【導讀】集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均。已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。本人授權湖南大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行。檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。數(shù)據(jù)集中器被用在數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)集中器由于功能單一、總。RS485總線技術，在數(shù)據(jù)傳輸方面有著極大優(yōu)勢。的實現(xiàn)了M_BUS從節(jié)點的數(shù)據(jù)與PROFIBUS、CAN總線和以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸。器接口，增加了MBUS從機的數(shù)據(jù)傳輸距離。

　　

【正文】 說明了系統(tǒng)硬件的組成 、實現(xiàn)的功能。 第 4 章介紹了 多通 信 接口的 M_BUS 主站 /中繼器系統(tǒng)的軟件的設計及實現(xiàn) ，給出了程序流程圖并對部分關鍵代碼作了詳細解析。 給出了程序流程圖及部分代碼。 第 5 章對 系統(tǒng) 各個功能 做了詳細 的 功能 測試 。 最后是結論，對論文所作工作進行總結，并對多通 信 接口的 M_BUS 主站 /中繼器系統(tǒng)測試及實際使用情況作了介紹，對多通 信 接口的 M_BUS 主站 /中繼器系統(tǒng)的不足進行了思考，探討了多通 信 接口的 M_BUS 主站 /中繼器系統(tǒng)需要改進的問題。 工程碩士學位論文 15 第二章 多通 信 接口的 M_BUS 主站 /中繼器的總體設計 完整的數(shù)據(jù) 監(jiān)控 系統(tǒng)通常由 監(jiān)控終端、數(shù)據(jù)采集裝置和控制系統(tǒng) 等幾大部分組成。系統(tǒng)設計在需求分析的基礎上，結合考慮系統(tǒng)功能、功耗、成本及可靠性 穩(wěn)定性等因素，完成系統(tǒng)的總體設計。本章首先從整個系統(tǒng)的整體出發(fā)簡單介紹 系統(tǒng)各組成部分的功能及其在系統(tǒng)中的作用，然后著重介紹 多通 信 接口的 M_BUS主站 /中繼器 功 能需求 和 實現(xiàn)方式 。 系統(tǒng)整體概述 完整的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)， 是 由 多種 不同功能的系統(tǒng)有機組成 的 ，其中數(shù)據(jù)監(jiān)控處理系統(tǒng) 是不可缺少的，數(shù)據(jù) 監(jiān)控處理系統(tǒng)，又包含了數(shù)據(jù)采集、集中 和 上位機的監(jiān)控處理 。 實時性好、可靠 性高 的數(shù)據(jù)對工業(yè)生產(chǎn) 的好壞 起到?jīng)Q定性的作用 。工業(yè)數(shù)據(jù)，如水位、煙霧、溫度、振動等，通過各類傳感器采集 之后 ，轉換成 電壓信號，通過 MCU 的處理，經(jīng)過數(shù)據(jù)集中控制系統(tǒng)傳輸?shù)奖O(jiān)控裝置，監(jiān)控人員根據(jù)傳輸上來的數(shù)據(jù) 做出科學的分析之后，做出相應的處理?；蛘呤枪S根據(jù)自己的需要，需要對終端進 行相應的控制， 直接在監(jiān)控室輸入控制命令，經(jīng)通道傳輸?shù)浇K端，終端做出相應的反應。 Profibus 和 CAN 總線均為現(xiàn)場總線， CAN 總線是目前為止唯一成為國際標準的現(xiàn)場總線。 Profibus 是一種相當有影響力的現(xiàn)場總線技術，通信協(xié)議屬于國際標準 IEC61158 的子集，屬于歐洲標準 EN50170，已經(jīng)被采用為 CHINA 國家標準 。profibus 總線從技術開發(fā)到控制網(wǎng)絡應用都較為活躍。它們對現(xiàn)場總線的發(fā)展有著重要的影響。被廣泛運用在工業(yè)自動化和網(wǎng)絡技術的研究與開發(fā)。 profibus 總線是一種廣泛范圍的、開放的數(shù)字通 信系統(tǒng)，適合于快速、時間要求嚴格和可靠性要求高的各種通信任務。 