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基于can總線的分布式測量系統(tǒng)研究設(shè)計畢業(yè)設(shè)計-文庫吧資料

2024-11-20 15:34本頁面
  

【正文】 交通、移動設(shè)施、工業(yè)控制、樓宇自動化系統(tǒng)和一些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域。其它還有不少,有的也有廣泛應(yīng)用,如PhenixContact 公司的 Interbus, ASI 總線 (Actuator Sensor Interface bus),瑞士 CarloGavazzi公司的 Dupline, Process Data 公司的 PNet, PeterHans 公司的 FMux, VXL 總線 (VME bus extension for Instrumentation),還有英國的國家標準 ERA,挪威 的國家標準 FINT 等等。因 此,本文采用了 CAN 總線技術(shù),重點研究 PCCAN 接口卡的設(shè)計。 CAN 卓越的特性、極高的性價比,特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連,因此,越來越受到工業(yè)界的重視,并已被公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一。 CAN 的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu),每一幀的有效字節(jié)數(shù)為 8 個,因而傳輸時間短,受干擾概率低。通信速率最高可達1Mbps(距離 40m),直接傳輸距離最遠可達 10km(速率 5kbps)。 CAN 協(xié)議建立在 ISO/OSI 七層網(wǎng)絡(luò)模型基礎(chǔ)之上,不過其模型結(jié)構(gòu)只取了 OSI 底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂層的應(yīng)用層三層。后來逐步發(fā)展到用于其它工業(yè)領(lǐng)域的控制。最多可掛接 127 個站點。傳輸速率為 ~ 12Mbps,最大傳輸距離在12Mbps 時為 100m, 時為 400m,可用中繼器延長至 10km。而隊型則是用于過程自動化的總線類型,它遵從 IEC 11582 標準。 DP 型用于分散外設(shè)間的 高速數(shù)據(jù)傳輸,適合于加工自動化領(lǐng)域的應(yīng)用。 ● PROFIBUS 東華理工大學長江學院畢業(yè)設(shè)計(論文) CAN 總線的介紹 9 PROFIBUS 是納入德國國家標準 DIN 19245 和歐洲標準 EN50170 的現(xiàn)場總線標準。它以 ISO/OSl 七層模型為基礎(chǔ),取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層為 FF 通信模型的相應(yīng)層,并增加了用戶層。 Echelon公司同時提供了一套開發(fā)工具平臺 LON Builder 與 Node Builder,以方便用戶利用神經(jīng)元芯片、 LonTalk 協(xié)議、 LonWorks 收發(fā)器開發(fā)出適合各自領(lǐng)域的系統(tǒng)和產(chǎn)品。 LonWorks 技術(shù)所采用的 LonTalk 協(xié)議被封裝在稱之為 Neuron 的神經(jīng)元芯片中而得以實現(xiàn)。 ● LONWORKS 局部操作網(wǎng)絡(luò) (Local Operating Network)是由美國 Echelon 公司推出并由它與摩托羅拉、東芝公司共同倡導,于 1990 年正式公布而形成的。例如在單幢 多層住宅中構(gòu)建的智能網(wǎng)絡(luò)單元, RS485 總線技術(shù)完全能滿足網(wǎng)絡(luò)單元內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸要求。 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(luò)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。 RS485 總線一般以單主的工作方式設(shè)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(luò)的負荷量。 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。 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(luò)中應(yīng)用。 RS485 總線網(wǎng)絡(luò)需要使用終接電阻進行匹配,其阻值相當于傳輸東華理工大學長江學院畢業(yè)設(shè)計(論文) CAN 總線的介紹 8 電纜的特性阻抗,一般為 120?。 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。為改進 RS232C 通信距離短、速率低而且不能實現(xiàn)多機通信的缺點, RS485 的數(shù)據(jù)傳輸采用平衡發(fā)送和差分接收方式,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(shè)備,負載設(shè)備可以 是被動發(fā)送器、接收器或收發(fā)器。所以只適合本地設(shè)備單發(fā)、單收通信。即便如此,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 驅(qū)動器與 TTL 電平連接必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。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。與此同時,傳統(tǒng)的 RS232 和 RS485 標準仍然在廣泛地使用。 CAN 與其他幾種現(xiàn)場總線的比較 自 80 年代末以來,有幾種現(xiàn)場總線技術(shù)逐漸 在一些應(yīng)用領(lǐng)域顯示了自己的優(yōu)勢,它們具有各自的特點。