基于現(xiàn)場(chǎng)總線嵌入式工業(yè)控制系統(tǒng)的研究

1、摘要隨著電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)逐漸成為了工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的主流架構(gòu)?；跀?shù)字信號(hào)處理器 DSP 的工業(yè)控制系統(tǒng)具有處理精度高，速度快的優(yōu)點(diǎn)。DSP 與現(xiàn)場(chǎng)總線的結(jié)合，為工業(yè)控制技術(shù)帶來(lái)了一種新的思路。本文比較了各種現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)，選擇了最合適的 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線，研究了一種基于 TMS320F2812 數(shù)字信號(hào)處理器和 CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線的工業(yè)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為主從機(jī)，主機(jī)用以太網(wǎng)與 PC 服務(wù)器通訊，并通過(guò) CAN 總線控制幾十個(gè)從機(jī)，可以在主機(jī)的電致發(fā)光顯示屏上實(shí)時(shí)監(jiān)控從機(jī)的參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)通信方面，在研究分析 TCP/IP 協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，按照本系統(tǒng)的實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行了裁剪，只保留必要的

2、幾個(gè)模塊，以減少代碼量，加快協(xié)議棧的處理速度。在 EL 顯示屏方面，利用 Verilog 硬件描述語(yǔ)言在 CPLD 上實(shí)現(xiàn)了 EL 顯示屏的控制器。CPLD 內(nèi)部包括 EL 控制邏輯和一個(gè)獨(dú)特的雙向總線隔離器，使得主處理器和EL 控制器都可以共享顯示緩沖區(qū)，并且 EL 控制器操作顯示緩沖區(qū)的時(shí)候不占用主處理器的外部總線。刷新顯示的頻率可達(dá) 64.5Hz。在軟件方面，本系統(tǒng)利用 CAN 總線的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了雙主機(jī)的熱備份。正常情況下一個(gè)主機(jī)工作，另一個(gè)處于備份狀態(tài)。如果工作主機(jī)出現(xiàn)故障，備份主機(jī)自動(dòng)接替，達(dá)到很高的可靠性。在用戶界面方面，本機(jī)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)友好的帶觸摸屏的圖形用戶界面。為了開(kāi)發(fā)方便，還設(shè)

3、計(jì)了兩個(gè) PC 端的輔助程序：圖像取模器和 EL 仿真器。圖像取模器可以從圖片生成用戶界面部分需要的壓縮格式字模源代碼，EL 仿真器通過(guò)一個(gè)跨平臺(tái)的底層函數(shù)庫(kù)可以在 PC 上仿真本機(jī)的用戶界面，大大加快了程序的開(kāi)發(fā)速度。關(guān)鍵詞：工業(yè)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)字信號(hào)處理器硬件描述語(yǔ)言電致發(fā)光顯示屏圖形用戶界面IABSTRACTAs the development of the electronic technology, Fieldbus-Control-System becomesthe mainstream architecture of industry controlling network.

4、The Industry control systembased on DSP is characteristic of more precision and more processing speed. Theintegrating of DSP and Fieldbus brings a new thought of industry control technology.In this article, the characteristics of various Fieldbus are compared, and the properFieldbus Controller Area

5、Network Fieldbus (CAN bus) is selected. An industry controllingnetwork system based on TMS320F2812 Digital Signal Processor and CAN bus isresearched. This system contains master and slave. Master communicates with the PCserver using Ethernet, and controls tens of slaves using CAN bus, and displays t

6、heparameters of slaves on its Electroluminescent (EL) Display realtime.In Communication, the TCP/IP protocol stack is modified. Only the needed module ispreserved, to reduce the code size and speed up the process.In the field of EL Display, an EL Display Controller is implemented using the VerilogHa

7、rdware Description Language on a Complex Programmable Logic Device (CPLD). TheEL control logic and an unique bidirectional bus isolator is contained in the CPLD, so thatthe main processor and EL controller can share the display buffer, and the EL controlleraccessing the display buffer dont need to u

8、se the processors external bus. The displayrefresh frequency is up to 64.5Hz.In software, two masters hot stand-by is implemented using the CAN bus. Normally,one master work and the other is in stand-by mode. If the working one is error, the stand-byone will relay immediately to achieve high reliabi

9、lity.In User Interface, a friendly Graphic User Interface (GUI) with touch screen isimplemented. In order to develop easily, two PC auxiliary programs are designed, one isImage Lattice Maker, and the other is EL Simulator. The Image Lattice Maker can generatecompressed format source code from pictur

10、e, and the EL Simulator can simulate the GUI onPC with a cross-platform low level function library, to speed up the program development.Key words： Industry Control SystemCAN busDSPVerilog HDLEL DisplayGraphic User InterfaceII獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或

11、集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果。對(duì)本文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名：任彥浩日期：2007 年6 月1 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本論文屬于保密，不保密。在年解密后適用本授權(quán)書。（請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“”）學(xué)位論文作者簽名：任彥浩指導(dǎo)教師簽名：吳裕斌

12、日期：2007 年 6 月 1 日日期：2007 年6 月11緒論1.1工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史從工業(yè)時(shí)代到現(xiàn)在，工業(yè)控制系統(tǒng)經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展階段。首先是最原始的氣動(dòng)儀表，它只具備簡(jiǎn)單的測(cè)控功能，無(wú)法與其它設(shè)備互通互聯(lián)，必須靠人工操作，這是工業(yè)控制的“史前時(shí)代”。隨著電子電路的發(fā)展，出現(xiàn)了最早的模擬式控制。依靠電動(dòng)的模擬儀表，測(cè)量被控對(duì)象的模擬量，通過(guò)放大、微分、積分電路構(gòu)成的模擬式調(diào)節(jié)器做運(yùn)算處理，形成模擬式的控制量并驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。由于模擬信號(hào)處理電路固有的可重復(fù)性差，靈活度低，抗干擾能力弱等缺點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)被引入了控制系統(tǒng)，它不僅能夠完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理操作，更主要的是可以直接根

