基于總線在工業(yè)測控系統(tǒng)上的應(yīng)用與研究.doc

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：基于CAN總線在工業(yè)測控系統(tǒng)的應(yīng)用研究英文題目：ApplicationandResearchonIndustrialMeasureandControlSystemBaseonCANField-bus系別：電子與機(jī)械工程系學(xué)生姓名：班級：指導(dǎo)教師：專業(yè)：自動(dòng)化二零零六年六月畢業(yè)設(shè)計(jì)摘要i摘要現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)，標(biāo)志著工業(yè)控制技術(shù)領(lǐng)域又一個(gè)新時(shí)代的開始，并將對該領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。CAN總線屬于現(xiàn)場總線技術(shù)的一種。是目前流行的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)之一，也是到目前為止唯一有國際標(biāo)準(zhǔn)了的現(xiàn)場總線。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，同時(shí)具備了現(xiàn)場總線的優(yōu)點(diǎn)。本課題的研究主要針對現(xiàn)場總線中的CAN總線技術(shù)進(jìn)行深入的了解。在分析了制網(wǎng)絡(luò)模型的原理，CAN總線2.0B協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，給出了建立CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)模型的原理，在此基礎(chǔ)上分析了CAN總線軟、硬件的實(shí)現(xiàn)方法。開發(fā)一種基于CAN總線的現(xiàn)場控制智能節(jié)點(diǎn)和智能適配卡，并對所涉及的有關(guān)問題進(jìn)行探討。關(guān)鍵詞現(xiàn)場總線；CAN總線；適配卡；智能節(jié)點(diǎn)畢業(yè)設(shè)計(jì)摘要iiAbstractFieldbusisoneofthehotspotsofthedevelopmentofautomatizationtechnology；itslookedaslocalcomputernetworkinthefieldofautomatization.Itsappearanceisthesymbolofanewageofindustrycontroltechnology,andimpactsthedevelopmentofthisfielddeeply.CANbusisakindofFieldbus,itisoneofthepopularFieldbuscontrolsystem,anditisalsotheonlyFieldbuswhichhasnationalstandard.Comparingtonormalcommunicationbus，thedatacommunicationofCANbushasexcellentcharactersofreliability,real-timeandflexibility,andthestrongpointofFieldbus.ThereaserchofthisthesismainlyaimatthetechnologyofCANbusofFieldbus.Inthispaper,weanalyzetheCAN2.0BprotocolfirstandamodelofCANcontrolsystemisestablished.Inthefollowingpart,wedesigntheCANnodesandthesoftwaretorealizeitsperformance.anddeploredakindofaptitudefieldcontrolinterfaceandaptitudeadaptorbaseonCANbus.Whatsmore,thisthesishasdiscussedtheprobleminvolveddeeply.KeywordsFieldBus；CANBus；Aptitudeinterface；Adaptor畢業(yè)設(shè)計(jì)目錄iii目錄摘要ABSTRACT緒論.11.CAN總線的技術(shù)規(guī)范及結(jié)構(gòu).61.1CAN總線的概述.61.1.1CAN總線技術(shù)特點(diǎn).71.1.2CAN總線的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀.81.2CAN總線協(xié)議介紹.81.2.1CAN總線分層結(jié)構(gòu).91.2.2報(bào)文傳送及其幀結(jié)構(gòu).101.2.3通信方式.101.3支持CAN總線的幾種器件介紹.111.3.1CAN總線控制器SJA1000.112.CAN總線在工業(yè)測控系統(tǒng)上的總體設(shè)計(jì).172.1CAN總線測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓?172.2系統(tǒng)方案及芯片選擇.182.3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).192.3.1適配卡的硬件設(shè)計(jì).192.3.2單片機(jī)與CAN控制器電路.202.3.3雙口RAMIDT-7132電路.212.3.4總線驅(qū)動(dòng)及接口電路.242.3.5適配卡串行EEPROM初始化單元電路.242.3.6智能傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì).252.4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).262.4.1上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì).262.4.2通信控制器的軟件設(shè)計(jì).272.4.3總線控制器工作模塊的軟件設(shè)計(jì).283.