【正文】 基于CAN總線的傳感器網(wǎng)絡(luò)研究作者：任廣祿摘 要 CAN總線作為當(dāng)今幾種最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，它以其強(qiáng)有力的檢錯(cuò)與抗干擾能力，應(yīng)用范圍已經(jīng)遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線路網(wǎng)絡(luò)。CAN屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，由于采用了許多新技術(shù)以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的性能。因而CAN總線應(yīng)用產(chǎn)品在很多領(lǐng)域中不斷出現(xiàn)，基于CAN總線的振動(dòng)傳感器正是其中的一種，組網(wǎng)后的傳感器能夠很好的完成大型裝置的在線監(jiān)測(cè)，為企業(yè)的安全生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。本論文將CAN總線引入到在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中來(lái)，通過(guò)CAN總線網(wǎng)絡(luò)的高速、穩(wěn)定的特點(diǎn)，使得惡劣環(huán)境下的設(shè)備監(jiān)測(cè)變得簡(jiǎn)單、安全。第一部分對(duì)CAN總線規(guī)范進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，提出了一類以多種帶有CAN總線通信功能智能節(jié)點(diǎn)組成的振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。第二部分中詳細(xì)闡述了單通道智能節(jié)點(diǎn)和多通道波形值智能節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，當(dāng)中主要介紹了各個(gè)智能節(jié)點(diǎn)硬件電路中的調(diào)理模塊、A/D模塊、主控模塊以及通信模塊的設(shè)計(jì)方案，給出了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架。第三部分為系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，著重介紹了智能節(jié)點(diǎn)的下位機(jī)軟件流程，通過(guò)對(duì)于CAN總線通信協(xié)議的介紹，改進(jìn)得出一個(gè)適合于本系統(tǒng)使用的新的CAN通信協(xié)議。最后本論文對(duì)基于CAN總線的傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了總結(jié)和展望。關(guān)鍵詞：傳感器；CAN總線；DSP；CPLD；網(wǎng)絡(luò)ABSTRACT As one of today’s most promising fieldbus，CAN has strong antiinterference and Error detection ability and has been applicated around from the Highspeed networks to lowcost multiline network .Then there have been CAN bus Products in other areas .The vibration sensor based on CAN bus is one of a kind .Sensor network can go well in online monitoring. This lays the foundation for safe production. The topic will introduces CAN bus to the online monitoring system. With CAN bus network’s highspeed and stable characteristics，Equipment under the harsh environment monitoring bee simple and safe .Papers give a simple introduction for CAN bus specification，and then Provide an online vibration monitoring system which is made with a wide Range of intelligent CAN bus munication nodes.The first part Paper detailed the Hardware design of single intelligent node and multichannel waveform Intelligent node .The second part，it Mainly Introduces the conditioning circuit module，A/D module，control module and munication module，gives the Structure of the whole network .In system software design，the paper Focuses on the lower intent node software process .The third part，through the CAN Bus munication protocol，the improved one has been promoted . At the Same time，it also introduces the use of the PC interface card.Key Words: Sensor。 CANbus。 DSP。 CPLD。 Network目 錄1 引 言 1 研究背景和意義 1 現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介 1 1 1 2 3 4 52 CAN總線簡(jiǎn)介 6 CAN中的一些基本概念 6 CAN總線特點(diǎn) 7 CAN總線技術(shù)規(guī)范 7 83 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分 9 9 10 10 濾波電路結(jié)構(gòu) 10 有效值轉(zhuǎn)換模塊 11 CAN總線接口模塊 11 12 信號(hào)采集電路部分 12 14 23 26 27 274 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分 28 下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì) 28 38結(jié)論 39參考文獻(xiàn) 40致謝 42II1 引 言 研究背景和意義隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和芯片技術(shù)的發(fā)展，控制芯片的性能大幅度提高，成本不斷降低，網(wǎng)絡(luò)幾乎深入到我們生活的每一個(gè)角落，以現(xiàn)場(chǎng)總線為代表的控制網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)以及其他控制系統(tǒng)中扮演著不可缺少的角色?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是用于現(xiàn)場(chǎng)儀表控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互連、多變量、多點(diǎn)、多站的串行通信技術(shù)，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的局域網(wǎng)，他是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)的集成。 現(xiàn)場(chǎng)總線簡(jiǎn)介[]傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對(duì)一的物理連接，而現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是繼基式儀表控制系統(tǒng)、電動(dòng)氣動(dòng)單元組合儀表模擬控制系統(tǒng)、世界數(shù)字控制系統(tǒng)DDC、集散控制系統(tǒng)DCS之后的新一代智能控制系統(tǒng)。