13、據(jù)輸入的給定值、過(guò)程變量和過(guò)程中其它的測(cè)定值，運(yùn)行復(fù)雜的控制算法。比起模擬式的控制器，數(shù)字計(jì)算機(jī)最大的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算精度高，而且算法可以隨時(shí)改變，只需要改動(dòng)程序即可，不必像模擬式的控制器那樣去改動(dòng)硬件。最初的計(jì)算機(jī)價(jià)格非常昂貴，所以往往采用集中式控制。通過(guò)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的模擬儀表，將各處的參數(shù)以模擬形式送往集中控制室?？刂剖业挠?jì)算機(jī)運(yùn)行自動(dòng)控制算法得出控制量，然后再用統(tǒng)一的模擬信號(hào)，如 20mA 電流環(huán)，去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如圖 1-1所示。設(shè)備1設(shè)備2主控計(jì)算機(jī)設(shè)備3設(shè)備4圖 1-1 集中式控制的示意圖1集中控制系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直接面向控制對(duì)象，尚未形成網(wǎng)絡(luò)體系。雖然由于計(jì)算機(jī)的使用，使得一些高級(jí)控制

14、算法得以實(shí)現(xiàn)，但是隨著生產(chǎn)過(guò)程的復(fù)雜化，主控制計(jì)算機(jī)需要同時(shí)控制幾十個(gè)，甚至上百個(gè)回路，這使得系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性得不到保證。一旦主控計(jì)算機(jī)出故障，整個(gè)系統(tǒng)全部癱瘓。所以，早期的模擬控制和集中式的數(shù)字控制，目前都已經(jīng)趨于淘汰。目前使用較多的是集散控制系統(tǒng) Distributed Control System（DCS）和最新一代的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) Fieldbus Control System（FCS）i,ii相關(guān)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀集散控制系統(tǒng)隨著八九十年代計(jì)算機(jī)性價(jià)比的提高，出現(xiàn)了單片機(jī)、可編程控制器以及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)構(gòu)成的集中、分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)（DCS）。它的特點(diǎn)是“集

15、中管理，分散控制”，從邏輯結(jié)構(gòu)上看，一般是一個(gè)分層的樹(shù)型結(jié)構(gòu)iii。隨著控制對(duì)象復(fù)雜性的不同，通?？梢苑譃槿缦聨讉€(gè)層次：最高層是生產(chǎn)管理層，通常是工控機(jī)或 PC；中間是過(guò)程控制層，包括各個(gè)車間的控制器等，可以是工控機(jī)或大中型 PLC 可編程邏輯控制器；最底層是監(jiān)控儀表和執(zhí)行設(shè)備。系統(tǒng)復(fù)雜的時(shí)候這個(gè)控制層次可以到 4 層，中間有兩層過(guò)程控制器。這些系統(tǒng)體現(xiàn)了分散化和分層化的思想，現(xiàn)有的很多工業(yè)控制系統(tǒng)都屬于此類。不過(guò)在集散控制系統(tǒng)中，測(cè)量?jī)x表一般為模擬儀表，因此它是模擬數(shù)字混合系統(tǒng)。而有著如下缺點(diǎn)：(1)信息集成能力不強(qiáng)?？刂破髋c現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間靠 I/O 連線連接，并以此監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。這樣，控制器

16、獲取信息量有限，大量的數(shù)據(jù)如設(shè)備參數(shù)、故障及故障紀(jì)錄等數(shù)據(jù)很難得到。(2)使用了大量模擬量信號(hào)。很多現(xiàn)場(chǎng)儀表仍然使用傳統(tǒng)的 4-20mA 電流模擬信號(hào)連到控制器，易受干擾，可靠性差，而且不方便數(shù)字化處理。(3)可靠性不易保證。由于模擬量只能一對(duì)一傳輸，不能多路復(fù)用。對(duì)于大范圍的分布式系統(tǒng)，大量的 I/O 電纜及敷設(shè)施工不僅增加成本，也明顯降低了系統(tǒng)的可靠性。2過(guò)程控制器1管理機(jī)管理網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)設(shè)備1過(guò)程控制器2過(guò)程控制器3儀表1設(shè)備2儀表2設(shè)備4設(shè)備5儀表3設(shè)備3圖 1-2 集散控制系統(tǒng) DCS 的拓?fù)鋱D1.2.2現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的延伸，信息交換溝通領(lǐng)域正在迅速覆

17、蓋從工廠的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到控制、管理的各個(gè)層次，覆蓋從工段、車間、工廠、企業(yè)乃至世界各地的市場(chǎng)。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)的信息系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)就是順應(yīng)這一形勢(shì)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)iv,v?，F(xiàn)場(chǎng)總線是 20 世紀(jì) 80 年代中期在國(guó)際上發(fā)展起來(lái)的。隨著微處理器與計(jì)算機(jī)功3能的不斷增強(qiáng)和價(jià)格的急劇降低，計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)得到迅速發(fā)展。而處于生產(chǎn)過(guò)程底層的測(cè)控自動(dòng)化系統(tǒng)，采用一對(duì)一連線，用電壓、電流的模擬信號(hào)進(jìn)行測(cè)量控制，或采用自封閉式的集散系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間以及系統(tǒng)與外界之間的信息交換，使自動(dòng)化系統(tǒng)成為“信息孤島”。要實(shí)現(xiàn)

