【正文】 本章小結(jié)本章首先簡(jiǎn)單介紹了多通信接口的 M_BUS 主站/中繼器 的整體結(jié)構(gòu)框架，分別從物理結(jié)構(gòu)上和功能結(jié)構(gòu)上給出了相應(yīng)的構(gòu)成原理，并簡(jiǎn)單闡述各個(gè)部分在系統(tǒng)中所起的作用和系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)的功能，以及具體所用到的相關(guān)設(shè)備。24小時(shí)；服務(wù)時(shí)間≥95％；操作響應(yīng)時(shí)間≤1秒。(6) 系統(tǒng)的通信功能：能在四種不同的通信通道中傳輸數(shù)據(jù)，在不同的傳輸距離和不同的波特率的條件下，數(shù)據(jù)能夠很好的傳輸。(4) 總線的保護(hù)功能：在檢測(cè)到電流很大的時(shí)候，自動(dòng)觸發(fā)LPC2387的中斷，關(guān)閉輸出電流，保護(hù)整個(gè)電路的元器件不被燒毀。在中繼器模式下，該系統(tǒng)上接M_BUS 主站、下接若干M_BUS從站，相當(dāng)于一個(gè)透明的數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)從機(jī)和主機(jī)之間的實(shí)時(shí)通信，增加通信距離。具有中繼器功能，放大和再生M_BUS從機(jī)上的信號(hào)，使得信號(hào)傳輸距離更遠(yuǎn)，彌補(bǔ)數(shù)據(jù)傳輸受到距離限制的不足。 多通信接口的 M_BUS 主站/中繼器系統(tǒng)軟件功能需求(1) 系統(tǒng)模式配置主要功能：通過(guò)串口配置通信模式，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的四種通訊模式。（3）數(shù)據(jù)可采集的范圍廣泛，采集包括：溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)、水位數(shù)據(jù)、煙霧數(shù)據(jù)、震動(dòng)數(shù)據(jù)等其它。工程碩士學(xué)位論文19 多通信接口的 M_BUS 主站/中繼器系統(tǒng)硬件功能需求（1）多通信接口的M_BUS主站/中繼器提供多種通信接口，既可以作為主站使用，又可以簡(jiǎn)單的作為數(shù)據(jù)中繼器使用。(3)兼容性。嵌入式技術(shù)是不斷的進(jìn)步的，用戶的實(shí)際的需求也會(huì)不斷的變化。系統(tǒng)需要采用成熟可靠的技術(shù)和設(shè)備，從硬件、軟件等方面考慮如何設(shè)計(jì)出高穩(wěn)定性與安全性的系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng)，系統(tǒng)盡量避免發(fā)生故障，以及在發(fā)生故障時(shí)方便盡快修復(fù)或恢復(fù)。(5) 提供配套的配置命令，可以簡(jiǎn)單的使用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)配置。(3)支持本地配置，為增加系統(tǒng)靈活性，即當(dāng)外界需求變化時(shí)，通過(guò)串口下發(fā)配置命令，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同的總線上傳，同時(shí)可以根據(jù)用戶需要調(diào)整通信速率。(2) 多通信接口的M_BUS 主站/中繼器可以作為M_BUS主站使用，通過(guò)四種通信接口，可以將M_BUS從站的數(shù)據(jù)上傳至不同的總線。本系統(tǒng)的研究目標(biāo)是完成多通信接口的M_BUS主站/中繼器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，結(jié)合數(shù)據(jù)采集技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、信號(hào)傳輸技術(shù)，對(duì)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，可使用多種總線接口上傳數(shù)據(jù)，可以使遠(yuǎn)程監(jiān)控人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，確保工業(yè)生產(chǎn)的運(yùn)行穩(wěn)定。多通信接口的M_BUS主站/ 中繼器是數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)。 定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器： 4 個(gè) 32 位定時(shí)器/ 計(jì)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。 通信接口 ：內(nèi)部集成工業(yè)級(jí) 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(biāo)準(zhǔn)，UART3 支持 IrDA 模式） ； 1 路 全速設(shè)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。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(shè)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(jié)構(gòu)圖T2387 的硬件資源 [26]：處理器 ：NXP 公司的 LPC2387 。可以在外圍電路上設(shè)計(jì) 2M 的 Flash接口。該芯片豐富的串行接口使得其外圍電路設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單。功能強(qiáng)大，易于使用的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，大大降低了開(kāi)發(fā)門(mén)檻，使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品可以迅速可靠地上市。