毕业设计(论文)基于CAN总线智能节点通信系统的设计.doc
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1、 专科毕业论文(设计)题 目:基于CAN总线智能节点通信系统的设计学 院:高等职业技术学院专 业:电气工程及自动化姓 名: XXXX 指导教师:XXXX XXXXX2006年 5月 25日基于CAN总线智能节点通信系统的设计摘 要现场总线技术被誉为自动化领域的局域网,它是计算机技术、通信技术、控制技术的集成。其中,CAN现场总线以其高性能、高可靠性及其独特的设计越来越受到人们的重视。CAN总线上的节点能接收和发送信息。智能节点通过编程设置工作方式、ID地址、波特率等参数。本文介绍了现场总线的发展背景以及CAN总线的发展背景、主要特点、协议分层以及报文传输等内容,并对CAN总线节点的各组成部分作
2、了较详细的介绍。通过论证比较最后确定采用由单片机AT89C51、可编程的CAN通信控制器SJA1000和CAN收发器PCA82C250组成的节点的设计方案。设计了基于CAN总线智能节点的硬件和软件,并对节点的通信系统做了说明。关键词 CAN总线,智能节点,通信AbstractThe field bus technology is praised as the LAN of the automatic field, it is integration of computer , communication , control technology. Among them, CAN bus att
3、ach importance to by the people more and more with high performance , high dependability and unique design . The node of CAN bus can receive and transmit communication. Intelligent node set up parameter about working , address of ID and baud rate etc through program. This paper introduces developmen
4、t background of field bus and development background , main character, protocol layer and transmitting message of CANbus , and includes more detailed introduction to CAN bus every nodal component . Use the SCM AT89C51,CAN Controller SJA1000, PCA82C250 through demonstration and comparison . on the ba
5、sis of CAN bus,design hardware and software with intelligent node ,and illuminate communication subsystem.Key word CAN bus,Intellectual node,Communication目录前言1第1章 CAN现场总线介绍211现场总线发展背景212 CAN现场总线发展背景213 CAN现场总线应用现状及主要特点314 CAN现场总线协议分层515 CAN现场总线报文传输516 CAN现场总线优越性论证6第2章 CAN现场总线控制器与收发器概述721 CAN通信控制器SJA
6、1000功能简介722 SJA1000验收滤波器的工作原理823 PCA82C250-CAN收发器功能简介9第3章 CAN总线智能节点设计1031 CAN现场总线智能节点设计方案论证1032智能节点硬件电路设计1133智能节点通信设计123.3.1.初始化子程序123.3.2.发送子程序163.3.3.查询方式接收子程序17第4章 结束语19谢 辞20参考文献21附 录22附表1 几种现场总线技术特性的比较22附表2 SJA1000引脚功能23前言近年来,随着信息技术的飞速发展以及控制、计算机、通信、网络等技术的融合,信息交换已经渗透到工业生产领域的各个层次,从现场设备到控制管理的各个层次。传
7、统的RS-232、RS-485和CCITTV.24通信标准和通信系统已经远远不能满足工业现场的通信需要。传统的现场控制技术及现场监控设备正在发生一场新的革命,这就是以全数字式现场总线为代表的现场控制仪表,设备的互连规范,在全世界范围内兴起。以现场总线为基础的全数字控制系统将现有的模拟信号电缆用高容量的现场总线网络代替,从而大大减轻现场信号电缆连接的费用和工作量,提高信号的传输效率,提高信号传输的精密和灵活性,为工业现场用户带来了巨大的好处。现场总线技术是自动化领域发展的热点,是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多点、多站的串行通信系统,被誉为自
8、动化领域的局域网,它是计算机技术、通信技术、控制技术的集成。现场总线控制系统打破了传统控制系统的结构形式。传统模拟控制系统采用一对一的物理连接,而现场总线控制系统把单个分散的测量控制设备变成网络节点,以现场总线为纽带,将每个网络节点连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统和控制系统。现场总线中的传感器、变送器、执行机构均置入微控制器。使它们具备了数字计算和数字通信的能力,信息的传输不再依赖于控制室内的计算机或控制仪表,直接在现场的个网络节点完成,实现了彻底的分散,有力地推动了测控系统向数字化、网络化、智能化方向发展。在这些总线标准中,CAN总线以其高性能、高可靠性及其独特的设计越来越
