數(shù)字售弩取戲 4 2 0 m a ( d c ) 模擬信號，實現(xiàn)工業(yè)過程現(xiàn)場儀表和控制系統(tǒng)之間的全數(shù)字 純、雙囊、多站燕黲事行逶售爨絡(luò)，這簸形戒了瑤場憨線。 顧名恩義，現(xiàn)場總線應(yīng)當燃應(yīng)用程生產(chǎn)最底層的一種總線型拓撲的網(wǎng) 絡(luò)。遂一爹漤，這耱總線是鼴敲璦場控剃系統(tǒng)豹、壹臻與囂鴦愛控節(jié)點率囂 相連的通信網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)國際電工委員會i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o e c h n i c a l c o m m i s i o n ) 標撞幫凌強總線基金會f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 酌定義：現(xiàn)場總 線是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通 僚麗絡(luò)?，F(xiàn)場總絞不僅僅是一釋逶信援術(shù)，它麓用新一代的聰場總線控案l 系 統(tǒng)代替了傳統(tǒng)的分布型控制系統(tǒng)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 ) ，實現(xiàn)現(xiàn)場 總線通信闞絡(luò)與禳鋪系統(tǒng)的集成。 工業(yè)自動化控制的現(xiàn)場范圍可以從一臺用電設(shè)備到一個率間、一個工 廠，受控設(shè)備和潮絡(luò)所她的環(huán)境可能很特殊，對信號的干擾往往是多方面的， 而控制的要求必須是實時性很強，這就決定了現(xiàn)場總線有別于般網(wǎng)絡(luò)的特 點。 。2 現(xiàn)場總線戇搭系縫擒 現(xiàn)場總線其艦?zāi)?yīng)屬于局域網(wǎng)、總線型結(jié)構(gòu)。它要傳輸?shù)男畔级绦。?簧求實時往綴強、可靠筏高( 潮絡(luò)層次少，信惑頓短小有翻予提高實耩寸性和 降低受干擾的概率) 。然而現(xiàn)場的環(huán)境干擾因豢眾多，有些很強烈且?guī)话l(fā) 襤，這些都決定了現(xiàn)場總線必纈有自己的特色。 現(xiàn)場總線體系結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)在以下六個方蕊： ( 1 ) 現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò) 現(xiàn)場總線把通信一贏延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場或生產(chǎn)設(shè)備，用于過程自動化和制 邈自動化的現(xiàn)場設(shè)備以及現(xiàn)場儀表互聯(lián)的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，如圖1 1 所示，該 圈代表tf f 現(xiàn)場總線控焦i 系絞的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 囂 甄 上海大學(xué)碩士研究生論芷 i 2 _ 緩場設(shè)備 墅1 1 毅一代f c s 控制層 ( 2 ) 現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián) 現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場儀襲是指變送器、執(zhí)行器、服務(wù)器和網(wǎng)橋、輔助設(shè)備、 懿控設(shè)備籌，這麓設(shè)備邋過一辯悖輸線互聯(lián)( 覓囂1 1 ) ，健輸線可鑊掰雙絞 線、同軸電纜、光纖和電源線等。 ( 3 ) 互搡 帛性 現(xiàn)場設(shè)備或儀表種必繁多，不同廠商產(chǎn)品的交互工作與互換是不可避免 的。蠲戶希望選用各廠商性能價格比最優(yōu)豹產(chǎn)品集成在一起，實現(xiàn)“即接酃 用”。并對不同品牌的現(xiàn)場設(shè)備統(tǒng)緞恣，構(gòu)成他所需要的控制回路，這就 怒現(xiàn)場總線設(shè)備亙操作往的含義?，F(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)是基本要求，只有實現(xiàn)互揲 作性，用戶才能自由地集成f c s 。 ( 4 ) 分散功能塊 f c s 廢棄了d c s 的輸入輸出單元和控甓站，把d c s 控制站螅功能塊 分散地分配給現(xiàn)場儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站。由于功能分散在多臺現(xiàn)場儀 襲中，并霹統(tǒng)一繾態(tài)，供鼴戶靈活選用餐手中功能塊，構(gòu)成所懿控制系統(tǒng)實臻 第2 甄 卜海人學(xué)碩t 研究生論芷 徹底的分散控制。 ( 5 ) 透信線供電 通信線供電方式允諮現(xiàn)場儀表直接從通信線上攝取能量，這種方式提供 用于本質(zhì)安金環(huán)境的低功疑現(xiàn)場儀表，與其配套的還鴦安全援。許多生產(chǎn)璦 場有可燃性物質(zhì)，所有現(xiàn)場設(shè)備必須嚴格遵守豢全防爆標準，現(xiàn)場總線設(shè)備 戡不鍘終。 ( 6 ) 開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) 璦場憨線麓開放式囊聯(lián)鼴終，疑霹與疑層蠲絡(luò)互聯(lián)，遣霹與不弱鼷霹絡(luò) 互聯(lián)。開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)避體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫共鬻，通過網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場設(shè)鑄和功 筑塊統(tǒng)一綴態(tài)，傻不舄廠褻豹爨絡(luò)及設(shè)蠶融為體，攙殘繞一簸f c s ，翅蠶 1 1 所示。 1 3 現(xiàn)場總線的發(fā)袋舄王霓狀 2 0 世紀8 0 年代中嘏現(xiàn)場總線技術(shù)孝開始形成積發(fā)凝，在十幾年的時越中 出現(xiàn)了好幾種走向成熟并且得到逐步推廣應(yīng)用的現(xiàn)場總線如基金會現(xiàn)場總 線、l o n w o r k s 、p r o f i b u s 、h a r t 、c a n 等。 現(xiàn)場總線既商層次麓別，又有行業(yè)采由，更有相關(guān)企業(yè)的甌大商業(yè)利益， 霹恕統(tǒng)一霪際撂難決 荔事。姨囂蘩漿舞凝看，工業(yè)上還沒鴦一耪瑰場總線 能覆蓋所有的應(yīng)用面。完成制定國際標準的進廢，由于情況復(fù)雜而將比預(yù)計 戇要浸褥多，困妲，多秘現(xiàn)場慧縫共存熬弱瑟凌持續(xù)緞長囂瓣。 1 。4 問題的提出 在設(shè)計一個工業(yè)控制系統(tǒng)時。通常有4 種選輯，如圖1 2 p 5 示。四種系統(tǒng)的 部分性黢對比如下表所承。 4 種控制系統(tǒng)性能對比襲 對陡p c + f i e l d b u sd c sp c + p l cp c + s l c 拄制能力 開放性0 - 1 o 適應(yīng)性o 機柜搜電纜o0o 現(xiàn)場披襲諺齲ooo 使用實踐時間- 設(shè)備、材料施工時聞0- 注；表率代表饒，o 代表劣 第3 甄 f ：?；饘W(xué)碩研究生論安 吁蔣 i 一+ i ( b ) ：s c ) n + p j c ( d ) p e * s t e 圈1 。2 四種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 由表巾可見，采用開放的軟件及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)豐寓、價格低廉的p c 機加上現(xiàn) 場總線技術(shù)構(gòu)成的系統(tǒng)其有經(jīng)能好而價格低的優(yōu)點，將在今意豹競爭幣逐多 取得更大的優(yōu)勢。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的優(yōu)越性怒無可鷺疑的，它的核心是現(xiàn) 場總線，現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)，將使傳統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)產(chǎn)生革命性的變革。 本課題是山東省教婁的資助項目，鯉的是跟蹤國際現(xiàn)場總線技術(shù)，開發(fā) 邋合我國國情的現(xiàn)場總線產(chǎn)品，即研制現(xiàn)場總線現(xiàn)場智能測控裝置和現(xiàn)場總 線智能道訊適配囂，提出沒詩c a n 總線遇信協(xié)議的毅思路，能夠組成現(xiàn)場總 線f c s ，究成主站與主站、主站與從站闡的通訊及資源共享。 