基于CAN總線的可燃?xì)怏w報(bào)警器

1、摘要摘要在石油化工企業(yè)，一旦發(fā)生可燃?xì)怏w的泄漏而未采取有效的措施，將會(huì)對(duì)人員對(duì)財(cái)產(chǎn)產(chǎn)生極大的影響，甚至?xí)a(chǎn)生毀滅性的災(zāi)難。對(duì)可燃?xì)怏w泄漏作出預(yù)先判斷，在事故未擴(kuò)大之前采取措施，可以避免事故的發(fā)生；而can總線在可靠性，實(shí)時(shí)性和靈活性方面都有突出優(yōu)點(diǎn)。本課題將這兩方面結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了基于can總線的可燃?xì)怏w報(bào)警器。本文采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)和總線技術(shù)，研制了以at89c51微處理器為核心的基于can總線的可燃?xì)怏w報(bào)警器，該報(bào)警器主要由信號(hào)采集電路，報(bào)警電路，電源電路，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路，顯示電路，can總線接口電路等組成。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)怏w濃度的采集、傳送和報(bào)警控制。在軟件方面

2、本文對(duì)can總線可燃?xì)怏w監(jiān)控系統(tǒng)的軟件流程進(jìn)行了細(xì)致的分析并著重?cái)⑹隽?9c51 與can 控制器sja1000 的通訊設(shè)計(jì)，并對(duì)can 節(jié)點(diǎn)初始化、報(bào)文發(fā)送和報(bào)文接收進(jìn)行了深刻細(xì)致的描述。在本文最后，對(duì)可燃?xì)怏w監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了闡述并提出了切實(shí)有效的軟硬件結(jié)合方案。關(guān)鍵詞：報(bào)警器；可燃?xì)怏w；can總線iabstratabstract in the petrochemical enterprises, the event of a flammable gas leakage and failed to take effective measures for the staff of the

3、 property have great influence, and will even have a devastating disasters. the fuel gas leakage prejudging the accident was not enlargement to take measures to prevent accidents; and can bus in reliability, and flexibility are obvious advantages. the subject of the two combine design based on can b

4、us combustible gas detector.this article the use of computer technology, electronics, signal processing technology and bus technology, developed by at 89 c 51 microprocessor as the core, based on can bus combustible gas detector, the detector mainly by the signal acquisition circuits and alarm circu

5、its, power supply circuits and data conversion circuits, show circuit, can bus interface circuit. to achieve the industrial field flammable gas concentrations in the collection, transmission and police control.in terms of software in this article can bus flammable gas control system software process

6、 carried out a detailed analysis and highlights the 89 c 51 and can control manager sja 1000 of communications, and the can node initialization, messaging and reported the receipt of profound and meticulous description.at the end of this article, the flammable gas control system reliability elaborat

7、ed and put forward practical and effective software and hardware of the programme.key words: warning; inflammable gas; can busii目錄摘要iabstractii1 緒論11.1引言11.2國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展概況11.3現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)有水平及發(fā)展趨勢(shì)21.4本文研究的主要內(nèi)容32 現(xiàn)場(chǎng)總線概述32.1 現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展42.1.1 自動(dòng)控制領(lǐng)域的發(fā)展過(guò)程42.1.2 現(xiàn)場(chǎng)總線崛起的過(guò)程42.1.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)對(duì)dcs 的挑戰(zhàn)和變革52.2現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的組成52.3現(xiàn)場(chǎng)總線的技

8、術(shù)特點(diǎn)62.4 can總線的概述82.4.1 can 總線的產(chǎn)生與發(fā)展82.4.2 can 總線特點(diǎn)82.5 can 總線的一些基本概念92.6 can 總線的位數(shù)值表示與通信距離112.7 can 總線分層結(jié)構(gòu)122.8 can 總線應(yīng)用系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)133 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)143.1系統(tǒng)的功能143.2系統(tǒng)的總體框圖153.3系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法154 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)164.1單片機(jī)控制器的選擇164.2信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)184.3數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)184.3.1 ad0809的功能特點(diǎn)184.3.2 adc0809硬件結(jié)構(gòu)194.4 led顯示電路設(shè)計(jì)204.5聲光報(bào)警電路的設(shè)計(jì)214.6can接口

9、電路的設(shè)計(jì)224.6.1 can 控制器sja1000224.6.2 驅(qū)動(dòng)器82c250硬件電路及功能234.6.3 光電隔離器件245 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)255.1軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明25511任務(wù)分析25512系統(tǒng)分析265.2 cpu 與sja1000 的通訊設(shè)計(jì)285.2.1 初始化子程序285.2.2 報(bào)文發(fā)送子程序295.2.3 報(bào)文接收中斷子程序306 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)316.1 系統(tǒng)抗干擾性設(shè)計(jì)316.1.1硬件抗干擾措施326.1.2軟件抗干擾措施3262提高元器件的可靠性326.3容錯(cuò)技術(shù)33結(jié)論1致 謝35參考文獻(xiàn)1附錄1電路原理圖1附錄2381.sja1000 初始化子程序382.s

10、ja1000 發(fā)送子程序子程序403.sja1000 中斷接收子程序42附錄a 科技文章翻譯1河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書1 緒論1.1引言 隨著近代工業(yè)的進(jìn)步，在生活、工業(yè)上排放的氣體種類、數(shù)量都日益增多。這些氣體如天然氣、液化石油氣等都是易燃、易爆或?qū)θ梭w有害的，我們需要對(duì)各種有害氣、可燃?xì)怏w在環(huán)境中存在的情況進(jìn)行有效的監(jiān)控。可燃?xì)怏w監(jiān)控系統(tǒng)作為一種檢測(cè)可燃?xì)怏w泄漏并及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警等預(yù)防著火、傷亡的安全裝置，在全國(guó)各大油田、油庫(kù)、煉油廠、化工廠、液化氣廠以及煤礦都得到應(yīng)用。如大慶、吉林、勝利、克拉瑪依等油田都應(yīng)用這類可燃?xì)怏w監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)預(yù)防災(zāi)害事故發(fā)生。其中，僅油田每年需要的報(bào)警器都在數(shù)萬(wàn)臺(tái)

