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现场总线论文
测控技术与测控网络系统
学科设计（论文）
题目：
现场总线技术及其应用
——CAN总线
学生姓名：
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年月日
一、摘要
在当今信息化，网络化新科技时代，网络测控技术已被广泛地应用于工业产品生产、自动控制、科学研究等方面，而且在工业、农业、家庭、医学、军事和空间科学技术等领域也发挥出它的强大功能。
而现场总线技术的不断进步不仅代表了测控技术的快速发展，同时也带动了各个领域向着更高一层的自动化、网络化、智能化不断前进。
而控制器局域网总线CAN的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。
由于其良好的性能及独特的设计,CAN总线越来越受到人们的重视，它在汽车领域上的应用是最广泛的。
CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。
本文以控制器局域网总线CAN为例，主要介绍了当今被广泛使用的CAN总线的基本原理，并通过诸多实例加以说明。
以空调为例构建了一个网络化的测控系统，为空调系统的发展提供一个实例。
最后又根据CAN总线的原理和功能总结了时下CAN总线的优缺点，同时根据CAN总线在实际生产生活中的应用情况对CAN总线的发展趋势做出了预测。
本文仅供读者参考。
关键词：
网络化测控系统；控制器局域网总线CAN；工作原理；应用；优缺点；发展趋势；
二、当前网络化测控系统的现状和发展趋势
自跨入二十一世纪以来，信息化已成为了当今社会发展的趋势，全球都步入了一个信息化的时代。
而现代测控技术是集计算机技术、微电子技术、信息论、控制论、测量技术、传感技术等学科发展的产物，是这些学科在解决系统、设备、部件性能检测和故障诊断的技术问题中相结合的产物。
凡是需要进行性能测试和故障诊断的系统、设备、部件，均可以采用测控技术，它既适用于电系统也适用于非电系统。
电子设备的自动检测与机械设备的自动检测在基本原理上是一样的，均采用计算机/微处理器作控制器通过测试软件完成对性能数据的采集、变换、处理、显示/告警等操作程序，而达到对系统性能的测试和故障诊断的目的。
信息交换共享这个时代主题是测控系统的发展方向之一，所以，通过组建网络来形成使用测控系统已成为现代测控技术的发展趋势。
作为代表，测控仪器仪表单元微小型化、智能化日趋明显。
测控技术的两个方面，一个是测一个是控。
“测”是依靠传感器和信号传输电路，即测控电路；“控”则是依靠现代计算机的计算处理能力，根据数据得出相应结果，通过反馈等方式控制整个系统。
计算机已经成为测控技术中的中坚力量，于是，网络技术也就自然而然的越来越成为测控技术满足实际需求的关键支持。
但是不可否认，测控电路依然是测控技术发展的基础，和另一个重要的发展方向。
20世纪50年代初，计算机就开始应用于工业生产过程控制，控制理论与计算机技术的结合，产生了新型计算机控制系统，为自动控制系统的应用与发展开辟了新的阶段。
目前，应用较多的现代控制策略主要有自适应控制、变结构控制、鲁棒控制和预测控制等。
就应用而言，现代测控技术在当今社会的各个行业中,起着举足轻重的作用。
无论科学研究、产品质量及自动控制都需要检测。
例如现代检测技术的一个主要发展方向光电检测技术，它由于具有测量精度高、速度快、非接触、频宽与信息容量极大、信息效率极高以及自动化程度高等突出特点而广泛应用于工业、农业、家庭、医学、军事和空间科学技术等领域。
其中，现场仪表与控制室装置之间通信采用模拟信号4～20mA，数字控制仪表内部的信号处理为数字信号，但输入仍为4～20mA，控制装置之间和控制装置与上位计算机之间采用数字通信技术。
例如目前数字控制仪表，DCS系统，PLC系统，FCS系统等。
从20世纪80年代中期以来，CIMS日渐成为制造工业的热点。
其原因不仅在于CIMS具有提高生产率、缩短生产周期以及提高产品质量等一系列极有吸引力的有点，也不完全在于一些大公司采用CIMS取得了显著的经济效益，最根本的原因在于CIMS是在新的生产组织原理和概念指导下形成的一种新型生产模式。
世界上很多国家和企业把发展CIMS定为本国制造工业或企业的发展战略，制定了很多由政府和工业界支持的计划，用以推动CIMS的开发与应用。
但随着工业向大型、连续、综合化发展，所构成的系统会越来越复杂。
随着信息时代的发展，现代测控技术在追求仪表智能化的同时，还对其稳定性、可靠性和适应性要求也不断提高，相应的，随着技术发展，测控技术大量应用高新技术和新的科学研究成果，测控技术的技术指标与功能不断提高。
测控系统中，就控制仪表与装置涉及的面而言便是非常的广泛的，如DCS、PLC、新型控制仪表、变送器及执行器等都有自己的发展轨迹，但它们的发展都围绕着实现工厂整体自动化（FA）这个总目标，即将自动控制装置用于生产流程的整个操作过程，从开机到停机的全程控制及将控制、生产计划安排和工厂全面管理有机的结合起来，实现工厂整体的自动化、综合化、最佳化。
