畢業設計（論文）題目：基于CAN總線通訊智能結點的設計與實現英文題目：TheDesignandImplementationofIntelligentNodesinConjuctionBasedontheCANBus學生姓名：班級：指導教師：專業：自動化二零零六年六月畢業設計摘要摘要現場總線是連接現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。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物，是一種開放式和分布式的新模式。現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一。CAN(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總線通訊智能節點的設計，是在現場總線系統中分布于現場的一個子系統，能實現數據采集與反饋控制，最大傳輸速率可達1MB/s，最大傳輸距離為10km。節點的核心器件是PHILIPS公司生產的CAN控制器（SJA1000）和CAN驅動器（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總線通信協議的物理層和數據鏈路層的功能。能夠可靠的運行和完成要求的任務，控制信息在現場進行處理，而管理層則在上位機中實現。該設計體現了CAN總線高性能、高可靠性的特點。關鍵詞現場總線；CAN；SJA1000CAN控制器；82C250收發器；89C51單片機；設計畢業設計AbstractAbstractFieldbusisadigital,bi-directionalandmulti-branchcommunicationnetworkthatconnectsfieldequipmentsandautomaticsystem.Asaproductintegratingtechnologyofcomputer,communicationandcontrol,thefieldbusfeaturedwithopeninganddistributionhasbeenoneofthekeytechnologiesinmodernautomatismfield.Asoneofthefieldbuses,CAN(ControllerAreaNetwork)isaserialcommunicationnetworkthatsupportsdistributedandrealtimecontroleffectively.TheDesignandImplementationofIntelligentNodesinConjuctionBasedontheCANBus,isdistributesinthefieldbussysteminascenesub-system,canrealizethedataacquisitionandtheclosed-loopcontrol,themaximumtransmissionspeedmayreach1MB/S,themaximumtransmittingrangeis10km.ThepitchpointcorecomponentistheCANcontrollerwhichPHILIPSCorporationproduces(SJA1000)andtheCANdriver(PCA82C250)aswellasthemicrocontroller(the89C51monolithicintegratedcircuit).SJA1000istheintegratedindependentCANcontroller(iscompletelycompatiblewithPHILIPSearlyCANcontrollerPCA82C200),itresponsiblycompletestheCANmainlinecorrespondenceagreementthephysicallevelandthedatalinklayerfunction.Canthereliablemovementandcompletestherequesttheduty,thecontrolinformationcarriesonprocessinginthescene,butmanagementlevelthenrealizesinonpositionmachine.HasmanifestedtheCANmainlinehighperformance,theredundantreliablecharacteristic.KeywordsFieldbus；CAN；DistributedMeasurementControlSystem；SJA1000CANController；82C250Transceiver；MCU89C51；Design畢業設計目錄目錄摘要關鍵詞緒論.1第1章現場總線簡介.31.1現場總線的功能及要求.31.1.1現場總線的功能.31.1.2現場總線的要求.31.2幾種典型的現場總線.31.2.1HART現場總線.31.2.2LONWORKS現場總線.41.2.3PROFIBUS現場總線.41.2.4CAN現場總線.51.3現場總線的結構.51.4現場總線的優點.61.5現場總線的特點.7第2章CAN總線簡介.82.1控制器局部網(CAN).82.2CAN的性能特點.82.3CAN節點的分層結構.92.4CAN通信技術.102.4.1CAN通信參考模型.112.4.2CAN的報文傳送與通信幀結構