同時,由于系統(tǒng)的結(jié)東華理工大學長江學院畢業(yè)設(shè)計(論文) CAN 總線的介紹 7 構(gòu)簡化,設(shè)備與連線減少,現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強,減少了信號的往返傳輸,提高了系統(tǒng)的工作可靠性。避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品而限制了其它設(shè)備的選擇范圍。 節(jié)省維護開銷:由于現(xiàn)場控制設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理的能力,并通過數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護信息送往控制室,用戶可以查詢所有設(shè)備的運行,診斷維護信息,以便早期分析故障原因并快速排除,縮短了維護停工時間,同時由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化,連線簡單而減少了維護工作量。當需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時,無需增設(shè)新的電纜,可就近連接在原有的電纜上,既節(jié)省了投資,也減少了設(shè)計、安裝的工作量。 節(jié)省投資:由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在現(xiàn)場的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感控制報警和計算功能,不再需要 DCS 系統(tǒng)的信號調(diào)制、轉(zhuǎn)換、隔離等功能單元及其復雜接線,還可以用工控 PC 機作為操作站,從而節(jié)省了一大筆硬件投資,并可減少控制室的占地面積。 ●對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性 現(xiàn)場總線是專為現(xiàn)場環(huán)境而設(shè)計的,可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等,具有較強的抗干擾能力,能采用兩線制實 現(xiàn)供電與通信。 ●系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分散性控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。 圖 1 FCS 典型體系結(jié)構(gòu) 生產(chǎn)過程 現(xiàn)場總線 監(jiān)控計算機 執(zhí)行機構(gòu) 智能儀器 監(jiān)控計算機 東華理工大學長江學院畢業(yè)設(shè)計(論文) CAN 總線的介紹 6 ●互可操作性與互用性 可操作性,是指實現(xiàn)互連設(shè)備之間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通;而互用則意味著不同生產(chǎn)廠家的 性能類似的設(shè)備可實現(xiàn)相互替換。通過現(xiàn)場總線構(gòu)筑自動化領(lǐng)域的開放互連系統(tǒng)?,F(xiàn)場總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的技術(shù)特點 現(xiàn)場總線系統(tǒng)在技術(shù)上具有以下特點: ●系統(tǒng)的開放性: 一個開放系統(tǒng) ,是指它可以與世界上任何地方遵守相同標準的其它設(shè)備或系統(tǒng)連接。而現(xiàn)場總線則是把智能設(shè)備掛接在總線上,多個設(shè)備共用一條總線。 東華理工大學長江學院畢業(yè)設(shè)計(論文) CAN 總線的介紹 5 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的特點 現(xiàn)場總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點 現(xiàn)場總線系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 形式。它作為智能設(shè)備的聯(lián)系紐帶,把掛接在總線上、作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的智能設(shè)備連接為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),并進一步構(gòu)成自動化系統(tǒng),實現(xiàn)基本控制、補償計算、參數(shù)修改、報警、顯示、監(jiān)控、優(yōu)化及管理控制一體化的綜合自動化功能。使用現(xiàn)場總線 降低了成本,提高了可靠性,實現(xiàn)了控制管理一體化的結(jié)構(gòu)體系。 現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展 現(xiàn)場總線是 90 年代初期興起的一種先進的工業(yè)控制技術(shù)。在技術(shù)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(luò) 技術(shù)(便于多機資源共享),分散控制系統(tǒng)和信道復用等。 DCS 集計算機軟件技術(shù)、硬件技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)、冗余技術(shù)、故障診斷技術(shù)和圖形顯示技術(shù)為一體,靈活、易變更、易擴展。 1975 年,美國的 HoneyWell 公司推出了第一套 DCS 分散控制系統(tǒng)。 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)。此后,1993 年 11 月 ISO 正式頒布了道路交通運載工具 數(shù)字信息交換 高速通信控制器局部網(wǎng)( CAN)國際標準( ISO11898),為控制器局部網(wǎng)標準化、規(guī)范化推廣鋪平了道路 [15]。該技術(shù)規(guī)范包括 A 和 B 兩部分。 