测量单元微小型化、智能化测量控制与仪器仪表大量采用新的传感器、大规模和超大规模集成电路、计算机及专家系统等信息技术产品，不断向微小型化、智能化发展，从目前出现的“芯片式仪器仪表”，“芯片实验室”、“芯片系统”等看，测量单元的微小型化和智能化将是长期发展趋势。
从应用技术看，微小型化和智能化测量单元的嵌入式连接和联网应用技术得到重视。
测控范围向立体化、全球化扩展，测量控制向系统化、网络化发展。
随着仪器仪表所测控的既定区域不断向立体化、全球化甚至星球的发展，仪器仪表和测控装置已不再呈单个装置形式，它必然向测控装置系统化、网络化方向发展。
例如一个大型水电站的测控系统，仅检测大坝安全性的传感器就达数千个，此外各个发电机组状态及水位情况的检测控制点（I/O测控点）将超过万点，要达到大型水电站的正常发电和送电，必须将各个测控点的测控装置形成一个有机的测控网络系统。
又例如卫星测控系统，运载火箭上配置的各种传感器就达到数千，而卫星上各种测控装置构成一个完整的自动测控系统，然后和多个地面站的测控系统构成一个广域测控系统。
三、CAN总线的基本原理
控制器局域网总线（CAN，Controller Area Network）是一种用于实时应用的串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，是世界上应用最广泛的现场总线之一。
CAN协议由德国的Robert Bosch公司开发，用于汽车中各种不同元件之间的通信，以此取代昂贵而笨重的配电线束。
该协议的健壮性使其用途延伸到其他自动化和工业应用。
CAN协议的特性包括完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传输速率高达1Mb/s、同时具有11位的寻址以及检错能力。
CAN总线是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电子干扰性，并且能够检测出产生的任何错误。
CAN总线可以应用于汽车电控制系统、电梯控制系统、安全监测系统、医疗仪器、纺织机械、船舶运输等领域。
CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。
CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。
采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由11位或29位二进制数组成，因此可以定义211或229个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。
数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。
同时，8个字节不会占用总线时间过长，从而保证了通信的实时性。
CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。
CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。
1. CAN总线的特点
具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点；
采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作；
具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN 控制器挂到CAN-bus 上，形成多主机局部网络；
可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；
可靠的错误处理和检错机制；
发送的信息遭到破坏后，可自动重发；
节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；
报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。
2. CAN总线的工作原理
CAN总线使用串行数据传输方式，可以1Mb/s的速率在40m的双绞线上运行，也可以使用光缆连接，而且在这种总线上总线协议支持多主控制器。
CAN与I2C总线的许多细节很类似，但也有一些明显的区别。
当CAN总线上的一个节点（站）发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点。
对每个节点来说，无论数据是否是发给自己的，都对其进行接收。
每组报文开头的11位字符为标识符，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。
在同一系统中标识符是唯一的，不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。