.11第3章CAN通信控制器.133.1CAN控制器SJA1000結構及主要特點.133.1.1SJA1000的主要新功能.133.2SJA1000的功能框圖與引腳說明.143.2.1SJA1000寄存器功能.143.2.2SJAI000在PeIiCAN模式下的驗收濾波及總線時序寄存器的具體用法.173.3SJA1000的初始化.183.3.1SJA1000的初始化流程.183.3.2SJA1000的初始化子程序.203.4SJA1000與PCA82C200的性能比較.22畢業設計目錄3.5SJA1000有兩種不同工作模式.22第4章CAN收發器82C250.234.182C250的主要特性及硬件圖.234.282C250功能描述.24第5章微處理器89C51.255.189C51的功能和特點.255.289C51的存儲器結構.27第6章CAN總線通訊智能節點的設計.296.1采用CAN總線系統.296.2CAN總線通訊智能結點的系統構成.306.3CAN總線通訊智能結點電路的設計.306.3.1CAN智能節點通訊模塊.316.3.2信息采集和反饋模塊.326.4CAN報文的發送.336.4.1查詢控制的發送.336.4.2中斷控制的發送.336.4.3中止發送.346.5CAN報文的接收.366.5.1查詢控制的接收.366.5.2中斷控制的接收.376.6智能節點軟件設計.386.6.1發送子程序.396.6.2查詢方式接收子程序.41第七章設計結論.43致謝.43參考文獻.44附錄143畢業設計緒論1緒論現場總線是一種數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。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物，是一種開放式和分布式的新模式。現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。它越來越廣泛的應用于上業控制、智能建筑和交通等諸多領域1。CAN(ControllerAreaNetwork-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)，節點數可達110，傳輸介質為雙絞線。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。本文基于CAN現場總線技術，系統中采用了SJA1000CAN控制器，82C250收發器，89C51單片機等芯片，設計開發了通訊智能結點電路，能實現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，實現智能控制2。現場總線技術自70年代誕生至今，由于它在減少系統線纜，簡化系統安裝、維護和管理，降低系統的投資和運行成本，增強系統性能等方面的優越性，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，現場控制層所采用的控制網絡種類繁多，有DCS,PLC,SCADA，現場總線等，雖然DCS控制系統采用了分層的結構，運用數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題，而且不同廠家的產品自成體系，難以實現互聯、互操作和互換。而與其它控制網絡相比，現場總線具有開放性、互操作性、系統結構的高度分散性、靈活的網絡拓撲結構、現場設備的高度智能化、對環境的高度適應性等諸多突出特點。現場總線技術就是在這種情況下應運而生，它的出現引起了工業控制領域的巨大變革。其具有的突出的優點將成為工業測控領域的發展趨勢3。現場總線技術產生于20世紀80年代，但對它的研究開發之熱卻是近年之舉。這一方面是因為信息時代各項技術的發展對自動化系統提出了新的要求，促進了該領域的網絡化、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究開發該項技術，出現了現場總線技術與產品百花齊放、興盛發展的態勢。例如丹麥ProcessData公司1983年推出的PNet、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多種現場總線，但影響較大的主要有FF(FoundationFieldbus),Profibus(ProcessFieldbus),CAN(ControllerAreaNetwork),Lonworks(LocalOperationNetwork)、HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)等。畢業設計緒論2從總體上來說，現場總線是應用在生產現場、在微機化測量控制設備之間實現雙向串行多節點數字通信的系統，也被稱為開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡其先驅可謂是Honeywell公司在1983年推出的數字信號4-20mA輸出的差分信號驅動器，它在輸出的4-20mA直流信號上疊加了數字信號，從而使現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字信號。在此基礎上，美國Rosemount公司配合使用了它自己的HART數字通信協議。到了1987年，美國Foxbor公司開發了I/A智能式自動控制系統，系統中使用了全數字通信。盡管目前對現場總線的研究尚未能形成一個完善的統一標準，但現場總線的高性能價格比將吸引眾多工業控制系統采用。