基于CAN總線的大型集中潤滑系統(tǒng)的研制論文(PDF 95頁).pdf

全日制碩士學(xué)位論文 基于基于 CAN 總線的大型集中潤滑系統(tǒng)的研制總線的大型集中潤滑系統(tǒng)的研制 申請人姓名 程曉琦 指 導(dǎo) 教 師 李長有 學(xué) 位 類 別 工學(xué)碩士 專 業(yè) 名 稱 機械工程 研 究 方 向 傳感與測控技術(shù) 河南理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院河南理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院 二二 一二 一二年六月年六月 基 于 CAN 總 線 的 大 型 集 中 潤 滑 系 統(tǒng) 的 研 制 程 曉 琦 河 南 理 工 大 學(xué) 河南理工大學(xué)河南理工大學(xué) 學(xué) 位 論 文 原 創(chuàng) 性 聲 明學(xué) 位 論 文 原 創(chuàng) 性 聲 明 本人鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文 是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作 及取得的研究成果 論文中除了特別加以標(biāo)注和致謝的地方外 不包含任何其他 個人或集體已經(jīng)公開發(fā)表或撰寫過的研究成果 其他同志對本研究的啟發(fā)和所做 的貢獻均已在論文中作了明確的聲明并表示了謝意 本人學(xué)位論文與資料若有不實 愿意承擔(dān)一切相關(guān)的法律責(zé)任 學(xué)位論文作者簽名學(xué)位論文作者簽名 年年 月月 日日 河南理工大學(xué) 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解 河南理工大學(xué)河南理工大學(xué) 有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機 構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版 允許論文被查閱和借閱 本人授權(quán) 河南理工大河南理工大 學(xué)學(xué) 可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索和傳播 可以采 用影印 縮印或掃描等手段保存 匯編 出版本學(xué)位論文 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書 學(xué)位論文作者簽名 學(xué)位論文作者簽名 指導(dǎo)教師簽名 指導(dǎo)教師簽名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 中圖分類號 中圖分類號 TP29 密密 級 公開級 公開 UDC 681 5 單位代碼 單位代碼 10460 基于 CAN 總線的大型集中潤滑 系統(tǒng)的研制 Development of Large Scale Integral Lubricating System based on CAN Bus 申請人姓名申請人姓名程曉琦程曉琦 申請學(xué)位申請學(xué)位工學(xué)碩士工學(xué)碩士 學(xué) 科 專 業(yè)學(xué) 科 專 業(yè)機械工程機械工程 研究方向 傳感與測控技術(shù)研究方向 傳感與測控技術(shù) 導(dǎo)師導(dǎo)師李長有李長有 職稱職稱教授教授 提 交 日 期提 交 日 期2012 年年 4 月月 答辯日期答辯日期2012 年年 6 月月 河南理工大學(xué) 致致 謝謝 時光飛逝 轉(zhuǎn)眼間三年令人懷念的研究生生活即將結(jié)束 馬上就要離開親愛 的母校 走上社會崗位 開始新的生活 在此即將畢業(yè)之際 回想起三年以來難 忘的研究生生活 依然歷歷在目 記憶猶新 在此期間 我的導(dǎo)師 同學(xué)和家人 在學(xué)習(xí)和生活上給予我許多的關(guān)懷 支持和愛護 在這里我要向曾經(jīng)關(guān)心支持過 我的人們致以衷心的感謝 首先要向我的導(dǎo)師 李長有教授表示發(fā)自內(nèi)心的感謝 在研究生學(xué)習(xí)階段 李老師對我的學(xué)習(xí)和研究進行了認(rèn)真的引導(dǎo) 并為我提供了良好的生活和學(xué)習(xí)條 件 在本論文的選題 研究內(nèi)容和寫作方法上也給予了細(xì)致入微的指導(dǎo) 李老師 嚴(yán)謹(jǐn)求實的科研精神 謙虛謹(jǐn)慎 與世無爭的處世態(tài)度 正直 善良 大公無私 的崇高人格是我學(xué)習(xí)的榜樣 在此 我要向我的導(dǎo)師李長有教授表示誠摯的謝意 還要感謝在生活和學(xué)習(xí)中給我很多幫助的同窗好友蔡建發(fā) 李艷琴 胡德恩 王文華 賈明明等 他們幫助我解決了許多專業(yè)知識上的難題 也澄清了許多概 念上的混淆之處 另外在生活和學(xué)習(xí)上的相互幫助 使我們之間建立了深厚的友 誼 如果沒有他們的關(guān)心和幫助 我的畢業(yè)論文同樣難以完成 還要感謝我的父母和家人 三年在校學(xué)習(xí)期間 由于研究任務(wù)繁忙 因此很 少有回家的機會 沒有父母和家人的支持和諒解 我根本不能夠集中精力順利完 成畢業(yè)論文的撰寫工作 另外還要感謝本論文參考文獻的作者們 他們的研究成果是我進行課題研究 的基礎(chǔ)和知識的源泉 只有在分析和總結(jié)了這些研究成果之后 我的論文才具有 了一定的深度和廣度 最后 要向?qū)Ρ菊撐倪M行審閱的專家以及參加答辯會的評委和老師們表示由 衷的感謝 各位老師和專家能夠抽出您們寶貴的時間來對我的論文進行評審 本 身就是對我三年學(xué)習(xí)和研究結(jié)果的肯定和認(rèn)可 就是對學(xué)生的一種鼓勵和鞭策 程曉琦 二 一二年四月 河南理工大學(xué) I 摘摘 要要 隨著工業(yè)控制自動化程度的不斷提高 生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大 傳統(tǒng)的獨立儀 表已經(jīng)不能滿足控制系統(tǒng)向分散化 網(wǎng)絡(luò)化 智能化方向發(fā)展的要求 一種新型 的基于現(xiàn)場總線的智能儀表測控網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運而生 本文重點研究了基于 CAN 總線的 大型集中潤滑系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)和實現(xiàn)方法 本文首先闡述了測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展方向及常用的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù) 并分析 了現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)越性 研究了大型集中潤滑系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 第二 通過研究大型集中潤滑系統(tǒng)的功能要求 設(shè)計了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 及通信網(wǎng)絡(luò) 深入研究了 CAN 總線的通信協(xié)議和技術(shù)規(guī)范 并將其各項技術(shù)應(yīng)用 于大型集中潤滑系統(tǒng)的設(shè)計 第三 完成了大型集中潤滑系統(tǒng)通信接口電路的硬件設(shè)計 在此基礎(chǔ)之上 對系統(tǒng)節(jié)點進行編址 提出了網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)單播 組播和廣播的方法 分析并設(shè)置了 系統(tǒng)通信采用的速率 第四 完成了系統(tǒng)各個節(jié)點的硬件設(shè)計 設(shè)計了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 并分 析了系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)點的動態(tài)增加與去除 