基于CAN總線的工業(yè)測控系統(tǒng)的應(yīng)用研究s.doc

畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：基于CAN總線通訊智能結(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn)英文題目：TheDesignandImplementationofIntelligentNodesinConjuctionBasedontheCANBus學(xué)生姓名：班級：指導(dǎo)教師：專業(yè)：自動化二零零六年六月畢業(yè)設(shè)計摘要摘要現(xiàn)場總線是連接現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。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。現(xiàn)場總線是當今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一。CAN(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總線通訊智能節(jié)點的設(shè)計，是在現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分布于現(xiàn)場的一個子系統(tǒng)，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與反饋控制，最大傳輸速率可達1MB/s，最大傳輸距離為10km。節(jié)點的核心器件是PHILIPS公司生產(chǎn)的CAN控制器（SJA1000）和CAN驅(qū)動器（PCA82C250）以及微控制器（89C51單片機）。SJA1000是集成的獨立CAN控制器（與PHILIPS早期的CAN控制器PCA82C200完全兼容），它負責完成CAN總線通信協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能。能夠可靠的運行和完成要求的任務(wù)，控制信息在現(xiàn)場進行處理，而管理層則在上位機中實現(xiàn)。該設(shè)計體現(xiàn)了CAN總線高性能、高可靠性的特點。關(guān)鍵詞現(xiàn)場總線；CAN；SJA1000CAN控制器；82C250收發(fā)器；89C51單片機；設(shè)計畢業(yè)設(shè)計AbstractAbstractFieldbusisadigital,bi-directionalandmulti-branchcommunicationnetworkthatconnectsfieldequipmentsandautomaticsystem.Asaproductintegratingtechnologyofcomputer,communicationandcontrol,thefieldbusfeaturedwithopeninganddistributionhasbeenoneofthekeytechnologiesinmodernautomatismfield.Asoneofthefieldbuses,CAN(ControllerAreaNetwork)isaserialcommunicationnetworkthatsupportsdistributedandrealtimecontroleffectively.TheDesignandImplementationofIntelligentNodesinConjuctionBasedontheCANBus,isdistributesinthefieldbussysteminascenesub-system,canrealizethedataacquisitionandtheclosed-loopcontrol,themaximumtransmissionspeedmayreach1MB/S,themaximumtransmittingrangeis10km.ThepitchpointcorecomponentistheCANcontrollerwhichPHILIPSCorporationproduces(SJA1000)andtheCANdriver(PCA82C250)aswellasthemicrocontroller(the89C51monolithicintegratedcircuit).SJA1000istheintegratedindependentCANcontroller(iscompletelycompatiblewithPHILIPSearlyCANcontrollerPCA82C200),itresponsiblycompletestheCANmainlinecorrespondenceagreementthephysicallevelandthedatalinklayerfunction.Canthereliablemovementandcompletestherequesttheduty,thecontrolinformationcarriesonprocessinginthescene,butmanagementlevelthenrealizesinonpositionmachine.HasmanifestedtheCANmainlinehighperformance,theredundantreliablecharacteristic.KeywordsFieldbus；CAN；DistributedMeasurementControlSystem；SJA1000CANController；82C