基于can总线的分布式测量系统研究设计毕业设计

基于can总线的分布式测量系统研究设计毕业设计内容摘要：

（ CAN）国际标准（ ISO11898），为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路 [15]。 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） CAN 总线的介绍 4 分布式系统及现场总线的发展 分布式系统的发展 分布式控制系统 DCS（ Distribution Controlling system）将数字技术、微电子技术、通信技术、屏幕显示技术与过程控制技术紧密地结合在一起，使过程控制由原来的第三代过程控制体系 —— 集中式控制 CCS(Concentric Control System)跨越到第四代控制体系的分布式控制，将流程工业自动化提高到一个新的水平。 集中式控制系统在硬件构成上，将每个检测点发送来的信号通过输入接口与集中控制系统相连，经过计算机分析运算后，集中控制系统的输出信号又通过输出接口去执行机构控制工艺生产。 在控制功能上，它把生产过程信息和生 产管理信息汇集起来，既完成生产控制功能，又完成一定的管理功能。 1975 年，美国的 HoneyWell 公司推出了第一套 DCS 分散控制系统。 它的基本思想就是控制分散、功能分散、危险分散，而操作集中、管理集中，加强了使用者的安全感和信任感。 DCS 集计算机软件技术、硬件技术、控制技术、通讯技术、冗余技术、故障诊断技术和图形显示技术为一体，灵活、易变更、易扩展。 DCS 经历了初创期（ 19751980）、成熟期（ 19801995）和扩展期（ 1985 以后）。 在技术上也由单纯的分散型控制到实现全系统的管理，引入局部网络 技术（便于多机资源共享），分散控制系统和信道复用等。 目前 DCS 的发展将导致进一步的系统开放，如使用统一的通信标准、中小及微型化操作站的功能强化以及 DCS 与可编程序控制器 (PLC)之间的渗透 [14]。 现场总线技术的发展 现场总线是 90 年代初期兴起的一种先进的工业控制技术。 它是一种全数字式、 全分散式、全开放、可互操作和开放式互联网络的新一代控制系统；是计算机技术、通信技术和控制技术的综合与集成；它将通信线一直延伸到生产现场和生产设备，用于制造自动化的现场设备仪表互连的现场通信网络。 使用现场总线 降低了成本，提高了可靠性，实现了控制管理一体化的结构体系。 现场总线控制系统 (FCS)既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。 它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及管理控制一体化的综合自动化功能。 这是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络为主要内容的综合技术 [1]。 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） CAN 总线的介绍 5 现场总线系统的特点 现场总线系统的结构特点 现场总线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设备连线，按控制回路分别进行连接。 而现场总线则是把智能设备挂接在总线上，多个设备共用一条总线。 现场总线系统由于采用了智能现场设备，能够把原先 DCS 系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设备，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直接传送信号，因而控制系统功能可以不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。 现场总线系统的技术特点 现场总线系统在技术上具有以下特点： ●系统的开放性： 一个开放系统 ，是指它可以与世界上任何地方遵守相同标准的其它设备或系统连接。 通信协议公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。 现场总线开发者就是要致力于建立统一的工厂底层网络的开放系统。 用户可按自己的需要和考虑，把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。 通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。 下面的图 1 是 FCS 典型体系结构。 图 1 FCS 典型体系结构 生产过程 现场总线 监控计算机 执行机构 智能仪器 监控计算机 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） CAN 总线的介绍 6 ●互可操作性与互用性 可操作性，是指实现互连设备之间、系统间的信息传送与沟通；而互用则意味着不同生产厂家的 性能类似的设备可实现相互替换。 ●现场设备的智能化与功能自治性 它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。 ●系统结构的高度分散性 现场总线已构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。 从根本上改变了现有 DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。 ●对现场环境的适应性 现场总线是专为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实 现供电与通信。 现场总线的优点 由于现场总线的以上特点，特别是现场总线系统结构的简化，使控制系统从设计、安装到正常生产运行及其检修维护，都体现出优越性。 节省投资：由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感控制报警和计算功能，不再需要 DCS 系统的信号调制、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控 PC 机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资，并可减少控制室的占地面积。 节省安装费用：现场总线系统的接线十分简单，一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥 架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。 当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。 据有关典型实验工程的测算资料表明，可节约安装费用 60％以上。 节省维护开销：由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间，同时由于系统结构简化，连线简单而减少了维护工作量。 