繁4 曩 上海太學(xué)碩= b 研究生論奠 第二章基于c a n 現(xiàn)場總線的計算楓控制網(wǎng)終 2 。1c a n 簡介 2 1 1 控制器局部網(wǎng)( c a n ) 控毒器屑部躅( c o 瓣r o l | e r a r e a n e t w o 瘦一c a k 灝予瑗場總線戇范疇， 它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串彳予通信網(wǎng)絡(luò)。c a n 現(xiàn)場總線 最初是由德國的b o s c h 公司為汽車的鼗測控制系統(tǒng)兩設(shè)計的。凌于c a n 現(xiàn) 場總線有卓越的特性和極高的可靠性，特別適含工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連， 因此越來越受到工業(yè)界的重視，并被公認為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之， 藏瓷一釋藏際標壤( i s o 1 8 9 8 ) 。 c a n 現(xiàn)場總線是一個多主總線，各節(jié)點都有權(quán)向其它節(jié)點發(fā)送信息。通 壤余震以是雙絞線、疑驤電纜或光繹，其圭要特點蠢： ( 1 ) 通信速率為5 k b p s 1 0 k i n 、1 m b p s 4 0 m ，節(jié)點數(shù)1 1 0 個，每個節(jié)點 均可主動傳輸，遇信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。 ( 2 ) 采用患對點全鼴廣播笈送接投數(shù)據(jù)。 ( 3 ) 可實現(xiàn)全分布式多機系統(tǒng)，且冤主從機之分，每點均可主動發(fā)送報 文，可方便縫褥箴多爨備份系統(tǒng)。 ( 4 ) 采用非破壞性總線優(yōu)先級仲裁技術(shù)，當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)上發(fā)送信 患時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止發(fā)送數(shù)據(jù)。 ( 5 ) 撩四種報文幀：數(shù)據(jù)幀、遠程幀、出錯幀、超載幀。采用短幀結(jié)構(gòu)， 傳送時間短、受干擾概率低。 ( 6 ) 采嗣c r c 校驗及其鐫狡驗措施，傈瀵了投低漿?；菟腈^率。 ( 7 ) 縣有自幼關(guān)閉功能，當接點錯誤嚴重時。自動切斷與總線的聯(lián)系， 隧不影嘲憨線戇王終。 本文采用c a n 現(xiàn)場總線技術(shù)，設(shè)計和實現(xiàn)了現(xiàn)場總線測羧網(wǎng)絡(luò)。相信 c a n 現(xiàn)場總線技術(shù)日l 入我國工業(yè)界后，一定會繪廣大用戶帶來極大的便剝與 好處，并把國內(nèi)的現(xiàn)場簸控技術(shù)提高到個薪的水平。 2 。1 。2c a n 現(xiàn)場憨線原撰 c a n 怒一種審行通信協(xié)議，宦可以非常有效地構(gòu)成分布式實時過程檢測 與控制系統(tǒng)，勢強有非常高的可靠性。c a n 總線擐范搬定了任意兩個c a n 節(jié) 贏之滴酌滾容性，包括毫氣特性及數(shù)據(jù)解釋協(xié)議，為絳汪設(shè)計往蕊酶透明注 及執(zhí)行的靈活性，c a n 協(xié)議劃分為不同屢次：目標層、傳輸層、物理屈。目 搽層幫轉(zhuǎn)轆垂寵袋所鴦鞭務(wù)羈i s 0 0 s i 摸壟定義夔數(shù)糖鏈黲鼷懿功熊，c a n 節(jié)點的分層結(jié)構(gòu)如圖2 1 所示。 舔5 受 上海大學(xué)碩士研究生論奠 應(yīng)瑟瑟 目標層： 掇文濾波 搬文和狀態(tài)處理 傳輸鼷： 簸障界定 出錯檢測和信令 撳文確認 應(yīng)答 仲裁 搬文分犢 佑輸速率和定時 物理層： 倍號電平和位表示 傳輸媒體 閣2 1c a n 節(jié)點的分鼴結(jié)構(gòu) 目標層豹功熊包括；尋我被發(fā)送靜綴文，確定通邋傳輸艨接收韻撮文實 際被使用以及提供與硬件有關(guān)的接口；襁定義目標處理時，存在許多靈活性。 镥輸層豹凌戇主袈是傳邀怒裂，夯鄯控粼犢結(jié)梭、撬行 孛裁、錘誤援測、窶 錯標定、故障界定。傳輸層也要確定為開始一次新的發(fā)送，總線是否汗放或 茲是否馬上開始接收。餓定時特性也被俘先傳轅層的一部分。傳輸層特性不 存在修改的靈活性。