基于CAN總線的工業(yè)測控系統(tǒng)的應用研究s

1、 畢業(yè)設計（論文）題目：基于can總線通訊智能結(jié)點的設計與實現(xiàn)英文題目：the design and implementation of intelligentnodes in conjuction based on the can bus學生姓名： 班 級： 指導教師： 專 業(yè)：自動化 二零零六年六月畢業(yè)設計 摘要摘要 現(xiàn)場總線是連接現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構的通信網(wǎng)絡。它是計算機技術、通信技術和控制技術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域技術發(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

2、時控制的串行通信網(wǎng)絡。can總線通訊智能節(jié)點的設計，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，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)。該設計體現(xiàn)了can總線高性能、高可靠性的特點。

3、關鍵詞現(xiàn)場總線； can； sja1000 can 控制器； 82c250收發(fā)器； 89c51單片機； 設計畢業(yè)設計 abstractabstractfield bus is a digital, bi-directional and multi-branch communication network that connects field equipments and automatic system. as a product integrating technology of computer, communication and control, the field bus feat

4、ured with opening and distribution has been one of the key technologies in modern automatism field.as one of the field buses, can (controller area network) is a serial communication network that supports distributed and real time control effectively. the design and implementation of intelligent node

5、s in conjuction based on the can bus, is distributes in the field bus system in a scene sub- system, can realize the data acquisition and the closed-loop control, the maximum transmission speed may reach 1mb/s, the maximum transmitting range is 10km. the pitch point core component is the can control

6、ler which philips corporation produces (sja1000) and the can driver (pca82c250) as well as the micro controller (the 89c51 monolithic integrated circuit). sja1000 is the integrated independent can controller (is completely compatible with philips early can controller pca82c200), it responsibly compl

7、etes the can main line correspondence agreement the physical level and the data link layer function. can the reliable movement and completes the request the duty, the control information carries on processing in the scene, but management level then realizes in on position machine. has manifested the

8、 can main line high performance, the redundant reliable characteristic.keywordsfield bus； can； distributed measurement control system； sja1000 can controller； 82c250 transceiver； mcu 89c51； design畢業(yè)設計 目錄目錄摘要關鍵詞緒論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31.2.1 hart現(xiàn)場總線31.2.2

9、 lonworks現(xiàn)場總線41.2.3 profibus現(xiàn)場總線41.2.4 can現(xiàn)場總線51.3 現(xiàn)場總線的結(jié)構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)82.2 can的性能特點82.3 can節(jié)點的分層結(jié)構92.4 can通信技術102.4.1 can通信參考模型112.4.2 can的報文傳送與通信幀結(jié)構11第3章 can通信控制器133.1 can控制器sja1000結(jié)構及主要特點133.1.1 sja1000的主要新功能133.2 sja1000的功能框圖與引腳說明143.2.1 sja1000寄存器功能143.2.2

10、 sjai000在peiican模式下的驗收濾波及總線時序寄存器的具體用法173.3 sja1000的初始化183.3.1 sja1000的初始化流程183.3.2 sja1000的初始化子程序203.4 sja1000與pca82c200的性能比較223.5 sja1000有兩種不同工作模式22第4章 can收發(fā)器82c250234.1 82c250的主要特性及硬件圖234.2 82c250功能描述24第5章 微處理器89c51255.1 89c51的功能和特點255.2 89c51的存儲器結(jié)構26第6章 can總線通訊智能節(jié)點的設計276.1 采用can總線系統(tǒng)276.2 can總線通訊智

11、能結(jié)點的系統(tǒng)構成286.3 can總線通訊智能結(jié)點電路的設計286.3.1 can智能節(jié)點通訊模塊296.3.2 信息采集和反饋模塊306.4 can報文的發(fā)送316.4.1 查詢控制的發(fā)送316.4.2 中斷控制的發(fā)送316.4.3 中止發(fā)送326.5 can報文的接收346.5.1查詢控制的接收346.5.2 中斷控制的接收356.6 智能節(jié)點軟件設計366.6.1 發(fā)送子程序376.6.2 查詢方式接收子程序39第七章 設計結(jié)論41致謝41參考文獻42附錄1 43畢業(yè)設計 緒論緒論現(xiàn)場總線是一種數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構的通信網(wǎng)絡。它是計算機技術、通信技術和控制技術高度綜合與集成的產(chǎn)物

12、，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域技術發(fā)展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網(wǎng)。它越來越廣泛的應用于上業(yè)控制、智能建筑和交通等諸多領域1。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。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，系統(tǒng)中采用了sja1000

