【文章內(nèi)容簡介】 離可達 10km(通信速率為 5kbps 時 )，節(jié)點數(shù)可達 110，傳輸介質(zhì)為雙絞線。CAN 具有可靠性高、支持多主處理、支持優(yōu)先級仲裁、鏈路簡單、配置靈活、芯片資源豐富、成本低廉等特點。本文采用 CAN 現(xiàn)場總線技術，設計開發(fā)了一種分布式測量系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用了計算機、測量、通信、網(wǎng)絡和電路設計等多領域的技術，使系統(tǒng)除了有豐富的監(jiān)測功能和較完備的控制功能，還具有穩(wěn)定的性能、友好的界面。搭配不同的傳 感器，可以應用在不同的場合。 [4] CAN 模塊 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 緒論 4 控制器局域網(wǎng)（ CAN）模塊是用于與其他外圍設備或單片機進行通訊的模塊，這種接口協(xié)議能在較大的燥聲環(huán)境中進行通信，具有良好的抗干擾性能。 [8] CAN 模塊是一個通信控制器，執(zhí)行的是 BOSCH 公司的 ，它能支持， ， 協(xié)議的舊版本和 的現(xiàn)行版本，此控制器模塊包含完整的 CAN 系統(tǒng)。 CAN 模塊由協(xié)議驅(qū)動和信息緩沖及控制組成， CAN 協(xié)議驅(qū)動 CAN 總線上接收和發(fā)送信息的所有功能。信息裝載到某 個相應的數(shù)據(jù)寄存器再發(fā)送，通過讀相應的寄存器可檢查狀態(tài)與錯誤信息。在 CAN 總線上檢測到的任何信息都要進行錯誤檢查，然后與過濾器進行比較，判斷是否被接收和存儲到兩個接受寄存器之一。 [5] CAN 模塊支持的幀類型 CAN 模塊支持的幀類型有：標準數(shù)據(jù)幀，擴張數(shù)據(jù)幀，遠程幀，出錯幀，過載幀和空閑幀。 CAN 總線技術在多方面的應用 CAN 總線最初是應用在汽車工業(yè)中的，但 CAN 總線系統(tǒng)也被廣泛應用在其它多個領域中，這其中包括交通、移動設施、工業(yè)控制、樓宇自動化系統(tǒng)和一些特殊的應用領域。 [6] (1) 汽車 在引擎系統(tǒng)中應用 CAN 總線連接多個電子控制單元 (ECU)。奔馳汽車是第一個將CAN 總線應用在汽車引擎管理中的， CAN 總線在系統(tǒng)中的位速率為 500kbit/s。今天，歐洲大多數(shù)的汽車制造者也應用了 CAN 總線，比如奧迪、寶馬、雷諾、大眾、沃爾沃。 (2) 交通 在某些火車和長途汽車中，應用 CAN 連接剎車控制單元，或者通過 CAN 連接子系統(tǒng)。在道路管理中， CAN 被用在負責交通安全和法規(guī)保障的測量設備中，現(xiàn)在已有的基于 CAN 的實現(xiàn)多種功能的智能節(jié)點，如紅燈監(jiān)視和速度測量。 (3) 移動設施 在一些移 動設施中， CAN 除連接電子控制單元外，還連接探測單元和激勵單元。如應用于農(nóng)業(yè)和林業(yè)中的移動設施、輪椅、起重機等。同時， CAN 也被應用在海上交通設施的電子設備中。 (4) 工業(yè)控制 CAN 網(wǎng)絡大量地應用在各種工業(yè)控制系統(tǒng)中。因為應用的普遍性，出現(xiàn)了各制造者為自身定制的高層協(xié)議，如 CANopen， DeviceNet， SDS。 CAN 在工業(yè)控制中的典型應用有：紡織機、印刷機、打包機、壓縮機、木材處理機、半導體加工設備等。同時，東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 緒論 5 還存在一個重要的工業(yè)控制領域 —— 機器人控制。 (5) 樓宇自動化系統(tǒng) 在樓宇自動控制系統(tǒng)中 ， CAN 總線主要用于子網(wǎng)的組建中，而不是主干網(wǎng)絡。