系統(tǒng)設(shè)計(jì)總結(jié)及展望.333.1設(shè)計(jì)總結(jié).333.2設(shè)計(jì)展望.33致謝.34參考文獻(xiàn).35附錄一器件介紹.36畢業(yè)設(shè)計(jì)目錄iv附錄二ISA總線通信適配卡原理圖.38附錄三智能節(jié)點(diǎn)原理圖.39畢業(yè)設(shè)計(jì)緒論1緒論自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展日新月異。曾經(jīng)歷了氣動(dòng)儀表控制系統(tǒng)、電動(dòng)單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)、集中式數(shù)字控制系統(tǒng)以及集散控制系統(tǒng)(DCS)，處于信息時(shí)代的今天，隨著微處理器技術(shù)和集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，智能化、數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化、分散化代表著當(dāng)今自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展的主流方向?，F(xiàn)場總線是代表自動(dòng)控制系統(tǒng)順應(yīng)這一發(fā)展方向的新型技術(shù)，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)技術(shù)在自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代。對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重要影響?，F(xiàn)場總線信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，逐步形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動(dòng)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線(fieldbus)就是順應(yīng)這一形勢發(fā)展起來的新技術(shù)。現(xiàn)場總線的概念現(xiàn)場總線是20世紀(jì)80年代中期在國際上發(fā)展起來的。所謂現(xiàn)場總線1，就是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機(jī)化測量控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。它在制造業(yè)、流程工業(yè)、控制、交通、樓宇等方面都具有廣泛的應(yīng)用前景?，F(xiàn)場總線技術(shù)將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表，使它們各自都具有了數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，采用可進(jìn)行簡單連接的雙絞線等作為總線的傳輸界質(zhì)，把單個(gè)分散的測量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，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(wù)的網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線使自控系統(tǒng)與設(shè)備具有了數(shù)字通信的能力，把它們連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，向我們展示了一種全新的系統(tǒng)集成理念?，F(xiàn)場總線產(chǎn)生的背景2現(xiàn)場總線的產(chǎn)生首先受益于微處理器的發(fā)展。我們知道，傳統(tǒng)的模擬儀表采用一對一的結(jié)構(gòu)，它傳輸?shù)氖?20mA的模擬信號(hào)，因而信號(hào)傳輸?shù)目煽啃员容^差，并且容易受干擾，在控制室里也控制不了儀表的工作狀況，而廉價(jià)的微處理器發(fā)展使得智能儀表的發(fā)展成為可能，它傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，因而克服了模擬儀表的諸多缺陷，為現(xiàn)場總線的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。此外，用戶需求的不斷提高和市場競爭所帶來的壓力是現(xiàn)場總線得以發(fā)展的源動(dòng)力。由于模擬儀表所存在的缺點(diǎn)，使得DCS系統(tǒng)也擺脫不了模擬儀表的束縛，使其性能無法充分得到發(fā)揮，體系結(jié)構(gòu)也難以更新，成本居高不下，因而其市場受到的極大的制約，用戶和制造廠商都對此表示不滿。