用戶只需要簡(jiǎn)單地調(diào)用 API 函數(shù)，而無(wú)需了解以太網(wǎng)、USB 、 CAN 等協(xié)議棧和文件系統(tǒng)和 ARM 內(nèi)部寄存器，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。TinyARM 系列 T2387 嵌入式工控模塊是 TinyARM23 系列中功能強(qiáng)大的一款型號(hào) [25]，它內(nèi)部配置 2MB 內(nèi)存，集成 LPC2387 微控制器最小系統(tǒng)。中繼器通信模式，對(duì) M_BUS 主站通信時(shí)，自身相當(dāng)于一個(gè) M_BUS 從站，對(duì) M_BUS 從機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，自身相當(dāng)于一個(gè) M_BUS 主站，對(duì) M_BUS 主站和從站都通過(guò) M_BUS 總線進(jìn)行通信。其中 M_BUS 主站模式，依據(jù)對(duì)上位機(jī)的通信接口不同分為：CAN 通信、以太網(wǎng)通信、Profibus 通信。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(yīng)用相對(duì)成熟，且應(yīng)用范圍廣，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從 MBUS 從機(jī)和四種通信通道間的數(shù)據(jù)傳輸。M_BUS 總線主要負(fù)責(zé)從機(jī)采集到的數(shù)據(jù)向多通信通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行傳輸和用戶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)該采集系統(tǒng)向從機(jī)傳輸配置多通信接口的 M_BUS 主站/中繼器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)16命令、收發(fā)命令，用戶可以用自己配置的命令通過(guò)該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)想從機(jī)進(jìn)行命令傳輸，從機(jī)接到命令后作出相應(yīng)動(dòng)作。上位機(jī)多通訊接口的 M B U S主機(jī)1 從機(jī)N 從機(jī)2 從機(jī)……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(jī)N 從機(jī)2 從機(jī)……M b u s 總線圖 系統(tǒng)連接示意圖整個(gè)系統(tǒng)由工控模塊、M_BUS 電平轉(zhuǎn)換電路、電源系統(tǒng)和四種通信接口電路四部分組成。多通信接口的 M_BUS 主站/中繼器針對(duì)原有數(shù)據(jù)集中器的不足，采用應(yīng)用廣泛、實(shí)時(shí)性很好的現(xiàn)場(chǎng)總線 Profibus 和 CAN 總線，外加傳輸數(shù)據(jù)量大的以太網(wǎng)技術(shù)作為對(duì)上位機(jī)通信數(shù)據(jù)的接口，與下位機(jī)進(jìn)行通信的總線接口使用儀表采集領(lǐng)域使用廣泛的 M_BUS 儀表總線傳輸技術(shù)，整個(gè)系統(tǒng)的通用性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、傳輸數(shù)據(jù)量大，外加 M_BUS 中繼接口的設(shè)計(jì)，可以增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x。多通信接口的 M_BUS 主站/ 中繼器設(shè)計(jì)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(dǎo)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(fèi)。多通信接口的 M_BUS 主站/中繼器是用來(lái)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。極大的節(jié)約了通信線路的成本。以太網(wǎng)作為一種基帶局域網(wǎng)規(guī)范，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步，由標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)逐漸發(fā)展為萬(wàn)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(guò)程自動(dòng)化的數(shù)據(jù)傳輸都會(huì)用到以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸。CAN 控制器芯片和接口芯片完全可以實(shí)現(xiàn) CAN 的通信協(xié)議，大大降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)難度，縮短了開(kāi)發(fā)周期，這些是 RS485 總線不能比擬的。相當(dāng)于 RS485 總線構(gòu)成的分布式控制系統(tǒng)，有著太多的優(yōu)點(diǎn)。profibus 總線是一種廣泛范圍的、開(kāi)放的數(shù)字通信系統(tǒng)，適合于快速、時(shí)間要求嚴(yán)格和可靠性要求高的各種通信任務(wù)。它們對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展有著重要的影響。Profibus 是一種相當(dāng)有影響力的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，通信協(xié)議屬于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158 的子集，屬于歐洲標(biāo)準(zhǔn) EN50170，已經(jīng)被采用為 CHINA 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)?