典型的應用有：電梯控制系統(tǒng)、窗簾控制系統(tǒng)、空調(diào)控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、房間中央控制系統(tǒng)、舞臺控制系統(tǒng)。 (6) 一些特殊的應用領域 CAN 總線還應用在一些特殊的領域。近年來，幾個大的醫(yī)療設施制造者已開始使用 CAN， Siemens 已決定使用 CANopen 作為這些設施的高層協(xié)議。別的應用還有：望遠鏡系統(tǒng)、飛行模擬器、高能量物理實驗、畜舍監(jiān)視系統(tǒng)等。 分布式系統(tǒng)及現(xiàn)場總線的發(fā)展 分布式控制系統(tǒng) DCS（ Distribution Controlling system）將數(shù)字技術、微電子技術、通信技術、屏幕顯示技術與過程控制技術緊密地結(jié)合在一起，使過程控制由原來的第三代過程控制體系 —— 集中式控制 CCS(Concentric Control System)跨越到第四代控制體系的分布式控制，將流程工業(yè)自動化提高到一個新的水平。 集中式控制系統(tǒng)在硬件構(gòu)成上，將每個檢測點發(fā)送來的信號通過輸入接口與集中控制系統(tǒng)相連，經(jīng)過計算機分析運算后，集中控制系統(tǒng)的輸出信號又通過輸出接口去執(zhí)行機構(gòu)控制工藝生產(chǎn)。在控制功能上，它把生產(chǎn)過程信息和生產(chǎn)管理信息匯集起來，既完成生產(chǎn)控制功能，又 完成一定的管理功能。 1975 年，美國的 Honey Well 公司推出了第一套 DCS 分散控制系統(tǒng)。它的基本思想就是控制分散、功能分散、危險分散，而操作集中、管理集中，加強了使用者的安全感和信任感。 DCS 集計算機軟件技術、硬件技術、控制技術、通訊技術、冗余技術、故障診斷技術和圖形顯示技術為一體，靈活、易變更、易擴展。 DCS 經(jīng)歷了初創(chuàng)期（ 19751980）、成熟期（ 19801995）和擴展期（ 1985 以后）。在技術上也由單純的分散型控制到實現(xiàn)全系統(tǒng)的管理，引入局部網(wǎng)絡技術（便于多機資源共享），分散控制系統(tǒng)和 信道復用等。目前 DCS 的發(fā)展將導致進一步的系統(tǒng)開放，如使用統(tǒng)一的通信標準、中小及微型化操作站的功能強化以及 DCS 與可編程序控制器(PLC)之間的滲透。 [7] 本文研究的內(nèi)容 在本研究中，利用 CAN 現(xiàn)場總線技術構(gòu)建一個通用的分布式測量系統(tǒng)。所謂通用即連接不同的傳感器即可用于不同的應用場合。各節(jié)點分布在不同的位置，每節(jié)點 4 路傳感器，并以 CAN 總線連接。各節(jié)點通過接口卡與上位機通訊，并可由上位機實時監(jiān)測和控制各節(jié)點。 研究內(nèi)容包括節(jié)點硬件、 CANPC 接口卡硬件研制；節(jié)點軟件、接口卡軟件研制。東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 緒論 6 上位機監(jiān) 測和控制軟件的研制。 重點要解決的問題有：利用 CAN 現(xiàn)場總線技術實現(xiàn)各節(jié)點和上位機的通信；各節(jié)點和接口卡長期穩(wěn)定地工作；上位機軟件對 CAN 總線上各節(jié)點動態(tài)實時監(jiān)測；方便快捷地對各傳感器的偏移進行修正。 第一章介紹了分布式系統(tǒng)和現(xiàn)場總線技術的發(fā)展概況。 第二章介紹了方案對比， CAN 總線技術的基本原理，并對其物理層和邏輯鏈路層協(xié)議進行了詳細的分析，同時結(jié)合實踐經(jīng)驗，在網(wǎng)絡拓撲、數(shù)據(jù)定義選擇、錯誤預防和實現(xiàn)形式等方面提出了 CAN 總線組網(wǎng)的理論依據(jù)。 第三章提出了基于 CAN 總線技術分布式測量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。 