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1、基于 C A N总线的分布式控制系统的研究与实现摘 要随着现代工业的飞速发展和生产规模的不断扩大对企业生产自动化和各种信息的集成要求越来越高分布式控制系统以它的高可靠性成为用户解决方案的首选近几年来以实时分布式系统为基础的现场总线技术也已成为自动化领域的热点之一本文针对分布式控制系统实时性的特点研究并实现了分布式控制系统的节点并完成了如下几个方面的工作1 硬件实现上针对微控制器的 I/O 资源有限的问题充分利用了总线读写时序和 I2C 总线技术连接各种功能模块分析 CAN的接口芯片的各种连接方式最后设计了基于 CAN 总线接口的分布式控制系统节点2 软件实现上兼顾系统的效率和可维护性在节点的微
2、控制器的编程中使用汇编与 C 语言混和编程的方法既利用了汇编语言对底层直接操作的高效特点又利用了 C 语言在编程逻辑上便于理解的长处提高了节点的代码效率缩短了节点反应时间3 算法上考虑到分布式控制系统各节点的实时性要求在分析了现有的节点间通信策略后选择了在节点端采用按固定时间片分配任务在总线处采用 CAN 固定优先级的报文传送整个网络具有全局同步时钟的数据传输协议有效的避免了系统各节点发送报文时的冲突问题4 提出了基于 CAN 总线的全局时钟同步的方法并在此基础上设计各个节点的初始化和同步丢失后的处理进一步提高了网络的容错性通过这些工作构建出了一个基于CAN 总线的分布式控制系统的平台关键词C
3、AN混和编程时钟同步分布式控制The Implementation and Research on Distributed ControlSystem Based on CAN BusABSTRACTWith the rapid growth of modern industry and manufacture scale, thedemand of integration of manufacture automation as well as otherinformation is increasing. Due to its highly dependability, distribut
4、edcontrol system has become the best solution. Especially, field bus basedon distributed control system has become a hot spot in the field ofautomation.This thesis is mainly about implementation and research of the nodein distributed system aiming at its real-time performance. This paper willcover t
5、he following task:1, Hardware Implementation: To solve the problem of I/O resource limitin general micro-controller, a method using the bus timing and I2C serialbus to save I/O resource was introducedAnalysis of the differencebetween the various connections of CAN interface chip was carried out,fina
6、lly an application of distributed control system based on CAN buscame into being.2, Software Implementation: Considering the efficiency andmaintainability of the system, during the programming of the micro-controller, we used mixed-language to take both advantages of C51 andassembly language. It can
7、 improve the node performance during the run-time.3 Algorithm design: To realize the real-time demand of each node,after a comparison was conducted of different scheduling policy, weselect an implementation with SC Processor, FP communication and aglobal time base. It solved communication collision
8、problem.4, A Synchronizing method was brought forward. Furthermore, acomplete design of each node initialization and re-synchronizing afterlost time base was also discussed.After finishing the listed work above, we initially construct a platformof distributed control system based on CAN bus.KEY WORD
