1、东华理工学院长江学院 毕业设计（论文 ） 题 目： 基于 CAN 总线通讯智能结点的设计与实现 英文题目： The Design and Implementation of Intelligent Nodes in Conjuction Based on the CAN Bus 学生姓名： 李长海 班 级： 023123 指导教师 ： 黄 河 专 业：自动化 二 零 零 六 年 六 月东华理工学院毕业设计 摘要 摘要 现场总线是连接现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。它是计 算机技术、通信技术和控制技术高度综合与集成的产物，是一种开放式和分布式的新模式。现场总线是当今
2、自动化领域技术发展的热点之一。 CAN(控制器局域网 )属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。 CAN 总线通讯智能节点的设计，是在现场总线系统中分布于现场的一个子系统，能实现数据采集与 反馈 控制，最大传输速率可达 1MB/s，最大传输距离为 10km。节点的核心器件是 PHILIPS 公司生产的 CAN 控制器（ SJA1000）和 CAN驱动器（ PCA82C250）以及微控制器（ 89C51 单片机）。 SJA1000 是集成的独立 CAN 控制器（与 PHILIPS 早期的 CAN 控制器 PCA82C200 完全兼容），它负责完成 CAN 总线通信协
3、议的物理层和数据链路层的功能。能够可靠的运行和完成要求的任务，控制信息在现场进行处理，而管理层则在上位机中实现。 该设计 体现了 CAN 总线高性能、高可靠性的特点。 关键词 现场总线 ； CAN； SJA1000 CAN 控制器 ； 82C250 收发器 ； 89C51 单片机 ； 设计 东华理工学院毕业设计 Abstract Abstract Field bus is a digital, bi-directional and multi-branch communication network that connects field equipments and automatic sy
4、stem. As a product integrating technology of computer, communication and control, the field bus featured with opening and distribution has been one of the key technologies in modern automatism field. As one of the field buses, CAN (Controller Area Network) is a serial communication network that supp
5、orts distributed and real time control effectively. The Design and Implementation of Intelligent Nodes in Conjuction Based on the CAN Bus, is distributes in the field bus system in a scene sub- system, can realize the data acquisition and the closed-loop control, the maximum transmission speed may r
6、each 1MB/S, the maximum transmitting range is 10km. The pitch point core component is the CAN controller which PHILIPS Corporation produces (SJA1000) and the CAN driver (PCA82C250) as well as the micro controller (the 89C51 monolithic integrated circuit). SJA1000 is the integrated independent CAN co
7、ntroller (is completely compatible with PHILIPS early CAN controller PCA82C200), it responsibly completes the CAN main line correspondence agreement the physical level and the data link layer function. Can the reliable movement and completes the request the duty, the control information carries on p