11、以上。以各省油庫(kù)、加油站為例，如僅哈爾濱市油庫(kù)加油站就不下500個(gè)，根據(jù)消防安全條例的有關(guān)規(guī)定，每個(gè)油庫(kù)、加油站必須配備安全報(bào)警裝置，由此可見全國(guó)這方面的可燃?xì)怏w報(bào)警裝置需求量非常大。目前廣泛應(yīng)用于石油化工、天然氣、礦井、冶金、油庫(kù)等眾多場(chǎng)所的可燃?xì)怏w檢測(cè)設(shè)備大都是一種固定的連續(xù)測(cè)量環(huán)境中可燃?xì)怏w濃度，并輸出與被測(cè)氣體濃度成正比的420ma標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)儀表，它可以直接與dcs、plc以及數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)相連接，但不符合儀表數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)，不能用于目前發(fā)展較快的新型現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。因此為了適應(yīng)新型現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)性能，研制一種現(xiàn)場(chǎng)總線式可燃?xì)怏w報(bào)警器就顯

12、得很有必要性。1.2國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展概況對(duì)于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最早提出現(xiàn)場(chǎng)總線并應(yīng)用者是美國(guó)inter計(jì)算機(jī)公司。早在1984 年，他們就提出了一種計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)（bitbus），那時(shí)不叫現(xiàn)場(chǎng)總線，人們一般稱之為位總線，它主要是將低速的面向過(guò)程的輸入輸出通道與高速的計(jì)算機(jī)總線（multibus）多總線分離，形成了現(xiàn)場(chǎng)總線的最初概念，由于（bitbus）價(jià)格較貴，用一段時(shí)間之后，人們就很少問(wèn)及了。20世紀(jì)80 年代中期，美國(guó)rosemount 公司開發(fā)了一種可尋址的遠(yuǎn)程傳感器（hart）通信協(xié)議。它是采用在420ma 模擬信號(hào)上疊加了一種頻率信號(hào)，用雙絞線實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)傳輸。雖然hart協(xié)

13、議本身還不夠成現(xiàn)場(chǎng)總線，但它已是現(xiàn)場(chǎng)總線的雛形。1985 年由honeywell 和bailey 等大公司發(fā)起，成立了worldfip，也制定了一種協(xié)議，其代表產(chǎn)品為fip 協(xié)議。到1987 年，以siemens，rosemount，橫河等幾家著名公司為首也成立了一個(gè)專門委員會(huì)isp，并制定了profibus 協(xié)議。德國(guó)政府認(rèn)可并確定其為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)din9245。后來(lái)美國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)也制定了現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)iec/isasp50。隨著時(shí)間的推移，世界逐漸形成了兩個(gè)針鋒相對(duì)的互相競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)場(chǎng)總線集團(tuán)：一個(gè)是以siemens、rosemount橫河為首的互操作系統(tǒng)isp 集團(tuán)；另一個(gè)是由honeywell

14、、bailey 等公司牽頭的worldfip 集團(tuán)。1994 年，兩大集團(tuán)宣布合并，融合成現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)（fieldbus foundation）簡(jiǎn)稱ff。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)發(fā)展和制定標(biāo)準(zhǔn)，基金委員會(huì)取得以下共識(shí)：共同制定遵循iec/isasp50 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；商定現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展階段時(shí)間表。1.3現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)有水平及發(fā)展趨勢(shì)國(guó)際上現(xiàn)有40 多種現(xiàn)場(chǎng)總線，但影響較大的主要有ff、profibus、can、lonworks等。圍繞著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，世界上各大廠商展開了激烈競(jìng)爭(zhēng)，并主要形成了ff和profibus 兩大陣營(yíng)，都希望能夠統(tǒng)一整個(gè)世界市場(chǎng)。目前現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品主要是低速總線產(chǎn)品，應(yīng)用于運(yùn)

15、行速率較低的領(lǐng)域，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能要求不是很高。從應(yīng)用狀況看，無(wú)論是ff 和profibus，還是其他一些現(xiàn)場(chǎng)總線，都能較好地實(shí)現(xiàn)速率要求較慢的過(guò)程控制。因此，在速率要求較低的控制領(lǐng)域，誰(shuí)都很難統(tǒng)一整個(gè)世界市場(chǎng)。而現(xiàn)場(chǎng)總線的關(guān)鍵技術(shù)之一是互操作性，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的統(tǒng)一是所有用戶的愿望。今后現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)如何發(fā)展、如何統(tǒng)一，是所有生產(chǎn)廠商和用戶十分關(guān)心的問(wèn)題。高速現(xiàn)場(chǎng)總線主要應(yīng)用于控制網(wǎng)內(nèi)的互連，連接控制計(jì)算機(jī)、plc 等智能程度較高、處理速度快的設(shè)備，以及實(shí)現(xiàn)低速現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)橋間的連接，它是充分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全分散控制結(jié)構(gòu)所必須的。目前這一領(lǐng)域還比較薄弱。因此，高速現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)計(jì)、開發(fā)將是競(jìng)爭(zhēng)十分激烈的

16、領(lǐng)域，這也將是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的重要機(jī)會(huì)。而選擇什么樣的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為高速現(xiàn)場(chǎng)總線的整體框架將是其首要內(nèi)容。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展應(yīng)體現(xiàn)為兩個(gè)方面：一個(gè)是低速現(xiàn)場(chǎng)總線領(lǐng)域的繼續(xù)發(fā)展和完善；另一個(gè)是高速現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展。作為新一代控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)將具有如下技術(shù)指標(biāo)：（1）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全分散控制；（2）系統(tǒng)的開放性；（3）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性；（4）互操作與互用性；（5）對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性。1.4本文研究的主要內(nèi)容本課題以可然氣體檢測(cè)為研究對(duì)象，以can總線技術(shù)為現(xiàn)場(chǎng)總線基礎(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)可燃性氣體檢測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線化。因此，總線型可燃?xì)怏w報(bào)警器就是具有智能功能和通訊功能的can

