基于can現場總線的分布式控制系統設計優秀及文獻綜述-在線瀏覽

　　

【正文】 le of CAN technology are introduced. The structure of distributed sensor system is formed according the features of CAN. In the third chapter, the circuits design and chips selection of both interface card and node. In the final part of this paper, a summary of the project is made. The issues about how to perfect this system and development of relative theory and technology are also been discussed. Keywords: Field bus。 分布式測量系統 。 關健詞： 現場總線 。 第三章介紹基于 CAN 現場總線的分布式控制系統接口卡和節點的電路設計和芯片選用。 第二章介紹 CAN 技術的分層結構、幀結構及通信原理。研究的具體任務是電源電路、復位電路、晶振電路、串口通信接口電路、 CAN 總線通訊電路節點、硬件設計圖和總體系統圖。系統中采用了計算機、控制 、通信、網絡和電路設計等多領域的技術，使系統具有較完備的監測功能和控制功能，穩定的性能、友好的界面。 CAN(控制器局域網 )屬于現場總線的范疇，主要用于與其他外圍設備或單片機進行通訊的模塊，這種接口協議能在較大的燥聲環境中進行通信，具有良好的抗干擾性能。東華理工大學長江學院畢業設計（論文） 摘要 I 摘 要 現場總線是安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線。它在計算機和現場設備之間架起一座通信橋梁 ,它是全球數字化、雙向、多點的通信總線 ,具有開放式、全分布、互操作性的特點 ,是當今自動化領域技術發展的熱點之一。 本文采用 CAN 現場總線技術，設計開發了一種分布式測量控制系統。研究內容包括節點硬件、接口卡硬件研制；節點軟件、接口卡軟件研制；上位機監測和控制軟件的研制。 本文主要從以下幾個方面闡述： 第一章介紹分布式系統、現場總線的概念和特點，并介紹了傳統的 RS232 和RS485 串行通信標準。根據其特點提出分布式測量系統的結構。 最后是全文的工作總結，對系統的完善與相關理論和技術的發展進行了展望。 CAN。 PIC 單片機 。 CAN。 PIC single chip puter。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物，是一種開放式和分布式的新模式。它越來越廣泛的應用于工業控制、智能建筑和交通等諸多領域。 [1]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。 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。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。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。 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。通信協議公開，各不同廠家的設備之間可實現信息交換。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。 圖 1 FCS典型體系結構 (2) 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。 (4) 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。 (5) 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。 [2] 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。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） 緒論 3 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。 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。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。同時，由于系統的結構簡化，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。 現場總線的分類 類型１ IEC 技術報告（即 FF H1） 類型 2 Control Net(美 國 Rockwell 公司支持） 類型 3 Profibus(德國 Siemens 公司支持） 類型 4 PNet(丹麥 Prpcess Data 公司支持） 類型 5 FF HSE(即原 FF H2,美國 FisherRosemount 公司支持） 類型 6 Swiff Net(美國 Boeing 公司支持） 類型 7 World FIP(法國 Alstom 公司支持） 類型 8 Interbus(德國 Phoenix Contact 公司支持） [32] CAN 總線 CAN (Controller Area Network控制器局域 網 )屬于現場總線的范疇，是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網絡。CAN 具有可靠性高、支持多主處理、支持優先級仲裁、鏈路簡單、配置靈活、芯片資源豐富、成本低廉等特點。系統中采用了計算機、測量、通信、網絡和電路設計等多領域的技術，使系統除了有豐富的監測功能和較完備的控制功能，還具有穩定的性能、友好的界面。 [4] CAN 模塊 東華理工大學長江學院畢業設計（論文） 緒論 4 控制器局域網（ CAN）模塊是用于與其他外圍設備或單片機進行通訊的模塊，這種接口協議能在較大的燥聲環境中進行通信，具有良好的抗干擾性能。 CAN 模塊由協議驅動和信息緩沖及控制組成， CAN 協議驅動 CAN 總線上接收和發送信息的所有功能。在 CAN 總線上檢測到的任何信息都要進行錯誤檢查，然后與過濾器進行比較，判斷是否被接收和存儲到兩個接受寄存器之一。 CAN 總線技術在多方面的應用 CAN 總線最初是應用在汽車工業中的，但 CAN 總線系統也被廣泛應用在其它多個領域中，這其中包括交通、移動設施、工業控制、樓宇自動化系統和一些特殊的應用領域。奔馳汽車是第一個將CAN 總線應用在汽車引擎管理中的， CAN 總線在系統中的位速率為 500kbit/s。 (2) 交通 在某些火車和長途汽車中，應用 CAN 連接剎車控制單元，或者通過 CAN 連接子系統。 (3) 移動設施 在一些移 動設施中， CAN 除連接電子控制單元外，還連接探測單元和激勵單元。同時， CAN 也被應用在海上交通設施的電子設備中。因為應用的普遍性，出現了各制造者為自身定制的高層協議，如 CANopen， DeviceNet， SDS。同時，東華理工大學長江學院畢業設計（論文） 緒論 5 還存在一個重要的工業控制領域 —— 機器人控制。典型的應用有：電梯控制系統、窗簾控制系統、空調控制系統、溫度控制系統、房間中央控制系統、舞臺控制系統。近年來，幾個大的醫療設施制造者已開始使用 CAN， Siemens 已決定使用 CANopen 作為這些設施的高層協議。 分布式系統及現場總線的發展 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。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。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 經歷了初創期（ 19751980）、成熟期（ 19801995）和擴展期（ 1985 以后）。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。所謂通用即連接不同的傳感器即可用于不同的應用場合。各節點通過接口卡與上位機通訊，并可由上位機實時監測和控制各節點。東華理工大學長江學院畢業設計（論文） 緒論 6 上位機監 測和控制軟件的研制。 第一章介紹了分布式系統和現場總線技術的發展概況。 第三章提出了基于 CAN 總線技術分布式測量系統的總體結構。 東華理工大學長江學院畢業設計（論文） CAN 總線技術研究 7 2. CAN 總線技術研究 1991 年 9 月 Philips 公司制定并頒布了 CAN 技術規范 ， 給出了曾在 CAN 技術規范版本 中定義的 CAN 報文格式， 定義了標準和擴展的兩種報文格式； 1993年 11 月國際標準化組織 ISO/TC22技術委員會正式頒布了關于 CAN總線的 ISO11898 標準 (道路交通運載工具 數字信息交換 高速通信控制器局部網(CAN)國際標準，通信速率≤ 1Mhps)和 ISO11519(通信速率≤ 125khps），為 CAN 總線的標準化、規范化應用鋪平了道路。世界半導體知名廠商推出了 CAN 總線產品。 Microchip 公司的 MCP2510， MCP2515。其它如 Bosch， National semiconductor； SGSThomphson， Toshiba 等公司也提供集成有 CAN 協議的芯片。基于CAN 總線的 DeviceNet 是現場總線國際標準 IEC61158 Type 2 ControlNet 的設備級總線。 [9] 方 案對比 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。并對下列幾種總線進行對比： [10] (1) RS232C 串行接口 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。邏輯 0 電平規定為 +5V～ +15V 之間，邏輯 1 電平為 5V～ 15V 之間。 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。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～ 7kΩ。 (2) RS485 串行接口 RS485是從 RS422的基礎上發展而來的。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。它采用差分式傳輸方式，雙絞線的長度與傳輸速率成反比。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。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。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。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。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