【正文】 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。 多通 信 接口的 M_BUS主站 /中繼器 是 數(shù)據(jù)傳輸 的 關(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)，工程碩士學(xué)位論文 19 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，易于使用的軟件開發(fā)平臺(tái)，大大降低了開發(fā)門檻，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 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)過該采集系統(tǒng)向從機(jī)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(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 接口電工程碩士學(xué)位論文 17 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 。多通 信 接口的 M_BUS 主站 /中繼器 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 16 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)開發(fā)難度，縮短了開發(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 。 工程碩士學(xué)位論文 15 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。 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 。 （ 4） 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) 的增加 局域網(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 。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 主站通過網(wǎng)口 要向 一臺(tái) 主機(jī) B 發(fā)送報(bào)文，會(huì)查詢本地的 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)聽到信道空閑為止； 若沒有監(jiān)聽到任何信號(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 ，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，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)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。 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 /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節(jié)點(diǎn)在嚴(yán)重錯(cuò)誤 的情況下，可以自動(dòng)關(guān)閉，不會(huì)影響總線其它節(jié)點(diǎn)。 CAN 總線節(jié)點(diǎn)可達(dá) 110 個(gè) 。 CAN 總線 的特性 [17]： CAN 總線是一 種 串行通信網(wǎng)絡(luò) ，它 優(yōu)先支持分布式 、 實(shí)時(shí) 控制 。 CAN 總線 的 最大特 點(diǎn)廢除了傳統(tǒng) 的依靠 站地址 來 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。 由于 CAN 的設(shè)計(jì)獨(dú)特且 可靠性 高 、在多主系統(tǒng)中的實(shí)用性 等方面的優(yōu)勢(shì)很明顯， CAN 總線已經(jīng) 廣泛的 被應(yīng)用于現(xiàn)代多通 信 接口的 M_BUS 主站 /中繼器 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 10 汽車工業(yè)、航天工業(yè)等領(lǐng) 域， CAN 總線是 目前為止唯一一種成為國(guó)際 通用 標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線， 它 被認(rèn)為是目前最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。在國(guó)際上，CAN 作