系統(tǒng)故障的自診斷等功能的過程 完成了 控制中心的圖形界面軟件及各個下位機節(jié)點的程序設(shè)計 最后 指出了該大型集中潤滑系統(tǒng)的不足之處 及將來的改進方向 研究結(jié)果表明 基于 CAN 總線的大型集中潤滑系統(tǒng)能夠滿足上千個潤滑節(jié)點 的網(wǎng)絡(luò)通信和潤滑控制要求 并且具有較高的可靠性 較強的實時性 以及較低 的成本 關(guān)鍵詞 關(guān)鍵詞 測控網(wǎng)絡(luò) CAN 總線 大型集中潤滑系統(tǒng) III Abstract With the degree of automation is improving continuously and the unceasing expansion of production scale in industry control the traditional independent measuring instrument will not be able to satisfy the control system s development requests of decentralization network and intelligence The intelligent measuring instrument base on the field bus arises at the historic moment The paper focuses on the study of the key technologies and realization methods of large scale measuring and the establishment of control network based on CAN bus Firstly the paper elaborates the network development trends of measuring and control system and the common network communication technologies analyzes the superiority of the field bus technology studies the development situation of large scale integral lubricating system Secondly the topology structure and the communication network are designed based on the study of the function requirements of large scale centralized lubrication system the communication protocol and technical standards of CAN bus are studied and these technologies are applied to large scale centralized lubrication system Thirdly the hardware design of the communication interface circuit in large scale centralized lubrication system is accomplished Based on this the nodes of the system are addressed the methods to realize unicast multicast and broadcast are proposed the communicating rate adopted by the system is set Fourthly the hardware design of all kinds of nodes is accomplished the paper designs the network communication protocol and analyzes the process of adding or removing nodes dynamically and self diagnosis of system failures the software design of the control center s graphic interface and all the lower position nodes are accomplished At last the paper points out the insufficiencies of the large scale integral lubricating system and the improving direction in the future The results show that the large scale integral lubricating system based on CAN bus can meet the needs of thousands of nodes measuring control and communication and have high reliability high real time performance and low cost IV Keywords measuring and control network CAN bus large scale integral lubricating system V 目目 錄錄 摘要 I 目錄 V 1 緒論 1 1 1 課題背景及研究意義 1 1 1 1 測控系統(tǒng)概述 1 1 1 2 測控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展 1 1 1 3 大型集中潤滑系統(tǒng)簡介 1 1 2 國內(nèi)外文獻綜述及檢索 2 1 2 1 計算機網(wǎng)絡(luò) 2 1 2 2 常用的現(xiàn)場總線及發(fā)展趨勢 4 1 2 3 集中潤滑形式 5 1 3 論文主要研究內(nèi)容 6 2 大型集中潤滑系統(tǒng)總體方案設(shè)計 9 2 1 大型集中潤滑系統(tǒng)的功能要求 9 2 2 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 10 2 2 1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計 10 2 2 2 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及技術(shù)運用 11 2 3 大型集中潤滑系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 17 3 大型集中潤滑通信系統(tǒng)設(shè)計 19 3 1 通信模塊硬件設(shè)計 19 3 1 1 通信模塊原理設(shè)計 19 3 1 2 通信模塊抗干擾設(shè)計 21 3 1 3 通信模塊電路圖設(shè)計 21 3 2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置 22 3 2 1 系統(tǒng)編址 22 3 2 2 系統(tǒng)波特率的設(shè)置 27 4 大型集中潤滑系統(tǒng)節(jié)點硬件設(shè)計 31 VI 4 1 CAN RS232 轉(zhuǎn)換器硬件設(shè)計 31 4 1 1 RS 232 通信模塊設(shè)計 31 4 1 2 CAN RS232 轉(zhuǎn)換器原理圖 31 4 2 網(wǎng)橋節(jié)點硬件設(shè)計 31 4 3 潤滑節(jié)點硬件設(shè)計 32 4 3 1 流量檢測模塊設(shè)計 32 4 3 2 壓力檢測模塊設(shè)計 32 4 3 3 溫度檢測模塊設(shè)計 33 4 3 4 現(xiàn)場人機交互接口設(shè)計 34 4 3 5 潤滑節(jié)點電路圖 35 4 4 泵節(jié)點硬件設(shè)計 35 4 4 1 油泵轉(zhuǎn)速檢測模塊設(shè)計 35 4 4 2 泵節(jié)點電路圖 36 5 大型集中潤滑軟件系統(tǒng)設(shè)計 37 5 1 