18、整個(gè)企業(yè)的信息集成，就必須設(shè)計(jì)出一種能在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境運(yùn)行的、性能可靠、造價(jià)低廉的通信系統(tǒng)，形成工廠底層網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備之間的多點(diǎn)數(shù)字通信，實(shí)現(xiàn)底層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)與外界的信息交換。現(xiàn)場(chǎng)總線就是在這種實(shí)際需求的驅(qū)動(dòng)下應(yīng)運(yùn)而生的vi?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)既是一個(gè)開(kāi)放通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布控制系統(tǒng)。它作為智能設(shè)備之間的聯(lián)系紐帶，把掛接在總線上作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能設(shè)備互相連接構(gòu)成一個(gè)完整的自動(dòng)化系統(tǒng)。這是一項(xiàng)以智能傳感器、控制、計(jì)算機(jī)、數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)。它最大的特點(diǎn)是，控制器和被控的智能節(jié)點(diǎn)都連接在同一條可靠性極高的可在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的總線上。這樣，所有設(shè)備都可以通過(guò)現(xiàn)

19、場(chǎng)總線互相通信，不再需要復(fù)雜的多個(gè)層次。由于現(xiàn)場(chǎng)總線適應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向，它一經(jīng)產(chǎn)生便成為全球工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的熱點(diǎn)，受到全世界的普遍關(guān)注，各大半導(dǎo)體廠商紛紛生產(chǎn)帶有現(xiàn)場(chǎng)總線接口的處理器。1.3本文主要研究的內(nèi)容本文要設(shè)計(jì)一個(gè)基于 DSP 和現(xiàn)場(chǎng)總線的工業(yè)控制系統(tǒng)，使用 EL 顯示屏作為用戶界面。它接收 PC 服務(wù)器通過(guò)局域網(wǎng)發(fā)來(lái)的控制信息，結(jié)合當(dāng)前系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，然后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線控制 50 個(gè)左右的智能節(jié)點(diǎn)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息。考慮到可靠性，主控制器必須有雙機(jī)熱備份，如果一臺(tái)控制器出錯(cuò)，另一臺(tái)立刻自動(dòng)接管系統(tǒng)控制權(quán)。第二章介紹系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，包括各種

20、現(xiàn)場(chǎng)總線的比較與選擇，以太網(wǎng)與TCP/IP 協(xié)議棧的裁剪，以及有關(guān) TMS320F2812 數(shù)字信號(hào)處理器的有關(guān)資料。這是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的理論基礎(chǔ)。第三章詳細(xì)分析由 CPLD 實(shí)現(xiàn)的顯示屏控制器，包括可編程邏輯器件與在系統(tǒng)編程技術(shù)，硬件描述語(yǔ)言與開(kāi)發(fā)工具的介紹，電致發(fā)光(EL)顯示屏的工作原理和控制方4法，以及顯示屏控制器的詳細(xì)設(shè)計(jì)。第四章闡述軟件部分的設(shè)計(jì)。由于本系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，使用了 TI 公司的DSP/BIOS 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，首先介紹了有關(guān) DSP/BIOS 的內(nèi)容，然后給出了本機(jī)軟件在 DSP/BIOS 下面的模塊架構(gòu)，包括網(wǎng)絡(luò)通訊部分，CAN 總線控制部分，以及用戶界面的設(shè)

21、計(jì)。為了方便設(shè)計(jì)用戶界面，還在 PC 機(jī)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了兩個(gè)輔助程序，圖片取模程序和 EL 仿真程序。第五章給出了硬件、CPLD、網(wǎng)絡(luò)接口以及用戶界面等各個(gè)方面的測(cè)試與結(jié)果分析。第六章是全文的總結(jié)。52系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的選擇盡管 IEC 于 1984 年就開(kāi)始制訂統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，但是統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)至今仍未完成。世界上許多大公司都推出了自己的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，形成現(xiàn)在多種現(xiàn)場(chǎng)總線并存，并且都在一定領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用并有相應(yīng)支持廠商的局面。造成現(xiàn)場(chǎng)總線多樣性的原因，一是因?yàn)樾袠I(yè)習(xí)慣，如 Profibus 一直應(yīng)用于 PLC 行業(yè)，F(xiàn)F 應(yīng)用于儀表行業(yè);二是由于利益沖突，各自動(dòng)化廠商都不愿意放棄

22、自己的標(biāo)準(zhǔn)而喪失己占有的市場(chǎng)份額。目前，世界上獲得廣泛應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線主要有如下幾種:(1) 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線( Foundation Fieldbus，):是在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域得到了廣泛支持和具有良好發(fā)展前景的總線技術(shù)。由美國(guó)儀器協(xié)會(huì)(ISA)1994 推出，代表公司有 Honeywell和 Fisher-Rosemount，主要應(yīng)用于石油化工、連續(xù)工業(yè)過(guò)程控制中等等?；饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線分為 H1 和高速 H2 兩種通信速率。H1 的傳輸速率為 31.25Kbps，通信距離可達(dá)1.9km，可支持總線供電和本質(zhì)安全防暴環(huán)境。H2 的傳輸速率可為 1Mbps 和 2.5Mbps兩種，通信距離

