1、CAN 总线的智能节点的设计【摘要】：现场总线时连接智能现场设备和自动化系统的数字式，双向传输，多分支结构的通讯网络。它是计算机技术、通讯技术和控制技术高度综合与集成的产物，是一种开放式和分布式的新模式.现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一。CAN(控制器局域网)属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。智能控制是控制理论和技术发展的高级阶段，是一个新兴的并正在迅速发展的领域。它主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。本文采用 CAN 现场总线技术，设计开发了一种分布式控制系统。系统中采用了计算机、PHILIPS 公司生产的智能 CAN 控制器
2、 SJA1000 以及 CAN 收发器 82C250 组成 CAN 的通讯网络，具有实时监控、实时处理、实时显示、实时控制的功能，以及用LabWindows/CVI 制作的友好的人机界面，能够完全仿真现场工业总线监控系统。系统硬件由三部分组成，分别是：数字开关量输入输出节点，模拟量采集节点，主机通讯节点。下位机程序采用汇编语言，用 AT89S51 作为微控制器。上位机采用 C 语言编写充分运用 CVI 的 RS232 库函数进行串口通讯。利用上位机可以监视数字开关量输入输出节点，模拟量采集节点两个节点的输入输出情况，同时能够对数字开关量输入输出节点进行输出控制。在通讯方面，本系统定义的 RS2
3、3 串口通讯协议以及 CAN 总线应用层通讯协议，可以进行双向通讯和远程控制。关键词： 现场总线 CAN 分布式控制系统 智能控制 监控系统 1AbstractFieldbus at the scene connected smart devices and automated systems for digital, two-way transmission, multi-branch structure of the communications network. It is computer technology, communications technology and contro
4、l technology and integration of highly integrated product, is an open and distributed the new model. Fieldbus automation technology is the development of one of the hot spots. CAN (CAN) bus belonging to the scene of the areas is an effective support of distributed control and real-time control of th
5、e serial communication network. Intelligent Control is the control theory and technology advanced stages of development, is an emerging and rapidly developing field. It is mainly used to resolve those using traditional methods difficult to solve the complex system of control issues. In this paper, C
6、AN fieldbus technology, design and development of a distributed control system. The use of a computer system, PHILIPS companys intelligent controller SJA1000 CAN CAN transceiver and 82 C250 CAN composition of the communications network, with real-time monitoring, real-time processing, real-time, rea
7、l-time control functions, and use LabWindows / CVI friendly production The man-machine interfaces, simulation can completely control the scene industrial bus systems. System hardware consists of three parts, namely: the number of input and output switching nodes, analog collection points, host commu
8、nication nodes. The crew procedures using assembly language, with AT89S51 as microcontrollers. PC using C language prepared by the full use of the CVIs RS232 serial communication functions. Computer use can monitor the number of input and output switching nodes, the simulation of the two nodes colle
