【正文】 來(lái)說(shuō)是不堪負(fù)重的。利用現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式測(cè)控技術(shù)可以將處理信息和產(chǎn)生控制信號(hào)的任務(wù)分配給各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)的微處理器來(lái)完成，這樣中央處理器只需要和各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)上的微處理器通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)據(jù)總線連接即可完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。這樣做可以極大的簡(jiǎn)化控制設(shè)備，減少系統(tǒng)控制的復(fù)雜性，降低成本，并且可以提高物料傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性和柔性。因?yàn)橄到y(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信是否穩(wěn)定快速直接關(guān)系到系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，所以選取哪種總線技術(shù)就顯得尤為關(guān)鍵?，F(xiàn)今的現(xiàn)場(chǎng)總線領(lǐng)域有多種比較成熟的總線技術(shù)，如PROFIBUS、CAN、LONWORKS等。本課題是采用國(guó)內(nèi)外比較流行的CAN總線來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。之所以選擇CAN總線主要基于以下幾個(gè)方面考慮：首先是由CAN的技術(shù)特點(diǎn)決定的。CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間短，受干擾概率低，并且CAN有良好的檢錯(cuò)措施，可靠性高。這就避免了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中出現(xiàn)一位或多位數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。CAN協(xié)議對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼的方式可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)收到相同的數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)廣播及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，增加了系統(tǒng)組網(wǎng)的靈活性。CAN采用基于優(yōu)先級(jí)的非破壞性位仲裁方式保證了系統(tǒng)不會(huì)由于產(chǎn)生總線堵塞而崩潰，保證了網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性。另外CAN既可構(gòu)成單主又可構(gòu)成多主網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點(diǎn)都可主動(dòng)向網(wǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)，通信方式十分靈活。其次是從硬件及軟件開(kāi)銷上考慮。LONWORKS，PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)的通用性使得在采用廠家現(xiàn)成的設(shè)備組網(wǎng)來(lái)得比較方便。但通用性好必然導(dǎo)致通信協(xié)議更加復(fù)雜，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性導(dǎo)致軟件開(kāi)銷的增加。CAN總線相對(duì)來(lái)說(shuō)通信協(xié)議比較簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)技術(shù)比較成熟，軟件工作量小而容易實(shí)現(xiàn)，性能上也未必比其他幾種現(xiàn)場(chǎng)總線差。最后從可靠性考慮，在整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，不希望由于某個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。CAN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)在嚴(yán)重故障后可自動(dòng)從網(wǎng)絡(luò)上退出，避免對(duì)其他節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生影響，在節(jié)點(diǎn)恢復(fù)后能自動(dòng)連上，因此任何節(jié)點(diǎn)的損壞都不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的通信崩潰。綜合所述，基于CAN總線的物料傳輸線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是必要的，對(duì)物料傳輸線乃至工業(yè)過(guò)程控制的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義。 CAN總線的發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是當(dāng)今世界各國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)課題，以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的全數(shù)字控制系統(tǒng)是21世紀(jì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的主流。世界各國(guó)的技術(shù)協(xié)會(huì)、各大公司、各國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)化組織，還有國(guó)際電工委員會(huì)(IIIC)及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)對(duì)于本項(xiàng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作給予了極大的關(guān)注，也使得目前現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作出現(xiàn)了復(fù)雜的局面。