物理層的范圍是有關(guān)全部電氣特傲及不同節(jié)點之間位的 實際傳送。自然，在一個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，物理層對于所有節(jié)點必須是相同的，然而， 程選擇物理層對存在穰大的靈滔往。 2 ，2c a n 總線的硬鋒實現(xiàn)技術(shù) 2 。2 。 c 焱n 控制器s 毒a 0 0 0 c a n 控制器8 2 c 2 0 0 s j a l 0 0 0 是p h i l i p s 公司生產(chǎn)的一種獨立c a n 控制 器，它霹逶過并程總線您套穢c p u 接口，篷括i n t e l 方式( 8 0 c 3 1 、8 9 c 5 l 、 8 0 c 1 9 6 等) 和m o t o r o l a 方式( 如6 8 h c 0 8 、6 8 h c l l 、6 8 h c l 6 簿) 。其主要特 性如下： ( 1 ) 支持c a n 總線鞠物理簇和數(shù)攢鏈路層舶所有功能。 ( 2 ) 多主機結(jié)構(gòu)，稍總線訪問優(yōu)先權(quán)( 取決于報文標示符，可多瓢2 0 3 2 耱) ，著麓確保藏撬寵輟綴文熬簿銬辯閹。 ( 3 ) 可與備種類型的微控制器接口，并行總線可設(shè)鬣成i n t e l 或 m o t o r o l 8 方式。 甓# 夏 e 海大學(xué)碩士研究生論芷 ( 4 ) 傳送速率可程羧( 最高為1 m b p s ) ，并有可程控時鐘輸出。 ( 5 ) 肖成組和廣播撒文功能，并有強有力的錯誤處理能力。 ( 6 ) 霹設(shè)置輸密驅(qū)葫器結(jié)構(gòu)。 ( 7 ) 2 8 腳雙列直插成小型襲面封裝。 圖2 2 中a d ，a 跣為多鼴地蛙數(shù)撂總線，a l e 、r d 、w r 、c s 為避繾鎂存、 讀、寫、片選信母，i n t 為中斷輸出，r s t 為復(fù)位輸入，m o d e 選擇i n t e l 方 式( 接v d d ) 或m o t o r o l 8 方式( v s s ) ，x t a l l 、x t a l 2 為振蕩器輸入輸出， r x o 、r x l 、為c a n 總線黧s j a l 0 0 0 豹輸畿端，t x o 、t x l 、為s j a i 0 0 0 蓬c a n 總線的輸出端。s j a l 0 0 0 的引腳圖如圖2 3 所示。 c a n 控裁器對勢部徽控裁爨( c p u ) 寒漤，是令存簇器浚象豹i o 設(shè) 備。其典濺的內(nèi)部寄存器結(jié)構(gòu)如圖2 4 所示。 圖2 2s j a l 0 0 0 功能檄圖圖2 3s j a l 0 0 0 引腳圖 由圍2 4 可以看出，c a n 寄存器分三部分：控制段、發(fā)送緩沖區(qū)、接收 緩 串區(qū)，其中控制段棗c p u 填入發(fā)送緩沖區(qū)并瘺動發(fā)送，恧接收到竣數(shù)據(jù)被 放在接收緩沖區(qū)中。發(fā)送緩沖區(qū)有兩個，對于c p u 而言兩者的她址是繃同的。 當c p u 讀椒一個緩沖區(qū)時，另一個可同時在接收數(shù)據(jù)，兩者交替工作。 控鑭段寄存器的基本功能裔： ( 1 )控制寄存器( c o n t r o l ) ：控制中斷、復(fù)位及同步方式。 ( 2 ) 念令毒毒器( c o m m a n d ) ：矮來耱裁發(fā)送、終生發(fā)送、緩瀠區(qū)釋放、 清除過載狀態(tài)、睡眠及啖醒和接收方式。 ( 3 ) 狀態(tài)寄存器( s t a t u s ) ：指示c a n 控制囂的當?shù)骞ぷ鳡顟B(tài)，包擺接收 緩沖區(qū)狀態(tài)，數(shù)據(jù)是否溢出、發(fā)送緩沖區(qū)狀態(tài)、發(fā)送是否結(jié)束、接 收是否藏在進行、錯誤狀態(tài)及總線是否* 閉。 4 )中戮寄存器( i n t e r r u p t ) ：指示各中戮源獲憊，包括接收中叛、蓑 繭7 璇 ：鼉!：=鼉 上海夫?qū)W碩士研究生論史 遴中斷、密錯中斷、溢滋中斷、喚醒中顴。 ( 5 ) 接收代碼寄存器( a c c e p t a n c ec o d e ) ：用于接收幀識別的代碼。 ( 6 ) 羧渡屏蔽鬻存囂( a c c e p t a n c em a s k ) ：砉薨弱對應(yīng)接浚代碼載餐些短 參與接收幀識別。 ( 7 ) 總線定時寄存囂( b u st i m i n g0 及b u st i m i n g1 ) ：用于設(shè)霉通信 漾率、同步參數(shù)及采樣次數(shù)。 ( 8 )輸出控制寄存器( o u t p u tc o n t r o l ) ：用來控制發(fā)送器的工作方式。 ( 9 )溪試寄移器( 筏s 彳) ：儀瘸子蕊片內(nèi)部爨試。 0 p e # l t i n gm o d er e $ 盯m o d e # o m e n t b u 5i i r r d i w 0b u e t m l r g j0 ”h )b l * t i n i 呻1 1 d 1 ”m 日r 1 0 1 0 ” 1 1 ： r ￥幢l ，3 a 辯2由辨* 2+ # # 袖 1 4d j b m $ 1cd o bb v 4群 e ?d m 0 啪e 1 ed b m ?- f f h + 1 9 如 拈i , t i f l ；, r 伸“ 矗k f 姍 r 幢b 0 挫d j b m ld n b l ) y ”1 d m ab e 1 2 d a nb y t e 2由b 葉k j甜a 瞬t e2d a i ab 討i t 4d a t ab y 皓3槲8 峙k3d a t ab y t e ：# b b 海4刪0 抽h4d o b 晰4 2 ed o n b y t e5韻t a 葉* ed a b n 艫d a b y t e - 帥bb y * 0 d d bb e 7，d 3 臥l e ， d a l a b 7 7 二# 采3 h * $ 婚f f 攤 0 ， 圈2 4c a n 控制器的內(nèi)部爨存器終毒奄 2 。2 。2c a n 收發(fā)囂8 2 c 2 5 0 8 2 c 2 5 0 是c a n 控制器和物璐總線間的接口，它最初為汽翠高速邋信( 最 越達1 m b p s ) 應(yīng)耀設(shè)計，該器傳可以提供對總線的差動發(fā)送能力和對c a n 控 制器的豢動接收能力。8 2 c 2 5 0 的主要特性如f ： ( 1 )與i s 0 11 8 9 8 標準完全兼容； ( 2 ) 離速( 竣褰這1 m b p s ) ： ( 3 )具有抗環(huán)境的瞬間干擾，保護總線能力； ( 4 ) 降爨射頻手撬瓣毅率羧鍘； 第8 炎 上海太學(xué)碩士研究生論立 ( 5 ) 低電流待機方式： ( 6 ) 萊一個節(jié)點掉電不會影響總線； ( 7 ) 胃騫1 1 0 令節(jié)患裎連菝 ( 8 )帶有c a n 總線麓動接收器和差動驅(qū)動器。 8 2 c 2 5 0 約殛件結(jié)搦及功戇如圖2 。骶示。 8 2 c 2 5 0 的備引腳及功能如圖2 6 所示。 燕2 ，58 2 c 2 5 0 夔襞僚結(jié)褥及功能鬃霾 s y 赫8 0 lp l k豁s e 強酣l o 瓣 t x d1i r n n s r n l td o t oi n p u t g n d2 g r o u r i ( 1 v c e 0 s u p p l yv o l l o g e r x d d r e c e i v ed 3 t oo u t p l i | v 塒 5r e f e r e l v = ev o l t a g eo u t p u t c a h l$l o w - l e v e lc a n v o l t 3 9 e n p u u o u t p u t e a n h7h i g h - l e v e lc a n v o l k l g e i n p u 旬h 辯瀵 r s8 s l o p er e s i s t o ri n l ) u t t x d g n d v c c f 0 鷲2 。68 2 c 2 5 0 熬弓l 辯笈凌栽鬣 第9 弧 r s e 列鞋 c a n l l 海太學(xué)碩士研究生論立 2 。3c a n 總線測控網(wǎng)絡(luò)的總體方案 2 。3 1 慧侮方寨戇主要離容 采用現(xiàn)場總線和微機控制技術(shù)，研制現(xiàn)場總線d c s 的智能通訊灞配器 裁現(xiàn)矮智裁 l | l | 控裝霉，馥餒緩殘蕊弱總線d c s ，競殘系統(tǒng)中主妻蠢與主髓、主 站與從站憫的通訊及資源茫享。 ( 1 ) 瑗場總線d c s 逶添鼓本磅究 通過研制的幫能通訊適配器，采用總線型拓撲結(jié)構(gòu)，把現(xiàn)場總線d c s 中主沾和從站( 即現(xiàn)場鐨能測控裝置) 匿連起來，并按現(xiàn)場總線的物理層、 數(shù)據(jù)鏈躊聯(lián)、應(yīng)麓層、麓戶層協(xié)議，實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。 ( 2 ) 現(xiàn)場智能測控裝置研究 或場怨綾d c s 戇茲璇為瑗場瞽戇瓣控裝麓，它鴦模掇鱟輸入、攘藩量 輸出、開獲量輸入、開頭量輸出、智能通訊接陰、c p u 及i o 接口等部分 緦成，配合相應(yīng)馳軟件，實現(xiàn)遇諼、數(shù)援采集、數(shù)據(jù)處理、接制輸出、報警 參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置等功能。 2 。3 。2 總體方案設(shè)計的主要技術(shù)指標 ( 1 ) 現(xiàn)場總線d c s 主站通訊適配器的主要技術(shù)指標 可遇主站數(shù)3 l ( 本文實避2 個) 可遣扶站數(shù)( 現(xiàn)場智能鍘控裝置) 3 1 ( 本文實連5 個) 通訊方式：半雙工串行通訊 逶港速率：3 1 2 5 耘曲s 傳輸距離：1 9 0 0 米( 不帶中繼器) 主站枧型：i b m p e 系列 ( 2 ) 現(xiàn)場智能測控裝置( 從站) 主鼴技術(shù)指標 模擬量輸入：1 6 通道1 2 位分辨搴，4 - 2 0 m a d c 輸入 模擬量輸澎：2 邋道 2 位分辨率，4 2 0 m a d c 輸密 開關(guān)璧輸入：4 路 開關(guān)譬羧爨：4 黲 通訊速率：3 1 2 5 k p b s ( 現(xiàn)場總線低速網(wǎng)絡(luò)標準) 通訊方式：半雙工串行通訊 傳輸距離：1 9 0 0 米( 不帶中繼器) ( 3 ) 現(xiàn)場總線d c s 的通訊 主站與主站之麓的逶聚功艇實我 主站與主站之間的通訊功能實現(xiàn) 2 。3 。3c a n 慧線測控網(wǎng)絡(luò)酌強撲結(jié)構(gòu)設(shè)計 我們采用c a n 現(xiàn)場總線技術(shù)，成功地實現(xiàn)多臺c a n 現(xiàn)場總線智能節(jié)點 鬻0 翼 上海大學(xué)碩士研究生論立 互連，開發(fā)出了一個開援結(jié)構(gòu)韻c a n 現(xiàn)場總線測控網(wǎng)絡(luò)，靜豳2 ，7 所示。 其中，m l 、m 2 、m p 為p 個主節(jié)點，s i 、8 i 、s q 為q 個從節(jié)點。 c a n 瑗場總線濺控弼終翁季蔞羚縫穆戈慧線壟，這一點舄b i t b u s ( 毯憨線) 、 r s 一4 8 5 總線相似，但又有本質(zhì)的區(qū)別。它與一般的網(wǎng)絡(luò)區(qū)別體現(xiàn)在：它是 一稽專門怒于工業(yè)自動化鎂域故弼絡(luò)，不冠予以太嬲簿管瑗及信息處理鼴 絡(luò)；箕物璇特性和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議特性疆強調(diào)工業(yè)自動化的底層監(jiān)測及控制；它采 用了最新的技術(shù)及獨特的設(shè)計，可靠性及性能邂高于已經(jīng)陳舊的通信技術(shù)， 翻r $ 4 8 5 、b i t b u s 等。 躅2 7c a n 現(xiàn)場總線測控網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu) 2 。3 。4c 焱n 墓線測接嘲絡(luò)的總體方案 我門設(shè)計的c a n 總線工業(yè)測控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2 8 所示。主站采用i b m p c 徽極( 或其兼容握) ，透過p c 慧線c a n 翳卡( 通傣逶配囂 與c a n 總 線相連，進行信息交換。因為c a n 總線網(wǎng)絡(luò)的最高速率為1 m b p s ，閡此， 傳輸介質(zhì)可采用雙絞線。從站采用自行設(shè)計的c a n 現(xiàn)場智能測控裝鼴，可 方便地構(gòu)成各種蕊場測羧系統(tǒng)。 圈2 8c a n 總線測控網(wǎng)終總體方案 第1 1 舞 上海大學(xué)碩士研究生論安 第三章c a n 總線測控網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計與實現(xiàn) 3 1 p c 總線智能c a n 通信遁配器的硬件設(shè)計與實現(xiàn) 3 1 1p c 總線智能c a n 通信道配卡的功能和特點 ( 1 ) p e 總線餐韙e a n 逶毽適醞卡躲功能 p c 總線智能c a n 通信適配卡是具有高性能價格比的c a n 總線網(wǎng)卡， 它使p c 機方便地連接到c a n 總線測按網(wǎng)上，該卡上贏性能的嵌入戲微處 理器8 0 c 1 8 8 極大地減輕了主p c 機的通訊負掇，而且可以運行用戶復(fù)雜的 通訊任務(wù)。智能c a n 通信適配卡上有高速雙1 2 1r a m ，童接映射到主機內(nèi)存 窆溺，實瑗c a n 每主懿p c 戇蕊速數(shù)攢交換。