23、為 750m 和 504m。物理傳輸介質(zhì)可為雙絞線、光纜和無(wú)線，其傳輸信號(hào)采用曼切斯特編碼?；饡?huì)現(xiàn)場(chǎng)總線以 ISO/OSI 開(kāi)放系統(tǒng)互連模型為基礎(chǔ)，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為 FF 通信模型的相應(yīng)層次，并在應(yīng)用層上增加了用戶層。用戶層主要針對(duì)自動(dòng)化測(cè)控應(yīng)用的需要，定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則，采用設(shè)備描述語(yǔ)言規(guī)定了通用的功能塊集。FF 總線包括 FF 通信協(xié)議、ISO 模型中的 2-7 層通信協(xié)議棧、用于描述設(shè)備特性及操作接口的 DDL 設(shè)備描述語(yǔ)言、設(shè)備描述字典，用于實(shí)現(xiàn)側(cè)量、控制、工程量轉(zhuǎn)換的應(yīng)用功能塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)管理功能的系統(tǒng)軟件技術(shù)以及構(gòu)筑集成自動(dòng)化系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術(shù)v

24、iiviii。(2) PROFIBUS 總線PROFIBUS ( Process Fieldbus ):德國(guó)西門子公司于 1987 年推出，現(xiàn)在是德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) DIN19245，同時(shí)也是歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN50170。它也只采用了 OSI 模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層。PROFIBUS 支持主從方式和多主通信方式。主站對(duì)總線具有控制6權(quán)，主站間通過(guò)傳遞令牌來(lái)傳遞對(duì)總線的控制權(quán)。取得控制權(quán)的主站，可向從站發(fā)送、獲取信息。PROFIBUS 根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)分為 PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三 個(gè) 部 分 。 其 特 點(diǎn) 分 別 為 ： PROFIBUS-DP

25、： 工 廠 自 動(dòng) 化 ， 快 速 即 插 即 用 ；PROFIBUS-FMS：通用性自動(dòng)化，通用、大范圍使用、多主通信；PROFIBUS-PA：過(guò)程自動(dòng)化，面向應(yīng)用、總線供電、本質(zhì)安全。PROFIBUS 總線廣泛應(yīng)用于加工制造、過(guò)程和樓宇自動(dòng)化等行業(yè)。其中 PROFIBUSDP 可以提供最大 12M bps 的傳輸速率。由于優(yōu)越的傳輸特性和高的傳輸速率，在可編程邏輯控制器 PLC 中被廣泛采用ixx。(3) CAN 總線CAN 是 Controller Area Net 的縮寫，即控制器局域網(wǎng)，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。CAN 是由德國(guó) Bosch 公司為汽車的監(jiān)測(cè)

26、、控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，例如:控制發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，注油及復(fù)雜的加速、剎車、抗鎖定剎車系統(tǒng)等等。由于 CAN 卓越的特性及極高的可靠性，故而非常適合工業(yè)過(guò)程監(jiān)控設(shè)備的互連。CAN已經(jīng)成為一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) (ISO-11898 )，并已被公認(rèn)為幾種最有前途現(xiàn)場(chǎng)總線之一xi,xii,xiii,xiv傳輸介質(zhì)為雙絞線，具有現(xiàn)場(chǎng)總線的特點(diǎn)。目前在國(guó)內(nèi)的電力、石化、航天、冶金、空調(diào)等不同行業(yè)均有應(yīng)用xv,xvi。CANBUS 的特點(diǎn)如下:1) CAN 可以以多主方式工作。網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻，主動(dòng)地向網(wǎng)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從，通訊方式靈活，靠報(bào)文濾波可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播幾種方式。利

27、用這一特點(diǎn)，能夠方便地構(gòu)成可容錯(cuò)的多機(jī)備份系統(tǒng)。2) CAN 采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線沖突。3) CAN 直接通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá) 10Km（波特率 5kbps），通訊速率最高可達(dá) 1Mbps7。在自動(dòng)化、電子、汽車等領(lǐng)域中，CAN 的速率可到 1 M bits o CAN 的信號(hào)（此時(shí)通信距離 40m），總線上可以掛載的節(jié)點(diǎn)數(shù)理論上幾乎無(wú)限，實(shí)際受收發(fā)器限制每個(gè)網(wǎng)段可達(dá) 110 個(gè)。4) CAN 采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為 8 個(gè)，這樣每幀只占用較短的傳輸時(shí)間，而且

28、內(nèi)置 CRC 校驗(yàn)措施，保證了數(shù)據(jù)的出錯(cuò)率極低。5) CAN 總線的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)廉價(jià)，支持范圍廣泛。Texas Instruments(TI)，Philips 等主流芯片廠商均生產(chǎn)帶有 CAN 接口的芯片xvii,xviii。由于 CAN 總線的這些優(yōu)點(diǎn)，加上我們使用的 TI 公司的 TMS230F2812 DSP 內(nèi)置了 CAN 總線控制器，所以本系統(tǒng)采用 CAN 總線做為主控機(jī)和智能節(jié)點(diǎn)的通信方式。2.2以太網(wǎng)與 TCP/IP 協(xié)議棧的裁剪開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)模型(OSI 模型)是 1984 年由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出的一個(gè)參考模型。作為一個(gè)概念性框架，它是不同制造商的設(shè)備和應(yīng)用軟件之間通信的標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在