它把單個(gè)分散的測(cè)量控制設(shè)備變成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)為傳輸紐帶，把每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接成可相互溝通信息、共同完成自控任務(wù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。 現(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，它的最初商業(yè)應(yīng)是Honeywell公司在 1983年推出的數(shù)字信號(hào)(4mA20mA)差分智能化儀表[]它在普通儀表的基礎(chǔ)上增加了計(jì)算功能的微處理器芯片，在輸出的直流信號(hào)上疊加了數(shù)字信號(hào)，從而使現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室裝置之間的連接由模擬信號(hào)過(guò)渡到了數(shù)字信號(hào)。在此基礎(chǔ)上，美國(guó)Rosemount公司開(kāi)發(fā)出了自己的HART數(shù)字通信協(xié)議。到了1987年，美國(guó)Foxboro公司發(fā)表了I/A智能式自動(dòng)控制系統(tǒng)，在其系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字通信?，F(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定始于1985年Montreal的IEC技術(shù)委員會(huì)TC65C會(huì)議上決定由 Proway Working Group (IECTC65C WG6)小組負(fù)責(zé)此項(xiàng)工作[]。該組在1986年和1987年公布了一組現(xiàn)場(chǎng)總線的功能需求。在此期間其他一些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)或公司也開(kāi)始了這項(xiàng)工作，其中有著名的ISA(美國(guó)儀器協(xié)會(huì))和 IEEEP18。在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)15年的爭(zhēng)論之后，終于在2000年形成了一個(gè)由8個(gè)部分組成的IEC61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。其中包括基金會(huì)場(chǎng)總線(FF Foundation Field bus)，LonWorks，PROFIBUS， CAN(Control area Network)，HART(Highway Addressable Remote Transducer)等。由于標(biāo)準(zhǔn)并未統(tǒng)一，所以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線也有不同的定義。但現(xiàn)場(chǎng)總線的本質(zhì)主要表現(xiàn)在以下6個(gè)方面[]:用于過(guò)程以及制造自動(dòng)化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)儀表的互連的通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表是指?jìng)鞲衅?、變送器和?zhí)行器等，這些設(shè)備通過(guò)一對(duì)傳輸線互連，傳輸線可以使用雙絞線、同軸電纜、光纖和電源線等，并可根據(jù)需要因地制宜地選擇不同類型的傳輸介質(zhì)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)儀表種類繁多，沒(méi)有任何一家制造商可以提供一個(gè)工廠所需的全部現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，所以，互相連接不同制造商的產(chǎn)品是不可避免的。用戶不希望為選用不同的產(chǎn)品而在硬件或軟件上花很大氣力，而希望選用各制造商性能加個(gè)比最優(yōu)的產(chǎn)品，并將其集成在一起，實(shí)現(xiàn)“即插即用”。用戶希望對(duì)不同的品牌的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備統(tǒng)一組態(tài)，構(gòu)成所需要的控制回路。這些就是現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備互操作性的含義?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連是基本的要求，只有實(shí)現(xiàn)互操作性，用戶才能自由地集成FCS。FCS廢棄了DCS的輸入/輸出單元和控制站。把DCS控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場(chǎng)儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站。例如，流量變送器不僅具有流量信號(hào)變換、補(bǔ)償、和累加輸入模塊，而且有PID控制和運(yùn)算模塊。調(diào)節(jié)閥的羈絆功能是信號(hào)驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行，還內(nèi)含輸出特性補(bǔ)償模塊，也可以有PID控制和運(yùn)算模塊，甚至有閥門特性自檢驗(yàn)和自診斷功能。功能塊分散在多臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)儀表中，并可統(tǒng)一組態(tài)，供用戶靈活選用各種功能塊，構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制。通信線供電方式允許現(xiàn)場(chǎng)儀表直接從通信線上獲取能量，對(duì)于要求本征安全的低功耗現(xiàn)場(chǎng)儀表，可以采用這種方式。眾所周知，化工、煉油等企業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有可燃性物質(zhì)，所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都必須嚴(yán)格遵循安全防爆標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場(chǎng)總線也不例外?，F(xiàn)場(chǎng)總線為開(kāi)放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，他既可于同層網(wǎng)絡(luò)互連，也可與不同層網(wǎng)互連，還可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)的共享。不同制造商的網(wǎng)絡(luò)互連十分簡(jiǎn)單，用戶不必在硬件或軟件上花太多氣力。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和功能塊的統(tǒng)一組態(tài)，把不同廠商的網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備融為一體，構(gòu)成統(tǒng)一的FCS。[14]現(xiàn)場(chǎng)總線打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對(duì)一的設(shè)備連線，按控制回路分別進(jìn)行連接。位于現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送器與控制室的控制器之間，控制器與位于現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器、開(kāi)關(guān)、電動(dòng)機(jī)之間均為一對(duì)一的物理連接。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)由于采用了智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，能夠把原先的DCS系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，加上現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接傳送信號(hào)，因而控制系統(tǒng)功能能夠不依賴控制室的計(jì)算機(jī)控制儀表，直接在現(xiàn)場(chǎng)完成，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)(如DCS)結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖11所示。