結(jié) 束語中對基于 CAN 總線技術的網(wǎng)絡系統(tǒng)在未來的發(fā)展進行了展望。 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） CAN 總線技術研究 7 2. CAN 總線技術研究 1991 年 9 月 Philips 公司制定并頒布了 CAN 技術規(guī)范 ， 給出了曾在 CAN 技術規(guī)范版本 中定義的 CAN 報文格式， 定義了標準和擴展的兩種報文格式； 1993年 11 月國際標準化組織 ISO/TC22技術委員會正式頒布了關于 CAN總線的 ISO11898 標準 (道路交通運載工具 數(shù)字信息交換 高速通信控制器局部網(wǎng)(CAN)國際標準，通信速率≤ 1Mhps)和 ISO11519(通信速率≤ 125khps），為 CAN 總線的標準化、規(guī)范化應用鋪平了道路。汽車工程師學會 SAE (Society ofAutomotive Engineers)為加強 CAN 在汽車工業(yè)中的應用，制定了用于汽車制造業(yè)的 SAEJ1939 標準。世界半導體知名廠商推出了 CAN 總線產(chǎn)品。如 CAN 控制器有 Intel 公司的 82526，82527； Philips 公司的 82C200， SJA1000； NEC 公司的 72021； Siemens 公司的 SAB81C90/91。 Microchip 公司的 MCP2510， MCP2515。含 CAN 控制器的單片 機有 Intel公司的 87C196CA/CB； Philips 公司的 80C592， 80CE598； Motorola 公司的 68HC05X4，68HC05X16， 68HC08； Siemens 公司的 SABC5l CLM， SABC167CRLM； Texas Instrument公司的 TMS320F243， Microchip 公司的 PIC18 系列等。其它如 Bosch， National semiconductor； SGSThomphson， Toshiba 等公司也提供集成有 CAN 協(xié)議的芯片。 1993 年 3 月國際 CAN 總 線用戶及制造商協(xié)會在歐洲正式成立，協(xié)會的名稱簡寫為 Cia (CAN in Automation)，其任務為制訂修改 CAN 的有關協(xié)議，解決 CAN 總線應用中的問題，提供 CAN 總線開發(fā)工具及產(chǎn)品，推廣 CAN 總線的應用，并定期出版刊物?；贑AN 總線的 DeviceNet 是現(xiàn)場總線國際標準 IEC61158 Type 2 ControlNet 的設備級總線。 DeviceNet 和另一個基于 CAN 總線的 SDS 都已成為國際標準 IEC62026(低壓配電與控制裝置－控制器與設備接口 )所推薦的四種總線之一。 [9] 方 案對比 自 80 年代末以來，有幾種現(xiàn)場總線技術逐漸在一些應用領域顯示了自己的優(yōu)勢，它們具有各自的特點。目前較流行的現(xiàn)場總線主要有以下幾種： RS232C， RS485，LONWORKS， PROFI BUS， CAN。并對下列幾種總線進行對比： [10] (1) RS232C 串行接口 RS232C 是異步串行通信中應用廣泛的標準總線接口，適用于數(shù)據(jù)終端設備 (DTE)和數(shù)據(jù)通信設備 (DCE)之間的接口。它采用非平衡傳輸方式 (即單端通訊 )進行數(shù)據(jù)發(fā)送 /接收，其邏輯電平對地是對稱的，與 TTL, MOS 邏輯電平完 全不同。邏輯 0 電平規(guī)定為 +5V～ +15V 之間，邏輯 1 電平為 5V～ 15V 之間。因此 RS232C 驅(qū)動器與 TTL電平連接必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。 