現場總線技術的發展在我國剛剛起步。根據我國國民經濟發展需要和市場需求，結合現場總線技術本身的特點及我國國情，現場總線專業委員會(CFFC)確定了我國現場總線技術發展的32字方針，即”市場牽引，面向專業；引進消化，開發創新；總體規劃，突出重點；內外結合，推進行業”。可以預期，現場總線技術在我國的發展前景令人鼓舞。1996年10月，在美國芝加哥舉行的96ISA展覽會上，醒目地展現了基金會現場總線；1998年4月在北京舉行的多國儀器儀表展覽會上，名目繁多的現場總線產品，更是給人一種現場總線已是大勢所趨的感覺。1998年的中國控制會議上，專門安排了現場總線控制系統的大會專題報告，表明現場總線技術不僅是工業控制系統的必然趨勢，同時也成為控制理論研究的新方向。現場總線技術的興起，推動了DCS的全面革新，為工業自動化實施先進控制策略創造了條件，同時也有力地推動了計算機通信等相關技術的迅速發展。1998年8月，中國第一套現場總線系統由國家電力公司熱工研究院從美國Fisher-Rosemount公司引進，該系統采用P1antWebTM基于現場結構的最新技術，同時也是在中國第一次運用FF技術。它將智能化現場設備、規模可變的平臺和模塊化軟件結合在一起，實現過程控制。這套系統將用于國內大中型火力發電廠汽輪機性能考核測試，它包括一套DeltaV規模可變的過程控制系統、AMS設備管理系統以及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。目前中國現場總線發展面臨的問題，除了繼續開發新產品和新技術之外，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，將技術轉化為產品，還要在生產工藝、質量管理等方面進行大量的工作；另一方面是產品推廣，DCS在我國經過多年推廣應用，技術上已經非常成熟，FCS是一種新技術，需要有一個認知的過程，只有經過實踐證明FCS的優勢，才能形成巨大的市場需求，進而推動行業良性發展。畢業設計現場總線簡介3第1章現場總線簡介1.1現場總線的功能及要求現場總線控制系統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，把掛連接在總線上、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。1.1.1現場總線的功能現場總線的功能是：經濟、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。經濟性要求現場總線在傳遞信息的同時，解決現場裝置的供電問題，并要求傳輸介質較廉價。安全性要求現場總線解決防爆問題。可靠性要求現場總線解決環境適應性問題，包括電磁環境適應性（傳輸時不要干擾別人也不要被別人干擾）、氣候環境適應性（要耐溫、防水、防塵）、機械環境適應性（要耐沖擊、耐振動）。1.1.2現場總線的要求現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：指單位時間內傳輸的信息要多，通常用波特率來衡量。這條要求與普通計算機通信是一致的。（2）響應時間短：指突然發生意外事件時，儀表將該事件傳輸到網絡上或執行器接收到該信息馬上執行所需的時間。（3）巡回時間短：指系統與所有通信對象都至少完成一次通信所需的時間4。1.2幾種典型的現場總線20世紀80年代現場總線技術才開始和發展，這是與微型計算機，特別是嵌入式系統的高速發展分不開的。在十幾年的時間中，已經出現了好幾種現場總線技術走向成熟并且得到逐步的推廣應用，顯示出特有的優勢和強大的生命力3。1.2.1HART現場總線HART是HighwayAddressableRemoteTransducer(可尋址遠程傳感器高速公路)的縮寫。1986年由美國ROSEMOUNT公司開發的一套過渡性臨時通訊協議。但目前受到了廣泛承認,已成為事實上的國際標準。（1）HART協議以國際標準化組織(ISO)開放性系統互連模型(OSI)為參照,使用OSI的1、2、7三層,即物理層、數據鏈路層、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1200Hz,邏輯0為2200Hz,波特率為1200bps。它成功地使模擬和數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、記畢業設計現場總線簡介4錄儀及模擬控制。在不對現場儀表進行改造的情況下,逐步實現數字性能(包括數字過程變量),是一種理想的方案。這是一個由模擬系統向數字系統過渡的協議。（3）在應用層規定了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場設備中實現；第三類為特殊設備命令,以便在某些設備中實現特殊功能,這類命令可以允許開發此類設備的公司所獨有。此外它還為用戶提供統一的設備描述語言DDL。（4）HART支持點對點、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15個智能化設備。1.2.2LONWORKS現場總線LONWORKS是局部操作網絡,LON是LocalOperationNetwork的簡稱。1991年美國ECHERON公司推出該產品。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控、工廠自動化、工業過程控制、計算機外圍設備、電子測量設備等。LONWORKS在我國電力系統中的應用也已相當廣泛，如四方公司的CSC20