8、rocessing in the scene, but management level then realizes in on position machine. Has manifested the CAN main line high performance, the redundant reliable characteristic. Keywords Field bus； CAN； Distributed Measurement Control System； SJA1000 CAN Controller； 82C250 Transceiver； MCU 89C51； Design
9、东华理工学院毕业设计 目录 目录 摘要 关键词 绪论 . 1 第 1 章 现场总线简介 . 3 1.1 现场总线的功能及要求 . 3 1.1.1 现场总线的功能 . 3 1.1.2 现场总线的要求 . 3 1.2几种典型的现场总线 . 3 1.2.1 HART 现场总线 . 3 1.2.2 LONWORKS 现场总线 . 4 1.2.3 PROFIBUS 现场总线 . 4 1.2.4 CAN 现场总线 . 5 1.3 现场总 线的结构 . 5 1.4 现场总线的优点 . 6 1.5 现场总线的特点 . 7 第 2 章 CAN 总线简介 . 8 2.1 控制器局部网 (CAN) . 8 2.2
10、CAN 的性能特点 . 8 2.3 CAN 节点的分层结构 . 9 2.4 CAN 通信技术 . 10 2.4.1 CAN 通信参考模型 . 11 2.4.2 CAN 的报文传送与通信帧结构 . 11 第 3 章 CAN 通信控制器 . 13 3.1 CAN 控制器 SJA1000 结构及主要特点 . 13 3.1.1 SJA1000 的主要新功能 . 13 3.2 SJA1000 的功能框图与引脚说明 . 14 3.2.1 SJA1000 寄存器功能 . 14 3.2.2 SJAI000 在 PeIiCAN 模式下的验收滤波及总线时序寄存器的具体用法. 17 3.3 SJA1000 的初始化
11、 . 18 3.3.1 SJA1000 的初始化流程 . 18 3.3.2 SJA1000 的初始化子程序 . 20 3.4 SJA1000 与 PCA82C200 的性能比较 . 22 东华理工学院毕业设计 目录 3.5 SJA1000 有两种不同工作模式 . 22 第 4 章 CAN 收发器 82C250 . 23 4.1 82C250 的主要特性及硬件图 . 23 4.2 82C250 功能描述 . 24 第 5 章 微处理器 89C51 . 25 5.1 89C51 的功能和特点 . 25 5.2 89C51 的存储器结构 . 26 第 6 章 CAN 总线通讯智能节点的设计 . 27
12、 6.1 采用 CAN总线系统 . 27 6.2 CAN 总线通讯智能结点的系统构成 . 28 6.3 CAN 总线通讯智能结点电路的设计 . 28 6.3.1 CAN 智能节点通讯模块 . 29 6.3.2 信息采集和反馈模块 . 30 6.4 CAN 报文的发送 . 31 6.4.1 查询控制的发送 . 31 6.4.2 中断控制的发送 . 31 6.4.3 中止发送 . 32 6.5 CAN 报文的接收 . 34 6.5.1 查询控制的接收 . 34 6.5.2 中断控制的接收 . 35 6.6 智能节点软件设计 . 36 6.6.1 发送子程序 . 37 6.6.2 查询方式接收子程序
13、 . 39 第七章 设计结论 . 41 致谢 . 41 参考文献 . 42 附录 1 43 东华理工学院毕业设计 绪论 1 绪论 现场总线是一种数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。它 是计算机技术、通信技术和控制技术高度综合与集成的产物，是一种开放式和分布式的新模式。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它越来越广泛的应用于上业控制、智能建筑和交通等诸多领域 1。 CAN (Controller Area Network-控制器局域网 )属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。 CAN 的通信速率为 5kbps - 1Mb
14、ps，最大传输距离可达 1Okm(通信速率为 5kbps 时 )，节点数可达 110，传输介质为双绞线。CAN 具有可 靠性高、支持多主处理、支持优先级仲裁、链路简单、配置灵活、芯片资源丰富、成本低廉等特点。 本文基于 CAN现场总线技术，系统中采用了 SJA1000 CAN 控制器， 82C250 收发器， 89C51 单片机等芯片， 设计开发了通讯智能结点电路，能实现 信息采集与反馈 控制，而搭配不同的传感器，可以应用在不同的场合，实现智能控制 2。 现场总线技术自 70 年代诞生至今，由于它在减少系统线缆，简化系统安装、维护和管理， 降低系统的投资和运行成本，增强系统性能等方面的优越性，
15、引起人们的广泛注意，得到大范围的推广，导致了 自动控制领域的一场革命。 目前，现场控制层所采用的控制网络种类繁多，有 DCS, PLC, SCADA，现场总线等，虽然 DCS 控制系统采用了分层的结构，运用数字信号和模拟信号混合通讯，克服了点对点控制的诸多弊端，但是并没有完全解决模拟信号传输带来的问题，而且不同厂家的产品自成体系，难以实现互联、互操作和互换。而与其它控制网络相比，现场总线具有开放性、互操作性、系统结构的高度分散性、灵活的网络拓扑结构、现场设备的高度智能化、对环境的高度适应性等诸多突出特点。 现场总线技术就是在这种情况下应运而生 ，它的出现引起了工业控制领域的巨大变革。其具有的突