CAN 總線支持分布式控制的串行通信網(wǎng)絡。相當于RS485 總線構成的分布式控制系統(tǒng)，有著太多的優(yōu)點 。 CAN 總線廢除了對站地址的編碼，采用對數(shù)據(jù)塊的編碼， 可以 使 CAN 網(wǎng)絡上的不同節(jié)點接收到相同的數(shù)據(jù)，有效的增強數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。 CAN 控制器芯片 和接口芯片完全可以實現(xiàn)CAN 的通信協(xié)議 ，大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期， 這些是 RS485 總線不能比擬的 。 與其他的現(xiàn)場總線相比， CAN 總線的通訊速率高、易實現(xiàn)、且性價比高 已經(jīng)逐漸形成標準的現(xiàn)場總線。 以太網(wǎng) 作 為 一種基帶局域網(wǎng)規(guī)范，隨著 網(wǎng)絡 技術的 不斷進步 ，由標準以太網(wǎng)逐漸發(fā)展為萬兆 以太網(wǎng) ，數(shù)據(jù)傳輸量巨大，是目前采用最為廣泛的數(shù)據(jù)傳輸方式，幾乎工業(yè)過程自動化的數(shù)據(jù)傳輸都會 用到以太網(wǎng) 進行傳輸。 且以太網(wǎng)拓 通信介質多樣，可以采用光纖、雙絞線、同軸電纜等。多通 信 接口的 M_BUS 主站 /中繼器 的設計與實現(xiàn) 16 極大的節(jié)約了通信線路的成本。 由于 Profibus 總線、 CAN 總線和以太網(wǎng)眾多優(yōu)點及廣泛的應用領域，固選擇其作為系統(tǒng)的通訊接口 ，可以使 多通 信 接口的 M_BUS主站 /中繼器 應用于多種場合。 多通 信 接口的 M_BUS 主站 /中繼器 是用來解決在工業(yè)生產(chǎn)中數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)集中與控制 ?？?以將 M_BUS 從節(jié)點上的傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行集中、存儲，然后轉換 成 與上位機通信的通 信 總線的幀格式進行傳輸 ，也可以接收總線上傳輸?shù)目刂泼睿缓蟾鷵?jù)控制信息對 M_BUS 從機進行相應的控制 。 多通 信 接口的 M_BUS主站 /中繼器 設計思想 :由于在工業(yè)生產(chǎn)中， 工業(yè)控制是核心環(huán)節(jié)，而數(shù)據(jù)傳輸是核心中的核心， 考慮到傳統(tǒng)的 M_BUS 數(shù)據(jù)集中器 由于接口不匹配導致原有的M_BUS 數(shù)據(jù) 集中 系統(tǒng)不能使用，造成工業(yè)浪費。另外，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)集中系統(tǒng)不帶 CPU，僅僅由 M_BUS 切換電路和 RS232 通 信 接口組成，在接收到數(shù)據(jù)后，不能進行數(shù)據(jù)存儲、處 理，導致系統(tǒng)不能 進行復雜的工作 。多通 信 接口的 M_BUS主站 /中繼器 針對原有數(shù)據(jù)集中器的不足 ，采用應用廣泛、實時性很好的現(xiàn)場總線Profibus 和 CAN 總線，外加 傳輸數(shù)據(jù)量大的 以太網(wǎng) 技術作為對上位機通 信 數(shù)據(jù)的接口， 與下位機進行通 信 的總線接口使用儀表采集領域使用廣泛的 M_BUS 儀表總線傳輸技術，整個系統(tǒng)的通用性強 、實時性好、傳輸數(shù)據(jù)量大，外加 M_BUS中繼接口的設計，可以增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x。整個系統(tǒng)功能強大，即可作為 M_BUS主站使用，又可作為 中繼器使用。 上 位 機多 通 訊 接口 的 M B U S主 機1 從 機N 從 機2 從 機……C A N 口 o r網(wǎng) 口 o rp r o f i b u s 口M B U S中 繼 器1 從 機N 從 機2 從 機……M b u s 總 線 圖 系統(tǒng)連接示意圖 整個系統(tǒng)由工控模塊、 M_BUS 電平轉換電路、電源系統(tǒng)和 四 種通 信 接口電工程碩士學位論文 17 路 四 部分組成。