29、此模型己成為計(jì)算機(jī)間和網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行通信的主要結(jié)構(gòu)模型，目前使用的大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的結(jié)構(gòu)都是基于 OSI 模型的。但 OSI 模型過(guò)于龐大低效，與此對(duì)照，由技術(shù)人員自己開(kāi)發(fā)的 TCP/IP 協(xié)議棧獲得了更為廣泛的應(yīng)用xix。TCP/IP 協(xié)議棧是美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局計(jì)算機(jī)網(wǎng) ARPANET (AdvancedResearch Projects Agency Network )使用的參考模型。ARPANET 由美國(guó)國(guó)防部贊助，最初只連接了美國(guó)境內(nèi)的幾所大學(xué)，隨后的幾年中通過(guò)租用的電話線連接了數(shù)百所大學(xué)和政府部門，最終它發(fā)展成為全球規(guī)模最大的互連網(wǎng)絡(luò)因特網(wǎng) Internet xx,xxi。TCP

30、/IP 不是一個(gè)孤立的協(xié)議，而是由眾多分布在各層上的小的，專業(yè)化的子協(xié)議組成的協(xié)議族。通常認(rèn)為 TCP/IP 由建立在最底層(硬件層)之上的四個(gè)層次組成。TCP/IP的層次結(jié)構(gòu)封裝和各層的主要協(xié)議如圖 2-1 所示。8傳輸層頭部應(yīng)用程序傳輸層HTTP，F(xiàn)TP，自定義協(xié)議TCP，UDP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層頭部數(shù)據(jù)鏈路層頭尾網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層IP，ICMP協(xié)議ARP，RARP協(xié)議物理層圖 2-1 TCP/IP 的層次結(jié)構(gòu)和封裝應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)發(fā)到傳輸層，加上傳輸層的頭部，變成傳輸層的 TCP 或 UDP 報(bào)文；傳輸層的數(shù)據(jù)再發(fā)到網(wǎng)絡(luò)層，加上網(wǎng)絡(luò)層的頭部變成 IP 報(bào)文； IP 報(bào)文交給數(shù)據(jù)鏈路層，加上鏈路層控制

31、信息，通常包括頭和尾，然后作為一個(gè)比特流在物理介質(zhì)上傳輸。傳到目標(biāo)后再一層一層解包，直到交給目標(biāo)應(yīng)用程序。TCP/IP 協(xié)議的眾多子協(xié)議之間相互獨(dú)立，相互配合實(shí)現(xiàn)完備的網(wǎng)絡(luò)通信功能。但是工業(yè)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于商用互聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，并不需要如此復(fù)雜和龐大的通信功能，同時(shí)，嵌入式的處理器一般也沒(méi)有足夠的資源和處理能力來(lái)實(shí)現(xiàn)如此復(fù)雜的應(yīng)用。因此需要對(duì) TCP/IP 協(xié)議棧進(jìn)行一定程度的裁剪，只保留以下幾個(gè)必要的模塊xxii,xxiii,xxiv：(1) ARP: Address Resolution Protocol 網(wǎng)絡(luò)地址解析協(xié)議總的來(lái)說(shuō)，ARP 就是一個(gè)隱藏底層網(wǎng)絡(luò)物理編址、允許給每臺(tái)機(jī)器分配一個(gè)任意I

32、P 地址的底層協(xié)議。ARP 直接使用以太網(wǎng)的幀來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。所以可以認(rèn)為它是以太網(wǎng)系統(tǒng)的一部分，而不屬于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。假如使用電話撥號(hào)或者 ATM 網(wǎng)絡(luò)，可以沒(méi)有ARP 協(xié)議。(2) ICMP: Internet Control Message Protocol 網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議在互聯(lián)網(wǎng)通信過(guò)程中，一旦發(fā)生交付失敗，發(fā)送方無(wú)法判斷是本地故障還是遠(yuǎn)端故障，無(wú)法調(diào)試。因此，設(shè)計(jì)人員在 TCP/IP 中加入了一類特殊用途的報(bào)文機(jī)制來(lái)報(bào)告9錯(cuò)誤或提供有關(guān)意外情況信息，這種機(jī)制就是網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議 ICMP。TCP/IP 的數(shù)據(jù)包在中途出現(xiàn)錯(cuò)誤或擁塞的時(shí)候，目標(biāo)主機(jī)或者中途的路由器都可以使用 ICMP 報(bào)文

33、向發(fā)送端報(bào)告錯(cuò)誤消息。這樣，所有控制報(bào)文和信息報(bào)文就可以使用統(tǒng)一的機(jī)制進(jìn)行傳送。(3) IP: Internet Protocol 網(wǎng)際協(xié)議。最基本的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)由一個(gè)分組交付系統(tǒng)組成，從技術(shù)角度來(lái)講，該服務(wù)被定義為不可靠的、盡最大努力交付的、無(wú)連接的分組交付系統(tǒng)，類似于工作在盡最大努力交付模式的網(wǎng)絡(luò)硬件所提供的服務(wù)。這種具有不可靠、無(wú)連接交付機(jī)制的協(xié)議稱為網(wǎng)際協(xié)議 IP。 IP 提供了兩個(gè)最重要的定義:第一，IP 定義了在整個(gè) TCP/IP 互聯(lián)網(wǎng)上數(shù)據(jù)傳輸所用的基本單元，也就是說(shuō)，它規(guī)定了互聯(lián)網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的確切格式。不論底層采用什么數(shù)據(jù)鏈路，IP 層以上的所有結(jié)構(gòu)都是相同的。第二，IP 層