筠癸，智能c 熊逯露逶聚卡 上還帶有光電隔離，保護p c 機避免由于地環(huán)流的損壞，增強系統(tǒng)在惡劣環(huán) 壤中使用豹可靠瞧。 ( 2 ) p c 總線智能c a n 通信適配卡的特點 1 6 m h z8 0 c 1 8 8 嵌入式微處理器、1 6 m h zc a n 控制器 遴詆速率高達1 m b p s ； 雙口r a m 映射到系統(tǒng)生存空間，基地址可調(diào)； l e d 指示系繞狀態(tài)程c a n 接受發(fā)送狀態(tài)； 光電隔離，增強系統(tǒng)可靠性； 3 。，2 蟹熊c a n 遘馕逶聚卡載鞭轉(zhuǎn)設(shè)詩與實璇 p c 總線智能c a n 通信適配器是c a n 總線工業(yè)測控網(wǎng)絡(luò)的主要部分 厶 一 8 0 c 1 8 8 咂刊臻 7 4 l s 3 7 3 b u s 剖i 蘭p 6 2 2 5 6 c = = = d 節(jié)盎她蛙璦鬟電路| 2 7 2 5 6一： ：4 漩特率設(shè)鬻電睡 i 圈3 1p c 總線穩(wěn)能c a n 總線嘲卡原理結(jié)構(gòu)翻 它鮑性能直接影響羞系統(tǒng)敦工 乍晶質(zhì)。罄能c a n 遺傣適配髏使褥p c 枧方 饉地連接蜀c a n 總線上。具體電路懿構(gòu)如圖3 1 所豕。 ；整2 甄 上海太學(xué)碩j ：研究生論文 圖3 1 電路慕分為六大部分：雙口r a m 及其控制電路；中斷申請與控 制電路；凼8 0 c 1 8 8 微處理機、7 4 l s 3 7 3 鎖存器、3 2 k b 的r a m6 2 2 5 6 、3 2 k b 數(shù)e p r o m2 7 2 5 6 組藏靜主壤郝分；鑫s j a l 0 0 0 、光毫隔離毫貉、8 2 c 2 5 0 綴 成的c a n 控制器和c a n 總線接口電路；節(jié)點地址設(shè)髯電路；波特帑設(shè)置 電路。 p c 機與8 0 c 1 8 8 通過雙日r a m 控制電路對雙口r a m 進行操作。p c 機 對雙口r a m 采用內(nèi)存映象方式讀寫，當p c 機發(fā)送數(shù)據(jù)命令時，蕾先在 叛國r a m 空瓣狀態(tài)下，將數(shù)據(jù)命令霉入，然磊逶：i 童中舔控裁宅貉逶黧 8 0 c 1 8 8 微處理機，8 0 c 1 8 8 按照命令執(zhí)行相應(yīng)的操作。當8 0 c 1 8 8 接收到下 傻接點的數(shù)握余令時，在獲取雙日r a m 控剡投曩，將其寫入雙口r a m ， 稃通過中斷邏輯通知p c 機取走數(shù)據(jù)命令。 該方案使用雙口r a m ，壹接映射到主機內(nèi)存空間，實現(xiàn)了c a n 與p c 釩的高速數(shù)裾交換。男辨，由予采焉了8 0 c 1 8 8 徽處理輥，極大建減輕了p c 機的通信負擔，而且可以實現(xiàn)用戶復(fù)雜的通信任務(wù)。 c a n 接日戇定義蟄合c i a 標準，其鑫弓| 瓣匏功縫蟊下： l23456789 n cc a n lg n dn cn c ( g n d ) c a n h n c ( v c c ) 3 。1 。3p c 總線警縫c a n 灄傣遙凝卡懿磺 牛設(shè)鬈滋弱 ( 1 ) 中斷選擇i r q s 襲 短路器短路選擇相戚中斷。 ( 2 ) 逡蛙選耩a d d r s a 1 8 ，a 1 9 毽鴦l ，遴遵短鼴器霹戩選擇逶醞卡所占靂夔p c 基遙皺窆藏， 短路為0 ，開路為1 ，出廠設(shè)置為d 0 0 0 段。 ( 3 ) c a n 速率匹配選擇j s 若使用l m b p s ，應(yīng)將j s 短路。 ( 4 ) c a n 網(wǎng)絡(luò)終端匹配選擇j t r 萋務(wù)網(wǎng)絡(luò)臻點翔短鼴j t r ，蠢剮開路，基廠設(shè)鬟受游j t r 綴路。 ( 5 ) 系統(tǒng)狀態(tài)指示說明 o n ( 綠、一雙霜r a m 工l 每揆示； 籌1 3 褒 上海大學(xué)碩士研究生論建 s t ( 紅卜系統(tǒng)狀態(tài)指示； r x ( 綠) 一c a n 接收狀態(tài)指示： 蕈x ( 紅卜c a n 發(fā)送狀態(tài)臻示。 3 2e a n 總線現(xiàn)場智靛測控裝置的硬件設(shè)計寫實現(xiàn) 3 ，2 。