【正文】 于溫室控制技術的研究較晚，始于 20 世紀 50 年代。我國工程技術人員在吸收發(fā)達國家溫 室控制技術的基礎上，才掌握了人工氣候室內(nèi)微機控制技術，該技術僅限于溫度、濕度和 CO2濃度等單項環(huán)境因子的控制， 之后，我國的溫室控制技術得到了迅速發(fā)展。 20 世紀 50 年代，我國先后從歐美和日本等發(fā)達國家引進了 。 “九五 ”初期，以以色列溫室為代表的北京中以示 范農(nóng)場的建立，拉開了我國第二次學習和引進國外現(xiàn)代溫室 技術的序幕， 到上世紀 90 年代中后期，在對國外溫室設備配置、溫室栽培品種、栽培技術等各畢業(yè)論文 3 個方面進行研究的基礎上，我國自主開發(fā)了一些研究性質的環(huán)境控制系統(tǒng)。目前，國內(nèi)從事溫室制造的企業(yè) 已 從 20 世紀 50 年代的 5～ 6 家發(fā)展到 30 余家。我國的溫室環(huán)境控制 技術與國外技術相比還比較落后，最近幾年才真正實現(xiàn)計算機自動控制， 目前我國的現(xiàn)代化溫室，除智能化控制系統(tǒng)外，硬件系統(tǒng)基本達到與國際同步的水平。 研究的目的和意義 在實際的應用中，溫室的規(guī)模和數(shù)量都在不斷的擴大，要想對溫室環(huán)境進行很好的控制，除了在溫室現(xiàn)場進 行測控， 更多的需要進行遠程的監(jiān)控，并可以對多個溫室同時進行監(jiān)控，這對智能溫室控制系統(tǒng)提出了更多的要求和挑戰(zhàn)。智能化檢測技術是現(xiàn)階段檢測技術發(fā)展的趨勢，基 于單片機構建的儀表因其成本低廉、性能可靠而在現(xiàn)實應用中更具前景。 基于 CAN總線的多點溫度采集系統(tǒng) 的研究將提高 溫室檢測系統(tǒng)的實時性，這在溫室生產(chǎn)中有利于提高整體系統(tǒng)的實時性， 在整體系統(tǒng)設計中設計人員可以更多的關注系統(tǒng)總體性能的提升，而不用過于計較主機與從機之間通信速度慢的缺點 [6]。 我國檢測儀表整體技術落后于歐美、日本等發(fā)達國家，高精度儀表 的生產(chǎn)制造基本上依賴于國外 ， 而檢測儀表技術的落后在很大程度上制約了我國相關產(chǎn)業(yè)實力迅速提升的步伐。在這種情況下，實現(xiàn)檢測技術某一方面的研究和突破，推動國內(nèi)檢測技術及儀表的發(fā)展、生產(chǎn)并最終占領國內(nèi)市場，進一步促進相關產(chǎn)業(yè)技術的發(fā)展，從而加速提高我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平有著很深遠的社會意義 [7]。 畢業(yè)論文 4 第二章 總線技術 總線 概述 一般總線可分為片內(nèi)總 線、片間總線、內(nèi)總線和外總線。片內(nèi)總線是指微處理器芯片內(nèi)的總線， 用于連接微處理器內(nèi)部的各種邏輯功能單元。片間總線是指一個微處理器系統(tǒng)中連接各芯 片的總線。內(nèi)總線 又稱板級總線，是在微機系統(tǒng)內(nèi)連接各插板件的總線， 內(nèi)總線通常采用并行方式，除了包括地址總線、控制總線和數(shù)據(jù)總線外 ， 還包括電源線、地址線及用于功能擴展的備用線等。外總線指通信總線，用于微機系統(tǒng)之間，微機系統(tǒng)與外設之間及微機系統(tǒng)與其他系統(tǒng)（如自動測試系統(tǒng)、儀器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等）之 間的通信連接。大多數(shù)類型的外總線采用串行方式，少數(shù)采用并行方式， 如 RS23 RS48 USB、 IEEE139 SPP/EPP（ Standard Parallel Port，標準并行端口 /Enhanced Parallel Port，增強并行端口）、 SCSI(Small Computer System Interface，小型計算機系統(tǒng)專用接口 )等，用于工業(yè)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線有CAN、 Lonworks、 FF（ Foundation Field Bus，基金會現(xiàn)場總線）等，用于測控系統(tǒng)和儀器間通信的總線有 GPIB（ GeneralPurpose Interface Bus，通用接口總線 )、 CAMAC、 HPIL、MXI(Mutiple System Extension Interface，多通道系統(tǒng)擴展接口 )等 [8]。 