当几个站同时竞争总线读取时，这种配置十分重要。
当一个站要向其它站发送数据时，该站的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的CAN芯片，并处于准备状态；当它收到总线分配时，转为发送报文状态。
CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时网上的其它站处于接收状态。
每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。
由于CAN总线是一种面向内容的编址方案，因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。
我们可以很容易地在CAN总线中加进一些新站而无需在硬件或软件上进行修改。
当所提供的新站是纯数据接收设备时，数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址。
它允许分布过程同步化，即总线上控制器需要测量数据时，可由网上获得，而无须每个控制器都有自己独立的传感器。
3.CAN总线的应用
CAN总线在组网和通信功能上的优点以及其高性价比据定了它在许多领域有广阔的应用前景和发展潜力。
这些应用有些共同之处：
CAN实际就是在现场起一个总线拓扑的计算机局域网的作用。
不管在什么场合，它负担的是任一节点之间的实时通信，但是它具备结构简单、高速、抗干扰、可靠、价位低等优势。
（1）汽车生产中的应用
CAN总线最初是为汽车的电子控制系统而设计的，目前在欧洲生产的汽车中CAN的应用已非常普遍，不仅如此，这项技术已推广到火车、轮船等交通工具中。
应用CAN总线，可以减少车身布线，进一步节省了成本，由于采用总线技术，模块之间的信号传递仅需要两条信号线。
布线局部化，车上除掉总线外其他所有横贯车身的线都不再需要了，节省了布线成本。
CAN总线系统数据稳定可靠，CAN总线具有线间干扰小、抗干扰能力强的特点。
CAN总线专为汽车量身定做，充分考虑到了汽车上恶劣工作环境，比如点火线圈点火时产生的强大的反充电压，电涡流缓冲器切断时产生的浪涌电流及汽车发动机仓100℃左右的高温。
随着安全性能日益受到重视,安全气囊也将逐渐增多,以前是在驾驶员前面安装一个,今后侧面与后座都会安装安全气囊,这些气囊通过传感器感受碰撞信号,通过CAN总线将传感器信号传送到一个中央处理器内,控制各安全气囊的启动弹出动作。
同时,先进的防盗设计也正基于CAN总线网络技术。
首先,确认钥匙合法性的校验信息通过CAN网络进行传递,改进了加密算法,其校验的信息比以往的防盗系统更丰富;其次,车钥匙、防盗控制器和发动机控制器相互储存对方信息,而且在校验码中搀杂随机码,无法进行破译,从而提高防盗系统的安全性。
而这些功能的实现无一不借助CAN总线来完成,CAN总线成为汽车智能化控制的“定海神针”。
在现代轿车的设计中,CAN已经成为必须采用的装置。
奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺等汽车都采用了CAN作为控制器联网的手段。
据报道,中国首辆CAN网络系统混合动力轿车已在奇瑞公司试装成功,并进行了初步试运行。
在上海大众的帕萨特和POLO汽车上也开始引入了CAN总线技术。
但总的来说,目前CAN总线技术在我国汽车工业中的应用尚处于试验和起步阶段,绝大部分的汽车还没有采用汽车总线设计。
国内在技术、设计和应用上进行网络总线的“深造”势在必行。
（2）大型仪器设备中的应用
大型仪器设备是一种参照一定步骤对多种信息采集、处理、控制、输出等操作的复杂系统。
过去这类仪器设备的电子系统往往是在结构和成本方面占据相当大的部分，而且可靠性不高。
采用CAN总线技术后，在这方面有了明显改观。
以医疗设备为例，病理分布式监控系统分别由中央控制式的中央监控单元和现场采集单元。
现场采集单元对医院各室诊断测量仪器进行数据、图像的实时采集，同时完成数据统计、存贮； 中央监控单元可以定期或不定期地从现场采集单元获取数据并完成图像监测、数据统计、报表、打印及数据库管理。
中央监控单元和现场采集单元之间通过CAN总线连接在一起，在这个网络中，中央监控单元处于主控位置，而现场采集单元可以随时响应中央监控单元的命令。
其现场采集单元由单片机8C552及采集、存储、显示、遥控和通信模块组成,每个现场采集单元可与10个测量仪器相接。
Can总线是针对测控领域设计的，所以一次传输的报文量很小，一次报文量最大能够承载的数据上限为8字节，这种小数据量的传输一方面能够使得低优先级事务的传输，另一方面也非常符合测控需求。
针对can总线技术的诸多优点，非常适合应用于大型仪器系统模块化之间的互相通信，采用模块化组网的方式构建大型仪器系统。
（3）工业控制中的应用
随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展,传统的工业控制领域正经历着一场前所未有的变革,而工业控制的网络化,更拓展了工业控制领域的发展空间,带来新的发展机遇。