主控系統(tǒng) T2387，主要負責配置 四 種接口模塊、收發(fā)下位機數(shù)據(jù)、收發(fā)上位機數(shù)據(jù)、響應用戶命令、升級用戶軟件等。 M_BUS 總線主要負責從機采集到的數(shù)據(jù)向多通信通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行傳輸和用戶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過該采集系統(tǒng)向從機傳輸配置命令、收發(fā)命令，用戶可以 用 自己配置的命令通過該 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)想從機進行命令傳輸，從機接到命令后作出相應動作。 T2387 主要用來接收、處理和發(fā)送用戶和從機之間的數(shù)據(jù)，還可以通過軟件配 置還可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸，即從機向用戶發(fā)的數(shù)據(jù)和用戶向從機發(fā)送的數(shù)據(jù)不經(jīng)過任何處理直接進行傳輸，此時，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相當于以一個透明的通道，可作為中繼器 來增加 信號 傳輸距離 。 選用的 四種總線通 信 接口，分別為 CAN 總線接口、 Profibus 總線接口、以太網(wǎng)接口和 M_BUS 中繼接口， 在 現(xiàn)今階段應用相對成熟 ，且應用范圍廣，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)從 MBUS 從機和四種通信通道間的 數(shù)據(jù)傳輸。 多通 信 接口的 M_BUS 主站 /中繼器有兩種模式： M_BUS 主站模式和中繼器模式。其中 M_BUS 主站模式，依據(jù)對上位機的通 信 接口不同分為： CAN 通 信 、以太網(wǎng)通 信 、 Profibus 通 信 。 在 M_BUS 主站模式 下，主站下掛在一定量的 M_BUS從站，對上位機通 信 可以選擇 CAN 總線通 信 、 PROFIBUS 總線通 信 、以太網(wǎng)通信 。中繼器通 信 模式， 對 M_BUS 主站 通 信 時，自身相當于一個 M_BUS 從站，對 M_BUS 從機進行通 信 時 ，自身相當于一個 M_BUS 主站，對 M_BUS 主站和從站都通過 M_BUS 總線進行通 信 。 多通信接口的 M_BUS 主站 /中繼器的 主控芯片 介紹 TinyArm2387 嵌入式工控模塊概述 主控模塊 選用廣州致遠公司的 TinyARM 系列 T2387 嵌入式工控模塊 ，片上集成 NXP 公司的 LPC2387。 TinyARM 系列 T2387 嵌入式工控模塊是 TinyARM23 系列中功能強大的一款型號 [25]，它內部配置 2MB 內存，集成 LPC2387 微控制器最小系統(tǒng)。產(chǎn)品內置有商業(yè)化 TCP/IP、 USB 、 CAN 協(xié)議棧、 SD 總線驅動、文件管理系統(tǒng)和底層基礎驅動函數(shù)庫等固件。用戶只需要簡單地調用 API 函數(shù)，而無需了解以太網(wǎng)、 USB 、 CAN 等協(xié)議棧和文件系統(tǒng)和 ARM 內部寄存器，即可實現(xiàn)相應的功能。在線升級功能界面，簡單和可靠的現(xiàn)場升級，大大提高了產(chǎn)品的 市場競爭力。功能強大，易于使用的軟件開發(fā)平臺，大大降低了開發(fā)門檻，使設計的產(chǎn)品可以迅速可靠地上市。 T2387 是一個 45mm 32mm 的核心模塊，通過分布在模塊邊緣的 2 組 15 x 3 排針將 T2387 的通信接口、 GPIO、電源等所有引腳引出。該芯片豐富的串行接口使得其外圍電路設計變得簡單 。 多通 信 接口的 M_BUS 主站 /中繼器 的設計與實現(xiàn) 18 TinyArm2387 嵌入式工控模塊硬件資源 該芯片基于 ARM@CortexTMm3 32位的 RISC 內核，工作頻率最高為 72MHz，內置高速存儲器（高達 256K 字節(jié)的 FLASH 和 64K 字節(jié)的 SRAM）， 6 路 10 位A/D 轉換器，單通道轉換時間低至 ； USB 設備控制器； 1 路 10 位 D/A 轉換器，轉換時間低至 1μs；包含標準的通信接口： 4 個異步串行口（ UART）接口、CAN 總線控制接口、片上集成 10M/100M 以太網(wǎng)控制器并提供以太網(wǎng)接口、工業(yè)級 PHY、 SD/MMC 總線控制器、 12MHz 工業(yè)級有源晶振以及復位電路。 