總線 總線功能結構規(guī)范包括 [9]： (1) 數(shù)據(jù)線、地址線、讀寫控制邏輯線、模塊識別線、時鐘同步線、觸發(fā)線和電源 /地線等。 (2) 中斷機制， 關鍵是中斷線數(shù)量、直接中斷能力、中斷類型等。 (3) 總線控制仲裁。 (4) 應用邏輯，如掛鉤聯(lián)絡線、復位、自啟動、狀態(tài)維護等。 總線的傳輸過程可分為：請求總線、總線裁決、尋址目的地址、信息傳遞以及錯誤檢測。 總線的主要性能指標： (1) 總線寬度：主要指數(shù)據(jù)線的寬度。 (2) 尋址能力：主要指地址總線的位數(shù)及所能直接尋址的存儲器空間的大小。 (3) 總線頻率：總線周期是 微處理器完成一步完整操作的最小時間單位。 (4) 傳輸率：總線傳輸率是指在某種數(shù)據(jù)傳輸方式下，總線所能達到的數(shù)據(jù)傳輸速率。 Q = W N， Q 為數(shù)據(jù)傳輸速率， W 為數(shù)據(jù)寬度，以字節(jié)為單位 ， N 為完成一次數(shù)據(jù)傳送所需的時鐘周期個數(shù)。 畢業(yè)論文 5 (5) 總線的定時協(xié)議。 (6) 負載能力：總線上所有能掛接的器件個數(shù)，即總線的擴展槽個數(shù)，即可以連接到總線上的擴展電路板的個數(shù)。 (7) 信號線數(shù)。 (8) 總線控制方式。 現(xiàn)場總線的特點 現(xiàn)場總線可定義為一種 “安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設備 /儀表與控制室內(nèi)的自動控制 裝置 /系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、雙向傳輸和多分支結構的通信網(wǎng)絡 ”， 或者說，現(xiàn)場總線是以單個分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設備作為網(wǎng)絡節(jié)點，用總線連接，實現(xiàn)信息互換，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，是計算機控制與通信技術匯合的產(chǎn)物，是新一代全數(shù)字、全分散和全開放的現(xiàn)場控制系統(tǒng) [10]。 現(xiàn)場總線的技術特點 [11]： (1) 用數(shù)字化通信取代模擬通信。傳統(tǒng)的自動化控制技術的現(xiàn)場設備與控制設備是通過一對一的方式 (一個 I/O 點對現(xiàn)場設備的一個測控點 )連接，即所謂 I/O 接線方式，信號以 4～20mA(傳 送模擬信號 )或 24VDC(傳送開關量信號 )傳遞?，F(xiàn)場總線技術采用一條通信電纜連接控制設備和現(xiàn)場設備，使用數(shù)字化通信完成對現(xiàn)場設備的聯(lián)絡和控制。 (2) 控制功能下移，實現(xiàn)系統(tǒng)的分散控制?，F(xiàn)場總線技術是計算機網(wǎng)絡通信向現(xiàn)場的延伸，因此，它可以把分布式控制系統(tǒng) (DCS)控制站的功能分散地分配給現(xiàn)場儀表，構成虛擬的控制站，這樣就廢棄了 DCS 的 I/O 單元和控制站?，F(xiàn)場儀表既有檢測、變換和補償功能，又有控制或運算功能，通過微處理器能夠完成諸如 PID 等算法和邏輯控制，實現(xiàn)一表多能，測量控制一體化。通過現(xiàn)場儀表和裝置就可 以構成控制回路，實現(xiàn)了徹底的分散控制，提高了控制系統(tǒng)的可靠性和靈活性。 (3) 具有互操作性。由于功能分散，并且采用相同的協(xié)議，用戶可以靈活地選用各種功能模塊，通過一對傳輸線互聯(lián)就可實現(xiàn)不同廠商產(chǎn)品的交互操作和互換，將各廠商性能價格比最優(yōu)的產(chǎn)品集成在一起，實現(xiàn) “即插即用 ”，即所謂互操作性。 (4) 集現(xiàn)場設備的遠程控制、參數(shù)化及故障診斷為一體現(xiàn)場總線技術采用計算機數(shù)字通信技術連接現(xiàn)場設備。