34、完成路由功能，沿途的路由器靠 IP 地址為數(shù)據(jù)選擇路徑。(4) UDP: User Datagram Protocol 用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議。在傳輸層上有兩個(gè)主要的協(xié)議，UDP 和 TCP(Transmission Control Protocol 傳輸控制協(xié)議)。TCP 是一種面向連接的、可靠的字節(jié)流傳輸協(xié)議，它的所有數(shù)據(jù)傳輸建立在端對(duì)端的連接之上，可以確保數(shù)據(jù)正確無(wú)誤的傳輸?shù)侥康牡?。但?TCP 協(xié)議比較復(fù)雜，占用的資源也很多。相反，UDP 被設(shè)計(jì)成一個(gè)有效的和最小的傳輸協(xié)議。它只包括用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)至合適應(yīng)用程序(端口號(hào))的信息，并且執(zhí)行一定的錯(cuò)誤檢查。如果數(shù)據(jù)報(bào)由于某種原因傳輸失敗，失敗的數(shù)據(jù)

35、報(bào)被丟棄并且不會(huì)自動(dòng)重傳，完全依靠靠應(yīng)用程序自己判斷數(shù)據(jù)發(fā)送是否成功。UDP 經(jīng)常被認(rèn)為是不可靠的，因?yàn)樗痪哂腥魏?TCP 的可靠性機(jī)制。但是 UDP具有 TCP 所望塵莫及的速度和簡(jiǎn)潔性優(yōu)勢(shì)。TCP 協(xié)議中植入了各種安全保障功能，會(huì)占用大量的代碼空間和執(zhí)行開(kāi)銷。而 UDP 由于排除了信息可靠傳遞機(jī)制，將安全和排序等功能移交給上層應(yīng)用來(lái)完成，大大降低了協(xié)議棧的復(fù)雜度。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在一個(gè)開(kāi)放式的 TCP 協(xié)議棧代碼中，TCP 協(xié)議的代碼比 UDP，IP，ICMP，ARP 這幾個(gè)協(xié)議的總10和還多。所以，對(duì)于傳輸文件之類的大流量高可靠性應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)選用 TCP。而如果用于發(fā)送小的單獨(dú)的控制命令報(bào)文，U

36、DP 協(xié)議就足夠了。在本系統(tǒng)中，由于和 PC 服務(wù)器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，只有一些每隔幾十毫秒發(fā)送一次的控制狀態(tài)信息，如果出錯(cuò)可以忽略本次數(shù)據(jù)繼續(xù)使用上次的正確值，所以從簡(jiǎn)潔性考慮選用 UDP 協(xié)議。還有一個(gè)重要的原因就是，TCP 協(xié)議只能一對(duì)一傳輸，只有 UDP 協(xié)議可以使用廣播方式發(fā)送，這樣可以簡(jiǎn)化雙主機(jī)之間的互相替代。2.3TMS320F2812 數(shù)字信號(hào)處理器目前，數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing，簡(jiǎn)稱 DSP)已經(jīng)成為信號(hào)處理技術(shù)的主流。因?yàn)榕c早期的模擬信號(hào)處理技術(shù)相比，數(shù)字信號(hào)處理有著巨大的優(yōu)勢(shì)。模擬信號(hào)處理主要通過(guò)運(yùn)算放大電路，依靠不同的電阻配合實(shí)現(xiàn)算

37、術(shù)運(yùn)算，通過(guò)電阻、電容的配合實(shí)現(xiàn)濾波處理等，其中有一個(gè)很明顯的問(wèn)題是不靈活、不穩(wěn)定，參數(shù)修改困難，需要采用多種阻值、容值的電阻、電容，并通過(guò)電子開(kāi)關(guān)選通才能修改處理參數(shù)；而且對(duì)周圍環(huán)境變化的敏感性強(qiáng)，溫度、電路噪聲等都會(huì)造成處理結(jié)果的改變。而數(shù)字信號(hào)處理可以通過(guò)軟件修改處理參數(shù)，因此具有很大的靈活性。由于數(shù)字電路采用二值邏輯，只要環(huán)境溫度、電路噪聲的變化不至于造成電路 01 邏輯的翻轉(zhuǎn)，數(shù)字電路就可以不受影響地完成工作，因此具有很好的穩(wěn)定性xxv。本系統(tǒng)作為一個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)，也需要執(zhí)行復(fù)雜的算法，因此考慮選用專門的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）作為主控制器使用。數(shù)字信號(hào)處理器與傳統(tǒng)的單片機(jī)和工

38、控機(jī)相比有如下優(yōu)點(diǎn)xxvi：(1) DSP 芯片采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)。其主要特點(diǎn)是程序和數(shù)據(jù)具有獨(dú)立的存儲(chǔ)空間，有著各自獨(dú)立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，由于可以同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)和程序進(jìn)行尋址，大大地提高了數(shù)據(jù)處理能力，非常適合于實(shí)時(shí)的數(shù)字信號(hào)處理。(2) DSP 指令系統(tǒng)是流水線操作。在流水線操作中，一條指令的執(zhí)行被分解為若干個(gè)子任務(wù)，各個(gè)任務(wù)可以在執(zhí)行時(shí)相互重疊。DSP 指令系統(tǒng)的流水線操作是與哈佛結(jié)構(gòu)相配合的，增加了處理器的處理能力，把指令周期減小到最小值，同時(shí)也就增加了信號(hào)處理器的吞吐量。以 TI 公司的 TMS320 系列產(chǎn)品為例，F(xiàn)24 系列有 4 級(jí)流水線，F(xiàn)28 系列有 8 級(jí)流水線。也就是說(shuō)