在广泛的工业领域，CAN总线可作为现场设备级的通信总线，而且与其他的总线相比，具有很高的可靠性和性能价格比。
这将是CAN技术开发应用的一个主要的方向。
例如，瑞士一家公司开发的轴控制系统ACS-E就带有CAN接口。
该系统可作为工业控制网络中的一个从站，用于控制机床、机器人等。
一方面通过CAN总线上上位机通信，另一方面可通过CAN总线对数字式伺服电机进行控制。
通过CAN总线最多可连接6台数字式伺服电机。
目前CAN总线技术在工程机械上的应用越来越普遍。
国际上一些著名的工程机械大公司如CAT、VOLVO、利勃、海尔等都在自己的产品上广泛采用CAN总线技术，大大提高了整机的可靠性、可检测和可维修性，同时提高了智能化水平。
而在国内，CAN总线控制系统也开始在工程汽车的控制系统中广泛应用，在工程机械行业中也正在逐步推广应用。
（4）智能家庭和生活小区管理中的应用
小区智能化是一个综合性系统工程，要从其功能、性能、成本、扩充能力及现代相关技术的应用等多方面来考虑。
基于这样的需求，采用CAN技术所设计的家庭智能管理系统比较适合用于多表远传、防盗、防火、防可燃气体泄漏、紧急救援、家电控制等方面。
CAN总线是小区管理系统的一部分，负责将家庭中的一些数据和信号收集起来，并送到小区管理中心处理，CAN总线上的节点是每户的家庭控制器、小区的三表抄收系统和报警监测系统，每户的家庭控制系统可通过总线发送报警信号，定期向自动抄表系统发送三表数据，并接收小区管理系统的通告信息，如欠费通知、火警警报等。
该系统充分利用CAN技术的特点和优势，构成住宅小区智能化检测系统，系统集多表集抄、防盗报警、水电控制、紧急求助、煤气泄漏报警、火灾报警和供电监控子系统等功能，并提供远程通讯服务。
（5）机器人网络互联中的应用
制造车间底层设备自动化，近几年仍是我国开展新技术研究和新技术应用工程及产品开发的主要领域，其市场需求不断增大且越发活跃，竞争也日益激烈。
伴随着工业机器人的产业化，目前机器人系统的应用大多要求采用机器人生产方式，这就要求多台机器人能通过网络进行互联。
随之而来的是，在实际生产过程中，这种连网的多机器人系统的调度、维护工作也变得尤为重要。
制造车间底层电气装置联网是近几年内技术发展的重点。
其电器装置包括有：
运动控制器、基于微处理器的传感器、专用设备控制器等底层设备；在这些装置所构成的网络上另有车间级管理机、监控机或生产单元控制器等非底层装置。
结合实际情况和要求，将机器人控制器视为运动控制器。
把CAN总线技术充分应用于现有的控制器当中，将可开发出高性能的多机器人生产线系统。
利用现有的控制技术，结合CAN技术和通信技术，通过对现有的机器人控制器进行硬件改进和软件开发，并相应地开发出上位机监控软件，从而实现多台机器人的网络互联。
最终实现基于CAN网络的机器人生产线集成系统。
这样做的好处很多，例如实现单根电缆串接全部设备，节省安装维护开销；提高实时性，信息可共享；提高多控制器系统的检测、诊断和控制性能；通过离线的任务调度、作业的下载以及错误监控等技术，把一部分人从机器人工作的现场彻底脱离出来。
5 结论
CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。
由于其良好的性能及独特的设计,CAN总线越来越受到人们的重视，它在汽车领域上的应用是最广泛的。
世界上一些著名的汽车制造厂商大都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。
同时,由于CAN总线本身的特点,其应用范围目前已不再局限于汽车行业,而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。
CAN已经形成国际标准,并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。
四、结合生产生活应用的网络化总线系统
———网络化家用空调总线系统
1.想法由来：
在人民生活水平不断提高的今天，人们越来越追求高质量的生活，包括衣食住行的方方面面，为了改善不理想的空气质量对生活质量的影响，应对变化无常的天气，以及对工作生活环境舒适度的强烈追求，空调正越来越多的走进人们的生活。
从原来的离心式空调机到燃气空调再到现在的变频空调、太阳能空调，从原先的小型家用空调到现在大规模的中央空调，空调也变得越来越人性化，网络化。
而网络化的空调系统是今后空调领域发展的必然趋势，例如，中央空调、汽车空调等，总线技术在上述空调中都有了很好的应用，而随着科技的不断发展，总线空调必然会向着智能化，家用化的趋势发展，使得这样的空调更加贴近我们的生活。
所以，我的想法就是将总线技术应用于家用空调领域。
2.设计内容：
（1）主要功能
众所周知，空调系统的作用就是对室内空气进行处理，使空气的温度、流动速度及新鲜度、洁净度等指标符合场所的使用要求。
为此必须对空气进行冷却或加热、降温或加湿，以及过滤等处理措施。
其相应设备有制冷机组、热水炉、风机盘管系统、风管系统、水管系统等。
