【正文】 多通 信 接口的 M_BUS 主站 /中繼器 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 4 第一章 緒論 課題背景及意義 近年來(lái)，隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展，科學(xué)技術(shù)不斷的進(jìn)步， 我國(guó)的電、氣、水用量日益增加，與此同時(shí)，對(duì)水、氣、電用戶的 管理日益增強(qiáng) 。s new technologies on behalf of widely used also in production practice so PROFIBUS, CAN bus technology, M_BUS bus and Ether technology and embedded bination of LPC2387 of NXP as the core control chip, the successful realization of data M_BUS from the node twoway transmission of data between the PROFIBUS, CAN bus and Ether. The munication interface M_BUS master / repeater downlink interface is MBUS bus technology, the uplink interface, Profibus bus, CAN bus and Ether munications technology, taking into account the versatility of design M_BUS repeater interface, increasing the the the MBUS slave data transmission distance. Compensate for the lack of conventional data transmission system for the design of the munication interface MBUS master / repeater system functional testing, munication interface the MBUS main station / repeater in line with actual requirements, can be used for a variety of industrial production occasions. Keywords: M_BUS。 由于 PROFIBUS總線 、 CAN總線、 MBUS總線和以太網(wǎng) 技術(shù)，它們 技術(shù)成熟 、 穩(wěn)定性能高 、應(yīng)用范圍廣 ， 在工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)應(yīng)用極為廣泛，而嵌入式技術(shù)作為當(dāng)今的新型技術(shù)的代表 ，也在生產(chǎn)實(shí)踐中被廣泛運(yùn)用 ，所以 多通 信 接口的 M_BUS主站 /中繼器 將 PROFIBUS、 CAN總線技術(shù) 、 MBUS總線技術(shù) 和以太網(wǎng)技術(shù) 與嵌入式 相 結(jié)合， 以 NXP公司的 LPC2387作為 核心 控制芯片 ， 成功的實(shí)現(xiàn)了 M_BUS從節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù) 與 PROFIBUS、 CAN總線和以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸。 不保密 □。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 工程 碩士學(xué)位論文 多通 信 接口的 M_BUS 主站 /中繼器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) The Design and Implementation of Multiconfiguration Data Acquisition Module by Dai Zupeng .（ Hunan Normal University） 20xx A thesis submitted in partial satisfaction of the Requirements for the degree of Master of Science in Electronic Science and Technology in the Graduate School of Hunan University Supervisor Vice Professor Wu Guiqing May， 20xx I 湖 南 大 學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。 作者簽名： 日期： 年 月 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，同意學(xué)校保留并向國(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。 （請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打 “√”） 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 √ 工程碩士學(xué)位論文 II 摘 要 人類進(jìn)入 21世紀(jì)以來(lái) ，計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、信息 科學(xué)技術(shù)和 自動(dòng) 化 控制技術(shù) 被廣泛的應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)生產(chǎn)中 ， 而數(shù)據(jù)傳輸是 工業(yè)生產(chǎn)的 重要 環(huán)節(jié) ，數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量直接影響到生產(chǎn)效益 。