9、ction of input and output nodes, at the same time be able to input and output of digital switching nodes to control output. In communications, the system definition of the RS23 serial communication protocol and the application layer CAN bus communication protocol, can be two-way communication and re
10、mote control. Key words: fieldbus CAN, Distributed Control System, Intelligent Control Monitoring System2目 录绪 论 .4第一章 现场总线 .51. 1 现场总线的概念 .51. 3 现场总线的结构模型 .51. 4 现场总线的特点与优点 .61 .4. 1 现场总线系统的特点 .61 .4. 2 现场总线的优点 .71. 4. 3 本章总结 .7第二章 控制器局域网总线(CAN ) .82. 1 CAN 总线技术特点 .82. 2 CAN 总线技术规范 .82. 2. 1 CAN 总线的
11、电气特性 .92. 2. 2 CAN 总线的分层结构 .102.2.2.1 数据链路层 .102. 2. 3 CAN 总线报文传送及其帧结构 .112. 2. 4 CAN 总线的通信原理 .152. 2. 5 本章总结 .17第三章 CAN 智能测控节点的设计 .183. 1 CAN 智能测控节点总体设计 .183 .2 主控机节点的设计 .183 .3 从机机节点的设计 .203 .4 本章总结 .20第四章 CAN 智能测控节点硬件设计 .214. 1 主机节点硬件设计 .214. 1. 1 微处理器基本系统 .214. 1. 2 CAN 通信接口电路 .224. 1. 3 CAN 通信接
12、口电路设计 .264. 1. 4 RS-232 通信接口电路 .274. 2 数字开关量节点硬件设计 .284. 3 模拟输入采样节点硬件设计 .284. 3. 1 AD0809 的使用 .294. 3. 2 AD0809 应用说明 .304. 4 本章总结 .31第五章 系统通讯协议的定义 .3235. 1 串口通讯协议的定义 .325. 2 CAN 应用层协议的定义 .335. 2. 1 信息标志符分配方案 .335. 2. 2 信息标志符的结构 .335. 2. 3 信息优先权的分配 .355. 3 本章总结 .35第六章 CAN 智能测控节点软件设计 .366. 1 CAN 初始化子程
13、序的设计 .366. 2 CAN 发送接收子程序的设计 .376. 3 主机节点的软件设计 .386. 2. 1 主程序（后台程序）的设计 .386. 4 数字输入节点的软件设计 .386. 5 模拟量输入节点的软件设计 .406. 6 本章总结 .42第七章 上位机程序的设计 .43第八章 系统调试 .448. 1 单元电路调试 .448. 1. 1 串口通讯电路的调试 .448. 1. 2 CAN 通信单元电路调试 .448. 2 上位机控制面板程序的调试 .458. 3 整体调试 .458. 4 本章总结 .46第九章 总结 .479. 1 实现功能 .479. 2 不足之处和改进意见
14、.479. 3 心得体会 .47参考文献 .48附录：主机节点电路图： .494绪 论CAN 是 Controller Area Network 的缩写（以下称为 CAN） ，是 ISO 国际标准化的串行通信协议。在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量” 、 “通过多个 LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的 CAN 通信协议。此后，CAN 通过 I
15、SO11898 及ISO11519 进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。现在，CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。CAN 属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。较之目前许多 RS-485 基于 R 线构建的分布式控制系统而言, 基于 CAN 总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：首先,CAN 控制器工作于多主方式,网络中的各节
16、点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据,且 CAN 协议废除了站地址编码,而代之以对通信数据进行编码,这可使不同的节点同时接收到相同的数据,这些特点使得 CAN 总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强,并且容易构成冗余结构,提高系统的可靠性和系统的灵活性。而利用 RS-485 只能构成主从式结构系统,通信方式也只能以主站轮询的方式进行,系统的实时性、可靠性较差，其次,CAN 总线通过 CAN 控制器接口芯片 82C250 的两个输出端 CANH 和 CANL 与物理总线相连,而 CANH 端的状态只能是高电平或悬浮状态,CANL 端只能是
