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1、基于CAN总线的温室大棚控制系统设计摘 要现场总线是自动化领域的计算机网络，是当今自动化领域技术发展的热点之一。它以总线为纽带，将现场设备连接起来成为一个能够相互交换信息的控制网络，是一种双向串行多节点数字通信的系统。CAN总线也是现场总线的一种，它最初被应用于汽车的控制系统中。由于其卓越的性能，CAN总线的应用范围已不再局限于汽车工业，被广泛应用到自动控制、楼宇自动化、医学设备等各个领域。CAN总线也是现场总线的一种，它能有效地支持分布式控制或实时控制，具有高性能和高可靠性的特点，现已形成国际标准。因此本文在简要介绍了现场总线技术之后，重点对 CAN 总线技术进行了详细阐述，并介绍了一个基于
2、 CAN 总线的计算机温度控制系统。本论文中论述了CAN总线的基本原理与技术规范;具体讨论了以微控制器AT89C52为核心的CAN总线测控节点的硬件接口电路设计、控制系统的总体结构及软件功能;并设计一基于CAN总线的计算机温度控制系统。关键词：现场总线；CAN 总线；计算机温度控制系统；独立CAN总线控制器SJA1000；初始化程序设计。AbstractField bus is a kind of computer network in autoimmunization field and it has been One of the hotspots of autoimmunization
3、fields technique development. Field bus connects the field equipments with a bus and makes it a network through which information can be exchanged mutually So field bus is a system which can transmit digital signals in two directions among many nodes. CAN is also one kind of field bus. Originally，it
4、 is applied in the control systems of cars. But its application is not limited In automobile industry for its excellent performance now. It is also applied in auto control、building autoimmunization、mechanical treatment equipments，and so on.CAN(Controller Area Network) is also one of field bus that s
5、upportsthe distributed control and time control .It has become an international standard about field bus due to its high capability and reliability. This paper sets forth detailedly CAN technology after introducing concisely Field bus technology. In the end, the design of a computer temperature cont
6、rol system based on CAN bus is introduced.In the paper，the elements and specification of CAN bus is dissertated. Discussion is made on the software function，the configuration of the control system and the hardware of the front-end node that takes the micro-controllerAT89C52as its core. The design of
7、 a CAN based computer control temperature system is introduced.Key words: Fieldbus; CAN(Controller Area Network); computer temperature control system；front一endnode; initialized module design。第1章 引 言11 现场总线的概念及发展背景现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的。所谓现场总线，就是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信
8、的底层控制网络。它在制造业、流程工业、控制、交通、楼宇等方面都具有广泛的应用前景。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线的传输界质，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，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络与控制系统。现场总线使自动控制系统与设备具有了数字通信的能力，把它们连接成网络系统，向我们展示了一种全新的系统集成理念。现场总线的产生首先受益于微处理器的发展。我们知道，传统的模拟仪表采用一对一的结构，它传输的是 420mA 的模拟信号，因而信号传输的可靠性比较差，并且
9、容易受干扰，在控制室里也控制不了仪表的工作状况，而廉价的微处理器发展使得智能仪表的发展成为可能，它传输的是数字信号，因而克服了模拟仪表的诸多缺陷，为现场总线的发展奠定了基础。此外，用户需求的不断提高和市场竞争所带来的压力是现场总线得以发展的源动力。由于模拟仪表所存在的缺点，使得 DCS 系统也摆脱不了模拟仪表的束缚，使其性能无法充分得到发挥，体系结构也难以更新，成本居高不下，因而其市场受到了极大的制约，用户和制造厂商都对此表示不满。在这种实际需求的驱动下，现场总线也就应运而生了。它作为过程自动化、制造自动化、楼宇、交通等领域现场智能设备之间的互连通信网络，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更