17、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。本文研究的主要內(nèi)容包括一下幾點(diǎn)：1收集現(xiàn)場(chǎng)總線的資料，掌握目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。2進(jìn)行can總線型可燃?xì)怏w監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)。3. 進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，包括接口電路以及繪制pcb電路圖。4實(shí)現(xiàn)總體方案的各項(xiàng)功能，規(guī)劃流程圖，進(jìn)行程序的編寫。5對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行研究。2 現(xiàn)場(chǎng)總線概述在計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)急速發(fā)展的今天，特別是考慮到現(xiàn)場(chǎng)總線已經(jīng)普遍地滲透到自動(dòng)控制的各個(gè)領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)，現(xiàn)場(chǎng)總線必將成為電工自動(dòng)控制領(lǐng)域主要的發(fā)展方向之一。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)一直是國(guó)際上各大公司激烈競(jìng)爭(zhēng)的領(lǐng)域；并且國(guó)外大公司已經(jīng)在大力拓展中國(guó)市場(chǎng)，發(fā)展我國(guó)的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品已經(jīng)刻不容緩。現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)自動(dòng)化技術(shù)

18、的影響意義深遠(yuǎn)。當(dāng)今可以認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)總線是提高自動(dòng)化系統(tǒng)整體水平的基礎(chǔ)技術(shù)，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)影響重大。因此，要在自動(dòng)化領(lǐng)域中推廣和發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)總線。現(xiàn)場(chǎng)總線是近年來(lái)自動(dòng)化領(lǐng)域中發(fā)展很快的互連通信網(wǎng)絡(luò)，具有協(xié)議簡(jiǎn)單開放、容錯(cuò)能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高、安全性好、成本低、適于頻繁交換等特點(diǎn)。目前，國(guó)際上各種各樣的現(xiàn)場(chǎng)總線有幾百種之多，統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)尚未建立。較著名的有基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（ff）、hart 現(xiàn)場(chǎng)總線、can 現(xiàn)場(chǎng)總線、lonworks 現(xiàn)場(chǎng)總線、profibus 現(xiàn)場(chǎng)總線、modbus、pheonix 公司的interbus、asinterface 總線等。自動(dòng)化控制系統(tǒng)就是通信網(wǎng)絡(luò)把眾多的帶有通信接口的控制設(shè)

19、備、檢測(cè)元件、執(zhí)行器件與主計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行智能化管理，實(shí)現(xiàn)集中數(shù)據(jù)處理、集中監(jiān)控、集中分析和集中調(diào)度的新型生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)。2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展2.1.1 自動(dòng)控制領(lǐng)域的發(fā)展過(guò)程50 多年前，第一代過(guò)程控制體系是基于315psi 的氣動(dòng)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)（氣動(dòng)控制系統(tǒng)pcs，pneumatic control system）簡(jiǎn)單的就地操作模式，控制理論初步形成，尚未有控制室的概念。第二代過(guò)程控制體系（模擬式或acs，analogous control system）是基于010ma或420ma 的電流模擬信號(hào)，這一明顯的進(jìn)步，在整整25 年內(nèi)牢牢地統(tǒng)治了整個(gè)自動(dòng)控制領(lǐng)域。它表征了電氣自動(dòng)控

20、制時(shí)代的到來(lái)?？刂评碚撚辛酥卮蟀l(fā)展，三大控制論的確立奠定了現(xiàn)代控制的基礎(chǔ)；控制室的設(shè)立，控制功能分離的模式一直沿用至今。第三代過(guò)程控制體系（ccs，computer control system）。70 年代開始了數(shù)字計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，人們?cè)跍y(cè)量，模擬和邏輯控制領(lǐng)域率先使用，從而產(chǎn)生了第三代過(guò)程控制體系（ccs，computer control system）。這個(gè)被稱為第三代過(guò)程控制體系是自動(dòng)控制領(lǐng)域的一次革命，它充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)的特長(zhǎng)，于是人們普遍認(rèn)為計(jì)算機(jī)能做好一切事情，自然而然地產(chǎn)生了被稱為“集中控制”的中央控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，需要指出的是系統(tǒng)的信號(hào)傳輸系統(tǒng)依然是大部分沿

21、用420ma 的模擬信號(hào)，但是時(shí)隔不久人們發(fā)現(xiàn)，隨著控制的集中和可靠性方面的問(wèn)題，失控的危險(xiǎn)也集中了，稍有不慎就會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。所以它很快被發(fā)展成分布式控制系統(tǒng)（dcs）。第四代過(guò)程控制體系（dcs，distributed control system 分布式控制系統(tǒng)）：隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的飛速發(fā)展，微處理器的普遍使用，計(jì)算機(jī)技術(shù)可靠性的大幅度增加，目前普遍使用的是第四代過(guò)程控制體系（dcs，或分布式數(shù)字控制系統(tǒng)），它主要特點(diǎn)是整個(gè)控制系統(tǒng)不再是僅僅具有一臺(tái)計(jì)算機(jī)，而是由幾臺(tái)計(jì)算機(jī)和一些智能儀表和智能部件構(gòu)成一個(gè)了控制系統(tǒng)。于是分散控制成了最主要的特征。除外另一個(gè)重要的發(fā)展是它們之間的信號(hào)傳

22、遞也不僅僅依賴于420ma 的模擬信號(hào)，而逐漸地以數(shù)字信號(hào)來(lái)取代模擬信號(hào)。第五代過(guò)程控制體系（fcs，fieldbus control system 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）：fcs是從dcs 發(fā)展而來(lái)，就像dcs 從ccs 發(fā)展過(guò)來(lái)一樣，有了質(zhì)的飛躍?！胺稚⒖刂啤卑l(fā)展到“現(xiàn)場(chǎng)控制”；數(shù)據(jù)的傳輸采用“總線”方式。但是fcs 與dcs 的真正的區(qū)別在于fcs有更廣闊的發(fā)展空間。2.1.2 現(xiàn)場(chǎng)總線崛起的過(guò)程80 年代，微處理器及其相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得數(shù)據(jù)傳送環(huán)節(jié)成為dcs 發(fā)展的瓶頸。1982 年，現(xiàn)場(chǎng)總線的概念首先在歐洲提出，兩年后于1984 年各國(guó)開始進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的研究和制定。1986 年