16、出的优点将成为工业测控领域的发展趋势 3。 现场总线技术产生于 20 世纪 80 年代，但对它的研究开发之热却是近年之举。这一方面是因为信息时代各项技术的发展对自动化系统提出了新的要求，促进了该领域的网络化、信息化进程 ;另一方面也是由于它本身所蕴涵的技术经济潜力。欧洲、北美、亚洲的许多国家都投入巨额资金与人力研究开发该项技术，出现了现场总线技术与产品百花齐放、兴盛发展的态势。例如丹麦 Process Data 公司 1983 年推出的 P Net、德国 Siemens 公司 1984 年推出的 Profibus，法国 Alston 公司 1987 年推出的 FIP等都属于早期推出且至今仍有较
17、大影响的总线技术。目前国际上有 40 多种现场总线，但影响较大的主要有 FF(Foundation Fieldbus), Profibus(Process Fieldbus),CAN ( Controller Area Network), Lonworks(Local Operation Network) 、HART(HighwayAddressable Remote Transducer)等 。 东华理工学院毕业设计 绪论 2 从总体上来 说，现场总线是应用在生产现场、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、多点通信的底层控制网络其先驱可谓是 Hon
18、eywell 公司在 1983 年推出的数字信号 4-20 mA输出的差分信号驱动器，它在输出的 4 -20 mA 直流信号上叠加了数字信号，从而使现场装置与控制室控制装置之间的连接由模拟信号过渡到了数字信号。在此基础上，美国 Rosemount公司配合使用了它自己的 HART 数字通信协议。到了 1987年，美国 Foxbor 公司开发了 I/A 智能式自动控制系统，系统中使用了全数 字通信。 尽管目前对现场总线的研究尚未能形成一个完善的统一标准，但现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统采用。 现场总线技术的发展在我国刚刚起步。根据我国国民经济发展需要和市场需求，结合现场总线技术本身的
19、特点及我国国情，现场总线专业委员会 (CFFC)确定了我国现场总线技术发展的 32 字方针，即”市场牵引，面向专业 ;引进消化，开发创新 ;总体规划，突出重点 ;内外结合，推进行业”。可以预期，现场总线技术在我国的发展前景令人鼓舞。 1996 年 10月，在美国芝加哥举行的 96ISA 展览会上 ，醒目地展现了基金会现场总线 ;1998 年 4月在北京举行的多国仪器仪表展览会上，名目繁多的现场总线产品，更是给人一种现场总线已是大势所趋的感觉。 1998 年的中国控制会议上，专门安排了现场总线控制系统的大会专题报告，表明现场总线技术不仅是工业控制系统的必然趋势，同时也成为控制理论研究的新方向。现
20、场总线技术的兴起，推动了 DCS 的全面革新，为工业自动化实施先进控制策略创造了条件，同时也有力地推动了计算机通信等相关技术的迅速发展。 1998 年 8 月，中国第一套现场总线系统由国家电力公司热工研究院从美国Fisher-Rosemount 公司引进，该系统采用 P1antWebTM 基于现场结构的最新技术，同时也是在中国第一次运用 FF 技术。它将智能化现场设备、规模可变的平台和模块化软件结合在一起，实现过程控制。这套系统将用于国内大中型火力发电厂汽轮机性能考核测试，它包括一套 DeltaV 规模可变的过程控制系统、 AMS 设备管理系统以及 100余套基于 FF 技术的压力温度变送器。
21、该项目的引进也标志着我国电力自动化技术进入了一个新时代。 目前中国现场总线发展面临的问题，除了继续开发新产品和新技术之外，还有两项重要的工作。一项是技术应用， 目前所取得的成果大多是技术上的，将技术转化为产品，还要在生产工艺、质量管理等方面进行大量的工作 ； 另一方面是产品推广， DCS在我国经过多年推广应用，技术上已经非常成熟， FCS 是一种新技术，需要有一个认知的过程，只有经过实践证明 FCS的优势，才能形成巨大的市场需求，进而推动行业良性发展。 东华理工学院毕业设计 现场总线简介 3 第 1 章 现场总线简介 1.1 现场总线的功能及要求 现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种
22、全分布控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂连接在总线上、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。 1.1.1 现场总线的功能 现场总线的功能是：经济、安全、可靠地传递信息；正确使用所传信息；及时处理所传信息。经济性要求现场总线在传递信息的同时，解决现场装置的供电问题，并要求传输介质较廉价。安全性要求现场总线解决防爆问题。可靠性要求现场总线解决环境适应性问题，包括电磁环境适应性（传输时不要干扰别人也不要被别人干扰）、气候环境适应性（要耐温、防水、防尘）、机械环境适应性（要耐冲击、耐振动）。 1.1.2 现场总线的要求 现场总线不仅要求传输速度快，在过程控制领域还要求响应