17、低电平或悬浮状态。这就保证不会出现象在 RS-485 网络中,当系统有错误,出现多节点同时向总线发送数据时,导致总线呈现短路,从而损坏某些节点的现象。而且 CAN 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点的操作不受影响,从而保证不会出现象在网络中,因个别节点出现问题,使得总线处于“死锁”状态。而且,CAN 具有的完善的通信协议可由CAN 控制器芯片及其接口芯片来实现,从而大大降低系统开发难度,缩短了开发周期,这些是只仅仅有电气协议的 RS-485 所无法比拟的另外,与其它现场总线比较而言,CAN 总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现
18、场总线。5第一章 现场总线1. 1 现场总线的概念现场总线是应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，采用双绞线、电缆和光纤等作为通信介质，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。传统的测控自动化系统，采用一对一连线，用电压、电流的模拟信号进行测里控制，或采用自封闭的集散系统
19、，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统称为 “信息孤岛” 。现场总线是一种在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，可以完成现场自动化设备之间的多点通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换.现场总线作为过程自动化、制造自动化、楼宇和交通等领域现场智能设备之间的互连通信网络，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。1. 3 现场总线的结构模型按 ISO ( International Standardization Organization 一国际标准化组织)的 OSI ( Open
20、 SystemI nterconnection 一开放式系统互联)参考模型的规定，计算机网络结构分为 7 层，如图 1 一 1 所示，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。IEC ( International Electrotechnical Commission-国际电工技术委员会)定义现场总线的结构模型为 3 层，分别为物理层、数据链路层和应用层。其原因是:在现场总线实际应用中，不需要选择等功能，传送信息通常也不会提交给高层网络，从实际需要出发，可以减少层次.但是，现有的传输层不支持广播式或多点式寻址，现有的会话层和表示层均不具备周期性服务的功能。为此，美国仪表
21、学会制定的 ISA/SPSO 现场总线结构模型规定，增加新的用户层。这样，现场总线结构模型统一为 4 层，即:物理层、数据链路层、应用层和用户层，如图 1-1 所示.两种网络模型之间的对照关系如图 1-1 所示。6现场总线模型 4 个层次的任务概况如下:1物理层(Physical layer ):规定了铜导线、无线通信和光纤传输速率通常分为低、高速两类，低速 H1 一般不超过 31.25kbps，高速 H2 不超过 I Mbps 或 2.SMbps。2数据链路层(Data link layer):规定了物理层与应用层之间的接口，如数据结构，从总线上传送数据的规则，传输差错识别处理，噪音检测、多
22、主站使用规范等。该层通过每帧数据校验来保证信息的正确性、完整性，为应用层透明与可靠的传输和处理做准备。概括的讲，其主要任务是解决通信过程中数据的链接任务，具体表现在确定总线存取规则、令牌传送、申请立即响应，总线时间调度等规则.3应用层(Application layer):提供设备之间及网络要求的数据服务，以对现场控制进行支持。为给用户提供一个简单的接口，该层大部分工作内容是定义信息语法、传输信息的方法、网络初始化的管理操作;通过出错统计，控制网络运行并检查有无新站挂网或老站退出，系统连续询问各可能的站地址以寻找新站。4用户层(User layer):把数据规格为确定的形式，并用以表达特定的功
23、能或设备，从而能被连接在现场总线网络上的智能端口(设备或仪表)所识别和理解。简言之，用户层的主要任务是对现场总线设备中数据库信息的互相存取制定统一的规则，定义功能块，提供用户对系统进行组态的语言。 现场总线模型中还必须有网络管理部分。其任务是将上述网络通信协议中的 4 个层次有机的结合在一起，协调的工作，使各层准确的完成通信和数据交换所赋予的任务。1. 4 现场总线的特点与优点1 .4. 1 现场总线系统的特点系统的开放性：开放是指对相关标准的一致性和公开性，强调对标准的共识与遵从。7开放系统是指世界上任何遵守相同标准的设备或系统之间都可以互连.通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息
24、交换。互可操作性和互用性:互可操作性是指实现互连的设备间和系统间的信息传送与沟通；互用性则是指不同生产厂家的性能类似的设备可以实现互相替换。现场设备的智能化与自治性:现场总线技术的应用将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。系统结构的高度分散性:现场总线己构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了原有 DCS 系统集中与分散相结合的控制体系，简化了系统结构，提高了可靠性。对现场环境的适应性:工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专门为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光