控制設備可以很便捷地從現(xiàn)場設備獲取所需的信息，能夠實現(xiàn)設備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息的快速傳送，完成對設備的遠程控制、參數(shù)化及 故障的診斷工作。 (5) 真正的開放式系統(tǒng)現(xiàn)場總線為開放式互聯(lián)網(wǎng)絡所有技術和標準都是公開的，用戶可以畢業(yè)論文 6 自由地集成不同廠商的通信網(wǎng)絡，既可與同層網(wǎng)絡互聯(lián)，也可與不同層網(wǎng)絡互聯(lián)。它的實施有利于解決工廠各層次的信息集成及支撐技術 —計算機網(wǎng)絡問題，有利于構筑計算機集成制造系統(tǒng) (CIMS)網(wǎng)絡系統(tǒng)，并有效地發(fā)揮作用 ， 此外，用戶可以很方便地共享網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫。 由于現(xiàn)場總線的上述特點，尤其是系統(tǒng)結構的簡化，使控制系統(tǒng)的設計、安裝、調試到正常生產(chǎn)運行及其維護，都體現(xiàn)如下的優(yōu)點 [12]： (1) 節(jié)省硬件數(shù)量與投資 由于現(xiàn)場總線 系統(tǒng)中分散在設備前端的智能設備能直接執(zhí)行多種傳感控制報警和計算功能，因而可以減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨的調節(jié)器、計算單元等，也不再需要 DCS 系統(tǒng)的信號調理、轉換、隔離技術等功能單元及其復雜接線，還可以用計算機作為操作站，從而節(jié)省硬件投資，減少控制室的占地面積。 (2) 節(jié)省安裝費用 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線一般只需一對雙絞線或者一條電纜就可以掛接多個設備，大大減少了電纜、端子、槽盒和橋架的用量，連線設計與接頭校對也相 應減少， 同時增加現(xiàn)場控制設備，無需增設新的電纜，可以就近連接在原有的電纜上，節(jié)省了投資，減少了 設計、安裝的工作量。 (3) 節(jié)省維護費用 可以實現(xiàn)現(xiàn)場控制設備的自診斷與處理簡單故障，并可以將相關的診斷維護信息送往控制室的功能使得 用戶可以隨時查詢所有設備的運行，診斷維護信息，以便分析排除故障， 因此縮短了停工時間，也減少了維護工作量。 (4) 用戶有高度的系統(tǒng)集成主動權 用戶可以自由地選擇不同廠商提供的設備來集成系統(tǒng)， 避免因為選擇了某一品牌的產(chǎn)品而被限制了使用設備的選擇范圍，因此不存在系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議和接口等，最終使系統(tǒng)集成過程中的主動權牢牢掌握在用戶手中。 (5) 提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性 由 于現(xiàn)場總線設備的智能化、數(shù)字化，因此與 模擬信號相比，從根本上提高了測量與控制的精確度，減少了傳送誤差， 同時，由于系統(tǒng)的結構簡化、設備與連線減少、現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。 盡管現(xiàn)場總線有許多優(yōu)點，但現(xiàn)場總線也存在一些缺點，雖然這些缺點可采用一些措施來克服，但在設計現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)時，這些缺點仍不容忽視 [13]。 (1) 缺乏一致性?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)中沒有中央存儲器，因此必須提供相應的協(xié)議來保證每個畢業(yè)論文 7 變量拷貝的數(shù)值相同；沒有單一時鐘，因此必須提供同步時鐘來保證變量及事件的時 間標簽的一致性 ， 當然現(xiàn)在己有一些算法可完成較為準確的時鐘同步，精度主要取決于每個時鐘的漂移及同步周期。 (2) 故障冗錯。實時系統(tǒng)必須 本質上是冗錯的，即使在出現(xiàn)局部故障時，系統(tǒng)必須能夠繼續(xù)正確工作， 將所有通信集中到一條物理鏈路是很危險的 ， 如果總線被偶然切斷，則任何信息都無法傳輸，從而導致整個系統(tǒng)癱瘓。 (3) 現(xiàn)階段各種標準并存，無法統(tǒng)一。 CAN 總線 CAN 是控制器局域網(wǎng)的簡稱， CAN 協(xié)議也是建立在 ISO/OSI 模型基礎之上，但其模型結構只有兩層，即只取 OSI 底層的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。傳輸介質可 以為雙絞線以及光纖，通信速率可達 1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠可達 l0km/5kbps，可掛接設備數(shù)可達 110 個。CAN 的信號傳輸采用短幀結構，每一幀只有 8 個有效字節(jié)，傳輸時間短，受干擾的概率低，同時在通信節(jié)點發(fā)生嚴重錯誤時，具有自動關閉功能，因而具有較強的抗干擾能力。 CAN 總線的控制芯片與收發(fā)芯片的銷售量是各種現(xiàn)場總線相同功能芯片中銷售量最大的，其應用非常廣泛 [14]。 最初， CAN 被設計作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊 ， 在車載電子控制裝置 ECU 之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡， 比如在發(fā)動機管理系統(tǒng) 、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統(tǒng)中，均嵌入 CAN 控制裝置， 在一個由 CAN 總線構成的單一網(wǎng)絡中，理論上可以 掛接無數(shù)個節(jié)點。實際應用中，節(jié)點數(shù)目受網(wǎng)絡硬件的電氣特性所限制， 例如，當使用 Philips PCA82C250 作為 CAN 收發(fā)器時，同一網(wǎng)絡中允許掛接 110 個節(jié)點， CAN 可提供高達 1Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，這使得實時測控變得非常容易 ， 另外，硬件的錯誤檢定特性也增強了 CAN的抗電磁干擾能力。 CAN 是一種多主從方式的串行通訊總線，基本設計規(guī)范要求有高的位速率，高的抗電磁干擾性，而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤 。當信號傳輸距離達到 10km 時，CAN 仍可提供高達 5Kbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率。 CAN 通訊協(xié)議主要描述設備之間的信息傳遞方式， CAN 層的定義與開放系統(tǒng)互連模型 OSI 一致 ， 每一層與另一設備上相同的那一層通訊，實際的通訊發(fā)生在每一設備上相鄰的兩層，而設備只通過模型物理層的物理介質互連 ， 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， 應用層協(xié)議可以由 CAN 用戶定義成適合特別工業(yè)領域的任何方案，已 在工業(yè)控制和制造業(yè)領域得到廣泛應用的標準是 Device Net，這是為 PLC 和智能傳感器設計的 [15]。 CAN 能 夠使用多種物理介質 ，例如雙絞線、光纖等，最常用的就是雙絞線，信號使用差畢業(yè)論文 8 分電壓傳送， 兩條信號線被稱為 “CAN_H”和 “CAN_L”，靜態(tài)時均是 左右，此時狀態(tài)表示為邏輯 “1”，也可以叫做 “隱性 ”， 用 “CAN_H”比 “CAN_L”高表示邏輯 “0”，稱為顯性， 此時，通常電壓值為 CAN_H= 和 CAN_L=[16]。 CAN 是一種具有高可靠性，支持分布式測試、實時控制的串行通信網(wǎng)絡， CAN 具有如下特性 [17]： (1) 方式靈活?？梢远嘀鞣绞焦ぷ鳎W(wǎng)絡上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻 主動地向網(wǎng)絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從。 (2) 非破壞性總線仲裁技術。當兩個節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，這大大地節(jié)省了總線仲裁時間，在網(wǎng)絡負載很重的情況下也