【正文】 le of CAN technology are introduced. The structure of distributed sensor system is formed according the features of CAN. In the third chapter, the circuits design and chips selection of both interface card and node. In the final part of this paper, a summary of the project is made. The issues about how to perfect this system and development of relative theory and technology are also been discussed. Keywords: Field bus。 分布式測量系統(tǒng) 。 關(guān)健詞： 現(xiàn)場總線 。 第三章介紹基于 CAN 現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)接口卡和節(jié)點的電路設(shè)計和芯片選用。 第二章介紹 CAN 技術(shù)的分層結(jié)構(gòu)、幀結(jié)構(gòu)及通信原理。研究的具體任務(wù)是電源電路、復(fù)位電路、晶振電路、串口通信接口電路、 CAN 總線通訊電路節(jié)點、硬件設(shè)計圖和總體系統(tǒng)圖。系統(tǒng)中采用了計算機、控制 、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)具有較完備的監(jiān)測功能和控制功能，穩(wěn)定的性能、友好的界面。 CAN(控制器局域網(wǎng) )屬于現(xiàn)場總線的范疇，主要用于與其他外圍設(shè)備或單片機進(jìn)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(jìn)行通信，具有良好的抗干擾性能。東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 摘要 I 摘 要 現(xiàn)場總線是安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線。它在計算機和現(xiàn)場設(shè)備之間架起一座通信橋梁 ,它是全球數(shù)字化、雙向、多點的通信總線 ,具有開放式、全分布、互操作性的特點 ,是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一。 本文采用 CAN 現(xiàn)場總線技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了一種分布式測量控制系統(tǒng)。研究內(nèi)容包括節(jié)點硬件、接口卡硬件研制；節(jié)點軟件、接口卡軟件研制；上位機監(jiān)測和控制軟件的研制。 本文主要從以下幾個方面闡述： 第一章介紹分布式系統(tǒng)、現(xiàn)場總線的概念和特點，并介紹了傳統(tǒng)的 RS232 和RS485 串行通信標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)其特點提出分布式測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。 最后是全文的工作總結(jié)，對系統(tǒng)的完善與相關(guān)理論和技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。 CAN。 PIC 單片機 。 CAN。 PIC single chip puter。它是計算機 技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)高度綜合與集成的產(chǎn)物，是一種開放式和分布式的新模式。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。 [1]它是一種全數(shù)字式、全分散式、全開放、可互操作和開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的新一代控制系統(tǒng)；是計算機技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的綜合與集成；它將通信線一直延伸到生產(chǎn)現(xiàn)場和生產(chǎn)設(shè)備，用于制造自動化的現(xiàn)場設(shè)備儀表互連的現(xiàn)場通信網(wǎng) 絡(luò)。 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) (FCS)既是一個開放通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布控制系統(tǒng)。這是一項以智能傳感器、控制、計算機、數(shù)字通信、網(wǎng)絡(luò)為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)。傳統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)采用一對一的設(shè)備連線，按控制回路分別進(jìn)行連接。 現(xiàn)場總線系統(tǒng)由于采用了智能現(xiàn)場設(shè)備，能夠把原先 DCS 系統(tǒng)中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入現(xiàn)場設(shè)備，加上現(xiàn)場設(shè)備具有通信能力，現(xiàn)場的測量變送儀表可以與閥門等執(zhí)行機構(gòu)直接傳送信號，因而控制系統(tǒng)功能可以不依賴控制室的計算機或控制儀表，直接在現(xiàn)場完成，實現(xiàn)了徹底的分散控制。通信協(xié)議公開，各不同廠家的設(shè)備之間可實現(xiàn)信息交換。用戶可按自己的需要和考慮，把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。 圖 1 FCS典型體系結(jié)構(gòu) (2) 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。 (4) 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)。 (5) 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。 [2] 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(fù)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。當(dāng)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(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒論 3 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)省維護(hù)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(hù)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(hù)信息，以便早期分析故障原因并快速排除，縮短了維護(hù)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(hù)工作量。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。同時，由于系統(tǒng)的結(jié)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。 現(xiàn)場總線的分類 類型１ IEC 技術(shù)報告（即 FF H1） 類型 2 Control Net(美 國 Rockwell 公司支持） 類型 3 Profibus(德國 Siemens 公司支持） 類型 4 PNet(丹麥 Prpcess Data 公司支持） 類型 5 FF HSE(即原 FF H2,美國 FisherRosemount 公司支持） 類型 6 Swiff Net(美國 Boeing 公司支持） 類型 7 World FIP(法國 Alstom 公司支持） 類型 8 Interbus(德國 Phoenix Contact 公司支持） [32] CAN 總線 CAN (Controller Area Network控制器局域 網(wǎng) )屬于現(xiàn)場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。