23、由rosemount 提出的通訊協(xié)議hart（highway addressableremote transducer，可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路），主要是在420ma 的dc 信號(hào)上疊加fsk（frequency shift keying，頻率調(diào)制鍵控）數(shù)字信號(hào)，結(jié)果取得了很好的效果，同時(shí)interbus 等簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)總線也都取得了成功。這樣dsc 的發(fā)展的重點(diǎn)落在了現(xiàn)場(chǎng)總線上，開始了被稱為第五代過(guò)程控制體系（fcs，fieldbus control system 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）的時(shí)代。fcs 是從dcs 發(fā)展而來(lái)，有一個(gè)量變到質(zhì)變的過(guò)程。從表面上來(lái)看，fcs 與dcs 區(qū)別僅僅在于從“分

24、散控制”發(fā)展到“現(xiàn)場(chǎng)控制”；數(shù)據(jù)的傳輸從“點(diǎn)到點(diǎn)”到“總線”方式。其實(shí)不然，當(dāng)時(shí)系統(tǒng)論的觀點(diǎn)已被廣泛地接受，人們開始以大系統(tǒng)的概念來(lái)看待整個(gè)過(guò)程控制體系。系統(tǒng)的增大，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)的通訊技術(shù)急劇發(fā)展；于是科技界充分認(rèn)識(shí)到在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展中起過(guò)重要作用的總線技術(shù)可以大大地推進(jìn)控制系統(tǒng)的發(fā)展。整個(gè)控制系統(tǒng)就像是一臺(tái)巨大的”計(jì)算機(jī)”按總線方式運(yùn)行，這樣資源的共享成了fcs 的主要發(fā)展空間，于是現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)運(yùn)而生，并且以前所未有的激烈程度展開了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。2.1.3現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)對(duì)dcs 的挑戰(zhàn)和變革（1）fcs的信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化，從最底層的傳感器和執(zhí)行器就采用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，逐層向上直至最高層均為通

25、信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。（2）fcs系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是全分散式的。fcs廢棄了dcs的輸入/輸出單元和控制站，由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或現(xiàn)場(chǎng)儀表取而代之，即把dcs控制站的功能化整為零，分散的分配給現(xiàn)場(chǎng)儀表，從而構(gòu)成虛擬控制站，實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制。（3）fcs的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有互操作性，不同廠商的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備既可互聯(lián)也可互換，并可以統(tǒng)一組態(tài)，徹底改變傳統(tǒng)dcs控制層的封閉性和專用性。（4）fcs的通信網(wǎng)絡(luò)為開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，既可與同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，也可以與不同層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，用戶可極其方便的共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)。（5）fcs的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了全開放性，無(wú)專利許可要求，可供任何人使用，從總線標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品檢驗(yàn)到信息發(fā)布是全公開的，面向世界任何一個(gè)制造商和

26、用戶。2.2現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的組成現(xiàn)場(chǎng)總線是一種互聯(lián)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備及其控制系統(tǒng)的雙向數(shù)字通信協(xié)議。一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)可以看成是一個(gè)由數(shù)字通信設(shè)備和監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備組成的分布式系統(tǒng)。實(shí)際上，現(xiàn)場(chǎng)總線就是一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)智能化設(shè)備。現(xiàn)場(chǎng)總線由網(wǎng)絡(luò)通信、功能模塊、對(duì)象字典和設(shè)備描述、網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)管理等部分組成。 2.3現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)特點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是3c技術(shù)（computer、control、communication）從控制層發(fā)展到工藝設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的特點(diǎn)如下： （1） 增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)信息集成能力現(xiàn)場(chǎng)總線可從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動(dòng)化及

27、cims 系統(tǒng)的信息集成要求?，F(xiàn)場(chǎng)總線是數(shù)字化通信網(wǎng)絡(luò)，它不單純?nèi)〈?-20ma 信號(hào)，還可實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送。系統(tǒng)除完成遠(yuǎn)程控制，還可完成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。（2） 開放式、互操作性、互換性、可集成性不同廠家產(chǎn)品只要使用同一總線標(biāo)準(zhǔn)，就具有互操作性、互換性，因此設(shè)備具有很好的可集成性。系統(tǒng)為開放式，允許其它廠商將自己專長(zhǎng)的控制技術(shù)，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統(tǒng)中去，因此，市場(chǎng)上將有許多面向行業(yè)特點(diǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)。（3） 系統(tǒng)可靠性高、可維護(hù)性好基于現(xiàn)場(chǎng)總線的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用總線連接方式替代一對(duì)一的i/o 連線，對(duì)于大規(guī)模i/o 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，減少了由接線點(diǎn)造成的不可靠因素。

28、同時(shí)，系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能，可完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化工作，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性。（4） 低成本由于現(xiàn)場(chǎng)總線的通信是全數(shù)字式的且它的控制功能完全由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備去執(zhí)行，因此不需要輸入、輸出及其它控制板；而且現(xiàn)場(chǎng)裝置可直接與操作臺(tái)相連，不再需要用于聯(lián)接各控制板的”數(shù)據(jù)高速公路”，上述各部分的冗余在現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)里自然也就不再需要了。現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)只保留集散控制系統(tǒng)（dcs）中的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及操作站，操作站已不再是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備可以執(zhí)行多種測(cè)量、控制和計(jì)算，因此減少了變送器的數(shù)量，不再需要單回路調(diào)節(jié)器和計(jì)算元件，從而節(jié)省了費(fèi)用。（5）組態(tài)簡(jiǎn)單由于所有儀

29、表都引入了功能模塊，組態(tài)變得非常相似或簡(jiǎn)單，不需要因?yàn)樽詣?dòng)化設(shè)備種類不同或組態(tài)方法的不同而進(jìn)行培訓(xùn)或?qū)W習(xí)編程語(yǔ)言。所有的生產(chǎn)廠商都使用相同的現(xiàn)場(chǎng)總線功能模塊。功能模塊是以用戶自定義的標(biāo)識(shí)符和標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)為基礎(chǔ)的，用戶可以根據(jù)標(biāo)識(shí)符來(lái)指定某一設(shè)備，毋需考慮設(shè)備地址、存儲(chǔ)記憶地址和比特編號(hào)等。組態(tài)可通過(guò)計(jì)算機(jī)編輯，然后下裝至現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備。由于不同廠商、不同型號(hào)的儀表的校準(zhǔn)、量程設(shè)定和診斷等的操作程序是一致的，使得培訓(xùn)操作員簡(jiǎn)單化和設(shè)備的更新?，F(xiàn)場(chǎng)總線已有大量的功能模塊，且新的功能模塊仍在不斷增加。（6） 查索更多的信息及診斷狀況數(shù)字通信使用戶從控制室中查詢所有設(shè)備的數(shù)據(jù)、組態(tài)、運(yùn)行和診斷信息成為現(xiàn)實(shí)