系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計 37 5 1 1 系統(tǒng)通信流程 37 5 1 2 系統(tǒng)通信命令設(shè)計 38 5 2 控制中心軟件設(shè)計 51 5 2 1 MScomm 控件 51 5 2 2 控制中心圖形界面設(shè)計 52 5 3 各個節(jié)點程序設(shè)計 54 5 3 1 CAN RS232 轉(zhuǎn)換器程序設(shè)計 54 5 3 2 網(wǎng)橋節(jié)點程序設(shè)計 56 5 3 3 潤滑節(jié)點程序設(shè)計 57 5 3 4 泵節(jié)點程序設(shè)計 58 5 3 5 控制程序 60 6 總結(jié)與展望 65 6 1 總結(jié) 65 6 2 創(chuàng)新點 65 6 3 展望 66 VII 6 3 1 無線擴展 66 6 3 2 計算機網(wǎng)絡(luò)擴展 66 參考文獻 67 附錄 73 作者簡歷 77 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集 79 1 緒論 1 1 緒論 1 1 課題背景及研究意義 1 1 1 測控系統(tǒng)概述 隨著社會的不斷發(fā)展 人們越來越需要了解自己身邊環(huán)境的情況 尤其是在 工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)試驗過程中 人們不但需要對被控對象的某些特征參數(shù)進行監(jiān)測 從而獲得表現(xiàn)它們特征的有關(guān)信息 實現(xiàn)被控對象的定性了解和定量掌握 另外 還需要依據(jù)檢測的結(jié)果和設(shè)定的控制策略對被控對象的某些特征參數(shù)進行控制 從而穩(wěn)定 快速 準(zhǔn)確地使其達到人們預(yù)期的目標(biāo) 測控系統(tǒng)就是一門以實現(xiàn)這 樣的目標(biāo)為研究內(nèi)容的學(xué)科 通常所指的測控系統(tǒng)主要指用于醫(yī)學(xué) 環(huán)境 工業(yè) 國防等領(lǐng)域的各種自動監(jiān)測系統(tǒng) 儀器儀表 過程控制系統(tǒng)等 1 1 1 2 測控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步 在國防 航空 航天 通信 氣象 制造 環(huán)境 監(jiān)測等領(lǐng)域 需要測試和處理的信息量越來越大 速度要求也越來越高 但是由 于測試對象的空間位置往往較為分散 測試任務(wù)較為復(fù)雜 測試系統(tǒng)過于龐大 需要大量的測試器件 加之 系統(tǒng)各測試點之間以及測試點與中央控制器之間的 信息交換量日益增加 配合也日益密切 因此 測控系統(tǒng)向遠(yuǎn)程化 智能化 特 別是網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的要求越來越迫切 2 微電子 計算機 網(wǎng)絡(luò)和通信等技術(shù)的日趨 成熟 則為測控技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展提供了強大的技術(shù)動力和物質(zhì)支持 測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展不但有助于降低系統(tǒng)的成本 實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制 而且有 利于系統(tǒng)的遠(yuǎn)程診斷與維護 3 因此網(wǎng)絡(luò)化測控技術(shù)的深入研究和廣泛應(yīng)用不但具 有重要的理論意義 而且具有巨大的實用價值 雖然國內(nèi)在網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)方面 的研究相對落后于國外 但已經(jīng)認(rèn)識到其對社會發(fā)展的巨大推動力 目前 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是測控系統(tǒng)中發(fā)展較快的一個方向 它是一種基于 開放通信網(wǎng)絡(luò)的全分布控制系統(tǒng) 現(xiàn)場總線將掛接在總線上面作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的智 能設(shè)備連接成為一個自動化系統(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)化及控管一體化的綜合自動化功能 現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)開啟了 工業(yè)控制的新時代 其發(fā)展趨勢必將給自動控制領(lǐng)域帶來巨大的影響 4 5 1 1 3 大型集中潤滑系統(tǒng)簡介 隨著生產(chǎn)現(xiàn)代化水平的提高 大型集中潤滑系統(tǒng)在工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛 河南理工大學(xué)碩士論文 2 并成為保證系統(tǒng)長時間可靠工作的重要設(shè)備 6 7 在冶金 電力等行業(yè) 大型設(shè)備 的軸承潤滑 一直是一個十分重要而又沒得到很好解決的問題 成為影響設(shè)備正 常運行的重要制約因素 8 燒結(jié)機械設(shè)備的良好潤滑是設(shè)備維護管理工作中極為重 要的一環(huán) 9 車輛底盤潤滑對于保證車輛良好的經(jīng)濟性 動力性 安全與環(huán)保等技 術(shù)狀況和延長車輛的使用壽命十分重要 10 目前使用的集中潤滑系統(tǒng)主要分為雙線式集中潤滑系統(tǒng)和遞進式集中潤滑系 統(tǒng) 11 這些潤滑系技術(shù)不能適應(yīng)現(xiàn)代大型機械設(shè)備的需要 經(jīng)常造成潤滑不足或 者過量等狀況 于是有人提出采用 RS 485 實現(xiàn)數(shù)據(jù)總線通信 12 但是 RS 485 總 線通信距離短 抗干擾能力差 而且是半雙工通信 不能滿足擁有上千個潤滑節(jié) 點的大型集中潤滑系統(tǒng)的潤滑需要 因此 構(gòu)建大型測控網(wǎng)絡(luò)并將其應(yīng)用于大型集中潤滑系統(tǒng)具有很高的實用價 值 1 2 國內(nèi)外文獻綜述及檢索 1 2 1 計算機網(wǎng)絡(luò) 計算機網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場總線之間有著密切的聯(lián)系 可借鑒計算機網(wǎng)絡(luò)的理論體系 構(gòu)建基于現(xiàn)場總線的測控網(wǎng)絡(luò) 計算機網(wǎng)絡(luò)是用通信線路將多種形式的計算機連 接起來 并使其相互之間能夠進行信息交換的系統(tǒng) 隨著社會的發(fā)展 計算機之 間實現(xiàn)信息交換 資源共享的要求越來越迫切 這就要求用傳輸媒體將單臺獨立 的計算機和一些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接在一起 并配以特定的軟件 從而形成一個網(wǎng)絡(luò)體 系 計算機網(wǎng)絡(luò)是包括了計算機 各種硬件 各種軟件 組成網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的一門學(xué)科 是計算機與通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物 13 1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 計算機系統(tǒng)之間的相互通信需要靠相同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持 而一個完整的網(wǎng)絡(luò) 協(xié)議包括三個要素 語法 語義和同步 1 1 語法用來描述通信數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)或格式 2 語義用來表達通信數(shù)據(jù)的類型 該類型數(shù)據(jù)具有何種含義 3 同步用來說明事件實現(xiàn)的順序 1984 年 