250Transceiver；MCU89C51；Design畢業(yè)設(shè)計目錄目錄摘要關(guān)鍵詞緒論.1第1章現(xiàn)場總線簡介.31.1現(xiàn)場總線的功能及要求.31.1.1現(xiàn)場總線的功能.31.1.2現(xiàn)場總線的要求.31.2幾種典型的現(xiàn)場總線.31.2.1HART現(xiàn)場總線.31.2.2LONWORKS現(xiàn)場總線.41.2.3PROFIBUS現(xiàn)場總線.41.2.4CAN現(xiàn)場總線.51.3現(xiàn)場總線的結(jié)構(gòu).51.4現(xiàn)場總線的優(yōu)點.61.5現(xiàn)場總線的特點.7第2章CAN總線簡介.82.1控制器局部網(wǎng)(CAN).82.2CAN的性能特點.82.3CAN節(jié)點的分層結(jié)構(gòu).92.4CAN通信技術(shù).102.4.1CAN通信參考模型.112.4.2CAN的報文傳送與通信幀結(jié)構(gòu).11第3章CAN通信控制器.133.1CAN控制器SJA1000結(jié)構(gòu)及主要特點.133.1.1SJA1000的主要新功能.133.2SJA1000的功能框圖與引腳說明.143.2.1SJA1000寄存器功能.143.2.2SJAI000在PeIiCAN模式下的驗收濾波及總線時序寄存器的具體用法.173.3SJA1000的初始化.183.3.1SJA1000的初始化流程.183.3.2SJA1000的初始化子程序.203.4SJA1000與PCA82C200的性能比較.22畢業(yè)設(shè)計目錄3.5SJA1000有兩種不同工作模式.22第4章CAN收發(fā)器82C250.234.182C250的主要特性及硬件圖.234.282C250功能描述.24第5章微處理器89C51.255.189C51的功能和特點.255.289C51的存儲器結(jié)構(gòu).27第6章CAN總線通訊智能節(jié)點的設(shè)計.296.1采用CAN總線系統(tǒng).296.2CAN總線通訊智能結(jié)點的系統(tǒng)構(gòu)成.306.3CAN總線通訊智能結(jié)點電路的設(shè)計.306.3.1CAN智能節(jié)點通訊模塊.316.3.2信息采集和反饋模塊.326.4CAN報文的發(fā)送.336.4.1查詢控制的發(fā)送.336.4.2中斷控制的發(fā)送.336.4.3中止發(fā)送.346.5CAN報文的接收.366.5.1查詢控制的接收.366.5.2中斷控制的接收.376.6智能節(jié)點軟件設(shè)計.386.6.1發(fā)送子程序.396.6.2查詢方式接收子程序.41第七章設(shè)計結(jié)論.43致謝.43參考文獻.44附錄143畢業(yè)設(shè)計緒論1緒論現(xiàn)場總線是一種數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。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?，F(xiàn)場總線是當今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。它越來越廣泛的應(yīng)用于上業(yè)控制、智能建筑和交通等諸多領(lǐng)域1。CAN(ControllerAreaNetwork-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的通信速率為5kbps-1Mbps，最大傳輸距離可達1Okm(通信速率為5kbps時)，節(jié)點數(shù)可達110，傳輸介質(zhì)為雙絞線。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。本文基于CAN現(xiàn)場總線技術(shù)，系統(tǒng)中采用了SJA1000CAN控制器，82C250收發(fā)器，89C51單片機等芯片，設(shè)計開發(fā)了通訊智能結(jié)點電路，能實現(xiàn)信息采集與反饋控制，而搭配不同的傳感器，可以應(yīng)用在不同的場合，實現(xiàn)智能控制2?，F(xiàn)場總線技術(shù)自70年代誕生至今，由于它在減少系統(tǒng)線纜，簡化系統(tǒng)安裝、維護和管理，降低系統(tǒng)的投資和運行成本，增強系統(tǒng)性能等方面的優(yōu)越性，引起人們的廣泛注意，得到大范圍的推廣，導(dǎo)致了自動控制領(lǐng)域的一場革命。目前，現(xiàn)場控制層所采用的控制網(wǎng)絡(luò)種類繁多，有DCS,PLC,SCADA，現(xiàn)場總線等，雖然DCS控制系統(tǒng)采用了分層的結(jié)構(gòu)，運用數(shù)字信號和模擬信號混合通訊，克服了點對點控制的諸多弊端，但是并沒有完全解決模擬信號傳輸帶來的問題，而且不同廠家的產(chǎn)品自成體系，難以實現(xiàn)互聯(lián)、互操作和互換。而與其它控制網(wǎng)絡(luò)相比，現(xiàn)場總線具有開放性、互操作性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性、靈活的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場設(shè)備的高度智能化、對環(huán)境的高度適應(yīng)性等諸多突出特點。現(xiàn)場總線技術(shù)就是在這種情況下應(yīng)運而生，它的出現(xiàn)引起了工業(yè)控制領(lǐng)域的巨大變革。