可以在外圍電路上設計 2M 的 Flash 接口 。工控模塊硬件圖如圖 。 L P C 2 3 8 75 1 2 K B y t e F l a s h9 8 K B y t e S R A MT 2 3 8 7 工 控 模 塊R X + 、 R X T X + 、 T X R D 1 、 R D 2T D 1 、 T D 2U A R T 0 ~ U A R T 3A D C 0 ~ A D C 5D A CG P I OP 0 、 P 1 、P 2 、 P 3L E D _ N 1L E D _ N 2U A R T / I2C / S P I /S S P / I2S / A D C /D A C / P W M以 太 網(wǎng) 控 制 器C A N 控 制 器S D 卡 接 口U S B 設 備 接 口數(shù) 據(jù) F l a s hR T CP W M 1 P W M 6E I N T 0 ~ E I N T 3I2C 1 、 I2C 2S P I 、 S S P 、C A P 、 M A TK S Z 8 0 4 1 N L以 太 網(wǎng) P H YV B U S 、U C O N N E T 、U D + 、 U D 、U U P _ L E DC S 、 V d d 、 V s sD a t a I n 、D a t a O u t 、C L KS D 卡 接 口U S BC A N _ b u sV D D 3 . 3 供 電 圖 T2387 硬件結構圖 T2387 的硬件資 源 [26]： 處理器 ： NXP 公司的 LPC2387 。一般情況下，默認運行頻率 48 MHz，支持 72MHz 的最高運行頻率； 存儲系統(tǒng) ： 504KBytes 片內無需等待程序存儲器，可實現(xiàn)硬件加密程序代碼空間，保護開發(fā)者的知識產(chǎn)權，另帶 98KBytes 的高速片內 SRAM， ；可選配 256KB ～ 2MB 字節(jié) 的數(shù)據(jù) Flash；支持 SD/MMC 卡。 通 信 接口 ： 內部 集成工業(yè)級 10/100M 以太網(wǎng) PHY 芯片； 集成 2 路 CANbus 接口； 4 路 UART 控制器（ UART1 符合 16C550 工業(yè)標準，工程碩士學位論文 19 UART3 支持 IrDA 模式）； 1 路 全速設備接口 (12Mbps)； 2 路高速 I2C 總線， 數(shù)據(jù)傳輸速度 0 ~ 400Kbit/s； 2 路帶緩沖的 SSP 總線。 A/D ： 6 路 10 位 A/D 轉換器， 單通道轉換時間低達 s； D/A ： 1 路 10 位 D/A 轉換器，轉換時間低達 1 μ s；內部集成高精度基準電壓源。 定時器 / 計數(shù)器： 4 個 32 位定時器 / 計數(shù)器，支持捕獲、匹配輸出功能； PWM ： 6 路單邊沿 PWM 輸出，或 3 路雙邊沿 PWM 輸出。 多通 信 接口的 M_BUS 主站 /中繼器系統(tǒng) 的需求與分析 通過對 傳輸數(shù)據(jù)的 工作環(huán)境參數(shù)的采集、處理和傳輸， 多通 信 接口的 M_BUS主站 /中繼器 實現(xiàn)了對 整個工業(yè)生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)傳輸 。 多通 信 接口的 M_BUS主站 /中繼器 是 數(shù)據(jù)傳輸 的 關鍵環(huán)節(jié) 。 多通 信 接口的 M_BUS主站 /中繼器 包含了硬件功能需求和軟件功能需求，在實現(xiàn)其相應功能的基礎上也對各項性能指標提出了相應的要求。 本系統(tǒng)的研究目標是完成 多通 信 接口的 M_BUS主站 /中繼器 的設計與開發(fā)，結合數(shù)據(jù) 采集技術、信號處理技術 、信號傳輸技術 ，對 在工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行采集 ， 可使用多種總線接口上傳數(shù)據(jù)， 可以使 遠程監(jiān)控人 員