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。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。 [4] CAN 模塊 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)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(shè)備或單片機進(jìn)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(jìn)行通信，具有良好的抗干擾性能。 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。在 CAN 總線上檢測到的任何信息都要進(jìn)行錯誤檢查，然后與過濾器進(jìn)行比較，判斷是否被接收和存儲到兩個接受寄存器之一。 CAN 總線技術(shù)在多方面的應(yīng)用 CAN 總線最初是應(yīng)用在汽車工業(yè)中的，但 CAN 總線系統(tǒng)也被廣泛應(yīng)用在其它多個領(lǐng)域中，這其中包括交通、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。奔馳汽車是第一個將CAN 總線應(yīng)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。 (2) 交通 在某些火車和長途汽車中，應(yīng)用 CAN 連接剎車控制單元，或者通過 CAN 連接子系統(tǒng)。 (3) 移動設(shè)施 在一些移 動設(shè)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。同時， CAN 也被應(yīng)用在海上交通設(shè)施的電子設(shè)備中。因為應(yīng)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。同時，東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒論 5 還存在一個重要的工業(yè)控制領(lǐng)域 —— 機器人控制。典型的應(yīng)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)。近年來，幾個大的醫(yī)療設(shè)施制造者已開始使用 CAN， Siemens 已決定使用 CANopen 作為這些設(shè)施的高層協(xié)議。 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(shù)、微電子技術(shù)、通信技術(shù)、屏幕顯示技術(shù)與過程控制技術(shù)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。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。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 經(jīng)歷了初創(chuàng)期（ 19751980）、成熟期（ 19801995）和擴展期（ 1985 以后）。目前 DCS 的發(fā)展將導(dǎo)致進(jìn)一步的系統(tǒng)開放，如使用統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)、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。所謂通用即連接不同的傳感器即可用于不同的應(yīng)用場合。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。東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒論 6 上位機監(jiān) 測和控制軟件的研制。 第一章介紹了分布式系統(tǒng)和現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展概況。 第三章提出了基于 CAN 總線技術(shù)分布式測量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） CAN 總線技術(shù)研究 7 2. CAN 總線技術(shù)研究 1991 年 9 月 Philips 公司制定并頒布了 CAN 技術(shù)規(guī)范 ， 給出了曾在 CAN 技術(shù)規(guī)范版本 中定義的 CAN 報文格式， 定義了標(biāo)準(zhǔn)和擴展的兩種報文格式； 1993年 11 月國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO/TC22技術(shù)委員會正式頒布了關(guān)于 CAN總線的 ISO11898 標(biāo)準(zhǔn) (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(biāo)準(zhǔn)，通信速率≤ 1Mhps)和 ISO11519(通信速率≤ 125khps），為 CAN 總線的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化應(yīng)用鋪平了道路。世界半導(dǎo)體知名廠商推出了 CAN 總線產(chǎn)品。 Microchip 公司的 MCP2510， MCP2515。其它如 Bosch， National semiconductor； SGSThomphson， Toshiba 等公司也提供集成有 CAN 協(xié)議的芯片?；贑AN 總線的 DeviceNet 是現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn) IEC61158 Type 2 ControlNet 的設(shè)備級總線。 [9] 方 案對比 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。并對下列幾種總線進(jìn)行對比： [10] (1) RS232C 串行接口 RS232C 是異步串行通信中應(yīng)用廣泛的標(biāo)準(zhǔn)總線接口，適用于數(shù)據(jù)終端設(shè)備 (DTE)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備 (DCE)之間的接口。邏輯 0 電平規(guī)定為 +5V～ +15V 之間，邏輯 1 電平為 5V～ 15V 之間。 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。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?dāng)_等種種缺點，而且， RS232C 是專門為點對點 (即只用一對收、發(fā)設(shè)備 )通訊而設(shè)計的，其驅(qū)動器負(fù)載為 3～ 7kΩ。 (2) RS485 串行接口 RS485是從 RS422的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。其接口標(biāo)準(zhǔn)是一種多發(fā)送器的電路標(biāo)準(zhǔn)，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(hù)特性，擴展了總線共模范圍。它采用差分式傳輸方式，雙絞線的長度與傳輸速率成反比。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(biāo)準(zhǔn)為 :當(dāng)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。目前， RS485 接口標(biāo)準(zhǔn)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、儀器儀表、多媒體網(wǎng)絡(luò)等諸多領(lǐng)域。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。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(luò)負(fù)荷量的增長而成倍增長，最終可能導(dǎo)致整個通訊網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。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(luò)中還是有著廣