13、can 控制器，82c250收發(fā)器，89c51單片機等芯片，設計開發(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，可以應用在不同的場合，實現(xiàn)智能控制2。現(xiàn)場總線技術自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，導致了自動控制領域的一場革命。 目前，現(xiàn)場控制層所采用的控制網(wǎng)絡種類繁多，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，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

14、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)絡相比，現(xiàn)場總線具有開放性、互操作性、系統(tǒng)結(jié)構的高度分散性、靈活的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構、現(xiàn)場設備的高度智能化、對環(huán)境的高度適應性等諸多突出特點。 現(xiàn)場總線技術就是在這種情況下應運而生，它的出現(xiàn)引起了工業(yè)控制領域的巨大變革。其具有的突出的優(yōu)點將成為工業(yè)測控領域的發(fā)展趨勢3。 現(xiàn)場總線技術產(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的發(fā)展對自動化系統(tǒng)提出了新的要求，促進了該領域的網(wǎng)絡化、信息化進程;另一方面也是由于它本身所蘊涵的技術經(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

15、究開發(fā)該項技術，出現(xiàn)了現(xiàn)場總線技術與產(chǎn)品百花齊放、興盛發(fā)展的態(tài)勢。例如丹麥process data公司1983年推出的p net、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。目前國際上有40多種現(xiàn)場總線，但影響較大的主要有ff(foundation fieldbus), profibus(process fieldbus),can ( controller area network), lonworks(local operation network)、hart(highwayaddressab

16、le remote transducer)等。從總體上來說，現(xiàn)場總線是應用在生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機化測量控制設備之間實現(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)絡其先驅(qū)可謂是honeywell公司在1983年推出的數(shù)字信號4-20 ma輸出的差分信號驅(qū)動器，它在輸出的4 -20 ma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

17、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。 現(xiàn)場總線技術的發(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期，現(xiàn)場總線技術在我國的發(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。19

18、98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技術的迅速發(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)構的最新技術，同時也是在中國第一次運用ff技術。它將智能化現(xiàn)場設備、規(guī)?？勺兊钠脚_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

19、試，它包括一套deltav規(guī)?？勺兊倪^程控制系統(tǒng)、ams設備管理系統(tǒng)以及100余套基于ff技術的壓力溫度變送器。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)品和新技術之外，還有兩項重要的工作。一項是技術應用，目前所取得的成果大多是技術上的，將技術轉(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)過多年推廣應用，技術上已經(jīng)非常成熟，fcs是一種新技術，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。1畢業(yè)設計 現(xiàn)場總線簡介第1章 現(xiàn)場總線簡介1.

20、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，又是一種全分布控制系統(tǒng)。它作為智能設備的聯(lián)系紐帶，把掛連接在總線上、作為網(wǎng)絡節(jié)點的智能設備連接為網(wǎng)絡系統(tǒng)，并進一步構成自動化系統(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。可靠性要求現(xiàn)場總線解決環(huán)境適應性問題，包括電磁環(huán)境適應性（傳輸時不要干擾別人也不要被別人干擾）、氣候環(huán)境適應性（要耐溫、防水、防塵）、機械環(huán)境適應性（要耐沖擊、耐振動）。 1.1.2

21、現(xiàn)場總線的要求 現(xiàn)場總線不僅要求傳輸速度快，在過程控制領域還要求響應快，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啵ǔＳ貌ㄌ芈蕘砗饬?。這條要求與普通計算機通信是一致的。 （2）響應時間短：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)場總線技術走向成熟并且得到逐步的推廣應用，顯示出特有

22、的優(yōu)勢和強大的生命力 3 。1.2.1 hart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、應用層。物理層采用基于be11202通信標準的fsk技術,所以可以通過租用電話線進行通信。（2）hart協(xié)議使用fsk技術在42ma過程測量模擬信號上疊加一個頻率信號。邏輯1為1200h

23、z,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）在應用層規(guī)定了3類使命,第一類是通用命令,這是所有設備都能理解、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)場設備中實現(xiàn);第三類為特殊設備命令,以便在某些設備中實現(xiàn)特殊功能,這類命令可以允許開發(fā)此類設備的公司所獨有。此外它還為用戶提供統(tǒng)一的設備描述語言ddl。（4）hart支持點對點、

24、主從應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備3000m,而多臺設備互相距離1500m。只使用一個電源時,能連結(jié)15個智能化設備。1.2.2 lonworks現(xiàn)場總線lonworks是局部操作網(wǎng)絡,lon是localoperationnetwork的簡稱。1991年美國echeron公司推出該產(chǎn)品。其應用范圍幾乎包括了測控應用的所有范疇,特別是航空/航天、樓宇自動化、能源管理、變電站測控設備的監(jiān)控、工廠自動化、工業(yè)過程控制、計算機外圍設備、電子測量設備等。lonworks在我國電力系統(tǒng)中的應用也已相當廣泛，如四方公司的csc2000變電站綜合自動化系統(tǒng)即采用lonwork