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織頒布了開放式系統(tǒng)互連參考模 OSI RM Open System Interconnect Reference Model 用于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信和計算機之間的協(xié)同工作 OSI 體系結(jié)構(gòu)共包含七層模型 從下到上分別為物理層 Physical Layer 數(shù)據(jù) 1 緒論 3 鏈路層 Data Link Layer 網(wǎng)絡(luò)層 Network Layer 傳輸層 Transport Layer 會話層 Session Layer 和應(yīng)用層 Application Layer 14 15 如圖 1 1 所示 圖圖 1 1 OSI 參考模型參考模型 Fig 1 1 OSI reference model 1 物理層 主要定義的是物理設(shè)備標(biāo)準(zhǔn) 該層的主要作用是傳輸比特流 這一層的數(shù)據(jù)叫做比特 2 數(shù)據(jù)鏈路層 該層的主要作用是將從物理層接收到的數(shù)據(jù)進行 MAC 地 址的封裝與解封裝 常把這一層的數(shù)據(jù)叫做幀 3 網(wǎng)絡(luò)層 該層的主要作用是將從下層接收到的數(shù)據(jù)進行 IP 地址的封裝與 解封裝 常把這一層的數(shù)據(jù)叫做數(shù)據(jù)包 4 傳輸層 定義了一些傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議和端口號 該層的主要作用是將從 下層接收的數(shù)據(jù)進行分段傳輸 到達目標(biāo)地址后再對這些數(shù)據(jù)進行重組 常常把 這一層的數(shù)據(jù)叫做段 5 會話層 該層的主要作用是通過傳輸層建立數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?在系統(tǒng)之 間發(fā)起會話或者接受會話請求 6 表示層 該層的主要作用是對接收到的數(shù)據(jù)進行解釋 7 應(yīng)用層 該層主要是一些終端的應(yīng)用 2 常用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫侵妇W(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點之間的互連形式 構(gòu)建合適的測控網(wǎng)絡(luò)也要選擇 合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 而計算機網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫问街饕幸韵聨追N 1 1 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單 建網(wǎng)容易 控制相對簡單 而且易于組建 河南理工大學(xué)碩士論文 4 樹型或?qū)哟涡途W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 由于星型網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都匯集于中心節(jié)點 16 所以星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)維護起來相對容易 即便發(fā)生故障后 受影響的設(shè)備也較少 其缺點是主節(jié)點負(fù)載過重 可靠性較低 而且相對其他網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪碚f安裝較為困 難 使用的電纜也較多 2 總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是實際應(yīng)用中普遍采用的一種方式 它具有信道利用率高 結(jié)構(gòu)簡單 價格便宜等優(yōu)點 缺點是該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在同一時刻網(wǎng)絡(luò)中只能有兩個節(jié) 點相互通信 網(wǎng)絡(luò)延伸距離有限 容納節(jié)點數(shù)有限 3 環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由站點和站點間的連接鏈路組成的閉合環(huán) 環(huán)中的每個站點 都能夠接收一條鏈路發(fā)送來的數(shù)據(jù) 并能夠以同樣的速率把該數(shù)據(jù)送到另一端鏈 路上 環(huán)型網(wǎng)的典型實例有 IBM 令牌環(huán) Token Ring 和劍橋環(huán) Cambridge Ring 4 混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是將星型 總線型和環(huán)型中的某些單一拓?fù)浠旌掀饋矶鴺?gòu)成 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 常見的混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由星型拓?fù)浜铜h(huán)型拓?fù)浠旌铣傻?星 環(huán) 拓?fù)浜陀尚切屯負(fù)浜涂偩€型拓?fù)浠旌铣傻?星 總 拓?fù)?目前 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中 經(jīng)常采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)組建 另外由于 環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)延時確定 在實時性要求較高的工業(yè)控制中 也有部分應(yīng)用 1 2 2 常用的現(xiàn)場總線及發(fā)展趨勢 當(dāng)今社會 現(xiàn)場總線已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中 由于不同現(xiàn)場總線技術(shù) 具有不同的特點 所以它們在不同的領(lǐng)域顯示了其特有的優(yōu)勢 下面介紹幾種常 見的現(xiàn)場總線 17 1 基金會現(xiàn)場總線 基金會現(xiàn)場總線FF Foundation Field Bus 是以ISO OSI開放系統(tǒng)互連模型為基 礎(chǔ)的總線技術(shù) 它除了具有物理層 數(shù)據(jù)鏈路層 應(yīng)用層外 還在應(yīng)用層上增加 了用戶層 FF 在過程自動化領(lǐng)域具有很好的發(fā)展前景 2 LonWorks LonWorks 用了 ISO OSI 模型的全部七層協(xié)議 它可通過設(shè)置參數(shù)實現(xiàn) 300bit s 到 1 5Mbit s 不等的通信速率 而且通信距離可達 2700 米 78Kbit s 雙絞線 支 持多種通信介質(zhì) 并且開發(fā)了與之相關(guān)的本質(zhì)安全防爆產(chǎn)品 18 1 緒論 5 3 PROFIBUS PROFIBUS Process Field Bus 是 由 PROFIBUS DP PROFIBUS FMS 和 PROFIBUS PA 組成的 BUS 它采用了 OSI 模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層 其中 FMS 還采用了應(yīng)用層 傳輸速率為 9 6Kbit s 12Mbit s 當(dāng)傳輸速率在 12Mbit s 時 的最大傳輸距離為 100m 1 5Mbit s 時為 400m 在使用中繼器的情況下通信距離 可延長至 10km 傳輸介質(zhì)可為雙絞線或光纜 4 CAN CAN Controller Area Network 是控制器局域網(wǎng)的簡稱 它有效的實現(xiàn)了分布控 制和實時控制 CAN 協(xié)議也是以 ISO OSI 模型為基礎(chǔ) 但是只取其物理層 數(shù)據(jù) 鏈路層和應(yīng)用層 由于 CAN 總線的信息傳輸采用短幀結(jié)構(gòu) 