；蛘呤枪S根據(jù)自己的需要，需要對(duì)終端進(jìn)行相應(yīng)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(yīng)的反應(yīng)。實(shí)時(shí)性好、可靠性高的數(shù)據(jù)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的好壞起到?jīng)Q定性的作用。本章首先從整個(gè)系統(tǒng)的整體出發(fā)簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)方式。多通信接口的 M_BUS 主站/中繼器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)14第二章 多通信接口的 M_BUS 主站/中繼器的總體設(shè)計(jì) 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。第 5 章對(duì)系統(tǒng)各個(gè)功能做了詳細(xì)的功能測(cè)試。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(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，給出了程序流程圖并對(duì)部分關(guān)鍵代碼作了詳細(xì)解析。第 3 章介紹了多通信接口的 M_BUS 主站/中繼器系統(tǒng)的硬件的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。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)行了詳細(xì)的介紹。中繼器若出現(xiàn)故障，對(duì)相鄰兩個(gè)子網(wǎng)的工作都將產(chǎn)生影響。 　　工程碩士學(xué)位論文13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。 ?。?）大大提高了數(shù)據(jù)傳輸可靠性。（2）增加了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的最大數(shù)目。事實(shí)上這是不可能的，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中都對(duì)信號(hào)的延遲范圍作了具體的規(guī)定，中繼器只能在此規(guī)定范圍內(nèi)進(jìn)行有效的工作，否則會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)故障。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。使用中繼器可以適當(dāng)?shù)脑黾泳钟蚓W(wǎng)的覆蓋范圍。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。如以太網(wǎng)常常利用中繼器擴(kuò)展總線的電纜長(zhǎng)度，標(biāo)準(zhǔn)細(xì)纜以太網(wǎng)的每段長(zhǎng)度最大 185 米，最多可有 5 段，因此增加中繼器后，最大網(wǎng)絡(luò)電纜長(zhǎng)度則可提高到 925 米。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(lèi)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)距離傳輸信號(hào)的目的。然后 M_BUS 主站可以使用 B的 MAC 向 B 發(fā)送數(shù)據(jù)（ MAC 是由網(wǎng)卡附加的） 。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。M_BUS 主站通過(guò)網(wǎng)口要向一臺(tái)主機(jī) B 發(fā)送報(bào)文，會(huì)查詢(xún)本地的 ARP 緩存表，找到 B 的 IP 地址對(duì)應(yīng)的 MAC 地址后，就會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。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)。宿主主機(jī)會(huì)按照上述相反的方向?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行接收，然后分別在各層實(shí)現(xiàn)拆包的工作，最后提取出來(lái)的原始發(fā)送的數(shù)據(jù)或者控制命令。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。以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)格式是數(shù)據(jù)包，源主機(jī)向目的主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，數(shù)據(jù)包 TCP／IP分層模型中的傳輸過(guò)程圖 所示。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。早期以太網(wǎng)連接采用總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，現(xiàn)在但由于它存在的固有缺陷，工程碩士學(xué)位論文11已經(jīng)逐漸被以交換機(jī)和集線器為核心的星型網(wǎng)絡(luò)所代替。 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)。控制器局部網(wǎng)將在我國(guó)迅速普及推廣。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)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。CAN 總線采用的非破壞性逐位仲裁技術(shù)，使優(yōu)先級(jí)高的先發(fā)送，極大地節(jié)省總線沖突仲裁時(shí)間。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/m5 1000010 670020 330050 1300100 620125 530250 270