25、s總線。在長沙電業(yè)局范圍內(nèi)有新開鋪、桂花、五一特、井灣子、安沙、鎮(zhèn)頭等6個110kv變電站應用了該系統(tǒng)。（1）lonworks的通信協(xié)議lontalk協(xié)議遵循iso/osi參考模型,提供了osi所定義的全部7層服務。這是在現(xiàn)場總線中唯一提供全部服務的現(xiàn)場總線。（2）lonworks的核心是neuron(神經(jīng)元)芯片,內(nèi)含3個8位的cpu:第一個cpu為介質(zhì)訪問控制處理器,實現(xiàn)lontalk協(xié)議的第一層和第二層;第二個cpu為網(wǎng)絡處理器,實現(xiàn)lontalk協(xié)議的第三層至第六層;第三個cpu為應用處理器,實現(xiàn)lontalk協(xié)議的第七層,執(zhí)行用戶編寫的代碼及用戶代碼所調(diào)用的操作系統(tǒng)服務。lon-wo

26、rks的神經(jīng)元芯片已由motorola和東芝公司生產(chǎn)。（3）提供一套開發(fā)工具平臺lonbuilder和nodebuilder。有了這一套工具,用戶就可以利用神經(jīng)元芯片、lontalk通信協(xié)議和lonworks收發(fā)器很方便也很靈活地開發(fā)出自己所需要的系統(tǒng)和產(chǎn)品。（4）lonworks的直接通信距離為2700m/78kbps、130m/1.25mbps;節(jié)點數(shù)32000個;傳輸介質(zhì)為雙絞線、同軸電纜、光纖、電纜線等。1.2.3 profibus現(xiàn)場總線profibus是processfieldbus(過程現(xiàn)場總線)的簡稱。1987年德國聯(lián)邦科技部集中了13家公司和5個研究所按iso/osi參考模型

27、制訂現(xiàn)場總線的德國標準。于1991年4月在din19245中發(fā)表,并正式成為德國現(xiàn)場總線標準,而后又列入了歐洲標準en50170。profibus得到了廣泛的支持,僅在德國1996年10月至1997年1月就安裝了47000個系統(tǒng),已廣泛應用在加工工業(yè)、過程自動化、智能大樓、變電站自動化系統(tǒng)等領域。profibus在電力系統(tǒng)已獲得廣泛應用,如siemens公司的sicam、lsa變電站自動化系統(tǒng)即采用了profibus，長沙電業(yè)局范圍內(nèi)東塘110kv變電站即應用了lsa綜合自動化系統(tǒng)。上海楊樹浦電廠及五強溪水電站大壩溢洪閘門集中控制也采用了profibus。（1）profibus根據(jù)iso/os

28、i參照模型省略了3至6層,增加了用戶層。第一層定義了物理的傳輸特性;第二層定義了存取協(xié)議;第七層定義了應用功能。profibus在用戶層引入了功能模塊(fb)、對象字典(od)和設備描述語言(ddl),允許用戶對設備進行完全的內(nèi)部操作,從而可以實現(xiàn)設備的互操作性5。1.2.4 can現(xiàn)場總線can是controllerareanetwork(控制器局域網(wǎng)絡)的縮寫。在第二章，將對can現(xiàn)場總線做一個詳細的介紹。1.3 現(xiàn)場總線的結(jié)構 大部分現(xiàn)場總線的結(jié)構是線狀的，雖然現(xiàn)場總線的拓撲結(jié)構（如圖1-1）可以是總線型、星型（如圖1-2）、環(huán)行、回路型等；但在大多數(shù)現(xiàn)場總線中，從一點到另圖1-1 現(xiàn)場

29、總線的網(wǎng)絡結(jié)構外 一點的通信路徑是比較固定的。線狀結(jié)構的優(yōu)點是：解決網(wǎng)絡供電比較容易；解決本安防爆比較容易；使通信協(xié)議中可以舍去與路徑有關的幾層，有利于改善實時性。圖1-2 現(xiàn)場總線的星型結(jié)構1.4 現(xiàn)場總線的優(yōu)點（1）一對n結(jié)構：一對傳輸線，n臺儀表，雙向傳輸多個信號，這使得接線簡單，工程周期短，安裝費用低接線容易，如果增加現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表，只需并行掛接到電纜上，無需架設新的電纜。（2）可靠性高：數(shù)字信號傳輸抗干擾能力強，精度高，無需采用抗干擾和提高精度的措施，從而減少了成本。（3）可控狀態(tài)：操作員在控制室即可了解現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表的工作狀況，也能對其進行調(diào)整，還可預測或?qū)ふ夜收?，始終處于