RS232C 由于發(fā)送器和接收器之間具有公共信號地，不可能使用雙端信號，因此共模噪聲會耦合到信號系統(tǒng)中，這就是 RS232C 使用較高傳輸電壓的主要原因。即便東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） CAN 總線技術研究 8 如此，該標準的信號傳輸速率也只能達到 20kb/s，而且最大距離僅 15m，要想實現(xiàn)遠距離傳輸，必須使用 Modem。因此， RS232C 存在數(shù)據(jù)傳輸速率慢、傳送距離短、串口處各信號間容易產(chǎn)生串擾等種種缺點，而且， RS232C 是專門為點對點 (即只用一對收、發(fā)設備 )通訊而設計的，其驅(qū)動器負載為 3～ 7kΩ。所以只適合本地設備單發(fā)、單收通信。 (2) RS485 串行接口 RS485是從 RS422的基礎上發(fā)展而來的。 RS485具有很強的抑制共模干擾能力，而且接收器具有較高的靈敏度，因此，最大傳輸距離可延長到 1219 米 (速率低于 l00kb/s 時 )，在 100 米范圍內(nèi)傳輸時速率高達 l0Mb/s，并允許在一條平衡總線上連接多個負載設備，負載設備可以是被動發(fā)送器、接收器或收發(fā)器。其接口標準是一種多發(fā)送器的電路標準，具有多點、雙向通 信能力，便于實現(xiàn)多機通信，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍。 RS485 串行接口支持半雙工通信，只需一對雙絞線即可方便地構(gòu)成主機與多個子機的分布式系統(tǒng)，接口電路簡單，系統(tǒng)成本低。它采用差分式傳輸方式，雙絞線的長度與傳輸速率成反比。 RS485 總線網(wǎng)絡需要使用終接電阻進行匹配，其阻值相當于傳輸電纜的特性阻抗，一般為 120Ω 。匹配電阻接至總線電纜的兩端，但在短距離與低速率傳輸時可以不必考慮，判斷標準為 :當信號的轉(zhuǎn)換時間 (上升或下降時間 )超過電信號沿總線單向傳輸所需時間的 3 倍以上時就 可以不加匹配電阻。 RS485 的差分輸入范圍為 7V+12V，接收器最小輸入阻抗為 12kΩ ，抗干擾能力強，能滿足 RS422 的所有規(guī)范，可以在 RS422 網(wǎng)絡中應用。目前， RS485 接口標準已被廣泛應用于工業(yè)控制、儀器儀表、多媒體網(wǎng)絡等諸多領域。 但是 RS485 總線畢竟只是一個簡單的沒有硬件通訊協(xié)議的物理層，其通訊協(xié)議完全依賴軟件的支持，這就增加了系統(tǒng)通訊軟件的負擔。并且，在幾乎沒有可靠的總線競爭仲裁與幀重發(fā)機制的情況下，數(shù)據(jù)的丟失率正比于總線數(shù)據(jù)的流通量。 RS485總線一般以單主的工作方式設計， 若令其工作在多主方式，則其通訊的可靠性反比于通訊網(wǎng)絡的負荷量。特別是系統(tǒng)節(jié)點工作在多種通訊模式下時，通訊的失誤率與重發(fā)率將隨著網(wǎng)絡負荷量的增長而成倍增長，最終可能導致整個通訊網(wǎng)絡的癱瘓。 RS485通訊器件較小的收發(fā)緩沖區(qū)也不利于由它構(gòu)成的網(wǎng)絡長期處于連續(xù)或長字串的收發(fā)狀態(tài)，這在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)量不平衡的情況下尤其明顯。盡管如此，由于其在長線傳輸?shù)目垢蓴_能力以及傳輸速率的優(yōu)勢， RS485 總線在小系統(tǒng)網(wǎng)絡中還是有著廣泛的應用。例如在單幢多層住宅中構(gòu)建的智能網(wǎng)絡單元， RS485 總線技術完全能滿足網(wǎng)絡單元內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸要 求。至于在遠程監(jiān)測控制領域，在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)負荷量相