所以傳輸時間較短 受干擾的可能性較低 當(dāng) CAN 總線節(jié)點發(fā)生嚴(yán)重錯誤時 能夠?qū)崿F(xiàn)自動關(guān)閉 以 切斷自身與總線的聯(lián)系 減小對總線其他節(jié)點的影響 5 HART HART Highway Addressable Remote Transducer 是從模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變 過程中的過渡性產(chǎn)品 其最大特點是在現(xiàn)有的模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字信號通 信 19 1 2 3 集中潤滑形式 目前常見的集中潤滑系統(tǒng)有 20 1 單線式潤滑系統(tǒng) 單線式潤滑系統(tǒng)的油壓力和供油量較小 所以常用中小型潤滑系統(tǒng) 它是靠 間歇壓力將潤滑介質(zhì)沿一條管路送到分配器 然后再送到各個潤滑節(jié)點 從而實 現(xiàn)給油 21 2 雙線式潤滑系統(tǒng) 雙線式潤滑系統(tǒng)由換向閥 電動潤滑泵 雙線主管路 雙線分配器 電控箱 以及終端壓力開關(guān)等部件組成 其中潤滑泵通過換向閥的換向從而實現(xiàn)對兩條主 管路的交替注壓 注入潤滑脂經(jīng)分配閥 到達各個潤滑點 實現(xiàn)給油潤滑 雙線 式潤滑系統(tǒng)是目前集中潤滑的一種主要方式 22 23 3 遞進式潤滑系統(tǒng) 遞進式潤滑系統(tǒng)由遞進式分配器 潤滑泵 控制部件和管路附件等組成 其 給油動作是由遞進式分配器按照遞進的順序逐個進行的 該形式有個重大的缺點 河南理工大學(xué)碩士論文 6 是只要一處潤滑點出現(xiàn)故障就會造成整個潤滑系統(tǒng)癱瘓 24 4 智能型潤滑系統(tǒng) 智能潤滑系統(tǒng)常用于具有多個潤滑點的大型機械設(shè)備 控制中心可以遠(yuǎn)程控 制各個節(jié)點的電磁閥 從而實現(xiàn)各個節(jié)點潤滑的控制工作 另外還可以通過控制 中心調(diào)節(jié)各個節(jié)點的給油量和供給時間 各個潤滑節(jié)點還具有自檢功能 由此可 見 智能潤滑系統(tǒng)具有很高的智能性 可靠性和可擴展性 是集中潤滑系統(tǒng)將來 的發(fā)展方向 25 26 1 3 論文主要研究內(nèi)容 本文在研究了測控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的趨勢及大型集中潤滑系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 后 設(shè)計了基于 CAN 總線的大型集中潤滑系統(tǒng) 該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)上千個潤滑節(jié)點 的網(wǎng)絡(luò)通信和潤滑控制 并且具有較高的實時性和可靠性 保證了大型機械長期 正常的運轉(zhuǎn) 論文的主體設(shè)計框圖如圖 1 2 所示 緒論 大型集中潤滑系 統(tǒng)總體方案設(shè)計 大型集中潤滑通 信系統(tǒng)設(shè)計 大型集中潤滑系 統(tǒng)節(jié)點硬件設(shè)計 CAN RS232 轉(zhuǎn)換 器硬 件設(shè) 計 大型集中潤滑軟 件系統(tǒng)設(shè)計 系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè) 計 網(wǎng)橋 節(jié)點 硬件 設(shè)計 泵節(jié) 點硬 件設(shè) 計 潤滑 節(jié)點 硬件 設(shè)計 控制 中心 軟件 設(shè)計 CAN RS232 轉(zhuǎn)換 器程 序設(shè) 計 網(wǎng)橋 節(jié)點 程序 設(shè)計 潤滑 節(jié)點 程序 設(shè)計 泵節(jié) 點程 序設(shè) 計 總結(jié)與展望 圖圖 1 2 論文論文主體設(shè)計框主體設(shè)計框圖圖 Fig 1 2 The main block diagram of this paper 依據(jù)該設(shè)計框圖 將全文分為六個章節(jié) 各章節(jié)內(nèi)容如下 第一章 闡述了測控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展方向及常用的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù) 并分析 了現(xiàn)場總線技術(shù)的優(yōu)越性 研究了大型集中潤滑系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 第二章 通過研究大型集中潤滑系統(tǒng)的功能要求 設(shè)計了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié) 1 緒論 7 構(gòu)及通信網(wǎng)絡(luò) 完成了大型集中潤滑系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 第三章 完成了大型集中潤滑系統(tǒng)通信模塊的硬件設(shè)計 在此基礎(chǔ)之上 對 系統(tǒng)節(jié)點進行編址 分析 設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)單播 組播和廣播的方法 研究了系 統(tǒng)通信速率的設(shè)計方法 第四章 完成了系統(tǒng)中 CAN RS232 轉(zhuǎn)換器 網(wǎng)橋節(jié)點 潤滑節(jié)點和泵節(jié)點 的硬件設(shè)計 第五章 設(shè)計了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 并分析了系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)點的動態(tài)增加與 去除 系統(tǒng)故障的自診斷等功能的過程 完成了控制中心圖形界面的軟件設(shè)計及 各個下位機節(jié)點的程序設(shè)計 第六章 總結(jié)了本論文完成的主要工作 并指出了該大型集中潤滑系統(tǒng)的不 足之處 及將來的改進方向 2 大型集中潤滑系統(tǒng)總體方案設(shè)計 9 2 大型集中潤滑系統(tǒng)總體方案設(shè)計 2 1 大型集中潤滑系統(tǒng)的功能要求 在大型集中潤滑系統(tǒng)中 由于潤滑節(jié)點眾多 而且分布往往較為分散 為了 方便工作人員對整個系統(tǒng)實時的監(jiān)控 這就要求系統(tǒng)中有一個控制中心 每個智 能節(jié)點 包括潤滑節(jié)點和泵節(jié)點 能夠?qū)F(xiàn)場的檢測結(jié)果和工作狀況及時的發(fā)送 到這個控制中心 控制中心將接收到的數(shù)據(jù)根據(jù)需要展現(xiàn)給工作人員 另外還要 求工作人員能夠通過控制中心實現(xiàn)底層智能節(jié)點工作參數(shù) 包括潤滑時間 潤滑 間隔 報警參數(shù)和工作模式等 的遠(yuǎn)程設(shè)置 而不需要折返于現(xiàn)場各個節(jié)點之間 由于大型集中潤滑系統(tǒng)中的部分潤滑節(jié)點往往具有相似的控制參數(shù) 為了保 證系統(tǒng)的實時性 對具有相似參數(shù)的節(jié)點能夠統(tǒng)一監(jiān)控 這就要求系統(tǒng)具有中間 控制器 能夠?qū)哂邢嗨茀?shù)的潤滑節(jié)點進行分組控制 在通信過程中 也可以 靈活實現(xiàn)單播 組播和廣播 另外 為了保證系統(tǒng)的可靠性 還要求系統(tǒng)所有節(jié)點都具有自檢功能 而且 整個系統(tǒng)還要求具有網(wǎng)絡(luò)巡檢功能 當(dāng)系統(tǒng)中的某個節(jié)點工作異常或者系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò) 連接出現(xiàn)斷開時 都能及時的發(fā)現(xiàn)并報警 當(dāng)潤滑節(jié)點失去網(wǎng)絡(luò)連接時 除了報 警還要求能夠依據(jù)先前保存的參數(shù)自動工作 以使系統(tǒng)故障造成的損失可以降到 最低 