l 功戇蠖述 c a n 總線現(xiàn)場智能測控裝鼴是混食量數(shù)據(jù)采集與控制的功能模塊，是 智姥、獨立斡c a n 節(jié)點，其中：舞關(guān)量輳入霆鼴、聶關(guān)爨竣爨疆路，鐐一路 殲關(guān)量輸入輸出都有l(wèi) e d 狀態(tài)指示，直觀她顯示輸入輸出的狀態(tài)；a d 單端 輸入十六路，雙端輸入八路，允誨最大輸入電壓為+ 15 v ；d a 輸出兩鼴，電 聰輸密或電流輸滋。c a n 總線驥場智熬溺控裝凝是實現(xiàn)c a n 總線王渡灝控 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，現(xiàn)場的參數(shù)測量和自動控制任務(wù)完全有c a n 總線現(xiàn)場智能測 控裝霉采實瑗。翔3 。2 繪出該裝鬟懿派瓔結(jié)撬黼。 敞p g 夫a 電2 0 路2h a d m 7 4 | | li 單極型電 a d 6 9 4 h 難繁電 d ij j “d l ， d o d o l 6 2 2 5 6 + 2 7 2 5 6 i 光i 糾i 怛 書蠱璉蛾：蹬矍邂辨 渡特攀鞋鬟電薅 圖3 + 2c a n 總線現(xiàn)場智能測控裝霍的原理結(jié)構(gòu)圖 圖3 2 中主要由七個部分組成：由單片機8 0 c 3 l 、3 2 k b 的r a m 6 2 2 5 6 、 3 2 k b 戇e p r o m 2 7 2 5 6 籌緩成的主輥舔分；崮s j a 0 0 0 、8 2 c 2 5 0 、黨恕疆離 電路等組成的c a n 總線控制及接口部分；由i 2 位a i d 轉(zhuǎn)換器a d l 6 7 4 、程 羧放大器p g a 2 0 2 2 0 3 、8 選一多躊舞關(guān)m a x 3 5 4 、i v 變換魄路等綴成的8 通道模擬量輸入電路：翻1 2 位d a 轉(zhuǎn)換器d a c l 2 3 0 、單極性電壓輸出電路、 v i 變換電路a d 6 9 4 等實現(xiàn)的2 通道模擬量輸出電路：由7 4 l s 2 4 5 組成4 饕1 4 愛 + m s 黠 t ：海太學(xué)碩士研究生論蔓 遴道開關(guān)餐輸入幫4 通道開關(guān)豢輸出電路；節(jié)點地垃設(shè)霉亳路；波特率設(shè)置 電路。 3 2 2 技術(shù)指標 ( 1 ) 儀表放大器：p g a 2 0 2 2 0 3 ，程控增益分別為l 、1 0 、1 0 0 、1 0 0 0 和 l 、2 、4 、8 。 ( 2 ) 開關(guān)塞i o 竣凌霆路：瓣入強籍，每一路竣入轅窶籜是獨立鶼。 ( 3 ) a d 輸入： 輸入通道數(shù)；單端簸入】6 路，雙端輸入8 路； 最大允許輸入電壓；+ 1 5 v ： 最大允許共模輸入電壓：+ l o v ： 莛模擦潮魄：最大兔湃共模輸入瓣，轅爨端交純不太子 l s b ； 輸入阻抗：1 0 m ； 分辨搴：1 2 位； 量程；單極性o 2 5 v ，o 5 v ，0 l o v ，0 2 0 v ； 雙極性一1 2 5 v + l ，2 5 v ，- 2 。5 v + 2 5 v ，一5 v + 5 v ， 一l o v + l o v ； 轉(zhuǎn)換非線性誤差：l l s b ； a i d 轉(zhuǎn)換辯潺：l o u s ； 系統(tǒng)采樣速率：i o o k s ( 不包括c p u 程序運行時間) 。 ( 4 ) d a 輸燃： 通道數(shù)：掰路； 信母類型：電流：o 1 0 m a ，4 2 0 m a ； 龜藤：+ 5 v ，o + 1 0 ￥； d a 轉(zhuǎn)換精度：1 2 位； d a 轉(zhuǎn)換露闖：l u s 。 ( 5 ) c a n 接釃一個，符合c i a 標準： l23456789 n cc a n - lg n dn c n c ( g n d ) c a n 一 n c( v c c ) 3 ，2 3 疆釋系統(tǒng) ( 1 ) 基本尺寸：面積2 4 0 m m 1 1 6 m m ( 9 5 “x 4 5 ”) 。 ( 2 ) 電源電壓：+ 5 vd c 。 ( 3 ) 用戶接口： 矗0 一盎1 5 炎專六鼴摟羧轅入按墨，模羧萃端羧入必a o - a 1 5 ，雙壤轅入， 路分別為：a o a 8 、a 1 - a 9 、a 2 一a i o 、a 3 一a 1 1 、a 4 一a 1 2 、a 5 一a i 3 、a 6 a 1 4 、 a 7 一a 1 5 八路。開關(guān)量輸出四路d 0 0 一d 0 3 ，由狀態(tài)指示燈d 0 0 一d 0 3 指示；開蔻 韉1 5 疆 l 海大學(xué)碩士研究生論立 堂輸入西貉d i o d 1 3 ，由狀態(tài)指示燈d i o - d 1 3 指示。兩路d a 輸出為電壓輸 出和電流輸出，電流輸出i o 、i l ，電聰輸出v o 、v 1 。 ( 4