現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展迅速，現(xiàn)處于群雄并起、百家爭(zhēng)鳴的階段。目前已開(kāi)發(fā)出有40多種現(xiàn)場(chǎng)總線，如Interbus、Bitbus、Devitenet、MODbus、Aret、FIP、ISP等，其中比較有影響力的有5種，分別是FF、Profibus、HART、CAN和LonWorks。目前，CAN的應(yīng)用范圍遍及高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的工業(yè)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，公認(rèn)為極具發(fā)展前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。 國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀1986年2月，Robert Bosch 公司在SAE（汽車工程協(xié)會(huì)）大會(huì)上介紹了一種新型的串行總線——CAN控制器局域網(wǎng)，那是CAN誕生的時(shí)刻。今天，在歐洲幾乎每一輛新客車均裝配有CAN局域網(wǎng)。CAN已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)最重要的總線之一，甚至領(lǐng)導(dǎo)著串行總線。在1999年，接近6千萬(wàn)個(gè)CAN控制器投入應(yīng)用；2000年，市場(chǎng)銷售超過(guò)1億個(gè)CAN器件。為促進(jìn)CAN以及CAN協(xié)議的發(fā)展，1992在歐洲成立了CiA（CAN in Automation）。在CiA的努力推廣下，CAN技術(shù)在汽車電子控制系統(tǒng)、電梯控制系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、紡織機(jī)械、船舶運(yùn)輸?shù)确矫婢玫搅藦V泛的應(yīng)用。現(xiàn)已有400多家公司加入了CiA，CiA已成為全球應(yīng)用CAN技術(shù)的權(quán)威。從1992年起，MercedesBenz開(kāi)始在他們的高級(jí)客車中使用CAN技術(shù)。第一步使用電子控制器通過(guò)CAN對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行管理；第二步使用控制器接收人們的操作信號(hào)。這就使用了2個(gè)物理上獨(dú)立的CAN總線系統(tǒng)，它們通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接。其他的客車廠商也紛紛趕來(lái)斯圖加特學(xué)習(xí)，在他們的客車上也使用2 套CAN總線系統(tǒng)。現(xiàn)在，繼Volvo、Saab、Volkswagen、BMW之后，Renault和Fiat也開(kāi)始在他們的汽車上使用CAN總線。 國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀由于國(guó)內(nèi)電子工業(yè)起步較晚，CAN總線網(wǎng)絡(luò)推廣應(yīng)用較國(guó)外而言相對(duì)落后。近年來(lái)，技術(shù)革新的浪潮席卷中國(guó)，國(guó)內(nèi)CAN總線應(yīng)用領(lǐng)域也發(fā)展迅速。車輛工程方面，2007年7月，國(guó)內(nèi)第一輛基于SAEJ1939標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)化CAN總線技術(shù)大客車電器系統(tǒng)順利完成樣車改造，并投入杭州公交28路實(shí)際運(yùn)行。2010年，比亞迪汽車在其產(chǎn)品G3上首次采用“CANBUS電子智能管家系統(tǒng)”。工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，廣州周立功單片機(jī)公司、北京科瑞興業(yè)科技有限公司等，已向市場(chǎng)推出了各類基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集模塊。周立功單片機(jī)公司已向市場(chǎng)推出基于自主設(shè)計(jì)的iCAN（Industry CANBUS Application Protocol）應(yīng)用層協(xié)議的8路DI/DO功能模塊iCAN4050，是工業(yè)CAN節(jié)點(diǎn)成熟產(chǎn)品的一個(gè)代表。在電梯控制方案中，“ARM微控制器+CAN總線通訊”已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)各家電梯生產(chǎn)商的首選方案。許多大中專院校、科研機(jī)構(gòu)也在CAN總線開(kāi)發(fā)應(yīng)用上投入大量精力，取得了豐碩的成果。 本文研究的主要內(nèi)容與組織結(jié)構(gòu) 研究的主要內(nèi)容本文的核心工作是設(shè)計(jì)出一套基于CAN總線的物料輸送線通訊網(wǎng)絡(luò)。硬件部分由微控制器AT89S5獨(dú)立CAN控制器SJA1000、CAN收發(fā)器PCA82C250組成。 論文組織結(jié)構(gòu)根據(jù)本文的研究?jī)?nèi)容，本文共分六章，各章的內(nèi)容安排如下：第一章，引言，論述物料輸送線CAN總線通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)目的和意義。第二章，、CAN報(bào)文格式。第三章，硬件設(shè)計(jì)，基于AT89S5SJA1000的CAN總線智能節(jié)點(diǎn)的總體設(shè)計(jì)。主要敘述了課題的設(shè)計(jì)要求，以及設(shè)計(jì)的總體方案，對(duì)各模塊作了簡(jiǎn)單的介紹。第四章，軟件設(shè)計(jì)，包括AT89S51編程、CAN通訊協(xié)議等。第五章，運(yùn)行結(jié)果，主要是通訊網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際通訊結(jié)果。2 CAN總線技術(shù)研究CAN(controller area network)是控制器局域網(wǎng)的簡(jiǎn)稱，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)范疇。它最早用于汽車內(nèi)部測(cè)量和執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信，由德國(guó)Bosch公司提出，是一種有效支持分布式實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率可達(dá)1Mbps。 