30、。而且現(xiàn)場(chǎng)總線的多變量特性為儀表及其它自動(dòng)化設(shè)備的革新提供了更廣闊的天地。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的自診斷功能使故障可以及時(shí)地被報(bào)告，使檢修人員在事故發(fā)生之前可及時(shí)確定潛在事故地點(diǎn)并進(jìn)行維修。硬件（如傳感器、執(zhí)行器和記憶單元）故障，軟件方面（如組態(tài)和校準(zhǔn)）的問(wèn)題都能夠被及時(shí)報(bào)告。操作人員毋需把變送器送去檢測(cè)就可獲得所需信息，從而大大節(jié)省了時(shí)間和成本。（7） 安裝、運(yùn)行、維修簡(jiǎn)便由于現(xiàn)場(chǎng)儀表是并行連接，端子接頭核對(duì)的工作量大大減少了，所以接線簡(jiǎn)單，一條電纜通常可連接20 個(gè)設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備能夠模擬輸入值、輸出值或狀態(tài)。這使得操作員在控制室內(nèi)便能夠測(cè)試系統(tǒng)對(duì)故障及過(guò)程狀況的反應(yīng)?，F(xiàn)場(chǎng)總線可以存儲(chǔ)有用的信息以便于

31、維修，信息不會(huì)丟失。大量的有用信息也被存儲(chǔ)于自動(dòng)化設(shè)備中，這些既可以從手持終端獲取，又可從操作站獲取。（8） 自由選擇不同品牌設(shè)備所有現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這使用戶可以自由選擇不同制造商所提供的設(shè)備。（9） 數(shù)據(jù)庫(kù)的一致性現(xiàn)場(chǎng)總線采用完全分散的數(shù)據(jù)庫(kù)概念。任何同現(xiàn)場(chǎng)總線接口的人機(jī)界面都可顯示有關(guān)信息，這樣就不會(huì)有重復(fù)的、不一致的數(shù)據(jù)庫(kù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線只使用一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，即分散于現(xiàn)場(chǎng)儀表中的數(shù)據(jù)庫(kù)，人機(jī)界面就是從此數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取”定標(biāo)數(shù)據(jù)”的，手持終端所查索的也是同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。2.4 can總線的概述2.4.1 can 總線的產(chǎn)生與發(fā)展控制器局部網(wǎng)（cancontroller area networ

32、k）是bosch公司為現(xiàn)代汽車應(yīng)用領(lǐng)先推出的一種多主機(jī)局部網(wǎng)，由于其卓越性能現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門?？刂破骶植烤W(wǎng)將在我國(guó)迅速普及推廣。隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)及集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)控制系統(tǒng)已成為計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中最具活力的一個(gè)分支，并取得了巨大進(jìn)步。由于對(duì)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(fù)載分散、功能分散、危險(xiǎn)分散和地域分散。分散式工業(yè)控制系統(tǒng)就是為適應(yīng)這種需要而發(fā)展起來(lái)的。這類系統(tǒng)是以微型機(jī)為核心，將 5c 技術(shù)-computer（計(jì)算機(jī)技術(shù)）、control

33、（自動(dòng)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。它在適應(yīng)范圍、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性以及抗故障能力等方面，較之分散型儀表控制系統(tǒng)和集中型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)都具有明顯的優(yōu)越性。典型的分散式控制系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、接口與計(jì)算設(shè)備以及通信設(shè)備組成?，F(xiàn)場(chǎng)總線（fieldbus）能同時(shí)滿足過(guò)程控制和制造業(yè)自動(dòng)化的需要，因而現(xiàn)場(chǎng)總線已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線領(lǐng)域中最為活躍的一個(gè)領(lǐng)域?，F(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)。盡管目前對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的研究尚未能提出一個(gè)完善的標(biāo)準(zhǔn)，但現(xiàn)場(chǎng)總線的高性能價(jià)格比將吸引眾多工業(yè)控制系統(tǒng)采用。同時(shí)，正由于現(xiàn)場(chǎng)總線的

34、標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，也使得現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用得以不拘一格地發(fā)揮，并將為現(xiàn)場(chǎng)總線的完善提供更加豐富的依據(jù)?？刂破骶植烤W(wǎng) can正是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生的。由于can為愈來(lái)愈多不同領(lǐng)域采用和推廣，導(dǎo)致要求各種應(yīng)用領(lǐng)域通信報(bào)文的標(biāo)準(zhǔn)化。為此，1991 年 9 月philipssemiconductors 制訂并發(fā)布了 can技術(shù)規(guī)范（version2.0）。該技術(shù)規(guī)范包括a和b 兩部分。2.0a給出了曾在can技術(shù)規(guī)范版本1.2 中定義的can報(bào)文格式，而2.0b給出了標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的兩種報(bào)文格式。此后，1993 年11 月iso正式頒布了道路交通運(yùn)載工具-數(shù)字信息交換-高速通信控制器局部網(wǎng)（can）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（

35、iso11898），為控制器局部網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化推廣鋪平了道路。2.4.2 can 總線特點(diǎn)can總線是德國(guó)bosch公司從80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率可達(dá)1mbps。can總線通信接口中集成了can協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng)工作。can協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)碼可由

36、11 位或29 位二進(jìn)制數(shù)組成，因此可以定義211或229 個(gè)不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度最多為8 個(gè)字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領(lǐng)域中控制命令、工作狀態(tài)及測(cè)試數(shù)據(jù)的一般要求。同時(shí)，8 個(gè)字節(jié)不會(huì)占用總線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，從而保證了通信的實(shí)時(shí)性。can協(xié)議采用crc 檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。can卓越的特性、極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，特別適合工業(yè)過(guò)程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來(lái)越受到工業(yè)界的重視，并已公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。另外，can總線采用了多主競(jìng)爭(zhēng)式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運(yùn)行和分