39、，DSP 處理器可以同時(shí)并行處理 48 條指令，每條11指令處于其執(zhí)行過(guò)程中的不同狀態(tài)。(3) 采用專用的硬件乘法器。在一般的計(jì)算機(jī)上，算術(shù)邏輯單元(ALU)只能完成兩個(gè)操作數(shù)的加、減及邏輯運(yùn)算，而乘法(或除法)則由加法和移位來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，在這樣的計(jì)算機(jī)的匯編語(yǔ)言中雖然有乘法指令，但在機(jī)器內(nèi)部，實(shí)際上還是由加法和移位來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此它們實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn)算就比較慢。與一般的計(jì)算機(jī)不同的是，DSP 都有硬件乘法器，使乘法和累加操作可以在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。如在 TMS320C2000 系列DSP 芯片中，有一個(gè)硬件乘法器，在 TMS320C6000 系列中則有兩個(gè)硬件乘法器。(4) 具有特殊的 DSP 指

40、令。DSP 芯片的重要特征是有一套專門為數(shù)字信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的指令系統(tǒng)。比如 MACD 操作，可以直接完成 FIR 有限沖擊響應(yīng)濾波器的一階計(jì)算，包括一次乘法，一次累加，濾波器系數(shù)表做一個(gè)移位，同時(shí)數(shù)據(jù)指針自動(dòng)調(diào)整。所有這些操作都在一個(gè)時(shí)鐘內(nèi)完成。還有專門的硬件重復(fù)指令，零開(kāi)銷循環(huán)等等。很多指令還支持特別的尋址模式，比如用于循環(huán)隊(duì)列的循環(huán)緩沖區(qū)尋址，用于 FFT 操作的位倒序?qū)ぶ返鹊取？恐@些特殊指令，有些 DSP 做 1024 點(diǎn)復(fù)數(shù) FFT 所需要時(shí)間已達(dá)到微秒級(jí)。目前生產(chǎn) DSP 芯片的廠家比較多，經(jīng)過(guò)綜合權(quán)衡，選擇了 TI (Texas Instruments) 公司生產(chǎn)的定點(diǎn) DSP

41、芯片 TMS320F2812(后面簡(jiǎn)稱 F2812 )。選擇該芯片是基于以下考慮:(1) TI 公司是世界上最大的 DSP 芯片供應(yīng)商，其 DSP 市場(chǎng)份額約占全世界份額的50%，在中國(guó)市場(chǎng)上，其份額占到了 70%;(2) TI 公司 DSP 芯片種類齊全，并且該公司的 DSP 芯片屬于通用型 DSP 芯片，與單片機(jī)相比，具有更加適合于數(shù)字信號(hào)處理的軟件和更豐富的硬件資源;與其他公司的 DSP 芯片相比，應(yīng)用更加廣泛;(3) TI 公司 DSP 芯片每個(gè)種類的不同型號(hào)之間雖然外設(shè)可能變化很大，但在代碼上卻是繼承的，這樣利于用戶根據(jù)需要來(lái)改變自己的方案，而程序代碼卻并不需改變太多，甚至直接可使用

42、;(4) TI 公司的 DSP 在中國(guó)市場(chǎng)上的技術(shù)支持、服務(wù)及應(yīng)用情況都占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，有眾多的第三方支持廠家。TMS320C28X 是繼 TMS320C2X 之后出現(xiàn)的一種低價(jià)格、高性能的 32 位定點(diǎn) DSP12芯片。它是在 TMS320C28X 內(nèi)核的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了相應(yīng)的存儲(chǔ)器并集成了大量的片內(nèi)外設(shè)而成的新一代適用于工業(yè)控制的 DSP 芯片。該款芯片剛上市不久，在國(guó)內(nèi)控制界就得到了廣泛的關(guān)注，而 TMS320F2812 就是其中性能最好的一種xxvii。F2812 中采用了多總線的哈佛結(jié)構(gòu)，這樣就使總線操作時(shí)序分為取指令、指令譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行指令四個(gè)獨(dú)立階段并行處理，從而極大地加快了內(nèi)部的

43、處理速度。其中內(nèi)部地址總線分為 3 條：程序地址總線(PAB)、數(shù)據(jù)讀地址總線(DRAB)、數(shù)據(jù)寫地址總線(DWAR)；內(nèi)部數(shù)據(jù)總線也對(duì)應(yīng)分為 3 條：程序讀數(shù)據(jù)總線(PRDB)、數(shù)據(jù)讀數(shù)據(jù)總線(DRDB)、數(shù)據(jù)/程序?qū)憯?shù)據(jù)總線(DWDB)。18K字RAM128K字Flash4K字引導(dǎo)程序6條150 MIPS C28xx處理器核心內(nèi)存總線外部中斷控制2個(gè)異步串行口同步串行口SPI多通道串行口32 Bit3232 bitMCBSP算術(shù)邏輯單元乘法器外設(shè)事件管理器A和B總線CAN總線控制器地址算術(shù)單元寄存器組3個(gè)CPU定時(shí)器實(shí)時(shí)仿真邏輯片外總線16通道12位ADC系統(tǒng)控制鎖相環(huán)時(shí)鐘看門狗3個(gè)獨(dú)立區(qū)