其具有的突出的優(yōu)點將成為工業(yè)測控領(lǐng)域的發(fā)展趨勢3?，F(xiàn)場總線技術(shù)產(chǎn)生于20世紀80年代，但對它的研究開發(fā)之熱卻是近年之舉。這一方面是因為信息時代各項技術(shù)的發(fā)展對自動化系統(tǒng)提出了新的要求，促進了該領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)化、信息化進程；另一方面也是由于它本身所蘊涵的技術(shù)經(jīng)濟潛力。歐洲、北美、亞洲的許多國家都投入巨額資金與人力研究開發(fā)該項技術(shù)，出現(xiàn)了現(xiàn)場總線技術(shù)與產(chǎn)品百花齊放、興盛發(fā)展的態(tài)勢。例如丹麥ProcessData公司1983年推出的PNet、德國Siemens公司1984年推出的Profibus，法國Alston公司1987年推出的FIP等都屬于早期推出且至今仍有較大影響的總線技術(shù)。目前國際上有40多種現(xiàn)場總線，但影響較大的主要有FF(FoundationFieldbus),Profibus(ProcessFieldbus),CAN(ControllerAreaNetwork),Lonworks(LocalOperationNetwork)、HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)等。畢業(yè)設(shè)計緒論2從總體上來說，現(xiàn)場總線是應(yīng)用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設(shè)備之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)其先驅(qū)可謂是Honeywell公司在1983年推出的數(shù)字信號4-20mA輸出的差分信號驅(qū)動器，它在輸出的4-20mA直流信號上疊加了數(shù)字信號，從而使現(xiàn)場裝置與控制室控制裝置之間的連接由模擬信號過渡到了數(shù)字信號。在此基礎(chǔ)上，美國Rosemount公司配合使用了它自己的HART數(shù)字通信協(xié)議。到了1987年，美國Foxbor公司開發(fā)了I/A智能式自動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中使用了全數(shù)字通信。盡管目前對現(xiàn)場總線的研究尚未能形成一個完善的統(tǒng)一標準，但現(xiàn)場總線的高性能價格比將吸引眾多工業(yè)控制系統(tǒng)采用?，F(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展在我國剛剛起步。根據(jù)我國國民經(jīng)濟發(fā)展需要和市場需求，結(jié)合現(xiàn)場總線技術(shù)本身的特點及我國國情，現(xiàn)場總線專業(yè)委員會(CFFC)確定了我國現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展的32字方針，即”市場牽引，面向?qū)I(yè)；引進消化，開發(fā)創(chuàng)新；總體規(guī)劃，突出重點；內(nèi)外結(jié)合，推進行業(yè)”?？梢灶A(yù)期，現(xiàn)場總線技術(shù)在我國的發(fā)展前景令人鼓舞。1996年10月，在美國芝加哥舉行的96ISA展覽會上，醒目地展現(xiàn)了基金會現(xiàn)場總線；1998年4月在北京舉行的多國儀器儀表展覽會上，名目繁多的現(xiàn)場總線產(chǎn)品，更是給人一種現(xiàn)場總線已是大勢所趨的感覺。1998年的中國控制會議上，專門安排了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的大會專題報告，表明現(xiàn)場總線技術(shù)不僅是工業(yè)控制系統(tǒng)的必然趨勢，同時也成為控制理論研究的新方向?，F(xiàn)場總線技術(shù)的興起，推動了DCS的全面革新，為工業(yè)自動化實施先進控制策略創(chuàng)造了條件，同時也有力地推動了計算機通信等相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展。1998年8月，中國第一套現(xiàn)場總線系統(tǒng)由國家電力公司熱工研究院從美國Fisher-Rosemount公司引進，該系統(tǒng)采用P1antWebTM基于現(xiàn)場結(jié)構(gòu)的最新技術(shù)，同時也是在中國第一次運用FF技術(shù)。它將智能化現(xiàn)場設(shè)備、規(guī)模可變的平臺和模塊化軟件結(jié)合在一起，實現(xiàn)過程控制。這套系統(tǒng)將用于國內(nèi)大中型火力發(fā)電廠汽輪機性能考核測試，它包括一套DeltaV規(guī)模可變的過程控制系統(tǒng)、AMS設(shè)備管理系統(tǒng)以及100余套基于FF技術(shù)的壓力溫度變送器。該項目的引進也標志著我國電力自動化技術(shù)進入了一個新時代。目前中國現(xiàn)場總線發(fā)展面臨的問題，除了繼續(xù)開發(fā)新產(chǎn)品和新技術(shù)之外，還有兩項重要的工作。