現(xiàn)場工作的節(jié)點要求具有的自檢功能有 給油管道壓力檢測 溫度檢測 流量檢測 泵機轉(zhuǎn)速檢測和網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)檢測等 27 總結(jié)來講 設(shè)計一個可靠性高 實時性好 成本低的大型集中潤滑系統(tǒng) 該 系統(tǒng)的通信和控制要求分為以下三層 28 1 最高層為控制中心 由一臺計算機和監(jiān)控軟件組成 該層用于實現(xiàn)整個 網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制 這一層可以顯示整個潤滑的運行情況 另外還可以快速 完成某一個或一組甚至系統(tǒng)所有節(jié)點的參數(shù)設(shè)置 并可按要求生成各種數(shù)據(jù)報表 2 中間層為中間控制器 該層用于實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的分組控制 中間控制器 接收上層控制中心和底層智能節(jié)點的數(shù)據(jù) 并對數(shù)據(jù)進行篩選和整理 并完成所 在子網(wǎng)智能節(jié)點的部分控制工作 每個中間控制控制器負(fù)責(zé)一組具有相似控制參 數(shù)的潤滑節(jié)點的通信和控制 并可靈活 快速的實現(xiàn)單個節(jié)點的控制和一組節(jié)點 的控制 這樣就提高了網(wǎng)絡(luò)的工作效率 減輕了控制中心的負(fù)荷 3 最底層是智能節(jié)點 在大型集中潤滑系統(tǒng)中 底層的智能節(jié)點包含潤滑 節(jié)點和泵節(jié)點兩種 它們是網(wǎng)絡(luò)控制功能的最終實現(xiàn)層 每個智能節(jié)點都具有獨 河南理工大學(xué)碩士論文 10 立運算 監(jiān)控的能力 智能節(jié)點能夠接收并處理中間控制器發(fā)送的數(shù)據(jù) 并執(zhí)行 相應(yīng)的控制命令 另外智能節(jié)點還要求具有自檢功能 能夠通過各種傳感器監(jiān)測 節(jié)點的運行現(xiàn)狀 并將結(jié)果反饋到控制中心 當(dāng)出現(xiàn)某種故障的情況下 能夠顯 示故障信息 2 2 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 大型集中潤滑系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建分為兩方面 一個是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計 另 一個是通信網(wǎng)絡(luò)的選擇及技術(shù)運用 2 2 1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計 常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有 總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和混合 型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 1 本系統(tǒng)最終目標(biāo)要求能夠?qū)崿F(xiàn)上千個潤滑節(jié)點的通信 并且能夠?qū)?現(xiàn)分組控制 單一的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較難實現(xiàn) 考慮到大型集中潤滑系統(tǒng)要求分三 層實現(xiàn)通信 故設(shè)計該系統(tǒng)為具有三層節(jié)點的樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 如圖 2 1 所示 圖圖 2 1 樹樹型型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) Fig 2 1 A network topology with tree structure 在該樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中 將系統(tǒng)分為三層 最高層是控制中心 第二層為 中間控制器 最低層為智能節(jié)點 該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還實現(xiàn)了分組控制 其中控制中心 和所有的中間控制器為一個網(wǎng)絡(luò) 該網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)控制命令的下達與檢測結(jié)果的上傳 顯示 而每個中間控制器又與連接到自身的所有智能節(jié)點構(gòu)成一個子網(wǎng) 該子網(wǎng) 負(fù)責(zé)控制命令的執(zhí)行 現(xiàn)場數(shù)據(jù)的檢測和智能節(jié)點工作的協(xié)調(diào) 另外考慮到星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立具有電纜用量大 安裝工作量大 中央節(jié)點 的負(fù)荷較重 對中央節(jié)點的可靠性和冗余度要求高等缺點 而總線型則是工業(yè)控 制網(wǎng)絡(luò)普遍采用的一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單 實現(xiàn)容易 而且 易于擴展 可靠性較高 故該方案中設(shè)計每個子網(wǎng)都采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 總結(jié)來講 采用這種基于總線型的樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單 便于連 接 成本低 擴充方便靈活等優(yōu)點 滿足大型集中潤滑系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的要求 2 大型集中潤滑系統(tǒng)總體方案設(shè)計 11 2 2 2 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及技術(shù)運用 本文所要設(shè)計的潤滑系統(tǒng)測控網(wǎng)絡(luò)除了要求能夠滿足實時通信 高可靠性 另外還具有高分布性的特點 解決這些問題的關(guān)鍵在于通信網(wǎng)絡(luò)的選擇 CAN 總線協(xié)議作為一種串行通信協(xié)議 已經(jīng)應(yīng)用在生產(chǎn)生活的方方面面 實 踐證明 CAN 總線能夠很好的滿足高安全等級的分布式實時控制 它采用了許多 獨特的設(shè)計和新技術(shù) 使得基于 CAN 總線的數(shù)據(jù)通信具有較高的可靠性 實時性 和靈活性 為了在兩個 CAN 器件之間建立兼容性 包括電氣特性和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的解 釋 就需要對 CAN 技術(shù)規(guī)范進行深入學(xué)習(xí)與研究 并合理將其各項技術(shù)運用于構(gòu) 建大型集中潤滑系統(tǒng) 將有效提高系統(tǒng)的靈活性 實時性與可靠性 下面將重點 研究 CAN 總線通信協(xié)議及技術(shù)運用 1 CAN 總線的分層結(jié)構(gòu) CAN 的 ISO OSI 參考模型的層結(jié)構(gòu)如圖 2 2 所示 29 圖圖 2 2 CAN ISO OSI 參考模型的參考模型的層結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu) Fig 2 2 Layered architecture of CAN according to the OSI reference model CAN 技術(shù)規(guī)范的數(shù)據(jù)鏈路層描述了與 CAN 有關(guān)的外層接口 而物理層則定 義信號是怎樣發(fā)送的 其中 CAN 協(xié)議的核心是 MAC 子層 它對 LLC 子層接收到 的報文和發(fā)送的認(rèn)可報文進行描述 MAC 子層用來響應(yīng)報文幀 應(yīng)答 仲裁 錯 誤檢測和標(biāo)定 MAC 子層由一個稱為故障界定的管理實體進行監(jiān)控 