30、操作員的遠程監(jiān)控和可控狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的可靠性、可控性和可維護性。（4）互換性：用戶可以自由選擇不同制造商所提供的性能價格比最優(yōu)的現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表，并將不同品牌的儀表互連。即使某臺儀表故障，換上其他品牌的同類儀表照常工作，實現(xiàn)“即接即用”。（5）互操作性：用戶把不同制造商的各種品牌的儀表集成在一起，進行統(tǒng)一組態(tài)，構成他所需的控制回路，用戶不必絞盡腦汁，為集成不同品牌的產(chǎn)品而在硬件或軟件上花費力氣或增加額外的投資。（6）綜合功能：現(xiàn)場儀表既有檢測、變換和補償功能，又有控制和運算功能。實現(xiàn)一表多用，不僅方便了用戶，也節(jié)省了成本。（7）分散控制：控制站功能分散在現(xiàn)場儀表中，通過現(xiàn)場儀表就可以構成控

31、制回路，實現(xiàn)了徹底的分散控制，提高了系統(tǒng)的可靠性、自治性和靈活性。（8）統(tǒng)一組態(tài)： 由于現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表都引入了功能塊的概念，所有廠商都使用相同的功能塊，并統(tǒng)一組態(tài)方法。這樣就使得組態(tài)非常簡單，用戶不需要因為現(xiàn)場設備或儀表種類不同帶來組態(tài)方法的不同，而進行培訓或?qū)W習組態(tài)方法及編程語言。（9）開放式系統(tǒng)： 現(xiàn)場總線為開放式互連網(wǎng)絡，所有技術和標準都是公開的，所有制造商都必須遵循。這樣用戶可以自由集成不同制造商的通信網(wǎng)絡，既可與同層網(wǎng)絡互連又可與不同層網(wǎng)絡互連；另外，用戶可極其方便地共享數(shù)據(jù)庫。 對于工業(yè)領域，采用現(xiàn)場總線的最大優(yōu)點是可大大節(jié)約連接導線、維護和安裝費用。同時現(xiàn)場總線能夠傳送多個過

32、程變量。傳統(tǒng)的4ma-20ma控制回路一般只能攜帶一個信號，通常為過程變量。而采用現(xiàn)場總線后，在傳輸變量過程的同時，儀表的標識符和簡單的診斷信息也可一并傳送。數(shù)字信號的精確性是現(xiàn)場總線的又一個優(yōu)點，數(shù)字信號比4ma-20ma模擬信號分辨率高，因此，可排除過去在模/數(shù)轉(zhuǎn)換中所產(chǎn)生的誤差。遠程維護在采用數(shù)字通信和現(xiàn)場智能儀表后也將成為可能。由于現(xiàn)場總線是雙向的，因此能夠從中心控制室對現(xiàn)場智能儀表進行標定、調(diào)整及運行診斷，甚至能夠在故障發(fā)生前進行預測，一個更為重要的方面是儀表的兼容性可以使用戶大大受益6。1.5 現(xiàn)場總線的特點與其他幾種總線相比，can總線有以下特點7：（1）can是到目前為止唯一有

33、國際標準的現(xiàn)場總線。（2）can為多主方式工作，網(wǎng)絡上任一節(jié)點均可在任意時刻主動的向網(wǎng)絡上其它節(jié)點發(fā)送信息，不分主從。（3）在報文標識符上，can上的節(jié)點分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求，優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)最多可在134µs內(nèi)得到傳輸。（4）can節(jié)點只需通過對報文的標識符濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)。（5）報文采用短幀結(jié)構，傳輸時間短，受干擾率低，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低。（6）can的每幀信息都有crc校驗及其他檢錯措施，具有極好的檢錯效果。（7）can節(jié)點在嚴重錯誤的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。(8)can采用非

34、破壞總線仲裁技術.當多個節(jié)點向總線發(fā)送信息出現(xiàn)沖突時,優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動退出發(fā)送,而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響的繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù),從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間.尤其是在網(wǎng)絡負載很重的情況下,也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡癱瘓的情況。(9)在分級控制系統(tǒng)中，采用現(xiàn)場總線的系統(tǒng)雖然可能具備足夠的智能（數(shù)字計算能力），但只執(zhí)行簡單的節(jié)點順序或一種控制方式等較低級功能；（10）現(xiàn)場總線經(jīng)常只負責發(fā)送或接收較小的數(shù)據(jù)報文，并且以這種數(shù)據(jù)報文作為與較高一級的控制系統(tǒng)實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)往返傳送的有效手段；（11）采用現(xiàn)場總線的系統(tǒng)通常費用較低，可以用低廉的造價組成一個系統(tǒng)，而且與上層網(wǎng)絡連接的費用也不高。6畢業(yè)設計 can 總