一項是技術(shù)應(yīng)用，目前所取得的成果大多是技術(shù)上的，將技術(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，還要在生產(chǎn)工藝、質(zhì)量管理等方面進行大量的工作；另一方面是產(chǎn)品推廣，DCS在我國經(jīng)過多年推廣應(yīng)用，技術(shù)上已經(jīng)非常成熟，F(xiàn)CS是一種新技術(shù)，需要有一個認知的過程，只有經(jīng)過實踐證明FCS的優(yōu)勢，才能形成巨大的市場需求，進而推動行業(yè)良性發(fā)展。畢業(yè)設(shè)計現(xiàn)場總線簡介3第1章現(xiàn)場總線簡介1.1現(xiàn)場總線的功能及要求現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)既是一個開放通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布控制系統(tǒng)。它作為智能設(shè)備的聯(lián)系紐帶，把掛連接在總線上、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)。1.1.1現(xiàn)場總線的功能現(xiàn)場總線的功能是：經(jīng)濟、安全、可靠地傳遞信息；正確使用所傳信息；及時處理所傳信息。經(jīng)濟性要求現(xiàn)場總線在傳遞信息的同時，解決現(xiàn)場裝置的供電問題，并要求傳輸介質(zhì)較廉價。安全性要求現(xiàn)場總線解決防爆問題?？煽啃砸蟋F(xiàn)場總線解決環(huán)境適應(yīng)性問題，包括電磁環(huán)境適應(yīng)性（傳輸時不要干擾別人也不要被別人干擾）、氣候環(huán)境適應(yīng)性（要耐溫、防水、防塵）、機械環(huán)境適應(yīng)性（要耐沖擊、耐振動）。1.1.2現(xiàn)場總線的要求現(xiàn)場總線不僅要求傳輸速度快，在過程控制領(lǐng)域還要求響應(yīng)快，即實時性要求。這樣“快”就有三種含義。（1）傳輸速度快：指單位時間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒁?，通常用波特率來衡量。這條要求與普通計算機通信是一致的。（2）響應(yīng)時間短：指突然發(fā)生意外事件時，儀表將該事件傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上或執(zhí)行器接收到該信息馬上執(zhí)行所需的時間。（3）巡回時間短：指系統(tǒng)與所有通信對象都至少完成一次通信所需的時間4。1.2幾種典型的現(xiàn)場總線20世紀80年代現(xiàn)場總線技術(shù)才開始和發(fā)展，這是與微型計算機，特別是嵌入式系統(tǒng)的高速發(fā)展分不開的。在十幾年的時間中，已經(jīng)出現(xiàn)了好幾種現(xiàn)場總線技術(shù)走向成熟并且得到逐步的推廣應(yīng)用，顯示出特有的優(yōu)勢和強大的生命力3。1.2.1HART現(xiàn)場總線HART是HighwayAddressableRemoteTransducer(可尋址遠程傳感器高速公路)的縮寫。1986年由美國ROSEMOUNT公司開發(fā)的一套過渡性臨時通訊協(xié)議。但目前受到了廣泛承認,已成為事實上的國際標準。（1）HART協(xié)議以國際標準化組織(ISO)開放性系統(tǒng)互連模型(OSI)為參照,使用OSI的1、2、7三層,即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層。物理層采用基于Be11202通信標準的FSK技術(shù),所以可以通過租用電話線進行通信。（2）HART協(xié)議使用FSK技術(shù)在42mA過程測量模擬信號上疊加一個頻率信號。邏輯1為1200Hz,邏輯0為2200Hz,波特率為1200bps。它成功地使模擬和數(shù)字雙向信號能同時進行而且互不干擾。因此在與智能化儀表通信時,還可使用模擬儀表、記畢業(yè)設(shè)計現(xiàn)場總線簡介4錄儀及模擬控制。在不對現(xiàn)場儀表進行改造的情況下,逐步實現(xiàn)數(shù)字性能(包括數(shù)字過程變量),是一種理想的方案。這是一個由模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)過渡的協(xié)議。（3）在應(yīng)用層規(guī)定了3類使命,第一類是通用命令,這是所有設(shè)備都能理解、執(zhí)行的命令；第二類是一般行為命令,它所提供的功能可以在許多現(xiàn)場設(shè)備中實現(xiàn)；第三類為特殊設(shè)備命令,以便在某些設(shè)備中實現(xiàn)特殊功能,這類命令可以允許開發(fā)此類設(shè)備的公司所獨有。此外它還為用戶提供統(tǒng)一的設(shè)備描述語言DDL。（4）HART支持點對點、主從應(yīng)答方式和多點廣播方式。（5）直接通信距離:有屏蔽雙絞線單臺設(shè)備3000m,而多臺設(shè)備互相距離1500m。只使用一個電源時,能連結(jié)15個智能化設(shè)備。1.2.2LONWORKS現(xiàn)場總線LONWORKS是局部操作網(wǎng)絡(luò),LON是LocalOperationNetwork的簡稱。1991年美國ECHERON公司推出該產(chǎn)品。其應(yīng)用范圍幾乎包括了測控應(yīng)用的所有范疇,特別是航空/航天、樓宇自動化、能源管理、變電站測控設(shè)備的監(jiān)控、工廠自動化、工業(yè)過程控制、計算機外圍設(shè)備、電子測量設(shè)備等。LONWORKS在我國電力系統(tǒng)中的應(yīng)用也已相當廣泛，如四方公司的CSC20