基于can總線的分布式測量系統研究設計畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 （ CAN）國際標準（ ISO11898），為控制器局部網標準化、規范化推廣鋪平了道路 [15]。 東華理工大學長江學院畢業設計（論文） CAN 總線的介紹 4 分布式系統及現場總線的發展 分布式系統的發展 分布式控制系統 DCS（ Distribution Controlling system）將數字技術、微電子技術、通信技術、屏幕顯示技術與過程控制技術緊密地結合在一起，使過程控制由原來的第三代過程控制體系 —— 集中式控制 CCS(Concentric Control System)跨越到第四代控制體系的分布式控制，將流程工業自動化提高到一個新的水平。 集中式控制系統在硬件構成上，將每個檢測點發送來的信號通過輸入接口與集中控制系統相連，經過計算機分析運算后，集中控制系統的輸出信號又通過輸出接口去執行機構控制工藝生產。在控制功能上，它把生產過程信息和生 產管理信息匯集起來，既完成生產控制功能，又完成一定的管理功能。 1975 年，美國的 HoneyWell 公司推出了第一套 DCS 分散控制系統。它的基本思想就是控制分散、功能分散、危險分散，而操作集中、管理集中，加強了使用者的安全感和信任感。 DCS 集計算機軟件技術、硬件技術、控制技術、通訊技術、冗余技術、故障診斷技術和圖形顯示技術為一體，靈活、易變更、易擴展。 DCS 經歷了初創期（ 19751980）、成熟期（ 19801995）和擴展期（ 1985 以后）。在技術上也由單純的分散型控制到實現全系統的管理，引入局部網絡 技術（便于多機資源共享），分散控制系統和信道復用等。目前 DCS 的發展將導致進一步的系統開放，如使用統一的通信標準、中小及微型化操作站的功能強化以及 DCS 與可編程序控制器 (PLC)之間的滲透 [14]。 現場總線技術的發展 現場總線是 90 年代初期興起的一種先進的工業控制技術。它是一種全數字式、 全分散式、全開放、可互操作和開放式互聯網絡的新一代控制系統；是計算機技術、通信技術和控制技術的綜合與集成；它將通信線一直延伸到生產現場和生產設備，用于制造自動化的現場設備儀表互連的現場通信網絡。使用現場總線 降低了成本，提高了可靠性，實現了控制管理一體化的結構體系。 現場總線控制系統 (FCS)既是一個開放通信網絡，又是一種全分布控制系統。它作為智能設備的聯系紐帶，把掛接在總線上、作為網絡節點的智能設備連接為網絡系統，并進一步構成自動化系統，實現基本控制、補償計算、參數修改、報警、顯示、監控、優化及管理控制一體化的綜合自動化功能。這是一項以智能傳感器、控制、計算機、數字通信、網絡為主要內容的綜合技術 [1]。 東華理工大學長江學院畢業設計（論文） CAN 總線的介紹 5 現場總線系統的特點 現場總線系統的結構特點 現場總線系統打破了傳統控制系統的結構 形式。傳統模擬控制系統采用一對一的設備連線，按控制回路分別進行連接。而現場總線則是把智能設備掛接在總線上，多個設備共用一條總線。 現場總線系統由于采用了智能現場設備，能夠把原先 DCS 系統中處于控制室的控制模塊、各輸入輸出模塊置入現場設備，加上現場設備具有通信能力，現場的測量變送儀表可以與閥門等執行機構直接傳送信號，因而控制系統功能可以不依賴控制室的計算機或控制儀表，直接在現場完成，實現了徹底的分散控制。 現場總線系統的技術特點 現場總線系統在技術上具有以下特點： ●系統的開放性： 一個開放系統 ，是指它可以與世界上任何地方遵守相同標準的其它設備或系統連接。通信協議公開，各不同廠家的設備之間可實現信息交換。現場總線開發者就是要致力于建立統一的工廠底層網絡的開放系統。用戶可按自己的需要和考慮，把來自不同供應商的產品組成大小隨意的系統。通過現場總線構筑自動化領域的開放互連系統。 下面的圖 1 是 FCS 典型體系結構。 圖 1 FCS 典型體系結構 生產過程 現場總線 監控計算機 執行機構 智能儀器 監控計算機 東華理工大學長江學院畢業設計（論文） CAN 總線的介紹 6 ●互可操作性與互用性 可操作性，是指實現互連設備之間、系統間的信息傳送與溝通；而互用則意味著不同生產廠家的 性能類似的設備可實現相互替換。 ●現場設備的智能化與功能自治性 它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中完成，僅靠現場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態。 ●系統結構的高度分散性 現場總線已構成一種新的全分散性控制系統的體系結構。從根本上改變了現有 DCS集中與分散相結合的集散控制系統體系，簡化了系統結構，提高了可靠性。 ●對現場環境的適應性 現場總線是專為現場環境而設計的，可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實 現供電與通信。 現場總線的優點 由于現場總線的以上特點，特別是現場總線系統結構的簡化，使控制系統從設計、安裝到正常生產運行及其檢修維護，都體現出優越性。 節省投資：由于現場總線系統中分散在現場的智能設備能直接執行多種傳感控制報警和計算功能，不再需要 DCS 系統的信號調制、轉換、隔離等功能單元及其復雜接線，還可以用工控 PC 機作為操作站，從而節省了一大筆硬件投資，并可減少控制室的占地面積。 節省安裝費用：現場總線系統的接線十分簡單，一對雙絞線或一條電纜上通常可掛接多個設備，因而電纜、端子、槽盒、橋 架的用量大大減少，連線設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現場控制設備時，無需增設新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節省了投資，也減少了設計、安裝的工作量。據有關典型實驗工程的測算資料表明，可節約安裝費用 60％以上。 節省維護開銷：由于現場控制設備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數字通訊將相關的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除，縮短了維護停工時間，同時由于系統結構簡化，連線簡單而減少了維護工作量。 用戶具有高度的系統集成主動權 ：用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設備來集成系統。避免因選擇了某一品牌的產品而限制了其它設備的選擇范圍。 提高了系統的準確性與可靠性：由于現場總線設備的智能化、數字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的精確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統的結東華理工大學長江學院畢業設計（論文） CAN 總線的介紹 7 構簡化，設備與連線減少，現場儀表內部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統的工作可靠性。 此外，由于設備標準化，功能模塊化，因而還具有設計簡單，易于重構等優點 [10]。 CAN 與其他幾種現場總線的比較 自 80 年代末以來，有幾種現場總線技術逐漸 在一些應用領域顯示了自己的優勢，它們具有各自的特點。目前較流行的現場總線主要有以下幾種： CAN， LONWORKS，FF(Foundation Fieldbus)， PROFIBUS。與此同時，傳統的 RS232 和 RS485 標準仍然在廣泛地使用。 ● RS232C 串行接口標準 RS232C 是異步串行通信中應用廣泛的標準總線接口，適用于數據終端設備 (DTE)和數據通信設備 (DCE)之間的接口。它采用非平衡傳輸方式 (即單端通訊 )進行數據發送 /接收，其邏輯電平對地是對稱的，與 TTL,MOS 邏輯電平完全不同。邏輯 0 電平 規定為+5V～ +15V 之間，邏輯 1 電平為 5V～ 15V 之間。因此 RS232C 驅動器與 TTL 電平連接必須經過電平轉換。 RS232C 由于發送器和接收器之間具有公共信號地，不可能使用雙端信號，因此共模噪聲會耦合到信號系統中，這就是 RS232C 使用較高傳輸電壓的主要原因。即便如此，該標準的信號傳輸速率也只能達到 20kb/s，而且最大距離僅 15m，要想實現遠距離傳輸，必須使用 Modem。因此， RS232C 存在數據傳輸速率慢、傳送距離短、串口處各信號間容易產生串擾等種種缺點，而且， RS232C 是專門為點對 點 (即只用一對收、發設備 )通訊而設計的，其驅動器負載為 3～ 7k?。所以只適合本地設備單發、單收通信。 ● RS485 串行接口標準 RS485 是從 RS422 的基礎上發展而來的。