44、域共1M地址空間圖 2-2 TMS320F2812 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與多組總線形式的哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)，在 TMS320F2812 處理器中采用了流水線操作13以減少指令執(zhí)行時(shí)間，允許 DSP 同時(shí)進(jìn)行片內(nèi)程序指令和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，從而增強(qiáng)了處理器的處理能力。同時(shí)，F(xiàn)2812 還具有專門針對(duì)片上 Flash 存儲(chǔ)器的 Flash 流水線模式，能顯著提高指令從 Flash 中執(zhí)行的速度。F2812 采用靜態(tài) CMOS 工藝，指令周期為 6. 67ns，芯片供電電壓為 1. 8V 內(nèi)核電壓和、3.3 V 外設(shè)接口。F2812 片內(nèi)有 18K 字的 RAM、高達(dá) 128K 字的片上 Flash 以及4K 字的引

45、導(dǎo) ROMxxviii。外部存儲(chǔ)器?？蓴U(kuò)展 1M 多的外部存儲(chǔ)器，。分為 3 個(gè)不同的區(qū)，可通過(guò) 3 個(gè)獨(dú)立的片選信號(hào)選通xxix。為了保證與外設(shè)的兼容性，外部的數(shù)據(jù)總線(XD)和地址總線(XA)仍然是程序和數(shù)據(jù)公用的。這樣的好處是方便連接標(biāo)準(zhǔn)的外設(shè)，而且外部存儲(chǔ)器既可以作為程序也可以作為數(shù)據(jù)。當(dāng)然，這樣一來(lái)，從片外執(zhí)行程序的時(shí)候就無(wú)法做到單周期了。因?yàn)橹辽傩枰粋€(gè)總線周期去讀程序代碼，再用另外一個(gè)總線周期讀取數(shù)據(jù)，如果要回寫數(shù)據(jù)，還要第三個(gè)總線周期。F2812 片上外設(shè)資源也非常豐富: 兩個(gè)事件管理器模塊 EVA 和 EVB，可以處理與時(shí)間有關(guān)的時(shí)間事件和外部中斷事件，每個(gè)事件管理器都包括:

46、2 個(gè) 16 位的通用定時(shí)器、8 個(gè)的 16 位 PWM 輸出通道、3 個(gè)全比較單元、3 個(gè)外部事件捕獲單元、1 個(gè)正交編碼脈沖單元。還有 3 個(gè)獨(dú)立的 DSP 定時(shí)器；16 個(gè)通道的 12 位 ADC(最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為 60ns)；一個(gè) CAN2.0B 現(xiàn)場(chǎng)總線控制器；2 個(gè)串行通信接口(SCI)；一個(gè)同步串行接口(SPI)；一個(gè)多通道緩沖串行接口(McBSP)；一個(gè)外設(shè)中斷擴(kuò)展器(PIE)，可支持 45 個(gè)不同的外設(shè)中斷，包括 3 個(gè)片外中斷引腳可用于外部設(shè)備。2.4系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)是一個(gè)基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式控制系統(tǒng)，包括雙備份的主機(jī)和若干個(gè)智能從機(jī)。主機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)與 P

47、C 服務(wù)器通訊，并帶有操作員界面，通過(guò) CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線控制各個(gè)智能從機(jī)。系統(tǒng)總的拓?fù)鋱D如下：14PC服務(wù)器以太網(wǎng)主控機(jī)CAN總線從機(jī)1從機(jī)3從機(jī)2從機(jī)n圖 2-3 系統(tǒng)總的拓?fù)鋱D上圖的主控機(jī)和備份主控機(jī)實(shí)際上是完全相同的，包括硬件和軟件都相同。只不過(guò)其中一個(gè)運(yùn)行于主控狀態(tài)，另一個(gè)運(yùn)行于備份狀態(tài)。這個(gè)狀態(tài)可以由操作員設(shè)定，也可以按照當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行情況自動(dòng)改變。運(yùn)行于主控狀態(tài)的主機(jī)負(fù)責(zé)控制總線，向各個(gè)從機(jī)發(fā)送命令并查詢狀態(tài)。運(yùn)行于備份狀態(tài)的主機(jī)同樣監(jiān)聽(tīng)總線，接收并核對(duì)主控機(jī)與從機(jī)之間的所有通信。如果主控機(jī)出現(xiàn)異常，無(wú)法繼續(xù)控制 CAN 總線，備份主機(jī)立刻自動(dòng)變?yōu)橹骺貭顟B(tài)，維持系統(tǒng)正常運(yùn)行。主機(jī)內(nèi)

48、部的結(jié)構(gòu)框圖如圖 2-4 所示：15備份主控機(jī)至PC服務(wù)器以太網(wǎng)控制器傳感器UART異步串行口存儲(chǔ)器RAM/Flash主控制器DSPCAN控制器串行接口顯示控制器EL顯示屏觸摸屏CAN收發(fā)器CAN總線圖 2-4 主機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)框圖163CPLD 實(shí)現(xiàn)的 EL 顯示屏控制器3.1可編程邏輯器件與在系統(tǒng)編程可編程邏輯器件(Programmable Logic Device, PLD)是一種由用戶編程以實(shí)現(xiàn)某種邏輯功能的新型邏輯器件，誕生于 20 世紀(jì) 70 年代，自問(wèn)世以來(lái)，它經(jīng)歷了從 PROM、PAL、GAL 等低密度 PLD 到 CPLD、FPGA 等高密度 PLD 的發(fā)展過(guò)程xxx。在系統(tǒng)可編程 (In-System Programmable，通常簡(jiǎn)稱為 ISP)是近幾年來(lái)興起的一種技術(shù)。所謂在系統(tǒng)可編程，是指在用戶可以在目標(biāo)系統(tǒng)中直接對(duì)可編程邏輯器件進(jìn)行編程，而不必拔下芯片。早期的 PLD 通常是先編程后裝配，采取的是“離