9、S:CAN, mixed-language programming, time synchronize, distributedcontrol system1第一章 绪论1.1分布式控制系统简介随着控制计算机通信网络等技术的发展实时分布式系统在工业控 制系统中使用越来越多与早期的模拟数字信号混合的集散控制系统不同现 在的分布式控制系统是全数字系统模拟量的输入输出通过各节点端的AD DA转换为数字量便于各个节点之间通信节点具有一定通信和计算的能力 在网络或其他节点出现问题时不易受到影响 分布式控制系统把多个测量控制仪表连接成网络系统在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程控制计算
10、机之间实现数据传输与信息交换进一步形成适应各种实际需要的自动控制系统简言之它把单个分散的测量控制设备变换成网络节点把他们连接成可以相互进行信息交换共同完成自控任务的网络和控制系统它给自动化领域带来的变化正如众多分散的计算机被连接在一起使计算机的功能作用发生了变化现场总线则使自控系统与设备具有了通信能力把他们连接成网络系统加入到信息网络的行列1以分布式控制系统为基础的现场总线技术近几年来已成为自动化领域的热点之一它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它将专用的C P U 置入传统的测量控制仪表使它们各自具有了计算和通信的能力现场总线的产生主要为了解决不同厂商的
11、设备难以互连的问题所以它始终朝着开放系统统一标准的方向发展至今几种有影响的现场总线技术包括 基金会现场总线( F F , F o u n d a t i o n F i e l d b u s )L o n W o r k s P R O F I B U S C A N H A R T一方面大量的应用证明了与传统控制系统相比分布式控制系统有其自身的优点图1 1 典型的传统控制系统结构图2F i g u r e 1 - 1 T y p i c a l C o n t r o l S y s t e m S t r u c t u r e传统的控制系统处于生产过程底层或采用一对一连线用电压电流的模
12、拟信号进行测量控制信号精度低易受干扰或采用自封闭式的集散系统对控制器本身要求很高必须具有足够的处理能力和极高的可靠性当系统任务增加时控制器的效率和可靠性将急剧下降而这两种实现都难以进行设备之间以及系统与外界之间的信息交换( 图1 1 )与之相对应的是分布式控制系统( 图1 2 )图1 2 分布式控制系统结构图F i g u r e 1 - 2 D i s t r i b u t e d C o n t r o l S y s t e m S t r u c t u r e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每个节点都可以完成各自的功能
13、同时又在不断的与其他节点进行通信降低了传统控制系统对中央节点的过度依赖性但它的实现也对网络的可靠性提出了一定要求1另一方面大量的应用也带来许多值得考虑的问题硬件上为了保证开发人员编写控制系统的自由方便网络通信协议相关实现多数由芯片中的硬件电路实现运算速度快但同时也丧失了开发人员修改底层通信协议的灵活性软件上系统运行时用于维护总线的开销应该较小分布式控制系统通信协议如果太过复杂导致运行时这一开销增大直接后果就会导致系统实时性变差所以在硬件基础上实现的网络至应用层的协议都应该简单明确因为可靠及时是控制系统最需要的商业上大规模的应用要求控制系统的成本降低如何在降低成本的同时保证系统的优良性能这又是矛
14、盾之一论文将从以上这些问题出发阐述分布式控制系统的硬件实现和网络通信协议的软件编制31.2分布式系统底层协议1.2.1 CAN总线控制器局部网 C A N C o n t r o l l e r A r e a N e t w o r k 是一种主要用于控制系统中的多主机局部网络系统它最初是由德国 B o s c h公司为汽车的监测控制系统而设计的由于 C A N具有卓越的特性和极高的可靠性特别适合于工业过程中监控设备的互连, 因此, 越来越受到工业界的重视C A N 总线具有如下特性: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的其他节点发送信息, 而不分主从, 通信
15、方式灵活可以点对点点对多点 ( 成组 ) 及全局广播方式发送和接收数据网络上的节点信息可分成不同的优先级, 可以满足不同的实时要求采用非破坏性总线仲裁技术当两个节点同时向网络上发送数据时, 优先级低的节点主动停止数据发送, 而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据,大大地降低了总线仲裁的冲突时间, 在网络负载很重的情况下也不会出现网络故障或瘫痪直接通信距离最大可达 1 0 K M ( 速率 5 K B / S以下) , 最高通信速率可达1 M B / S ( 此时距离最长为 4 0 M )系统可扩充性能好C A N总线是基于发送报文的编码 , 而不是对 C A N控制节点进行编码 , 这样即使
16、增添或删除 C A N总线上的控制节点不会对系统造成太大的影响1.2.1 485/422总线485/422 总线是指采用美国电子工业协会 EIA 制定的 RS-485/RS-422 标准的总线形式这些总线形式都是在早期的 RS-232-C 标准上进一步制定的RS-232总线在工业中被大量使用但由于 RS-232-C 接口标准的接收器与发送器之间有公共信号地只能传送单端信号不能传送双端信号这样共模噪声就会耦合到系统中传输距离越长接收器与发送器之间的信号地越有可能产生偏差所以为了准确传送信号不得不增大信号幅度27为了改善这一情况EIA 又制定了 RS-423,RS-422 和 RS-485 标准做为总线的电气标准没有限制实现该标准所需的物理标准而是规定无论发送还是接收数据均用两条线传送双端差分信号降低了信号的幅度增加了信号传送的距离RS-422 与 RS-485 的不同在于: RS-422 是全双工的采用两对平衡差分信号4线传送而 RS-485 是半双工的只有一对信号线另外485/422 总线没有冲突检测功能所以在早期的实现中网络设有中央节点