為改進 RS232C 通信距離短、速率低而且不能實現多機通信的缺點， RS485 的數據傳輸采用平衡發送和差分接收方式，具有很強的抑制共模干擾能力，而且接收器具有較高的靈敏度，因此，最大傳輸距離可延長到 1219 米 (速率低于 l00kb/s 時 )，在 100 米范圍內傳輸時速率高達 l0Mb/s，并允許在一條平衡總線上連接多個負載設備，負載設備可以 是被動發送器、接收器或收發器。其接口標準是一種多發送器的電路標準，具有多點、雙向通信能力，便于實現多機通信，同時增加了發送器的驅動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍。 RS485 串行接口支持半雙工通信，只需一對雙絞線即可方便地構成主機與多個子機的分布式系統，接口電路簡單，系統成本低。它采用差分式傳輸方式，雙絞線的長度與傳輸速率成反比。 RS485 總線網絡需要使用終接電阻進行匹配，其阻值相當于傳輸東華理工大學長江學院畢業設計（論文） CAN 總線的介紹 8 電纜的特性阻抗，一般為 120?。匹配電阻接至總線電纜的兩端，但在短距離與低速率傳輸時可以不必考慮，判斷標準為 :當信號的轉換時間 (上升或下降時間 )超過電信號沿總線單向傳輸所需時間的 3 倍以上時就可以不加匹配電阻。 RS485 的差分輸入范圍為 7V+12V，接收器最小輸入阻抗為 12kΩ，抗干擾能力強，能滿足 RS422 的所有規范，可以在 RS422 網絡中應用。目前， RS485 接口標準已被廣泛應用于工業控制、儀器儀表、多媒體網絡等諸多領域。 但是 RS485 總線畢竟只是一個簡單的沒有硬件通訊協議的物理層，其通訊協議完全依賴軟件的支持，這就增加了系統通訊軟件的負擔。并且，在幾乎沒有可靠的總線競爭仲裁與幀重發機制的情況下 ，數據的丟失率正比于總線數據的流通量。 RS485 總線一般以單主的工作方式設計，若令其工作在多主方式，則其通訊的可靠性反比于通訊網絡的負荷量。特別是系統節點工作在多種通訊模式下時，通訊的失誤率與重發率將隨著網絡負荷量的增長而成倍增長，最終可能導致整個通訊網絡的癱瘓。 RS485 通訊器件較小的收發緩沖區也不利于由它構成的網絡長期處于連續或長字串的收發狀態，這在接收和發送數據量不平衡的情況下尤其明顯。盡管如此，由于其在長線傳輸的抗干擾能力以及傳輸速率的優勢， RS485 總線在小系統網絡中還是有著廣泛的應用。例如在單幢 多層住宅中構建的智能網絡單元， RS485 總線技術完全能滿足網絡單元內數據傳輸要求。至于在遠程監測控制領域，在網絡數據負荷量相對較重的情況下， RS485 總線系統有可能無法達到較好的通訊效果。 ● LONWORKS 局部操作網絡 (Local Operating Network)是由美國 Echelon 公司推出并由它與摩托羅拉、東芝公司共同倡導，于 1990 年正式公布而形成的。它采用了 ISO/OSI 模型的全部七層協議，應用面向對象的設計方法，通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數設置，其通信速率從 300bps 至 不等，直接通信距離可達 2700m(78kbps，雙絞線 )；支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電力線等多種介質，被譽為通用控制網絡。 LonWorks 技術所采用的 LonTalk 協議被封裝在稱之為 Neuron 的神經元芯片中而得以實現。集成芯片中有 3 個 8 位的 CPU，共同完成 LonTalk 的七層協議功能。 Echelon公司同時提供了一套開發工具平臺 LON Builder 與 Node Builder，以方便用戶利用神經元芯片、 LonTalk 協議、 LonWorks 收發器開發出適合各自領域的系統和產品。 ●基金 會現場總線 (Foundation Fieldbus) 基金會現場總線是在過程自動化領域得到廣泛支持和具有良好發展前景的技術。它以 ISO/OSl 七層模型為基礎，取其物理層、數據鏈路層、應用層為 FF 通信模型的相應層，并增加了用戶層。用戶層主要針對自動化測控應用的需要，定義了信息存取的統一規則，采用設備描述語言規定了通用的功能塊集。 ● PROFIBUS 東華理工大學長江學院畢業設計（論文） CAN 總線的介紹 9 PROFIBUS 是納入德國國家標準 DIN 19245 和歐洲標準 EN50170 的現場總線標準。由 DP， FMS， PA 組成了 PROFIBUS 系列。 DP 型用于分散外設間的 高速數據傳輸，適合于加工自動化領