CAN總線主要特點(diǎn)及分層結(jié)構(gòu)CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等工作。CAN協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由1l位或29位二進(jìn)制數(shù)組成，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8個(gè)字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)，8個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，特別適合工業(yè)過(guò)程監(jiān)控設(shè)備的互連。此外，CAN總線采用了多主競(jìng)爭(zhēng)式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運(yùn)行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點(diǎn)。CAN總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信。CAN總線協(xié)議已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)證，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價(jià)比高，特別適用于分布式測(cè)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。CAN總線的通信電路由兩根導(dǎo)線組成，分別為CANH和CANL，這兩根導(dǎo)線也就是CAN網(wǎng)絡(luò)中的總線。所有的節(jié)點(diǎn)都掛在該總線上，并且都通過(guò)這兩根導(dǎo)線交換數(shù)據(jù)。總線上某一時(shí)刻顯示的數(shù)值由這兩根導(dǎo)線上的電壓VCANH和VCANL的差值表示；該差分電壓場(chǎng)可以表示“顯性”和“隱性”兩種互補(bǔ)的邏輯數(shù)值；。 CAN總線位數(shù)值表示CAN總線中的總線數(shù)值為兩種互補(bǔ)邏輯數(shù)值之一：“顯性”或者“隱性”。在CAN總線標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議中規(guī)定“顯性”為邏輯O，而“隱性”為邏輯1。在“隱性”狀態(tài)下，差分電壓近似為O；而“顯性”狀態(tài)的差分電壓則大于一個(gè)最小閾值。當(dāng)總線上存在“顯性”和“隱性”位同時(shí)發(fā)送時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)送驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)使得總線數(shù)值表現(xiàn)為“顯性。在總線空閑或“隱性”位期間，總線表現(xiàn)“隱性”狀態(tài)。CAN通訊協(xié)議主要描述設(shè)備之間的信息傳遞方式。CAN層的定義與開(kāi)放系統(tǒng)互連模型（OSI）一致。每一層與另一設(shè)備上相同的那一層通訊。實(shí)際的通訊發(fā)生在每一設(shè)備上相鄰的兩層，而設(shè)備只通過(guò)模型物理層的物理介質(zhì)互連。CAN的規(guī)范定義了模型的最下面兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。 ISO／OSI標(biāo)準(zhǔn)模型7應(yīng)用層最高層。用戶、軟件、網(wǎng)絡(luò)終端等之間用來(lái)進(jìn)行信息交換。如：DeviceNet6表示層將兩個(gè)應(yīng)用不同數(shù)據(jù)格式的系統(tǒng)信息轉(zhuǎn)化為能共同理解的格式5會(huì)話層依靠低層的通信功能來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的有效傳遞4傳輸層據(jù)傳輸控制。操作如：數(shù)據(jù)重發(fā)，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤修復(fù)3網(wǎng)絡(luò)層規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)連接的建立、維持和拆除的協(xié)議。如：路由和尋址2數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了在介質(zhì)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位的排列和組織。如：數(shù)據(jù)校驗(yàn)和幀結(jié)構(gòu)1物理層規(guī)定通訊介質(zhì)的物理特性。如：電氣特性和信號(hào)交換的解釋應(yīng)用層協(xié)議可以由CAN用戶定義成適合特別工業(yè)領(lǐng)域的任何方案。已在工業(yè)控制和制造業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)是CANOpen和DeviceNet。參照ISO／OSI標(biāo)準(zhǔn)模型，CAN總線的層次結(jié)構(gòu)分為數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。 CAN總線分層結(jié)構(gòu)協(xié)議層對(duì)應(yīng)OSI模型說(shuō)明LLC數(shù)據(jù)鏈路層邏輯鏈路控制子層，用于為數(shù)據(jù)傳送和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求提供服務(wù)MAC介質(zhì)訪問(wèn)控制子層，用于控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、錯(cuò)誤界定等物理層物理層規(guī)定了節(jié)點(diǎn)的全部電氣特性協(xié)議層對(duì)應(yīng)0SI模型說(shuō)明LLC邏輯鏈路控制子層，用于為數(shù)據(jù)傳送和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求。數(shù)據(jù)鏈路層求提供服務(wù)介質(zhì)訪問(wèn)控制子層，用于控制幀結(jié)構(gòu)、執(zhí)行仲裁、MAC錯(cuò)誤界定等物理層物理層規(guī)定了節(jié)點(diǎn)的全部電氣特性物理層主要是網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)間的物理數(shù)據(jù)傳輸。物理層定義了傳輸線和接口硬件的機(jī)械、電氣和電信號(hào)