23、快，即实时性要求。这样 “快”就有三种含义。 （ 1）传输速度快：指单位时间内传输的信息要多，通常用波特率来衡量。这条要求与普通计算机通信是一致的。 （ 2）响应时间短：指突然发生意外事件时，仪表将该事件传输到网络上或执行器接收到该信息马上执行所需的时间。 （ 3） 巡回时间短：指系统与所有通信对象都至少完成一次通信所需的时间 4。 1.2 几种典型的现场总线 20 世纪 80 年代现场总线技术才开始和发展，这是与微型计算机，特别是嵌入式系统的高速发展分不开的。在十几年的时间中，已经出现了好几种现场总线技术走向成熟并 且得到逐步的推广应用，显示出特有的优势和强大的生命力 3 。 1.2.1 H
24、ART 现场总线 HART 是 HighwayAddressableRemoteTransducer(可寻址远程传感器高速公路 )的缩写。 1986 年由美国 ROSEMOUNT 公司开发的一套过渡性临时通讯协议。但目前受到了广泛承认 ,已成为事实上的国际标准。 （ 1） HART 协议以国际标准化组织 (ISO)开放性系统互连模型 (OSI)为参照 ,使用OSI 的 1、 2、 7 三层 ,即物理层、数据链路层、应用层。物理层采用基于 Be11202 通信标准的 FSK 技术 ,所以可以通过租用电话线进行通信。 （ 2） HART 协议使用 FSK 技术在 42mA过程测量模拟信号上叠加一个
25、频率信号。逻辑 1 为 1200Hz,逻辑 0 为 2200Hz,波特率为 1200bps。它成功地使模拟和数字双向信号能同时进行而且互不干扰。因此在与智能化仪表通信时 ,还可使用模拟仪表、记东华理工学院毕业设计 现场总线简介 4 录仪及模拟控制。在不对现场仪表进行改造的情况下 ,逐步实现数字性能 (包括数字过程变量 ),是一种理想的方案。这是一个由模拟系统向数字系统过渡的协议。 （ 3） 在应用层规定了 3 类使命 ,第一类是通用命令 ,这是所有设备都能理解、执行的命令 ;第 二类是一般行为命令 ,它所提供的功能可以在许多现场设备中实现 ;第三类为特殊设备命令 ,以便在某些设备中实现特殊功能
26、 ,这类命令可以允许开发此类设备的公司所独有。此外它还为用户提供统一的设备描述语言 DDL。 （ 4） HART 支持点对点、主从应答方式和多点广播方式。 （ 5） 直接通信距离 :有屏蔽双绞线单台设备 3000m,而多台设备互相距离 1500m。只使用一个电源时 ,能连结 15 个智能化设备。 1.2.2 LONWORKS 现场总线 LONWORKS 是局部操作网络 ,LON是 LocalOperationNetwork 的简称。 1991 年美国ECHERON 公司推出该产品。其应用范围几乎包括了测控应用的所有范畴 ,特别是航空 /航天、楼宇自动化、能源管理、变电站测控设备的监控、工厂自动
27、化、工业过程控制、计算机外围设备、电子测量设备等。 LONWORKS 在我国电力系统中的应用也已相当广泛，如四方公司的 CSC2000 变电站综合自动化系统即采用 LONWORKS 总线。在长沙电业局范围内有新开铺、桂花、五一特、井湾子、安沙、镇头等 6个 110kV 变电站应用了该系统。 （ 1） LONWORKS 的通信协议 LONTALK 协议遵循 ISO/OSI 参考模型 ,提供了 OSI所定义的全部 7 层服务。这是在现场总线中唯一提供全部服务的现场总线。 （ 2） LONWORKS 的核心是 Neuron(神经元 )芯片 ,内含 3 个 8 位的 CPU:第一个 CPU为介质访问控
28、制处理器 ,实现 LONTALK协议的第一层和第二层 ;第二个 CPU为网络处理器 ,实现 LONTALK 协议的第三层至第六层 ;第三个 CPU 为应用处理器 ,实现 LONTALK 协议的第七层 ,执行用户编写的代码及用户代码所调用的操作系统服务。 LON-WORKS 的神经元芯片已由 Motorola 和东芝公司生产。 （ 3） 提供一套开发工具平台 LONBuilder和 NodeBuilder。有了这一套工具 ,用户就可以利用神经元芯片、 LONTALK 通信协议和 LONWORKS 收发器很方便也很灵活地开发出自己所需要的系统和产品。 （ 4） LONWORKS 的直接通信距离为
29、2700m/78Kbps、 130m/1.25Mbps;节点数 32000个 ;传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤、电缆线等。 1.2.3 PROFIBUS 现场总线 PROFIBUS 是 ProcessFieldBus(过程现场总线 )的简称。 1987 年德国联邦科技部集中了 13家公司和 5 个研究所按 ISO/OSI 参考模型制订 现场总线的德国标准。于 1991年 4 月在 DIN19245 中发表 ,并正式成为德国现场总线标准 ,而后又列入了欧洲标准EN50170。 PROFIBUS 得到了广泛的支持 ,仅在德国 1996 年 10 月至 1997 年 1 月就安装了 47000 个系统 ,已广泛应用在加工工业、过程自动化、智能大楼、变电站自动化系