在這種實(shí)際需求的驅(qū)動(dòng)下，現(xiàn)場總線也就應(yīng)運(yùn)而生了。它作為過程自動(dòng)化、制造自動(dòng)化、樓宇、交通等領(lǐng)域現(xiàn)場智能設(shè)備之間的互連通信網(wǎng)絡(luò)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)系，為徹底打破自動(dòng)化系統(tǒng)的信息孤島創(chuàng)造了條件。畢業(yè)設(shè)計(jì)緒論2技術(shù)特點(diǎn)系統(tǒng)的開放性和互可操作性現(xiàn)場總線是開放式互連網(wǎng)絡(luò)，所有的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)都是公開的，制造商必須共同遵守。這樣用戶可以自由集成不同制造商的通信網(wǎng)絡(luò)，既可與同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò)互連。另外，用戶可以極其方便地共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫。同時(shí)開放性也意味著現(xiàn)場總線將打破DCS大型廠家的壟斷，給中小企業(yè)帶來了平等競爭的機(jī)遇?；タ刹僮餍詣t是指用戶可按自己的需要和考慮，將不同制造商的符合同一協(xié)議的不同品牌的儀表集成在一起，構(gòu)成所需要的控制系統(tǒng)，不必為集成不同品牌的產(chǎn)品而在硬件或軟件上花費(fèi)力氣或者增加額外投資3現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性微控制器植入現(xiàn)場設(shè)備后，現(xiàn)場設(shè)備自身便可完成傳感測量、補(bǔ)償計(jì)算、控制等基本功能，并且可以隨時(shí)診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性在傳統(tǒng)的DCS中，體現(xiàn)的是集中管理與分散控制的思想，而現(xiàn)場總線則構(gòu)成了一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)具有更高的可靠性和靈活性，易于進(jìn)行重組和擴(kuò)建，并且便于維護(hù)。對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性工作在生產(chǎn)現(xiàn)場前端，作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線，是專為現(xiàn)場環(huán)境而設(shè)計(jì)的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)供電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。因此，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是一種全新的、有著強(qiáng)勁生命力的新型控制系統(tǒng)。幾種有影響的現(xiàn)場總線及應(yīng)用目前，世界上較為流行的幾種現(xiàn)場總線產(chǎn)品有：FF、LonWorks、PROFIBUS、HART、CAN等?；饡?huì)現(xiàn)場總線基金會(huì)現(xiàn)場總線FF是在過程自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的技術(shù)。它分的低速(FF-Hl)和高速(FF-HES)兩部分。FF-H1以ISO/OSI模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，并在應(yīng)用層之上增加了用戶層，構(gòu)成了四層結(jié)構(gòu)的通信模型，主要用于過程工業(yè)(連續(xù)控制)的自動(dòng)化，傳輸速率為31.25Kbps，通信距離可達(dá)1.9km（可加中繼器延長），可實(shí)現(xiàn)總線供電和本質(zhì)安全防爆，支持令牌總線訪問機(jī)制。FF-HES采用基于Ethernet(IEEE802.3)+TCP/IP的六層結(jié)構(gòu)，主要用于制造業(yè)（離散控制）自動(dòng)化以及邏輯控制、批處理和高級控制等場合。HES充分利用低成本畢業(yè)設(shè)計(jì)緒論3和商業(yè)可用的以太網(wǎng)技術(shù)，并以100Mbit到1Gbit或更高的速度運(yùn)行，支持所有的FF總線低速部分的功能，并支持Hl設(shè)備與基于以太網(wǎng)的設(shè)備通過鏈接設(shè)備接口。HES的另一個(gè)特點(diǎn)是HES現(xiàn)場設(shè)備支持標(biāo)準(zhǔn)的FOUNDATION功能模塊，例如AI、AO和PID，也包括新的、具體應(yīng)用于離散控制和I/O子系統(tǒng)集成的“柔性功能模塊”(FlexibleFunctionBlock,FFB)。鏈接設(shè)備和HES現(xiàn)場設(shè)備可以結(jié)合進(jìn)一個(gè)單一的、節(jié)約成本的、強(qiáng)大的物理設(shè)備，用于批處理、邏輯PLC和連續(xù)控制。