9、受到人们的重视,在国外已有很多大公司的产品采用了这一技术。CAN是英文Controller Area Network的缩写,即控制器局域网络,是一种主要用于各种过程(设备)检测及控制的网络,最初是为汽车的检测、控制系统而设计的。众所周知,现代汽车越来越多的采用电子控制装置来控制如发动机定时、注油以及复杂的加速刹车控制(ASC)、抗锁定刹车系统(ABS)等。但存在由于这些部件及参数的监控需要交换大量的数据,如果采用硬接信号线的方法势必繁琐而且昂贵等一些问题,用传统方法是很难解决的,采用CAN后就能很好的解决这些问题了。其中CAN总线的总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准(ISO1189
10、8),得到多个公司的支持,已广泛应用为离散控制领域。CAN已被公认为几种最有前途的现场总线之一。本文着重介绍了基于CAN总线的节点以及通信系统的设计。第1章 CAN现场总线介绍11现场总线发展背景在计算机数据传输领域内,长期以来使用RS-232和CCITTV.24通信标准,尽管它们被广泛地使用,但却是一种低数据速率和点对点的数据传输标准,无能力支持更高层次的计算机之间的功能操作。同时,在复杂或大规模的应用(如工业现场控制或生产自动化领域)中需要使用大量的传感器、执行器和控制器等,它们通常分布在非常广的范围内,如果在最低层上采用传统星型拓扑结构,那么安装成本和介质造价都将非常昂贵;采用流行的LA
11、N组件及环型或总线型拓扑结构,虽然可以减少电缆长度,但是增加的LAN介质及相关硬件和软件又使其系统造价与星型系统相差无几。所以在最低层次上的确需要设计出一种造价低廉而又能经受工业现场环境的通信系统,随着计算机技术的高速发展,计算机技术尤其是网络技术与控制结合使我们的想象成为可能。现场总线技术应运而生,现场总线(Field bus)就是在这种背景下产生的。现场总线是用于过程控制现场仪表与控制室之间的一个标准的、开放的、双向的多站数字通信系统。随着计算机技术、通讯技术、集成电路技术的发展,以全数字式现场总线(Field Bus)为代表的互联规范,正在迅猛发展和扩大。由于采用现场总线将使控制系统结构
12、简单,系统安装费用减少并且易于维护;用户可以自由选择不同厂商、不同品牌的现场设备达到最佳的系统集成等一系列的优点,现场总线技术正越来越受到人们的重视。发展现场总线的初衷是建立开放的控制通信网络,其通信协议理应趋于统一,但近十几年由于现场总线的国际标准不能建立,现场总线发展的种类较多,约有40余种:如德国西门子公司Siemens的ProfiBus,法国的FIP,英国的ERA,挪威的FINT,Echelon公司的LONWorks,Phenix Contact公司的InterBus,Rober Bosch公司的CAN,Rosemounr公司的HART,Carlo Garazzi公司的Dupline,
13、丹麦Process Data公司的P-net,Peter Hans公司的F-Mux,以及ASI(Actratur Sensor Interface),MODBus,SDS,Arcnet,国际标准组织-基金会现场总线FF:Field Bus Foundation,WorldFIP,BitBus,美国的DeviceNet与ControlNet等等。12 CAN现场总线发展背景任何从事电气控制系统的设计、安装、调试、维修人员时刻面临着大量复杂的控制线路,也就意味着较大的工作量。能够在实现系统要求功能的情况下设计最简洁、可靠的线路成为控制线路设计人员追求的一种高水平的境界。简洁的控制线路意味着为了减小
14、发生在控制线路上小的故障率而做更多的工作。如果所有的控制线路简化到像现在大多的民用电器的供电线路一样只用一对双绞线,每个传感器、动作单元的控制线都挂到这对双绞线上,所有的主控设备也都挂到双绞线上,主控设备可以在线路上找到与自己有关的被控对象进行控制而与在线的其它主控设备、被控单元无关。那么控制线路的设计、接线、维护工作将轻松到极点了。工控界有诸多专家预言:二十一世纪工控界将发生一次技术革命:用户可将不同的公司生产的不同现场总线标准的现场仪表和DCS挂接在同一个现场总线上,其优异的性能必将取代诸多控制手段而成为控制系统的主流。CAN(Controller Area Network)控制器局域网络
15、是在20世纪80年代初由德国的BOSCH公司提出为解决汽车内部的复杂硬信号连接而开发的一种串行数据通信协议,它是一种多主总线,通信介质可以是双绞线,同轴电缆或光导纤维。目前,其应用范围已不再局限于汽车工业,而向过程控制、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN总线以其独特的设计,低成本、高可靠性、实时性、抗干扰能力强、纠错能力强等特点在测控领域获得广泛应用,成为一种新型的工业控制现场总线方案。但是,CAN芯片只提供了开放系统互连参考模型中的物理层和链路层功能,一般用户必须直接用驱动程序操作链路层,不能直接满足工业控制网络的组态和产品互连的要求,为了以CAN芯片为
16、基础构成完整的工业控制现场总线系统,必须制定相应的应用层协议,实现系统的组态、设备互连和兼容功能。为此1992年在德国成立了“自动化CAN用户和制造商协会”(CiA),开始着手制定自动化CAN应用层协议CANopen。此后,协会成员开发出一系列CANopen产品,在机械制造、铁路、车辆、船舶、制药、食品加工等领域获得大量应用。1993年11月ISO正式颁布了道路交通运输工具、数据信息交换、高速通信控制器局欲网国际标准ISO11898CAN高速应用标准,ISO11519CAN低速应用标准。这为控制器局域网的标准化、规范化铺平了道路。目前CANopen协议已经被提交欧洲标准委员会讨论,作为一种新的