用户具有高度的系统集成主动权 ：用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。 避免因选择了某一品牌的产品而限制了其它设备的选择范围。 提高了系统的准确性与可靠性：由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了传送误差。 同时，由于系统的结东华理工大学长江学院毕业设计（论文） CAN 总线的介绍 7 构简化，设备与连线减少，现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。 此外，由于设备标准化，功能模块化，因而还具有设计简单，易于重构等优点 [10]。 CAN 与其他几种现场总线的比较 自 80 年代末以来，有几种现场总线技术逐渐 在一些应用领域显示了自己的优势，它们具有各自的特点。 目前较流行的现场总线主要有以下几种： CAN， LONWORKS，FF(Foundation Fieldbus)， PROFIBUS。 与此同时，传统的 RS232 和 RS485 标准仍然在广泛地使用。 ● RS232C 串行接口标准 RS232C 是异步串行通信中应用广泛的标准总线接口，适用于数据终端设备 (DTE)和数据通信设备 (DCE)之间的接口。 它采用非平衡传输方式 (即单端通讯 )进行数据发送 /接收，其逻辑电平对地是对称的，与 TTL,MOS 逻辑电平完全不同。 逻辑 0 电平 规定为+5V～ +15V 之间，逻辑 1 电平为 5V～ 15V 之间。 因此 RS232C 驱动器与 TTL 电平连接必须经过电平转换。 RS232C 由于发送器和接收器之间具有公共信号地，不可能使用双端信号，因此共模噪声会耦合到信号系统中，这就是 RS232C 使用较高传输电压的主要原因。 即便如此，该标准的信号传输速率也只能达到 20kb/s，而且最大距离仅 15m，要想实现远距离传输，必须使用 Modem。 因此， RS232C 存在数据传输速率慢、传送距离短、串口处各信号间容易产生串扰等种种缺点，而且， RS232C 是专门为点对 点 (即只用一对收、发设备 )通讯而设计的，其驱动器负载为 3～ 7k?。 所以只适合本地设备单发、单收通信。 ● RS485 串行接口标准 RS485 是从 RS422 的基础上发展而来的。 为改进 RS232C 通信距离短、速率低而且不能实现多机通信的缺点， RS485 的数据传输采用平衡发送和差分接收方式，具有很强的抑制共模干扰能力，而且接收器具有较高的灵敏度，因此，最大传输距离可延长到 1219 米 (速率低于 l00kb/s 时 )，在 100 米范围内传输时速率高达 l0Mb/s，并允许在一条平衡总线上连接多个负载设备，负载设备可以 是被动发送器、接收器或收发器。 其接口标准是一种多发送器的电路标准，具有多点、双向通信能力，便于实现多机通信，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围。 RS485 串行接口支持半双工通信，只需一对双绞线即可方便地构成主机与多个子机的分布式系统，接口电路简单，系统成本低。 它采用差分式传输方式，双绞线的长度与传输速率成反比。 RS485 总线网络需要使用终接电阻进行匹配，其阻值相当于传输东华理工大学长江学院毕业设计（论文） CAN 总线的介绍 8 电缆的特性阻抗，一般为 120?。 匹配电阻接至总线电缆的两端，但在短距离与低速率传输时可以不必考虑，判断标准为 :当信号的转换时间 (上升或下降时间 )超过电信号沿总线单向传输所需时间的 3 倍以上时就可以不加匹配电阻。 RS485 的差分输入范围为 7V+12V，接收器最小输入阻抗为 12kΩ，抗干扰能力强，能满足 RS422 的所有规范，可以在 RS422 网络中应用。 目前， RS485 接口标准已被广泛应用于工业控制、仪器仪表、多媒体网络等诸多领域。 但是 RS485 总线毕竟只是一个简单的没有硬件通讯协议的物理层，其通讯协议完全依赖软件的支持，这就增加了系统通讯软件的负担。 并且，在几乎没有可靠的总线竞争仲裁与帧重发机制的情况下 ，数据的丢失率正比于总线数据的流通量。 RS485 总线一般以单主的工作方式设计，若令其工作在多主方式，则其通讯的可靠性反比于通讯网络的负荷量。 特别是系统节点工作在多种通讯模式下时，通讯的失误率与重发率将随着网络负荷量的增长而成倍增长，最终可能导致整个通讯网络的瘫痪。 RS485 通讯器件较小的收发缓冲区也不利于由它构成的网络长期处于连续或长字串的收发状态，这在接收和发送数据量不平衡的情况下尤其明显。 尽管如此，由于其在长线传输的抗干扰能力以及传输速率的优势， RS485 总线在小系统网络中还是有着广泛的应用。 例如在单幢 多层住宅中构建的智能网络单元， RS485 总线技术完全能满足网络单元内数据传输要求。 至于在远程监测控制领域，在网络数据负荷量相对较重的情况下， RS485 总线系统有可能无法达到较好的通讯效果。 ● LONWORKS 局部操作网络 (Local Operating Network)是由美国 Echelon 公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于 1990 年正式公布而形成的。 它采用了 ISO/OSI 模型的全部七层协议，应用面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从 300bps 至 不等，直接通信距离可达 2700m(78kbps，双绞线 )；支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种介质，被誉为通用控制网络。 LonWorks 技术所采用的 LonTalk 协议被封装在称之为 Neuron 的神经元芯片中而得以实现。 集成芯片中有 3 个 8 位的 CPU，共同完成 LonTalk 的七层协议功能。 Echelon公司同时提供了一套开发工具平台 LON Builder 与 Node Builder，以方便用户利用神经元芯片、 LonTalk 协议、 LonWorks 收发器开发出适合各自领域的系统和产品。 ●基金 会现场总线 (Foundation Fieldbus) 基金会现场总线是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术。 它以 ISO/OSl 七层模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为 FF 通信模型的相应层，并增加了用户层。 用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。 ● PROFIBUS 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） CAN 总线的介绍 9 PROFIBUS 是纳入德国国家标准 DIN 19245 和欧洲标准 EN50170 的现场总线标准。 由 DP， FMS， PA 组成了 PROFIBUS 系列。 DP 型用于分散外设间的 高速数据传输，适合于加工自动化领。