LonWorksLonWorks是由美國Echelon公司推出并與摩托羅拉、東芝公司共同倡導(dǎo)，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型的全部七層通訊協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡化為參數(shù)設(shè)置，其通信速率從300bps至1.5Mbps不等，直接通信距離可在2700m(78Kbps，雙絞線)；支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)了相應(yīng)的本質(zhì)安全防爆產(chǎn)品，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。LonWorks技術(shù)核心是具備通信和控制功能的Neuron神經(jīng)元芯片，它能完整地實(shí)現(xiàn)LonWorks的LonTalk通信協(xié)議。集成芯片中有三個(gè)8位CPU，一個(gè)用于完成開放互連模型中的第1和第2層的功能，稱為媒體訪問控制處理器，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)訪問的控制與處理；第二個(gè)用于完成36層的功能，稱為網(wǎng)絡(luò)處理器，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量的尋址、處理、背景診斷、路徑選擇、軟件計(jì)時(shí)、網(wǎng)絡(luò)管理，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信控制，收發(fā)數(shù)據(jù)包等；第三個(gè)是應(yīng)用處理器，執(zhí)行操作系統(tǒng)服務(wù)與用戶代碼。芯片中還具有存儲(chǔ)信息緩沖區(qū)，以實(shí)現(xiàn)CPU之間的信息傳遞，并作為網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)和應(yīng)用緩沖區(qū)。Echelon公司的技術(shù)策略是鼓勵(lì)各OEM開發(fā)商運(yùn)用LonWorks技術(shù)和神經(jīng)元芯片，開發(fā)自己的應(yīng)用產(chǎn)品，據(jù)稱目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技術(shù)，1000多家公司已經(jīng)推出了LonWorks產(chǎn)品，并進(jìn)一步組織起LonWorks互操作協(xié)會(huì)，開發(fā)推廣LonWorks技術(shù)與產(chǎn)品。它己被廣泛應(yīng)用在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、交通運(yùn)輸、工業(yè)過程控制等行業(yè)，在組建分布式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)方面有較優(yōu)越的性能。另外，在開發(fā)智能通信接口、智能傳感器方面，LonWorks神經(jīng)元芯片也具有獨(dú)特的優(yōu)勢。PROFIBUSPROFIBUS是德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。由PROFIBUS-DP,PROFIBUS-FMS,PROFIBUS-PA組成了PROFIBUS系列。DP型用于分散外設(shè)間的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用。FMS意為現(xiàn)場信息規(guī)范，PROFIBUS-FMS適用于紡織、樓宇自動(dòng)化、可編程控制器、低壓開關(guān)等。而PA型則是用于過程自動(dòng)化的總線類型，它遵從IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)技術(shù)是由西門子公司為主的十幾家德國公司、研究所共同推出的。它采用了OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。FMS還采用了應(yīng)用層。傳輸速率為9.6Kbps12Mbps，最大傳輸距離在12Mbps時(shí)為畢業(yè)設(shè)計(jì)緒論4100m,1.5Mbps時(shí)400m，可用中繼器延長至10km。其傳輸介質(zhì)可以是雙絞線，也可以是光纜。最多可掛接127個(gè)站點(diǎn)?？蓪?shí)現(xiàn)總線供電與本質(zhì)安全防爆。HARTHART是HighwayAddressableRemoteTransducer的縮寫，1986年由Rosemount公司提出的一種通信協(xié)議，于1993年成立了HART通信基金會(huì)。HART是在420mADC模擬信號(hào)上迭加FSK(頻移調(diào)制鍵控)數(shù)字信號(hào)，因此它既可連接420mADC模擬儀表，也可連接數(shù)字通信儀表，所以它是模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程中的過渡性產(chǎn)品，因而在當(dāng)前的過渡時(shí)期具有較強(qiáng)的市場競爭能力，得到了較快發(fā)展。CANCAN是控制局域網(wǎng)絡(luò)(ControlAreaNetwork)的簡稱，最早由德國BOSH公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國際標(biāo)準(zhǔn)。由于得到了Motorola,Intel,Philip,Siemens,NEC等大公司的支持，它廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。CAN協(xié)議也是建立在國際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互連模型基礎(chǔ)上的，但其