多通 信 接口的 M_BUS主站 /中繼器 的下行接口采用的是 MBUS總線技術(shù)， 上行接口采用了 Profibus總線、 CAN總線和以太網(wǎng)通 信 技術(shù) ，考慮到多功能性，還設(shè)計(jì)了 MBUS中繼器接口，增加了 MBUS從機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸距離。 PROFIBUS。 傳統(tǒng)的手工抄表由于耗費(fèi)大量人力物力，已經(jīng) 不再適應(yīng) 時(shí)代的需要 。 傳統(tǒng)的 RS485總線通 信 設(shè)備容量少，最多接入數(shù)量不超過(guò) 128個(gè) ，不適合現(xiàn)代化的樓宇之間的信息傳輸；通 信 速率非常容易受距離的限制，當(dāng)通 信 距離超過(guò) 數(shù)百米時(shí)，其可靠的通 信 速率小于 1200bps；非隔離 的 方式 使得 RS485芯片不能應(yīng)用 于 長(zhǎng)距離戶外通 信 ，隔離方式需要 提供 隔離電源，成本較高 ；不能給從設(shè)備供電，從 設(shè)備需要單獨(dú)外加電源供電； 布線拓?fù)渲荒転榇胁季€，不能構(gòu)成星形等任意分支，但是串行布線對(duì)小區(qū) 的實(shí)際布線設(shè)計(jì)難度太大； 遠(yuǎn) 距離通 信 時(shí)， RS485芯片容易損壞 。 傳統(tǒng)的 RS485 數(shù)據(jù) 集中系統(tǒng) 傳輸速度慢、實(shí)時(shí)性差、安裝麻煩、抗干擾能力弱等已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn) 現(xiàn)代 數(shù)據(jù) 集中 的要求 ，而 基于 M_BUS 總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)集中器具有所有 M_BUS 的優(yōu)點(diǎn)。 另外，由于該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有中繼接口，所以該系統(tǒng)還可以作為中繼器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在 M_BUS 主站與從站之間的遠(yuǎn)距離通 信 。 數(shù)據(jù)集中系統(tǒng)產(chǎn)生于上個(gè)世紀(jì) 50 年代，由美國(guó)率先運(yùn)用在軍事上，將采集到的偵察數(shù)據(jù)進(jìn)行集中后在傳輸?shù)奖O(jiān)控室，這一數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)運(yùn)用在軍事領(lǐng)域，為軍事情報(bào)部門提供了準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的作戰(zhàn)數(shù)據(jù)。 特別是隨著嵌入式技術(shù)的出現(xiàn)，可以將一塊體積很小，功能很強(qiáng)大的芯片應(yīng)用于各種智能化的系統(tǒng)，這一技術(shù)應(yīng)用在數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，使得原先數(shù)據(jù)集中系統(tǒng)的功能增加， 擴(kuò)大 了數(shù)據(jù)集中器的運(yùn)用場(chǎng)合 。 另一方面，數(shù)據(jù) 集中 系統(tǒng)采用 SoC 、 ARM、 DSP 等 嵌入式微處理器 、 RS485 雙絞線 、 CAN 總線和 Profibus 總線 等，支持多種 通信 接口， 可廣泛運(yùn)用于 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù) 傳輸 和控制 等 領(lǐng)域。現(xiàn)階段我國(guó)建設(shè)部門推廣的水 、 電 、 氣 三 表合一，采用的就是這種總線標(biāo)準(zhǔn)。 總線長(zhǎng)度可以達(dá)到 1km。 M_BUS 通 信 是由主機(jī)發(fā)起通信，從機(jī)應(yīng)答，從機(jī)之間沒(méi)有信號(hào)傳輸，從機(jī)之間通過(guò)地址編碼區(qū)分。一般在設(shè)計(jì) M_BUS從機(jī)的時(shí)，可選用等過(guò) Texas Instruments 公司生產(chǎn)的 TSS721 芯片作為從機(jī)的收發(fā)芯片。 M_BUS 總線數(shù)據(jù)鏈路 S p a c e = 0 M a r k = 1tI m a r k = 1 . 5 m AI s p a c e = ( 1 1 2 0 m A )S l a v e t o m a s t e r 圖 由從機(jī)向主機(jī)傳輸?shù)模娏鳎?shù)據(jù)碼流 層規(guī)定： M_BUS 數(shù)據(jù)傳輸為 11 個(gè)字節(jié)，其中 1 位起始位， 8 位數(shù)據(jù)位， 1 位數(shù)據(jù)校驗(yàn)位和 1 位停止位。TSS721 不僅可以按照 MBUS 總線規(guī)范 來(lái) 收發(fā)數(shù)據(jù)，還 具有從設(shè)備與 微處理器 之間 的電平轉(zhuǎn)換 電路，用來(lái) 實(shí)現(xiàn)微處理器和從 節(jié)點(diǎn) 設(shè)備的通信。 在德國(guó)，有 90%的工廠自動(dòng)化檢測(cè)和控制設(shè)備上都 配有 Profibus 的標(biāo)準(zhǔn)接口。 Profibus 是唯一全集成 H1 和 H2 的現(xiàn)場(chǎng)總線解決方案，是一種不依賴制造商的開(kāi)放式總線標(biāo)準(zhǔn)。 四 個(gè)版本雖然應(yīng)用場(chǎng)合不同，但是版本兼容。一般 Profibus_FMS 和 Profibus_DP 一起 使用 ,有 三 種類型 傳工程碩士學(xué)位論文 9 輸方式 :DP 和 FMS 的 RS485 傳輸、 PA 的 ICE11582 傳輸和光纖傳輸。電纜的可靠傳輸距離與 傳輸速率 有著很大的關(guān)系 ，見(jiàn)表 : 表 電纜長(zhǎng)度與傳輸速率的關(guān)系 波特率（ kbit/s） 500 1500 120xx 距離 /m 1200 1200 1200 1000 400 200 100 PA 的 IEC11582 傳輸技術(shù) ： IEC11582 傳輸技術(shù) 可以 滿足 石油化工 的要求，可保證本質(zhì)安全性和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)總線供電 [13]。 