并且具有識 河南理工大學(xué)碩士論文 12 別短暫擾動或永久故障的自檢機制 而 LLC 子層的主要功能是實現(xiàn)報文濾波 超 載通知恢復(fù)以及管理 2 大型集中潤滑系統(tǒng)通信的幀類型 CAN 總線進行信息傳送的基本單位是報文 CAN 通信協(xié)議規(guī)定了以下 4 種幀 格式 數(shù)據(jù)幀 遠(yuǎn)程幀 錯誤幀和超載幀 30 32 在大型測控系統(tǒng)中 選擇合適的 幀類型傳輸對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型 將有效提高通信的可靠性和實時性 1 數(shù)據(jù)幀 數(shù)據(jù)幀用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送 它由 7 個位場組成 分別是 幀起始標(biāo)志位 仲 裁場 控制場 數(shù)據(jù)場 CRC 檢查場 ACK 應(yīng)答場和幀結(jié)束標(biāo)志位 其中數(shù)據(jù)場 的長度可為零 CAN 2 0A 數(shù)據(jù)幀的組成如圖 2 3 所示 圖圖 2 3 數(shù)據(jù)幀格式數(shù)據(jù)幀格式 Fig 2 3 The format of data frame 在 CAN 2 0B 中規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀兩種不同的幀格式 其中標(biāo)準(zhǔn)幀具有具 有 11 位標(biāo)識符 而擴展幀具有 29 位標(biāo)識符 它們的的格式如圖 2 4 所示 圖圖 2 4 標(biāo)準(zhǔn)格式和擴展格式數(shù)據(jù)幀標(biāo)準(zhǔn)格式和擴展格式數(shù)據(jù)幀 Fig 2 4 The standard format and extended format of data frame 2 遠(yuǎn)程幀 遠(yuǎn)程幀用于實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求 它由 6 個不同的場組成 分別是 幀起始標(biāo) 志位 仲裁場 控制場 CRC 場 應(yīng)答場和幀結(jié)束標(biāo)志位 遠(yuǎn)程幀的組成如圖 2 5 所示 DLC RTR 18 位標(biāo)識符 DLC RTR IDE R0 SOF 標(biāo)準(zhǔn)格式 仲裁場 控制場 數(shù)據(jù)場 11 位標(biāo)識符 RTR IDE R0 SOF 仲裁場 控制場 數(shù)據(jù)場 11 位標(biāo)識符 R1 擴展格式 仲裁場 控制場 數(shù)據(jù)場 CRC 校驗 或超載幀 幀結(jié)束 幀間空間 幀間空間 數(shù)據(jù)幀 ACK場 幀起始 2 大型集中潤滑系統(tǒng)總體方案設(shè)計 13 圖圖 2 5 遠(yuǎn)程幀格式遠(yuǎn)程幀格式 Fig 2 5 The format of remote frame 3 錯誤幀 錯誤幀是當(dāng)節(jié)點接收到認(rèn)為是錯誤的信息時 向總線發(fā)送的一種幀類型 它 由錯誤標(biāo)志疊加場和錯誤界定符組成 前者由各站的錯誤標(biāo)志疊加得到 錯誤幀 的組成如圖 2 6 所示 圖圖 2 6 錯誤幀格式錯誤幀格式 Fig 2 6 The format of error frame 4 超載幀 在接收方未準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)或者在幀間空間檢測到顯性位信號時 將發(fā)送超 載幀 超載幀由超載標(biāo)志和超載界定符兩個場組成 如圖 2 7 所示 圖圖 2 7 超載幀格式超載幀格式 Fig 2 7 The format of overload frame 對以上四種幀格式進行分析可以看出 錯誤幀和超載幀是當(dāng)總線發(fā)生異常時 自動發(fā)送的幀數(shù)據(jù) 不能用來實現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)通信 而遠(yuǎn)程幀是用來啟動其他資 源節(jié)點發(fā)送它們各自的數(shù)據(jù) 但由于遠(yuǎn)程幀無數(shù)據(jù)場 在大型潤滑系統(tǒng)中 僅靠 遠(yuǎn)程幀不能滿足復(fù)雜的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)發(fā)送的請求 在這四種幀格式中 數(shù)據(jù)幀有 8 字 節(jié)的數(shù)據(jù)場 可以用來描述多種不同的控制要求 數(shù)據(jù)請求類型 并足夠?qū)⑾鄳?yīng) 的參數(shù)附加在數(shù)據(jù)幀中 所以 在該系統(tǒng)中 所為的命令下達及數(shù)據(jù)請求都采用 數(shù)據(jù)幀來傳輸 控制場 幀間空間 幀間空間 遠(yuǎn)程幀 幀結(jié)束 CRC 場 仲裁場 幀起始 ACK 場 或超載幀 超載界定符或 幀結(jié)束或 超載幀 超載標(biāo)志 或超載幀 幀間空間 錯誤界定符 超載界定符 超載標(biāo)志疊加 數(shù)據(jù)幀 錯誤幀 錯誤標(biāo)志 或超載幀 幀間空間 錯誤標(biāo)志疊加 錯誤界定符 河南理工大學(xué)碩士論文 14 3 大型集中潤滑系統(tǒng)通信的幀結(jié)構(gòu) 下面 將詳細(xì)分析 CAN 2 0B 協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)幀格式和擴展幀格式及其區(qū)別 1 CAN 2 0B 標(biāo)準(zhǔn)幀 CAN 2 0B 標(biāo)準(zhǔn)幀信息包括信息和數(shù)據(jù)兩個部分 共 11 字節(jié) 其中字節(jié) 1 3 為信息部分 字節(jié) 4 11 為數(shù)據(jù)部分 如表 2 1 所示 表表 2 1 CAN 2 0B 標(biāo)準(zhǔn)幀標(biāo)準(zhǔn)幀 Tab 2 1 CAN 2 0B standard frame 7 6 5 4 3 2 1 0 字節(jié) 1 FF RTR X X DLC 數(shù)據(jù)長度 字節(jié) 2 報文標(biāo)識符 ID 10 ID 3 字節(jié) 3 ID 2 ID 0 RTR 字節(jié) 4 數(shù)據(jù) 1 字節(jié) 5 數(shù)據(jù) 2 字節(jié) 6 數(shù)據(jù) 3 字節(jié) 7 數(shù)據(jù) 4 字節(jié) 8 數(shù)據(jù) 5 字節(jié) 9 數(shù)據(jù) 6 字節(jié) 10 數(shù)據(jù) 7 字節(jié) 11 數(shù)據(jù) 8 2 CAN 2 0B 擴展幀 CAN 2 0B 擴展幀信息也包括信息和數(shù)據(jù)兩個部分 共 13 字節(jié) 其中字節(jié) 1 5 為信息部分 字節(jié) 6 13 為數(shù)據(jù)部分 如表 2 2 所示 表表 2 2 CAN 2 0B 擴展幀擴展幀 Tab 2 2 CAN 2 0B extended frame 7 6 5 4 3 2 1 0 字節(jié) 1 FF RTR X X DLC 數(shù)據(jù)長度 字節(jié) 2 報文標(biāo)識符 ID 28 ID 21 字節(jié) 3 ID 20 ID 13 字節(jié) 4 ID 12 ID 5 字節(jié) 5 ID 4 ID 0 X X X X 字節(jié) 6 數(shù)據(jù) 1 字節(jié) 7 數(shù)據(jù) 2 字節(jié) 8 數(shù)據(jù) 3 字節(jié) 9 數(shù)據(jù) 4 字節(jié) 10 數(shù)據(jù) 5 字節(jié) 11 數(shù)據(jù) 6 字節(jié) 12 數(shù)據(jù) 7 字節(jié) 13 數(shù)據(jù) 8 對比標(biāo)準(zhǔn)幀和擴展幀的格式可以看出 它們主要差別是報文標(biāo)識符的長度不 2 大型集中潤滑系統(tǒng)總體方案設(shè)計 15 同 標(biāo)準(zhǔn)幀的報文標(biāo)識符長度為 11 位 擴展幀的報文標(biāo)識符長度為 29 位 在大 