由于 CAN 為愈來愈多不同領(lǐng)域采用和推廣,導致要求各種應(yīng)用領(lǐng)域通信報文的標準化。同時,正由于現(xiàn)場總線的標準尚未統(tǒng)一,也使得現(xiàn)場總線的應(yīng)用得以不拘一格地發(fā)揮,并將為現(xiàn)場總線的完善提供更加豐富的依據(jù)?,F(xiàn)場總線的研究與應(yīng)用已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域的熱點。 典型的分散式控制系統(tǒng)由現(xiàn)場設(shè)備、接口與計算設(shè)備以及通信設(shè)備組成。這類系統(tǒng)是以微型機為核心,將 5C 技術(shù) COMPUTER(計算機技術(shù))、 CONTROL (自動控制技術(shù))、COMMUNICATION(通信技術(shù))、 CRT(顯示技術(shù))和 CHANGE(轉(zhuǎn)換技術(shù))緊密結(jié)合的產(chǎn)物。由于對系統(tǒng)可靠性和靈活性的高要求,工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展主要表現(xiàn)為:控制面向多元化,系統(tǒng)面向分散化,即負載分散、功能分散、危險分散和地域分散??刂破骶?域網(wǎng)將在我國迅速普及推廣 。 東華理工大學長江學院畢業(yè)設(shè)計(論文) CAN 總線的介紹 3 1 CAN總線的介紹 CAN 總線的歷史 控制器局 域 網(wǎng)( CAN- CONTROLLER AREA NETWORK)是 BOSCH 公司 于 1983年 為現(xiàn)代汽車應(yīng)用領(lǐng)先推出的一種多主機局部網(wǎng), 是一 種能有效支持分布式控制和實時控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò),屬于現(xiàn)場總線的范疇。系統(tǒng)中采用了計算機、測量、通信、網(wǎng)絡(luò)和電路設(shè)計等多領(lǐng)域的技術(shù),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。在此背景下,對工業(yè)自控領(lǐng)域內(nèi)最具前途的現(xiàn)場總線技術(shù)之一,即控制器局域網(wǎng) CAN 總線技術(shù)的應(yīng)用與開發(fā)正是符合我國國民經(jīng)濟發(fā)展需要和市場需求的,它的實現(xiàn)無疑具有普遍的實際應(yīng)用價值,對促進我國的現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用與開發(fā),提高現(xiàn)場總線 技術(shù)的應(yīng)用水平,改善工作環(huán)境,提高人民生活水平,必將起到積極的推動作用。幾年來,現(xiàn)場總線已成為我國工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域中最為活躍的一個領(lǐng)域。但 21 世紀的自動化領(lǐng)域?qū)⑹乾F(xiàn)場總線技術(shù)的領(lǐng)域。 該課題的實現(xiàn),其意義令人鼓舞。 課題研究的目的和意義 該課題的研究目的是通過綜合運用機械技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、單片機技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、計算機軟 件編程技術(shù)等多種技術(shù),集中體現(xiàn)未來的機電信息一體化的發(fā)展方向,同時,解決監(jiān)控系統(tǒng)中硬件控制系統(tǒng)的軟件化,為監(jiān)控系統(tǒng)的進一步的網(wǎng)東華理工大學長江學院畢業(yè)設(shè)計(論文) 緒論 2 絡(luò)發(fā)展提供技術(shù)基礎(chǔ)。在已過去的六七年里, CAN 總線技術(shù)的應(yīng)用水平得以不斷提高,我國工業(yè)自動化水平也有很大發(fā)展。這之后, CAN 總線的應(yīng)用如雨過春筍般的發(fā)表在各類相關(guān)的科技期刊上,同時這些應(yīng)用像滾雪球般的帶動了高校、科學院所等的研發(fā)熱情以及各電子公司積極的引進應(yīng)用 CAN 總 線技術(shù)的芯片,更加大范圍的激發(fā)了CAN 總線技術(shù)的研究熱潮。 CAN 總線技術(shù)在我國的應(yīng)用起步比較晚,大約是在 1995 年 CIA 發(fā)表了完整版的CANopen 通訊子協(xié)議后,才逐步引起我國的一些單位和廣大科技工作者應(yīng)用興趣。 CAN 的通信速率為 5kbps~ 1Mbps,最大傳輸距離可達 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。它越來越廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制、智能建筑和交通等諸多領(lǐng)域。所謂現(xiàn)場總線是指在生產(chǎn)現(xiàn)場的測量控制設(shè)備之 間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信,完成測量控制任務(wù)的系統(tǒng),有人稱之為控制領(lǐng)域的局域網(wǎng)。 關(guān)健詞 : 現(xiàn)場總線; CAN; 分布式測量系統(tǒng); PIC 單片機; MCP2510CAN 控制器 東華理工大學 長江學院畢業(yè)設(shè)計(論文) Abstract Abstract Field bus is a digital,bidirectional and multibranch munication work thatconnects field equipments and automatic a product integrating technology of puter,munication and control,the field bus featured with opening anddistribution has been one of the key technolog
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