圖11 FCS與DCS結(jié)構(gòu)比較由于采用數(shù)字信號(hào)替代模擬信號(hào)，因而現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)一對(duì)電線上傳輸多個(gè)信號(hào)，如運(yùn)行參數(shù)、多個(gè)設(shè)備狀態(tài)、故障信息等，同時(shí)又為多個(gè)設(shè)備提供電源，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以外不再需要模擬/數(shù)字、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器件。這樣就為簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、節(jié)約硬件設(shè)備、節(jié)約連接電纜與各種安裝、維護(hù)費(fèi)用創(chuàng)造了條件?，F(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)(l)系統(tǒng)的開(kāi)放性(2)互可操作性與互用性(3)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化育功能自治性(4)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性(5)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)生使得工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行以及維護(hù)等都比以前有了很大的便利，其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在:(l)一對(duì)N結(jié)構(gòu):一對(duì)傳輸線，N臺(tái)儀表，雙向傳輸多個(gè)信號(hào)，這使得接線簡(jiǎn)單，工程周期短，安裝費(fèi)用低。如果增加現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表，只需并行掛接到電纜上，無(wú)需架設(shè)新的電纜。(2)可靠性高:數(shù)字信號(hào)傳輸抗干擾能力強(qiáng)，精度高，無(wú)需采用抗干擾和提高精度的措施，從而降低了成本。(3)可控狀態(tài):操作員在控制室既可了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表的工作狀況，也能對(duì)其參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，還可預(yù)測(cè)或?qū)ふ夜收希麄€(gè)系統(tǒng)始終都處于操作員的監(jiān)控之下，提高了系統(tǒng)的可靠性、可控性和可維護(hù)性。(4)互換性:用戶可以自由選擇不同制造商所提供的性能價(jià)格比最優(yōu)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表，并將不同品牌的儀表互連。即使某臺(tái)儀表故障，換上其它品牌的同類儀表照常工作，實(shí)現(xiàn)“即插即用”。(5)綜合功能:現(xiàn)場(chǎng)儀表既有檢測(cè)、變換和補(bǔ)償功能，又有控制和運(yùn)算功能。實(shí)現(xiàn)一表多用，不僅方便了用戶，也節(jié)省了成本。(6)分散控制:控制節(jié)點(diǎn)功能分散在現(xiàn)場(chǎng)儀表中，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)儀表就可以構(gòu)成控制回路，實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制，提高了系統(tǒng)的可靠性、自治性和靈活性。(7)統(tǒng)一組態(tài):由于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表都引入了功能塊的概念，所有廠商都使用相同的功能塊，并統(tǒng)一組態(tài)方法。這樣就使得組態(tài)非常簡(jiǎn)單，用戶不需要因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或儀表種類不同帶來(lái)組態(tài)方法的不同，而進(jìn)行培訓(xùn)或?qū)W習(xí)組態(tài)方法及編程語(yǔ)言。(8)開(kāi)放式系統(tǒng):現(xiàn)場(chǎng)總線為開(kāi)放式互連網(wǎng)絡(luò)，所有技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)都是公開(kāi)的，所有制造商都必須遵循。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)互連又可與不同層網(wǎng)絡(luò)互連。另外，用戶可極其方便地共享數(shù)據(jù)庫(kù)。 雖然目前在發(fā)達(dá)國(guó)家，現(xiàn)場(chǎng)總線已經(jīng)得到了極大的推廣，廣泛用于石化、冶金、電力、交通、環(huán)保、機(jī)械、輕紡、樓宇管理等現(xiàn)代自動(dòng)化控制系統(tǒng)。但是它在我國(guó)卻剛剛進(jìn)入開(kāi)發(fā)和應(yīng)用階段。當(dāng)前中國(guó)經(jīng)濟(jì)正處于高速發(fā)展時(shí)期，市場(chǎng)潛力巨大，各大現(xiàn)場(chǎng)總線的主要企業(yè)均看好中國(guó)市場(chǎng)，并展開(kāi)了激烈的競(jìng)爭(zhēng)。近年來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)及其技術(shù)己經(jīng)逐漸成為全世界自動(dòng)控制領(lǐng)域關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)，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)。甚至有人預(yù)言:21世紀(jì)是現(xiàn)場(chǎng)總線的世紀(jì)。這是因?yàn)?①現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)將開(kāi)辟過(guò)程控制的新紀(jì)元②現(xiàn)場(chǎng)總線將對(duì)傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)帶來(lái)根本性變革③目前所做出的有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)總線的決定將在未來(lái)的幾十年中影響控制領(lǐng)域④現(xiàn)場(chǎng)總線將在很大程度上改變現(xiàn)有的所有實(shí)現(xiàn)控制和維護(hù)的方法由此可以預(yù)見(jiàn)在不久的將來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)總線將進(jìn)入飛速發(fā)展期，其主要發(fā)展趨勢(shì)為:(1)FCS將會(huì)在一定的時(shí)期內(nèi)成為主流控制系統(tǒng)(2)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的緊密結(jié)合。因此這兩種技術(shù)的結(jié)合可以取長(zhǎng)補(bǔ)短，發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，大大提高工控系統(tǒng)的性能本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:CAN總線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)總體方案，闡述了兩種核心監(jiān)測(cè)設(shè)備單通道智能節(jié)點(diǎn)和多通道波形值智能節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，著重介紹了節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的各