35、線簡介第2章 can總線簡介2.1 控制器局部網(wǎng)(can)控制器局部網(wǎng)(controller area network-can)屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡。can現(xiàn)場總線最初是由德國的bosch公司為汽車的監(jiān)測控制系統(tǒng)而設計的。由于can現(xiàn)場總線有卓越的特性和極高的可靠性，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設備的互連，因此越來越受到工業(yè)界的重視，并被公認為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一，成為一種國際標準(iso 11898)can現(xiàn)場總線是一個多主總線，各節(jié)點都有權向其它節(jié)點發(fā)送信息。通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，其主要特點有: （1）通信速率為skbpsll

36、okm. 1 mbps/40m，節(jié)點數(shù)110個，每個節(jié)點均可主動傳輸，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。 （2）采用點對點、全局廣播發(fā)送接收數(shù)據(jù)。 （3）可實現(xiàn)全分布式多機系統(tǒng)，且無主從之分，每點均可主動發(fā)送報文，可方便地構成多機備份系統(tǒng)。 （4）采用非破壞性總線優(yōu)先級仲裁技術，當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)上發(fā)送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止發(fā)送數(shù)據(jù)。 （5）支持四種報文幀:數(shù)據(jù)幀、遠程幀、出錯幀、超載幀。采用短幀結(jié)構，傳送時間短、受干擾概率低。 （6）采用crc校驗及其他校驗措施，保證了極低的信息出錯率。 （7）具有自動關閉功能，當接點錯誤嚴重時，自動切斷與總線的聯(lián)系，以不影響總線的工作。2.2

37、can的性能特點 can c controller area network)即控制器局域網(wǎng)絡。由于其高性能、高可靠性及獨特的設計，can越來越受到人們的重視。國外已有許多大公司的產(chǎn)品采用了這一技術。can最初是由德國的bosch公司為汽車監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設計的。 由于can總線本身的特點，其應用范圍目前己不再局限于汽車行業(yè)，而向過程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織機械、農(nóng)用機械、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療機誡、傳感器等領域發(fā)展。can己經(jīng)形成國際標準，并己被公認為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。can屬于總線式串行通信網(wǎng)絡，由于其采用許多新技術及獨特的設計，與一般的通信總線相比，can總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可

38、靠性與靈活性，其特點可以概括如下: （1）can為多主方式工作，網(wǎng)絡上任一節(jié)點均可在任一時刻主動地向網(wǎng)絡上其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活，且無需站地址等節(jié)點信碑息。利用這一點可以方便的構成多機備份系統(tǒng);（2）can網(wǎng)絡上的節(jié)點信息可分成不同的優(yōu)先級，以滿足不同的實時要求；（3）can采用非破壞性總線仲裁技術，當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動退出發(fā)送，而優(yōu)先級最高的節(jié)點可以不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間，尤其是在網(wǎng)絡負載很重的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡癱瘓的情況(以太網(wǎng)則可能)； （4）can只需要報文濾波就可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等

39、幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門的調(diào)度； （5）can的直接通信距離最遠可達 lokm(速率在s沖，以下)，通信速率最高可達1 mbps(此時通信距離最多為40m )； （6）can上的節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路，目前可達110個，報文標識符可達2032種(can2.oa )，而擴展標準(can2.ob)的報文標識符幾乎不受限制； （7）采用短幀結(jié)構，傳輸時間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯效果； （8）can的每幀信息都有crc校驗及其他檢錯措施，數(shù)據(jù)出錯率極低； （9）can的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活；（10）can節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，使得總線上

40、的其他節(jié)點操作不受影響。2.3 can節(jié)點的分層結(jié)構為使設計透明和執(zhí)行靈活，遵循iso/osi標準模型，can分為數(shù)據(jù)鏈路層(包括邏輯鏈路控制子層llc和媒體訪問控制子層mac)和物理層（如圖2-1），而在can技術規(guī)范2.0a的版本中，數(shù)據(jù)鏈路層的llc和mac子層的服務和功能被描述為“目標層”和“傳送層”。llc子層的主要功能有:為數(shù)據(jù)傳送和遠程數(shù)據(jù)請求提供服務，確認由llc子層接收的報文實際已被接收，并為恢復管理和通知超載提供信息。在定義目標處理時，存在很多靈活性。mac子層的功能主要是傳送 圖2-1 can總線的分層結(jié)構規(guī)則，亦即控制幀結(jié)構、執(zhí)行仲裁、錯誤檢測、出錯標定和故障界定。ma