例如，空调系统中，冷水机组是由设备生产厂成套供应的，它一般是根据空气调节原理及规律等由微处理器自动控制的。
冷水机组由压缩机、冷凝器与蒸发器组成，压缩机把制冷剂压缩，压缩后的制冷剂进入冷凝器，被冷却水冷却后，变成液体，析出的热量由冷却水带走，并在冷却塔里排入大气。
液体制冷剂由冷凝器进入蒸发器进行蒸发吸收，使冷冻水降温，然后冷冻水进入水冷风机盘管吸收空气中的热量，如此循环不已，把房间的热量带出。
因此，空调系统的监控设计，可从以下三个方面考虑：
1）基本参数的测量、设备的启停控制；
2）基本的能量调节；
3）冷热源及水管系统的全面调节与控制。
所以设计空调监控系统以具备CAN总线通信功能的PC机为主站，以具备独立故障诊断和控制功能的冷冻机、冷冻水控制系统，冷却水控制系统，补水控制系统等子控制系统为从站的中央空调监控系统结构。
用CAN总线作为主从站之间的通信媒介。
（2）空调系统整体结构
上位机采用IBM-PC兼容机，负责系统数据的接收与管理、控制命令的发送、系统工作过程的实时显示等。
各单元控制器作为下位机，采用ATMEL公司生产的AT89C51单片机作为微处理器，负责本单元内空调风机机组的现场数据检测以及工作状态的控制等。
单元控制器内的CAN总线控制器SJA1000负责接收来自CAN总线的数据以及通过CAN总线向上位机发送数据。
上位机通过插在PC总线扩展槽内的智能CAN总线通信适配卡连接CAN总线，并通过CAN总线与各单元控制器相连接。
单元控制器也可以脱离上位机，直接进行现场手动控制。
图1
（3）硬件
系统硬件主要包括智能CAN总线通信适配卡和单元控制器。
图2为智能CAN总线通信适配卡的原理框图。
它提供了上位微机和CAN总线的接口，采用高性能的嵌入式微处理器80C188、CAN总线控制器82C200和CAN总线收发器82C250负责数据交换和通信处理，可完成物理层和数据链路层的所有功能。
电子控制单元（ECU）的应用层由微处理器提供，82C200为其提供一个多用途的接口。
双口RAMIDT7230作为PC机与CAN总线控制器的数据共享区，可提供两种相互独立的端口，每个端口均有各自的地址线、数据线和控制线，并且具有两套相互独立的中断逻辑来实现两个CPU之间的握手控制信号。
通过软硬件设置将双口RAM映射成PC机的物理内存，使收发数据相当于直接向内存读写数据，从而提高了数据交换速率，并保证两个CPU同时对同一内存单元进行读写操作时数据的正确性。
此外，智能CAN总线通信适配卡还具有中断选择、主存基地址选择、LED指示系统状态及CAN收发状态等功能。
图2
系统工作时，上位机将控制命令经ISA总线发送至智能CAN总线通信适配卡，经驱动电路写入双口RAM，然后发出中断信号。
CAN通信控制器82C200收到中断信号后，从双口RAM中取出数据，并以CAN总线协议标准，经输出驱动电路、光电隔离电路以及CAN总线收发器82C250发送至CAN总线，完成从上位机到单元控制器的数据交换。
上位机接收数据的过程与发送命令的过程相似，但方向相反。
图3为单元控制器电路的原理框图。
图中，微处理器由ATMEL公司生产的AT89C51单片机，CAN总线控制器选用SJA1000，CAN总线收发器仍选用82C250，控制CAN总线的数据交换。
工作时，CAN总线控制器SJA1000从CAN总线接收上位机发出的命令和数据，以中断方式通知CPU89C51。
CPU收到中断信号后，将SJA1000接收到的数据存入RAM中，并根据数据对I/O接口电路发出相应的命令，控制风机机组、加湿器等执行部件进行相应操作。
若上位机需要各单元状态信息，则CPU启动数据采集程序，控制I/O接口电路对各个检测点的数据进行巡回检。
图3
（4）软件
系统软件由上位机管理软件和单元控制器控制软件组成。
上位机管理软件是在Windows98操作平台上，利用VisualBasic6.0开发的，包括系统监控、通信管理、数据处理、控制命令、动态显示等模块，具有界面友好、显示直观、操作方便等优点。
系统运行时，各检测点和控制点的位置以图形方式形象地显示在上位机显示器，检测和控制数据在各自位置旁动态显示，操作者经简单培训即可对整个系统进行控制。
单元控制器控制软件采用8051汇编语言编程，固化于89C51的EEPROM中，主要完成数据采集、数据通信、I/O接口控制、数字显示控制等功能。
根据各个季节对室内温、湿度的不同要求，软件中预选设置了不同季节的控制参数，并可通过小键盘随时进行修改。
实际运行时，湿度控制精度达到±0.5℃,湿度控制精度达到±2%RH。
在空调控制系统上、下位机之间采用CAN总线进行通信，可大大提高系统工作的可靠性、实时性及扩展性，实现高精度的温度、湿度控制，具有广阔的推广应用前景。
主程序设计
信号采集节点的软件主要功能是将温度和压力值转换成模拟量传给控制计算机。
同时将工频机的状态传给控制计算机，并根据命令控制工频机的启停。
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