37、散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點(diǎn)。can總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信。can總線協(xié)議已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)證，技術(shù)比較成熟，控制的芯片已經(jīng)商品化，性價(jià)比高，特別適用于分布式測(cè)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊。can總線插卡可以任意插在pc、 at、xt兼容機(jī)上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。2.5 can 總線的一些基本概念（1）報(bào)文總線上的信息以不同格式的報(bào)文發(fā)送，但長(zhǎng)度有限制。當(dāng)總線開放時(shí)，任何連接的單元均可開始發(fā)送一個(gè)新報(bào)文。（2）信息路由在can 系統(tǒng)中，一個(gè)can 節(jié)點(diǎn)不使用和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有關(guān)的任何信息(如站地址)，這里包含了一些重要

38、的概念：系統(tǒng)靈活性：節(jié)點(diǎn)可在不要求所有節(jié)點(diǎn)及其應(yīng)用層改變?nèi)魏诬浖蛴布那闆r下，被接于can 網(wǎng)絡(luò)。報(bào)文通信：一個(gè)報(bào)文的內(nèi)容由其標(biāo)識(shí)符id 命名。id 并不指出報(bào)文的目的，但描述數(shù)據(jù)的含義，以便網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)借助報(bào)文濾波決定該數(shù)據(jù)是否使它們激活。成組：由于使用了報(bào)文濾波，所有節(jié)點(diǎn)均可接收?qǐng)?bào)文，并同時(shí)被相同的報(bào)文激活。數(shù)據(jù)相容性：在can 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，可以確保報(bào)文同時(shí)被所有節(jié)點(diǎn)或沒(méi)有節(jié)點(diǎn)接受，因此，數(shù)據(jù)的相容性是借助成組和出錯(cuò)處理達(dá)到的。（3）位速率can 的數(shù)據(jù)傳輸率在不同的系統(tǒng)中是不同的，而在一個(gè)給定的系統(tǒng)中，此速度是唯一的，并且是固定的。（4）優(yōu)先權(quán)在總線訪問(wèn)期間，標(biāo)識(shí)符定義了一個(gè)報(bào)文靜態(tài)的

39、優(yōu)先權(quán)。（5）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求通過(guò)發(fā)送一個(gè)遠(yuǎn)程幀，需要數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)可以請(qǐng)求另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀，該數(shù)據(jù)幀與對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)程幀以相同標(biāo)識(shí)符id 命名。（6）多主站當(dāng)總線開放時(shí)，任何的單元均可開始發(fā)送報(bào)文，發(fā)送具有最高優(yōu)先權(quán)的報(bào)文單元，贏得總線的訪問(wèn)權(quán)。（7）仲裁當(dāng)總線開放時(shí)，任何的單元均可開始發(fā)送報(bào)文，若同時(shí)有兩個(gè)或更多的單元開始發(fā)送，總線仲裁運(yùn)用逐位仲裁規(guī)則，借助標(biāo)識(shí)符id 解決。這種仲裁可以使信息和時(shí)間均無(wú)損。若具有相同標(biāo)識(shí)符的一個(gè)數(shù)據(jù)幀和一個(gè)遠(yuǎn)程幀同時(shí)發(fā)送，數(shù)據(jù)幀優(yōu)先于遠(yuǎn)程幀。仲裁期間，每一個(gè)發(fā)送器都對(duì)發(fā)送位電平與總線上檢測(cè)到的電平進(jìn)行比較，若相同則該單元可繼續(xù)發(fā)送，若發(fā)送一個(gè)“隱性”電平，

40、檢測(cè)到一個(gè)“顯性”電平，該單元退出仲裁，并不再傳送后續(xù)位（8）安全性為獲得盡可能高的數(shù)據(jù)傳送安全性，在每個(gè)can 節(jié)點(diǎn)中均設(shè)有錯(cuò)誤檢測(cè)、標(biāo)定和自檢的強(qiáng)有力的措施。檢測(cè)錯(cuò)誤的措施包括：發(fā)送自檢、循環(huán)冗余校驗(yàn)、位填充和報(bào)文格式檢查。（9）出錯(cuò)標(biāo)注和恢復(fù)時(shí)間已損報(bào)文由檢出錯(cuò)誤的任何節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注。這樣的報(bào)文將失效，并自動(dòng)進(jìn)行重發(fā)。如果不存在新的錯(cuò)誤，自檢出的錯(cuò)誤至下一個(gè)報(bào)文開始發(fā)送的恢復(fù)時(shí)間最多為29 個(gè)位時(shí)間。（10）應(yīng)答所有接收器均對(duì)接收?qǐng)?bào)文的相容性進(jìn)行檢查，回答一個(gè)相容報(bào)文，并標(biāo)注一個(gè)不相容的報(bào)文。睡眠方式及喚醒為降低系統(tǒng)功耗，can 器件可被置于無(wú)任何內(nèi)部活動(dòng)的睡眠方式，相當(dāng)于未連接總線的驅(qū)動(dòng)

41、器。睡眠狀態(tài)借助任何總線激活或者系統(tǒng)的內(nèi)部條件被喚醒而告終。在總線驅(qū)動(dòng)器再次置于在線狀態(tài)之前，為喚醒內(nèi)部活動(dòng)重新開始，傳輸層將等待系統(tǒng)振蕩器至穩(wěn)定狀態(tài)，并一直等待至其自身同步于總線活動(dòng)(通過(guò)檢查11 個(gè)連續(xù)的隱位)。為喚醒系統(tǒng)內(nèi)仍處于睡眠狀態(tài)的其他節(jié)點(diǎn)，可使用具有最低可能標(biāo)識(shí)符的專用喚醒報(bào)文：rrr rrrd rrrr，其中，r 為隱位，d 為顯位。2.6 can 總線的位數(shù)值表示與通信距離can 總線中的總線數(shù)值為兩種互補(bǔ)邏輯值之一：顯性或隱性。顯性數(shù)值表示邏輯0，而隱性數(shù)值表示邏輯1。如圖2-1，顯性和隱性位同時(shí)發(fā)送時(shí)，最后總線數(shù)值將是顯性。在隱性狀態(tài)下，vcan_l 和vcan_h 被固