41、c子層也要確定，為開始新一次的發(fā)送，總線是否開放或者是否馬上開始接收。位定時特性也是mac子層的一部分。mac子層特性不存在修改的靈活性。物理層的功能是關于數(shù)據(jù)在不同節(jié)點之間實際傳送的全部電氣特性。顯然，在一個網(wǎng)絡里，所有節(jié)點物理層必須是相同的。但是在物理層選擇上也存在很大的靈活性。 can技術規(guī)范2.0b定義了數(shù)據(jù)鏈路層的mac子層和llc子層的一部分，并描述與can有關的外層，物理層定義信號怎樣進行發(fā)送（如圖2-2），因而，涉及位定時、位編碼和同步的描述。在這部分技術規(guī)范中，為定義物理層中的驅(qū)動/接收器特性，以便允許根據(jù)具體應用，對發(fā)送媒體和信號電平進行優(yōu)化。mac子層是can協(xié)議的核心，

42、它描述由llc子層接收到的報文和對llc子層發(fā)送的認可報文。mac子層可響應報文幀、仲裁、應答、錯誤檢測和標定，mac子層由稱為故障界定的一個管理實體監(jiān)控，它具有識別永久故障或短暫擾動的自檢機制。llc子層的主要功能是報文濾波、超載通知和恢復管理。圖2-2 can總線分層傳輸控制示意圖2.4 can通信技術 隨著can在各種領域的應用和推廣，對其通信協(xié)議的標準化也提出了要求。1991年9月飛利浦半導體公司制訂并發(fā)布了can技術規(guī)范;該技術規(guī)范包括a和b兩部分，2.0a給出了can報文標準格式，而2.0b給出了標準的和擴展的兩種格式，2.0b完全兼容2.0a。此后，can成為國際標準iso i

43、1898。這一標準的頒布，為控制器局域網(wǎng)的標準化、規(guī)范化推廣鋪平了道路。2.4.1 can通信參考模型 參照iso/osi標準模型，can分為數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。can的通信參考模型如表2.1所示 圖中邏輯鏈路控制子層llc的主要功能是:為數(shù)據(jù)傳送和遠程數(shù)據(jù)請求提供服務，確認由llc子層接收的報文實際己被接收，并為恢復管理和通知超載提供信息。mac子層主要規(guī)定傳輸規(guī)則，即控制幀結(jié)構、執(zhí)行仲裁、錯誤檢測、出錯標定和故障界定。mac子層要為開始一次新的發(fā)送確定總線是否開放或者是否馬上開始接收。mac子層特性不存在修改的靈活性。表2.1 can的通信參考模型物理層規(guī)定了節(jié)點的全部電氣特性。在一個網(wǎng)絡

44、內(nèi)，要實現(xiàn)不同節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸，所有節(jié)點的物理層必須是相同的。2.4.2 can的報文傳送與通信幀結(jié)構 在數(shù)據(jù)傳輸中，發(fā)出報文的節(jié)點稱為該報文的發(fā)送器，節(jié)點在報文進入空閑狀態(tài)前或丟失仲裁前恒為發(fā)送器。如果一個節(jié)點不是報文發(fā)送器，并且總線不處于空閑狀態(tài)，則該節(jié)點為接收器。can協(xié)議中使用兩種邏輯位表達方式，當總線上的can控制器發(fā)送的都是隱性位時，此時總線狀態(tài)是隱性位(邏輯1)，如果總線上有顯性位出現(xiàn)，隱性位總是讓位于強位，即總線上是顯性位(邏輯0)。報文傳輸有4個不同類型的幀:數(shù)據(jù)幀，遠程幀，錯誤幀，過載幀。數(shù)據(jù)幀和遠程幀可以使用標準幀及擴展幀2種格式。這里主要介紹一下數(shù)據(jù)幀。 數(shù)據(jù)幀從發(fā)送節(jié)

45、點傳送數(shù)據(jù)到一個或多個接收節(jié)點。它由七種不同的位域組成:幀的起始域，仲裁域，控制域，數(shù)據(jù)域(長度可為0)crc域，應答域，幀的結(jié)束域。can2.oa數(shù)據(jù)幀的組成如圖2-3所示:圖2-3 can數(shù)據(jù)幀的組成在can2.ob中存在兩種不同的幀格式，其主要區(qū)別在于標識符的長度，具有11位標識符的幀稱為標準幀，而包括29位標識符的幀稱為擴展幀。can2.ob的報文濾波以整個標識符為基準。標準格式和擴展格式的數(shù)據(jù)幀結(jié)構如圖2-4所示。圖2-4 標準格式和擴展格式的數(shù)據(jù)幀結(jié)構數(shù)據(jù)幀的主要結(jié)構有: （1）幀起始:標注數(shù)據(jù)幀的起始，它由單個“顯性”位構成，在總線空閑時發(fā)送，在總線上會產(chǎn)生同步作用。 （2）仲裁