25、缆、射频、红外线和电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现通信与供电，并可满足本质安全防爆要求等。1 .4. 2 现场总线的优点节省硬件资源与投资:由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感、控制、报替和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等。也不在需要 DCS 系统的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控 PC 机作为操作站，从而节省了硬件投资.并可减少控制室的占地面积。 节省安装费用:现场总线系统的接线十分简单，一对双纹线或一条电缆上通常可挂多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大
26、大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，又减少了设计和安装的工作量。 节省维护开销:由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简单化，连线简单而减少了维护工作量。 1. 4. 3 本章总结本章介绍了现场总线的基本概念，产生发展以及现场总线的结构模型以及其特点，为下文介绍现场总线的一个分支-CANZ 总线作了知识上的准备，CAN 总线作为现场总线的发展的一个分支，具有现场总线所共有的结
27、构模型以及优点，但又有其独特的应用领域。8第二章 控制器局域网总线(CAN )2. 1 CAN 总线技术特点CAN 总线(Control Area Network，控制局域网络)最初是由德国 Bosch 公司为汽车内部的监控系统而设计的，具有物理层，数据链路层和应用层三层协议。CAN 总线专用接口芯片中以固件形式集成了 CAN 协议的物理层和数据链路层功能:可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等多项工作。CAN 总线播的形式进行通信。由于采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，具有突出的可靠性、实时性和灵活性，其应用范围目前己不再局限于汽车行
28、业。CAN 现已经形成国际标准，并已被公认为最有前途的现场总线之一。CAN 具有如一下主要特性：1. CAN 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息利用这一特点可方便地构成多机备份系统。2. CAN 网络上的节点信息可分为不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在 134s 内得到传输。3. CAN 采用无破坏性的基于优先权的总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负
29、载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。4. CAN 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传输数据，无需专门“调度” 。5. CAN 的直接通信距离最远可达 l 0km(速率 5kbps 以下)，通信速率最高可达 1 Mbps(通信距离最长为 40m )。 6. CAN 上的节点数主要取决于总线驱动电路，可达 110 个;报文标识符口可达 2032 种(CAN2.OA)，而扩展标准(CAN2. 0B)的报文标识符几乎不受限制。7. CAN 采用短帧结构，传输时问短，受干扰的概率低，具有极好的检错结果。8. CAN 的每帧信息都有 CRC 校验及其它检错措施，保证了数据出
30、错率极低9. CAN 的通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。10.CAN 节点在错误严重的情况时，具有自动关闭功能，以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，抗干扰能力强，可靠性高。2. 2 CAN 总线技术规范由于 CAN 总线在不同领域内的应用和推广，故要求对其通信格式标准化。为此，91991 年 9 月 Philips Semiconductors 制定并发布了 CAN 技术规范 ( Version2. 0。该技术规范包括 A 和 B 两部分，2. OA 给出了 CAN 报文标准格式，2. 0B 给出了标准的和扩展的两种格式。1993 年 11 月 ISO
31、 正式颁布了道路交通运输工具一数据信息交换一高速通信控制器局域网(CAN)国际标准 ISOI 1898。2. 2. 1 CAN 总线的电气特性CAN 总线的通信线路由两根导线组成，分别为 CAN-H 和 CAN-L，这两根导线也就是CAN 网络中的总线。网络中所有的节点都挂接在该总线上，并且都通过这两根导线交换数据。总线上某一时刻显现的数值山两根导线上电压 和 的差值表示。该差分CANLVCANH电压 可表示“显性”和“隐性”两种互补的逻辑数值。如图 1.2 所示。在“隐性”difV状态下，差分电压 近似为 Do“显性”状态 则大于一个最小阂值。在 CAN 总dif dif线标准通信协议中规定
32、“显性”表示逻辑“0“，而“隐性”则表示逻辑“1“ “0“ 当在总线上存在“显性”位和“隐性”位同时发送时，节点发送驱动电路的设计使得总线数值表现为“显性” 。在总线空闲位期间，总线表现“隐性”状态(即逻辑 1) o“显性”状态改写“隐性”状态启动发送并进行各节点之间的同步。CAN 总线上的数据按位串行传输，其传输速率可高达 1Mbps，在速率为 5Kbps 时传输距离可为达 l0km，在速率为 1 Mbps 时的传输距离为 40m。当然，挂接在同一条总线上的所有节点都必须采用相同的传输速率。CAN 总线系统内的两个任意节点之间的最大传输距离与位速率有关。两节点间的最大距离如表 1 一 1 所示。