42、定于平均電壓電平，vdiff 近似等于零；在總線空閑或隱性位期間，發(fā)送隱性狀態(tài)。在顯性位期間，顯性狀態(tài)改寫隱性狀態(tài)并發(fā)送。can 系統(tǒng)內(nèi)兩個(gè)任意節(jié)點(diǎn)之間的最大傳輸距離與其位速率有關(guān)，見表2-1，這里的最大的通信距離是指在同一條總線上兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離。圖2-1 can 總線位數(shù)值表示表2-1 can 系統(tǒng)任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最大傳輸距離位速率最大總線長(zhǎng)度總線定時(shí)btrobtr11mbps40m00h14h500kbps130m00h1ch250 kbps270m0lh1ch125 kbps530m03h1ch100 kbps620m43h2fh50 kbps1.3km47h2fh20 kbps3

43、.3km53h2fh10 kbps6.7km67h2fh5 kbps10km7fh7fh2.7 can 總線分層結(jié)構(gòu)can 遵從osi 模型，can 結(jié)構(gòu)劃分為兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，如圖2-2 所示。物理層是將ecu 連接至總線的電路實(shí)現(xiàn)，ecu 的總數(shù)將受限于總線上的電氣負(fù)載。數(shù)據(jù)鏈路層劃分為邏輯鏈路控制（llc）和媒體訪問(wèn)控制（mac）兩部分。邏輯鏈路控制子層提供的功能包括：幀接收濾波，超載通知和恢復(fù)管理。媒體訪問(wèn)控制子層劃分為發(fā)送部分和接收部分，發(fā)送部分功能包括發(fā)送數(shù)據(jù)封裝和發(fā)送媒體訪問(wèn)管理，接收部分功能包括接收媒體訪問(wèn)管理和接收數(shù)據(jù)卸裝。物理層劃分為物理信令（pls）、物理媒體附屬

44、裝置（pma）和媒體相關(guān)接口（mdi）三個(gè)部分。物理信令實(shí)現(xiàn)與位表示、定時(shí)和同步相關(guān)的功能；物理媒體附屬裝置子層實(shí)現(xiàn)總線發(fā)送/接收的功能電路并提供總線故障監(jiān)測(cè)方法；媒體相關(guān)接口實(shí)現(xiàn)物理媒體和媒體訪問(wèn)單元（mau）之間的機(jī)械和電氣接口。圖2-2 can 總線分層結(jié)構(gòu)和功能2.8 can 總線應(yīng)用系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖2-3 所示為一個(gè)can 總線應(yīng)用系統(tǒng)，主要有主機(jī)和各節(jié)點(diǎn)組成，主機(jī)和節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)can 收發(fā)器及can 控制器相連，單個(gè)節(jié)點(diǎn)包括一個(gè)單片機(jī)控制器、一個(gè)can 收發(fā)器和一個(gè)can 控制器。其中一個(gè)典型的應(yīng)用是：主機(jī)接收各節(jié)點(diǎn)發(fā)送的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，如現(xiàn)場(chǎng)溫度、電流或壓力等參數(shù)，主機(jī)經(jīng)過(guò)綜合計(jì)算、判

45、斷作出相應(yīng)的控制命令，這些命令將通過(guò)can總線傳送至各節(jié)點(diǎn)。各節(jié)點(diǎn)由單片機(jī)作為控制器，它用于采集現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)參數(shù)，并執(zhí)行主機(jī)發(fā)送的各項(xiàng)命令，這些命令將最終傳送至各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如閥門、電機(jī)或泵等。圖2-3 can 總線應(yīng)用系統(tǒng)3 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)的功能在本項(xiàng)目中，可燃?xì)怏w監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)重要功能就是能夠檢測(cè)到可燃?xì)怏w，同時(shí)本著方便使用的原則，還應(yīng)該具有聲光報(bào)警以及數(shù)據(jù)通訊等功能?；谶@些要求，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)由氣體傳感器、a/d轉(zhuǎn)換電路、微處理器、顯示器、聲光報(bào)警、及數(shù)據(jù)通訊等組成。具體各項(xiàng)功能如下：1可燃性氣體探測(cè)器可以及時(shí)準(zhǔn)確的將可燃性氣體濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。2可燃性氣體報(bào)警器能夠顯示可燃性氣

46、體的絕對(duì)體積濃度。3當(dāng)可燃性氣體達(dá)到報(bào)警閾值時(shí)，可燃性氣體報(bào)警器必須能夠準(zhǔn)確及時(shí)的做出報(bào)警動(dòng)作。4可燃性氣體報(bào)警器的報(bào)警方式為聲光報(bào)警。5工作于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備，如探測(cè)器、報(bào)警器等具有很好的防爆措施。6可燃性氣體報(bào)警器監(jiān)測(cè)到的現(xiàn)場(chǎng)的可燃性氣體的濃度數(shù)據(jù)可以通過(guò)can總線實(shí)時(shí)地傳送到上位機(jī)。3.2系統(tǒng)的總體框圖圖3-1為可燃?xì)怏w監(jiān)控系統(tǒng)的總體框圖，如圖所示傳感器將采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，經(jīng)過(guò)分析將濃度數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)碼顯示，當(dāng)所測(cè)濃度大于設(shè)定值時(shí)，通過(guò)蜂鳴器和發(fā)光二極管進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)單片機(jī)通過(guò)can總線控制器sj1000將所測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絚an總線上，從而傳輸?shù)蕉嗝襟w計(jì)算機(jī)上。圖3-1系統(tǒng)

47、的總體框圖3.3系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法(1) 利用傳感器接收可燃性氣體的模擬信號(hào) (2) 單片機(jī)接收傳感器檢測(cè)信號(hào)，進(jìn)行初步處理，如記錄發(fā)生情況，聲光報(bào)警，濃度顯示。(3) 利用can總線實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與主控計(jì)算機(jī)的通訊。4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)4.1單片機(jī)控制器的選擇經(jīng)過(guò)比較，本人決定使用常用、廉價(jià)的單片機(jī)at89c51作為主控制器。at89c51單片機(jī)是由atmel公司生產(chǎn)的51單片機(jī)。簡(jiǎn)單介紹如下：at89c51是一個(gè)低電壓，高性能cmos 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（perom）和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失