46、場:標準格式幀與擴展格式幀的仲裁域格式不同。對于can2.oa標準，標識符的長度為11位，這些位以從高位到低位順序傳送。 對于can2.ob，在標準格式里，由11位標識符(1d28/id18)和遠程發(fā)送請求位(rtr)組成，rtr位為顯性位表示數(shù)據(jù)幀，隱性位表示遠程幀。標識符由高至低次序發(fā)送，且前7位(id28/1d22)不能全為隱性位。在標準幀里，標識符其后是rtr位。 在擴展格式里，仲裁域包括29位標識符、srr位、ide位、rtr位。其標識符由id28id10組成。在擴展幀里，基本id首先發(fā)送，隨后是ide位和srr位，擴展id的發(fā)送位于srr位之后。 標識符用于提供關于傳送報文和總線訪

47、問的優(yōu)先權信息，其數(shù)值越小，表示優(yōu)先權越高，發(fā)生沖突時優(yōu)先發(fā)送。srr位是一隱性位，它是在擴展幀中標準幀的rtr位的位置被發(fā)送，因而替代標準幀的rtr位。當標準幀與擴展幀發(fā)生沖突，而擴展幀的基本id同標準幀的標識符一樣時，標準幀優(yōu)先于擴展幀。 （3）控制場:標準格式的控制域結(jié)構和擴展格式的不同，在標準幀里有s位構成，前2位為保留位，為顯性，后4位為數(shù)據(jù)長度碼(dlc)，表示數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，必須在0-8范圍內(nèi)變化。 （4）數(shù)據(jù)場:由被發(fā)送數(shù)據(jù)組成，數(shù)目為控制場中決定的。8個字節(jié)，首先發(fā)送最高有有效位msb。 （5） crc場:包括crc(循環(huán)冗余碼校驗)序列(15位)和crc界定符(1個隱

48、性位)，用于幀校驗。（6）ack場:由應答間隙和應答界定符組成，共兩位。（7）幀結(jié)束:有7位隱性位組成，此期間無位填充。44畢業(yè)設計 can通信控制器 第3章 can通信控制器 can通信控制器是can總線接口電路的核心，主要完成can的通信協(xié)議，由實現(xiàn)can總線協(xié)議部分和跟微處理器接口部分電路構成。 目前廣泛流行的can總線器件有兩大類: 1)獨立can控制器，如82c200, sja1000及inte182526/82527等。 2)嵌入式can控制器，如p8xc592、87c 196ca/cb及p51 xa-c3、dsp等。這里主要以sjai000對can控制器的結(jié)構功能及應用加以介紹。

49、3.1 can控制器sja1000結(jié)構及主要特點sja1000主控制器接口管理邏輯發(fā)送緩沖區(qū)can核心模塊can2.0b驗收過濾器接收fifo收發(fā)器圖3-1 can控制器sja1000的模塊結(jié)構sja1000是一種獨立can控制器(其功能模塊如圖3-1),是philips公司的pca82c200 can控制器的替代產(chǎn)品，sja 1000具有basiccan和peiican兩種工作方式。basiccan可完成基本的can模式，執(zhí)行can2.oa協(xié)議，peiican可完成增強的can模式，執(zhí)行can2.ob協(xié)議。在這兩種模式中sja 1000寄存器從數(shù)量、地址分配到功能方面都有所區(qū)別。3.1.1

50、sja1000的主要新功能sja1000增加了很多新的功能。主要新功能如下:（1）標準結(jié)構和擴展結(jié)構報文的接收和發(fā)送（2）64字節(jié)的接收fifo（3）標準和擴展幀格式都具有單/雙接收濾波器(含接收屏蔽和接收碼寄存器)（4）可進行讀/寫訪問的錯誤計數(shù)器（5）可編程的錯誤報警限制（6）最近一次的錯誤代碼寄存器（7）每一個can總線錯誤都可以產(chǎn)生錯誤中斷（8）具有丟失仲裁定位功能的丟失仲裁中斷（9）單發(fā)方式(當發(fā)生錯誤或丟失仲裁時不重發(fā))（10）只聽方式(監(jiān)聽can總線，無應答，無錯誤標志)（11）自檢測模式(自發(fā)送，自接收)3.2 sja1000的功能框圖與引腳說明圖3-2中ad7 - ad0為多