型潤滑系統(tǒng)中 由于節(jié)點眾多 為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)精確的傳達 需要對節(jié)點進行編址 并使每一個節(jié)點的地址都是獨一無二的 這樣 節(jié)點以地址為標(biāo)準(zhǔn) 就可以識別 哪些是有效數(shù)據(jù) 將地址信息作為報文標(biāo)識符 從而與參數(shù)整合為一幀數(shù)據(jù)再發(fā) 送出去 可以提高通信的可靠性 并減少節(jié)點數(shù)據(jù)處理的工作量 所以 在本文 設(shè)計的大型集中潤滑系統(tǒng)中 將所有節(jié)點的地址信息都作為報文標(biāo)識符發(fā)送 標(biāo)準(zhǔn)幀的 11 位報文標(biāo)識符只能實現(xiàn) 4096 個節(jié)點的編址 而擴展幀的 29 位報 文標(biāo)識符從理論上講 幾乎不限節(jié)點的數(shù)量 如果采用標(biāo)準(zhǔn)幀編址 系統(tǒng)的地址 資源緊張 這樣就造成節(jié)點編址不靈活 所以在本文設(shè)計的系統(tǒng)中 所有的節(jié)點 間數(shù)據(jù)通信都采用 CAN 2 0B 協(xié)議的擴展幀格式 4 CAN 的位仲裁技術(shù) CAN 總線使用的通信模式叫做 載波監(jiān)測 多主掌控 沖突避免 CSMA CA 在這種通信模式下 總線上的所有設(shè)備都有取得總線的控制權(quán)從而向外發(fā)送信息 的機會 當(dāng)某一時刻 總線上有兩個或兩個以上的設(shè)備同時需要發(fā)送信息時 這 種情況下便會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突 CAN 總線的位仲裁技術(shù)能夠保證系統(tǒng)實時地檢測出 這些沖突并做出預(yù)訂的仲裁 從而保證獲得總線控制權(quán)的信息幀能夠不受任何損 壞的繼續(xù)傳輸 5 下面介紹 CAN 的位仲裁是如何實現(xiàn)的 總線在空閑時呈現(xiàn)的是隱性電平 在這種情況下 總線上的任何一個節(jié)點都 可以向總線發(fā)送一個顯性電平表示一個幀數(shù)據(jù)發(fā)送的開始 但是 當(dāng)有多個節(jié)點 同時要求開始發(fā)送數(shù)據(jù)時 便會產(chǎn)生總線競爭 這時 CAN 總線會按位對標(biāo)識符進 行仲裁 各發(fā)送節(jié)點在向總線發(fā)送每一位數(shù)據(jù)的同時 也會對總線上的電平進行 檢測 如果檢測到得總線電平與自身發(fā)送的位數(shù)據(jù)電平相同時 則該節(jié)點繼續(xù)發(fā) 送下一位數(shù)據(jù) 反之 如果檢測到的總線電平與發(fā)送的位數(shù)據(jù)電平不同時 就會 停止發(fā)送數(shù)據(jù) 并退出總線競爭 而剩下的節(jié)點繼續(xù)以上的過程 當(dāng)總線上只剩 下一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時 總線競爭結(jié)束 由此可見 具有最低二進制數(shù)的標(biāo)識符 具有最高的優(yōu)先級 假如 CAN 總線上有 3 個信息幀同時發(fā)送 則 CAN 總線對它們的仲裁過程如 圖 2 8 所示 河南理工大學(xué)碩士論文 16 圖圖 2 8 三個三個 CAN 信息幀信息幀在總線在總線上上的的競爭情況競爭情況 Fig 2 8 The competition of 3 information frames on the CAN bus 在發(fā)送前 5 位標(biāo)識符是 由于它們都是相同的 因此每個節(jié)點檢測到的總線 電平與發(fā)送的位數(shù)據(jù)電平相同 當(dāng)發(fā)送第 6 位標(biāo)識符時 節(jié)點 2 發(fā)送位數(shù)據(jù)為 1 但是 檢測到的總線數(shù)據(jù)卻是 0 說明有更高優(yōu)先級的信息幀在發(fā)送 這時 節(jié) 點 2 退出競爭 而轉(zhuǎn)為只聽模式 節(jié)點 1 和節(jié)點 3 繼續(xù)發(fā)送 當(dāng)發(fā)送第 9 位標(biāo)識 符是 節(jié)點 1 發(fā)送位數(shù)據(jù) 1 檢測到總線為 0 隨即也退出總線競爭 轉(zhuǎn)為只聽 模式 最終 只有節(jié)點 3 成功發(fā)送完信息仲裁場 從而獲得總線的控制權(quán) 實現(xiàn) 整個幀信息的發(fā)送 由此可見 這種仲裁方法在完成仲裁前就已經(jīng)實現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù) 標(biāo)識符的發(fā)送 從而提高了數(shù)據(jù)發(fā)送的效率 33 綜上所述 利用 CAN 總線的位仲裁技術(shù) 可以實現(xiàn)大型集中潤滑系統(tǒng)的全雙 工通信方式 該技術(shù)保證了系統(tǒng)通信的實時性和靈活性 5 CAN 報文濾波技術(shù)在大型集中潤滑系統(tǒng)中的應(yīng)用 利用 CAN 總線的報文濾波技術(shù) 可以實現(xiàn)點對點 一點對多點及全局廣播等 多種數(shù)據(jù)傳送和接收的方式 CAN 總線的報文濾波取決于整個標(biāo)識符 也可以使 用屏蔽寄存器設(shè)置標(biāo)識符的某些位為 不考慮 或 無關(guān) 從而實現(xiàn)多組標(biāo)識符與不 同的接收緩沖器對應(yīng) 34 在本文設(shè)計的大型集中潤滑系統(tǒng)中 利用 CAN 總線的報文濾波技術(shù) 對作為 標(biāo)識符的地址信息過濾 可以實現(xiàn)節(jié)點自動只接收某個固定節(jié)點地址或某些固定 地址的幀信息 從而省去了 MCU 判斷幀信息地址的工作 提高了系統(tǒng)通信的實時 性 CAN 報文濾波技術(shù)的具體實現(xiàn)視不同的 CAN 控制器而不同 在后面的章節(jié) 中將結(jié)合具體的 CAN 控制器詳細(xì)描述 CAN 報文濾波技術(shù)的實現(xiàn) 2 大型集中潤滑系統(tǒng)總體方案設(shè)計 17 2 3 大型集中潤滑系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)設(shè)計的樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和 CAN 總線通信網(wǎng)絡(luò) 設(shè)計大型集中潤滑系統(tǒng) 的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 9 所示 控制中心 潤滑節(jié)點 人機交互界面 潤滑節(jié)點潤滑節(jié)點 CAN總線 網(wǎng)橋 電磁給油器電磁給油器電磁給油器 CAN RS232 轉(zhuǎn)換器 RS RS232 給油管道 給油泵 泵節(jié)點 潤滑節(jié)點潤滑節(jié)點潤滑節(jié)點 網(wǎng)橋 電磁給油器電磁給油器電磁給油器 給油管道 給油泵 泵節(jié)點 圖圖 2 9 CAN 總線潤滑系統(tǒng)總線潤滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖圖 Fig 2 9 The structure map of intelligent lubrication system 在該系統(tǒng)方案中 包括以下幾個主要部分 控制中心人機交互界面 CAN RS232 轉(zhuǎn)換器 網(wǎng)橋 電磁給油器 潤滑節(jié)點 泵節(jié)點 給油泵等 該方案中 控制中心由一臺 PC 機和在臺 PC 機上運行的監(jiān)控軟件組成 這臺 PC 機要求運行的 Windows XP 操作系統(tǒng) 而監(jiān)控軟件可使用 Visual Studio 2005 平 臺下的 Visual Basic 語言編寫 因為多數(shù) PC 機上都集成有 RS 232 串口 所以 PC 機與下位節(jié)點的通信選擇采用 RS 232 串口實現(xiàn) 在沒有 RS 232 串口的 PC 機上可 選擇 USB 轉(zhuǎn)串口實現(xiàn) 而監(jiān)控軟件的通信實現(xiàn)主要利用 MSComm 控件實現(xiàn) 38 39 MSComm 控