48、性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和flash存儲(chǔ)單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的at89c51提供了高性價(jià)比的解決方案。 at89c51是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（i/o）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，at89c51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。at89c51的引腳如圖4-1。圖4-1 at89c51芯片的引腳圖vcc：供電電壓。gnd：接地。p0口：p0口為

49、一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當(dāng)p1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在fiash編程時(shí)，p0 口作為原碼輸入口，當(dāng)fiash進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，p0輸出原碼，此時(shí)p0外部必須被拉高。p1口：p1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4ttl門電流。p1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，p1口作為第八位地址接收。p2口：p2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接

50、收，輸出4個(gè)ttl門電流，當(dāng)p2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2口在flash編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。p3口：p3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個(gè)ttl門電流。當(dāng)p3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3

51、口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。p3口也可作為at89c51的一些特殊功能口，如下所示：p3.0 rxd（串行輸入口）p3.1 txd（串行輸出口）p3.2 /int0（外部中斷0）p3.3 /int1（外部中斷1）p3.4 t0（記時(shí)器0外部輸入）p3.5 t1（記時(shí)器1外部輸入）p3.6 /wr（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）p3.7 /rd（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）p3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。rst：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持rst腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ale/prog：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在flash編程

52、期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh地址上置0。此時(shí)， ale只有在執(zhí)行movx，movc指令是ale才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ale禁止，置位無(wú)效。/psen：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/psen有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/psen信號(hào)將不出現(xiàn)。/ea/vpp：當(dāng)/ea保持低電平時(shí)，則在

53、此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000h-ffffh），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/ea將內(nèi)部鎖定為reset；當(dāng)/ea端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在flash編程期間，此引腳也用于施加12v編程電源（vpp）。xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。xtal2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。 此單片機(jī)主要用于控制，包括響應(yīng)中斷、延時(shí)、判斷、發(fā)送對(duì)方號(hào)碼等等。4.2信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)本文使用的氣體傳感器為催化燃燒式傳感器，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖4-2。敏感部分電阻值隨周圍可燃性氣體體積分?jǐn)?shù)變化,非敏感部分電阻值和可燃性氣體體積分?jǐn)?shù)無(wú)關(guān)。該傳感器采用恒壓供電,工作電壓為(2.

54、50.125)v,工作電流為150170ma。該傳感器輸出線性度很好,在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下不需要作額外的傳感器非線性補(bǔ)償處理。圖4-2傳感器的結(jié)構(gòu)圖4.3數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)a/d轉(zhuǎn)換是本系統(tǒng)比較關(guān)鍵的一步，通過(guò)a/d轉(zhuǎn)換，成功的把所要測(cè)量和控制的數(shù)據(jù)采集過(guò)來(lái)，是保證系統(tǒng)功能可以實(shí)現(xiàn)的第一步。為了設(shè)計(jì)好a/d轉(zhuǎn)換模塊，使它達(dá)到預(yù)想的a/d轉(zhuǎn)換效果，必須選定合適的a/d轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計(jì)的a/d轉(zhuǎn)換電路采用了常用的8位8通道逐次逼近式a/d轉(zhuǎn)換器adc0809，adc0809由8路模擬信號(hào)輸入端、地址鎖存與譯碼器、8位a/d轉(zhuǎn)換器和三態(tài)輸出鎖存緩沖器組成。4.3.1 ad0809的功能特點(diǎn)分辨率為8位

55、。最大不可調(diào)誤差ad08091lsb。單電源+5v供電，基準(zhǔn)電壓由外部提供，典型值為+5v，此時(shí)允許輸入模擬電壓為05v。具有鎖存控制的8路模擬選通開關(guān)?？涉i存三態(tài)輸出，輸出電平與ttl電平兼容，功耗15mw。轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時(shí)鐘頻率。時(shí)鐘頻率范圍500khz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為128s。4.3.2 adc0809硬件結(jié)構(gòu)adc0809的芯片引腳如圖4-3。圖4-3 adc0809的芯片引腳圖adc0809的a/d轉(zhuǎn)換過(guò)程是在時(shí)鐘信號(hào)的協(xié)調(diào)下進(jìn)行的。adc0809的時(shí)鐘信號(hào)由clock端送入,其最高頻率為640mhz,在這個(gè)最高頻率下adc0809的a/d轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us左右。a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束

56、后,a/d轉(zhuǎn)換的結(jié)果(8位數(shù)字量)送到三態(tài)鎖存輸出緩沖器,此時(shí)a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果還沒(méi)有現(xiàn)在db0db7八條數(shù)字量輸出線上,單片機(jī)不能獲取之。單片機(jī)要想讀到a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果,必須使adc0809的允許輸出控制端oe為高電平,打開三態(tài)輸出鎖存器,a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果出現(xiàn)在db0db7上。eoc為轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號(hào)。在a/d轉(zhuǎn)換期間,eoc維持低電平,當(dāng)a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),eoc變成高電平。adc0809的start端收到下降沿后,并不立即進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換,eoc=1,而是延遲10us后,才開始a/d轉(zhuǎn)換,eoc變?yōu)榈碗娖?。單片機(jī)讀取a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果的方法有三種：(1)延遲法:單片機(jī)啟動(dòng)adc0809后,延時(shí)130us以上,可以讀到正確的a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果。(2)查詢法:eoc必須接到at89c51的一條i/o線上。單片機(jī)啟動(dòng)adc0809后,延遲10us,檢測(cè)eoc,若eoc=0則a/d轉(zhuǎn)換沒(méi)有結(jié)束,繼續(xù)檢測(cè)eoc直到eoc=1。當(dāng)eoc=1時(shí),a/d轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束,單片機(jī)讀取a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果。(3)中斷法:eoc必須經(jīng)過(guò)非門接到at89c51的中斷請(qǐng)求輸入線int0或int1上,at89c51的中斷觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)。單片機(jī)啟動(dòng)a/d轉(zhuǎn)換后可以做其它工作,當(dāng)a/d轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),eoc由01經(jīng)過(guò)非門傳到int端,at89c51收到中斷請(qǐng)求信號(hào),若at89c51開中斷,則進(jìn)入中斷服務(wù)程序,在中斷服務(wù)程序中單