51、路地址/數(shù)據(jù)總線，ale, rd, wr, cs為地址鎖存、讀、寫、片選信號，int為中斷輸出，rst為復位輸入，mode選擇intel方式(接vdd)或motorola方式(vss). xtal1. xtal2為振蕩器輸入輸出，rxo, rx1,為can總線至sja i 000的輸出端，txo, txl、為sja1000至can總線的輸出端。圖3-2 sja 1000的內(nèi)部結(jié)構及引腳圖can控制器對外部微控制器(cpu)來講，是一個存儲器映象的i/o設備，sja 1000的內(nèi)部存儲器可以分為3個部分，分別為控制寄存器組、發(fā)送緩沖區(qū)和接收fifo，同時支持basiccan和peiican兩種模

52、式，這兩種模式下，各個寄存器的地址分布是不同的，并且有些寄存器只在peiican方式下有效。can寄存器分三部分:控制段、發(fā)送緩沖區(qū)、接收緩沖區(qū)，其中控制段由cpu填入發(fā)送緩沖區(qū)并啟動發(fā)送，而接收到的數(shù)據(jù)被放在接收緩沖區(qū)中。發(fā)送緩沖區(qū)有兩個，對于cpu而言兩者的地址是相同的，當cpu讀取一個緩沖區(qū)時，另一個可同時在接收數(shù)據(jù)，兩者交替工作。3.2.1 sja1000寄存器功能（1）控制寄存器(cr):控制寄存器(can地址0)的內(nèi)容用于改變sja1000的狀態(tài)，控制寄存器可被微控制器置位或復位，其將控制寄存器作為讀/寫寄存器。控制寄存器各位的功能如下表所示:表3-1 控制寄存器各位的功能（2）命

53、令寄存器(cmr ):命令寄存器(can地址1)對于sja1000作為讀/寫存儲器出現(xiàn)，若對地址進行讀寫訪問，返回字節(jié)11111111b。命令寄存器各位的功能如下表所示:表3-1 命令寄存器各位的功能（3）狀態(tài)寄存器(sr):狀態(tài)寄存器(can地址2)對于微控制器作為只讀存儲器出現(xiàn)，其內(nèi)容影響總線控制器的狀態(tài)。狀態(tài)寄存器各位的功能如下表所示:表3-3 狀態(tài)寄存器各位的功能（4）中斷寄存器(ir ):中斷寄存器(can地址3)允許識別中斷源.當寄存器的一個或更多位被置位，int引腳被激活。在該寄存器被微控制器讀出后，所有位被sja1000復位。該寄存器對于微控制器作為只讀寄存器出現(xiàn)。中斷狀態(tài)寄存

54、器各位功能如下表所示:表3-4 中斷狀態(tài)寄存器各位功能（5）接收代碼寄存器(acr):接收代碼寄存器(can地址4)是sja1000的驗收濾波器的一部分。若復位請求位被置為高，該寄存器可被訪問。當通過驗收測試的報文被接收，且若存在空的接收緩存器，則各自的描述符和數(shù)據(jù)場被順序?qū)懭雛xfifo。當信息被正確的接收完畢，就會接收狀態(tài)置高，接收中斷使能位置高(使能)接收中斷置高(產(chǎn)生中斷)。接收代碼位(ac.7-ac.0 )和信息識別碼的高8 (id.l0-dl3 )相等，且與接收屏蔽位(am.7-am.0 )的相應位或為to即滿足以下方程的描述: （(id.lo-id.3)=(ac.7-ac.o)）

55、 (am.7-am.o)=11111111則被接收。寄存器各位功能如下表所示:表3-5 寄存器各位功能（6）接收屏蔽寄存器(amr ):接收屏蔽寄存器(can地址5)如復位請求位置高(當前)，這個寄存器可以被訪問(讀/寫)。接受屏蔽寄存器定義接收代碼寄存器的相應為對接收過濾器是“相關的”或“無影響的”，各位功能如下表所示:表3-6 接收屏蔽寄存器功能（7）總線時序寄存器(btro):總線定時寄存器0 (can地址6)的內(nèi)容決定波特率預分頻器(brp)和同步跳轉(zhuǎn)寬度(sjw)的數(shù)值。若復位請求位被置高，該寄存器可被復位(讀/寫)。寄存器各位功能如下表所示;表3-7 總線時序寄存器各位功能（8）波特率預分頻器(brp)用法:系統(tǒng)時鐘用如下公式集計算:ts