10、高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。12 现场总线的技术特点与优点现场总线是开放式互连网络，所有的技术和标准都是公开的，制造商必须共同遵守。这样用户可以自由集成不同制造商的通信网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连。另外，用户可以极其方便地共享网络数据库。同时开放性也意味着现场总线将打破 DCS 大型厂家的垄断，给中小企业带来了平等竞争的机遇。互可操作性则是指用户可按自己的需要和考虑，将不同制造商的符合同一协议的不同品牌的仪表集成在一起，构成所需要的控制系统，不必为集成不同品牌的产品而在硬件或软件上花费力气或者增加额外投资。微控制器植入现场设备后，现场
11、设备自身便可完成传感测量、补偿计算、控制等基本功能，并且可以随时诊断设备的运行状态。在传统的 DCS 中，体现的是集中管理与分散控制的思想，而现场总线则构成了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。图 1-1 和图 1-2 分别为 DCS 控制系统与现场总线控制系统 FCS 的结构示意图。由此可见，现场总线系统具有更高的可靠性和灵活性，易于进行重组和扩建，并且便于维护。工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，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
12、两线制实现供电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。因此，现场总线控制系统是一种全新的、有着强劲生命力的新型控制系统。图1.1 DCS控制系统结构示意图图1.2 现场总线控制系统 FCS 示意图13 几种有影响的现场总线技术基金会现场总线基金会现场总线(FF, Foundation Field bus)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。其前身是以美国 Fisher-Rosemount 公司为首，联合Foxboro,横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议和以Honeywell公司为首，联合欧洲等地的 150 家公司制订的 World FIP 协议。屈于用户的压力，这
13、两个集团于 1994 年 9 月合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。FF的体系结构参照 ISO/OSI 模型的第 1、2、7 层协议，即物理层、数据链路层和应用层，另外增加了用户层。FF 现场总线最初包括低速总线H1(速率为 31.25Kbps)和高速总线 H2(速率为 1 Mbps 和 2.5Mbps)两部分。但随着多媒体技术的发展和工业自动化水平的提高，控制网络的实时信息传输量越来越大，H2 的设计能力已不能满足实时信息传输的带宽要求。因此，现场总线基金会放弃了原有 H2 总线计划，取而代之的是将现场总线技术与成熟的高速商用以太网技术相结合的新型高速现场总线基
14、金会HSE (High Speed Ethernet)现场总线，并于 2000 年 3 月发布了 HSE 的最终规范(HSE1.0 版)。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射。Lon Works 是由美国 Echelon 公司推出并与摩托罗拉、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 模型的全部七层通讯协议，采用了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 1.5Mbps 不等，直接通信距离可在2700m (78Kbps，双绞线 )；支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电力线等多种通信介质，并开发了
15、相应的本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。Lon Works 技术核心是具备通信和控制功能的 Neuron 神经元芯片，它能完整地实现 Lon Works 的 Lon Talk 通信协议。集成芯片中有 3 个 8位 CPU，一个用于完成开放互连模型中的第 1 和第 2 层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理；第二个用于完成 36 层的功能，称为网络处理器，进行网络变量的寻址、处理、背景诊断、路径选择、软件计时、网络管理，并负责网络通信控制，收发数据包等；第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区，以实现 CPU 之间的信息传递，并作为网络缓
16、冲区和应用缓冲区。Echelon 公司的技术策略是鼓励各 OEM 开发商运用 Lon Works 技术和神经元芯片，开发自己的应用产品，据称目前已有 2600 多家公司在不同程度上卷入了 Lon Works 技术，1000 多家公司已经推出了 Lon Works 产品，并进一步组织起 Lon MARK 互操作协会，开发推广 Lon Works 技术与产品。它己被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、交通运输、工业过程控制等行业，在组建分布式监控网络方面有较优越的性能。另外，在开发智能通信接口、智能传感器方面，Lon Works 神经元芯片也具有独特的优势。PROFIBUS 是德国国家标准 DIN19245 和欧洲标准 EN50170 的现场总线 标 准 。由 PROFIBUS-DP, PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-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