17、工业现场总线标准EN-50325-4。CAN(Controller Area Network)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。CAN遵循ISO的标准模型,分为数据链路层和物理层。在工程上,这两层通常由CAN控制器和收发器实现的。CAN控制系统主要由操作站、智能节点以及CAN现场控制网络组成。操作站主要完成在线系统监控,多个智能节点各自独立完成数据采集、系统设定、运行显示控制等,通过CAN现场总线,在操作站和智能节点之间交换各种数据和管理控制信息。CAN应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。13 CAN现场总线应用现状及主要特点CAN网络(Contr
18、oller Area Network)就是现场总线技术的一种,它是一种架构开放、广播式的新一代网络通信协议,称为控制器局域网现场总线,是类似LAN(Local Operating Network )局域网的新型控制规范。是现今世界上最为流行控制手段-现场总线的一种形式。CAN网络具有反应快、可靠性高的特性,使用在要求实时处理的场合,例如汽车刹车防锁死系统安全气囊等。今天此项通信协议已得到广泛应用,众多厂商制造供应高温度等级、具有高抗干扰能力的低价位CAN芯片,其特色不仅在汽车工业,在工业控制的其他领域更能发挥其强大的能力。目前,CAN总线以其高性能、高可靠性、实时性等优点,而被广泛应用于控制系
19、统中的检测和执行机构之间的数据通信中。CAN总线有如下特点:CAN总线插卡可以任意插在PC AT XT兼容机上,方便地构成分布式监控系统。CAN可以多主方式工作,网络上任意一个节点均可以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,通讯方式灵活,且无需站地址等信息。利用这一特点也可以方便地构成多机备份(容错)系统。CANBUS网络上节点信息可分成不同的优先等级,可以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。CAN采用非破坏性总线仲裁技术,当多个节点同时向网络上传送信息时,优先级低的节点会主动停止数据发送,而优先级最高的节点可不受影响地继续传输数据,有效避免了总线冲突
20、,从而大大节省了总线冲突仲裁时间,尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况(以太网则可能会出现网络瘫痪)。CAN可以点对点、一点对多点(成组)及全局广播集中方式传送和接受数据。CANBUS直接通讯距离最远可达10km(速率5Kbps以下),通讯速率最高可达1Mbps(此时距离最长为40m)。CANBUS上节点数理论值为2000个,实际可达110个,它主要取决于总线驱动能力的大小;报文标志符可达2032种(CAN2.0A),而扩展标准(CAN2.0B)的报文标识符几乎不受限制。CAN采用短帧结构,每一帧的数据段长度最多为8个字节,可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要
21、求,并可保证通信的实时性,这样短的传输时间,受干扰的概率低,重新发送的时间短,具有极好的检错效果。CAN的每帧信息都有CRC效验及其他检错措施,保证了数据的出错率极低。通讯介质采用廉价的双绞线、同轴电缆或光缆,无特殊要求,用户可灵活选择。CAN节点在错误严重的情况下,具有自动关闭总线的功能,切断它与总线的联系,以使总线上其它操作不受影响。NRZ编码/解码方式,并采用位填充(插入)技术。用户接口简单,编程方便,很容易构成用户系统。开发系统廉价,OEM用户容易操作,INTER、PHILIPS等芯片厂家均生产具有CAN接口的80C51芯片。故而CANBUS是符合中国国情的一种现场总线。CAN总线是一
22、种多主总线系统,特别适合工业过程监控设备的互连,因此越来越受到工业界重视。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。另外,CAN已被公认为几种最有前途的现场总线之一。CAN总线规范已被ISO国际标准组织制订为国际标准。CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互联参考模型基础上的,主要工作在数据链路层和物理层。用户可在其基础上开发适合系统实际需要的应用层通信协议,但由于CAN总线极高的可靠性,从而使应用层通信协议得以大大简化。14 CAN现场总线协议分层CAN总线协议主要描述设备之间的信息传递方式,从结构上可分为3个层次,
23、分别对应OSI标准网络模型的最低两层:数据链路层和物理层。CAN总线协议层次结构有高到低如下表所示。CAN总线协议分层结构协议层对应OSI模型说明LLC数据链路层逻辑链路控制层,用于为链路中的数据传输提供上层控制手段MAC媒体访问控制层,用于控制仲裁、错误界定等数据传输具体实现物理层物理层作用是在不同节点间根据所有的电气属性进行位的实际传输LLC层和MAC层也可以看作是CAN总线数据链路层的两个子层。其中LLC子层的主要功能是:为数据传送和远程数据请求提供服务,确认有LLC子层接收的报文实际已被接收,完成报文滤波、过载通知和恢复管理等工作。在定义目标处理时,存在许多灵活性。MAC子层的功能主要
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