光纖傳輸技術(shù) ： 在電磁干擾很大的場(chǎng)合 ， 一般運(yùn)用 光纖傳 輸數(shù) 據(jù)。 GSD 文件一般可以分成三個(gè)部分 [14]： 總規(guī)范：包括了生產(chǎn)廠商和設(shè)備名稱、 支 持的 波特率、 軟硬件的 版本、總線插頭的 制定 、 監(jiān)視 的 時(shí)間間隔 等。在國(guó)際上，CAN 作為現(xiàn)場(chǎng)總線的一種 應(yīng)用很廣 泛。 CAN 總線 的 最大特 點(diǎn)廢除了傳統(tǒng) 的依靠 站地址 來(lái) 編碼， 取而代之的是對(duì) 通 信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，使 其 網(wǎng)絡(luò) 上 的節(jié)點(diǎn)數(shù)在理論上不受限制。 CAN 總線節(jié)點(diǎn)可達(dá) 110 個(gè) 。表 為 CAN 總線 通 信 速率與傳輸速度之間關(guān)系 波特率 /Kbps 通 信 最大距離 /m 5 10000 10 6700 20 3300 50 1300 100 620 125 530 250 270 500 130 1000 40 CAN 可以多主方式工作，本質(zhì)上也是一種 CSMA/CD 方式 。 CAN 信號(hào)調(diào)制解調(diào)方式采用不歸零編碼 /解碼方式 ,并采用插入填充技術(shù) ， 數(shù)據(jù)工程碩士學(xué)位論文 11 位具有顯性位 “0”和隱形位 “1”兩種邏輯電平 CAN 總線的數(shù)據(jù)通信具有 可靠性突出、實(shí)時(shí)性好、靈活性能高，其 總 線規(guī)范已經(jīng)成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，被公認(rèn)為幾種最有前途的總線之一。 以太網(wǎng)這個(gè)術(shù)語(yǔ)是一種技術(shù)規(guī)范，而不是某種具體的網(wǎng)絡(luò)，一般是指 20 世紀(jì) 80 年代初期，由 Xerox 公司、英特爾公司和 DigitalEquipment 公司聯(lián)合公布的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，以太網(wǎng)技術(shù)是 TCP／ IP 協(xié)議所采 用的主要的局域網(wǎng)技術(shù)。 CSMA／ CD 技術(shù)規(guī)定了多臺(tái)設(shè)備共享一個(gè)通道的方法，因?yàn)樗械耐ㄐ判盘?hào)都在共用線路上傳輸，即使信息只是拉給其中的一個(gè)終端 (destination)，某臺(tái)設(shè)備發(fā)送的消息都將被所有其他終端接收。在傳輸層的數(shù)據(jù)打包完后，把打包好的數(shù)據(jù)傳給網(wǎng)絡(luò)層，加上一個(gè)標(biāo)題，以符合網(wǎng)絡(luò) IP 層的要求；在網(wǎng)絡(luò)層將數(shù)據(jù)處理完成之后，將 封裝好的 IP 數(shù)據(jù)包傳送 至了 下面的 數(shù)據(jù)鏈路層 ； 在數(shù)據(jù)鏈路層中 ，該數(shù)據(jù)包 會(huì) 被 加上一個(gè) 包頭 和一個(gè) 包尾來(lái)完成 IP 包的 最終的 封裝工作。如果 監(jiān)聽(tīng)到 有 信號(hào)傳輸?shù)脑?，表明信道處于忙狀態(tài)，就繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)到信道空閑為止； 若沒(méi)有監(jiān)聽(tīng)到任何信號(hào) ，表示總線當(dāng)前空閑 ，就 進(jìn)行 數(shù)據(jù) 包 傳輸 ； 在數(shù)據(jù) 傳輸?shù)臅r(shí)候繼續(xù) 對(duì)信道進(jìn)行監(jiān)聽(tīng) ，如發(fā)現(xiàn) 有別的數(shù)據(jù) 包 在傳輸，就表示發(fā)送 沖突 ，將執(zhí)行 退避算法， 然后 隨機(jī)等待一段時(shí)間后，重新執(zhí)行監(jiān)聽(tīng)信道上是否處于忙狀態(tài)。 在幀被傳送到 網(wǎng)絡(luò)上后， 所有主機(jī)包括 B 都 可以 收到 ARP 請(qǐng)求 ，但是只有 主機(jī) B 識(shí)別自己的 IP地址， 于是 便 向 M_BUS 主站 發(fā) 送 一個(gè) 包含 B 的 MAC 地址 的 ARP 響應(yīng)報(bào) 文。 中繼器 (REPEATER)作為 網(wǎng)絡(luò)物理層上面的連接設(shè)備 ， 適用于完全相同的兩類網(wǎng)絡(luò)的互連，主要功能是 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)以推動(dòng)， 通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào) 放大、再生，達(dá)到遠(yuǎn)工程碩士學(xué)位論文 13 距離傳輸信號(hào)的目的 。 中繼器 是 連接 在 兩 段 局域網(wǎng) 之間 的電纜， 可以將 電纜上的數(shù)字信號(hào) 放大、再生 ，然后發(fā)送 。 但 是 中繼器 只是簡(jiǎn)單的將某段 電纜上的數(shù)據(jù)發(fā)送到另一段電纜上， 而 不管 數(shù)據(jù) 是否 出 錯(cuò)誤數(shù)據(jù)或者 數(shù)據(jù)是否 不適 應(yīng) 于網(wǎng)段的 傳輸 。 （ 2）增加了 網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點(diǎn) 的 最大數(shù)目。 中繼器的缺點(diǎn) ： （ 1） 中繼器 的工作機(jī)理 對(duì)收到被 衰減的信號(hào)再生（恢復(fù)）到發(fā)送時(shí)的狀態(tài)，并轉(zhuǎn)發(fā)出去， 這 就加大了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延 。論文主要內(nèi)容如下： 第 1 章是緒論，主要介紹了 數(shù)據(jù)集中技術(shù)的 的發(fā)展及其特點(diǎn)，并對(duì) 多通 信接口的 M_BUS 主站 /中繼器系統(tǒng) 所涉及的通信接口 總線進(jìn)行了