基于CAN总线的数据采集、传输及监控系统设计.pdf
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1、复旦大学硕士学位论文基于CAN总线的数据采集、传输及监控系统设计姓名:张雪玲申请学位级别:硕士专业:软件工程指导教师:徐如志;牛军钰20070125论文独创性声明本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注荦日致谢的地方外,不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果其他同志对本研究的启发和所做的贡献均己在论文中作了明确的声明并表示了谢意。作者签名:盘鱼堡髋幽论文使用授权声明本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留送交论文的复印件,允许论文搜查阅和借阅;学技可以公布论文的全都或部分内容,可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。
2、保密的论文在解密后遵守此规定。作者签名:立咝导师签名:日期:2 丝Z 厶!芷基于C A N 总线的液位数据采颦、传输及监控系统设计摘要摘要随着信息化及网络化的发展,越来越多的工业现场过程参数的传输控制采用现场总线技术,其中C A N 总线由于其优越的性能已被广泛地采用。本文根据泵站水池液位连锁问题,提出并设计了一种采用C A N 协议总线作为数据传输手段,对泵站水池液位进行实时采样和显示,超出水位上下限时发出自报警信号,从而达到对水泵电机进行控制目的。本设计为一个分靠式C A N 网络旨中现场数据采集、监控节点,利用C A N 可以很容易扩充以实现分布式数据采集传输系统,为企业进一步实现网络化
3、管理奠定了基础。该系统在结构上主要包括现场液位数据采集、单片机、数据显示及报警、C A N 总线协议转换等单元。液位数据经A D 转换送单片机处理,并实时显示。若超出设定的液位安全限,则产生报警信号,同时对采集数据进行C A N 协议格式转换,经C A N 驱动送到C A N 总线上传输。C A N 网络上其它节点可以接收本节点发出的数据,同时本节点也可以接收其它节点送来的数据,即在C A N 网络上实现多主传送方式。为了减小体积,提高运行的稳定性和可靠性,本系统在电路设计、器件类型制版方面都做了精心的考虑,如采用“看门狗”对系统运行监控,软件上采用了数字滤波等方法。系统软件用C 语言编写,采
4、用模块化结构,在减小软件体积,提高代码效率和运行可靠性方面都有了保证。关键词:C A N 总线,数据传输,数据采集,A D 转换,单片机基于C A N 总线的液位数据采集、传输及监控系统设计A b s t r a c tA b s tr a c tW i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o na n dn e t w o r k,t h em o r ea n dm o r ea r a m e t e r so fp r o c e s sc o n t r o li ni n d u s t r yu s et h eF
5、i e l dB u st e c h n i q u e,o n eo ft h a t,C A N b u sh a sc o m ei n t ow i d eu s eb e c a u s eo fi t ss u p e r i o r i t yp r o p e r t i e s A c c o r d i n gt oa na c t u a lp r o b l e mo fm o n i t o r i n gw a t e rl e v e la tap u m ps t a t i o n,t h i st h e s i sp r o p o s e sa n d
6、d e s i g n sas y s t e mu s e dt h eC A N b u sa st h em e a no fd a t aa n s m i s s i o n T h es y s t e mc a nd or e a l t i m ec o l l e c ta n dd i s p l a yw a t e rl e v e lo fap o o li na m ps t a t i o na n da l s og i v ea na l a r ms i g n a li ft h ew a t e rl e v e le x c e e d st h eu
7、 p p e ro rl o w e rs a f e t yIi m i to fw a t e rl e v e l,s ot h a te l e c t r i cp u m pa tp u m ps t a t i o nc a nb ec o n t r o l I e do no ro f f T h i ss y s t e mi su s e da san o d eo fl o c a ld a t aa c q u i s i t i o na n dm o n i t o r i n gi nad i s t r i b u t e dC A Nn e t w o r
8、k,a n di t i se a s yt ob ee x p a n d e db yu s i n gC A N b u sf o rc o m p o s i n gd i s t r i b u t e dd a t aa c q u i s i t i o n,t r a n s m i s s i o ns y s t e m T h i sl e a d st h eb a s i so fr e a l i z i n gf u r t h e rn e t w o r k i n gm a n a g e m e n tf o re n t e r p r i s e s
9、T h i ss y s t e mc o n s i s t sm a i n l yo fl o c a lw a t e rl e v e ld a t aa c q u i s i t i o n,s i n g l ec h i pc o m p u t e r,d a t ad i s p l a y,a l a r m,C A N b u sp r o t o c o ln o d eu n i t,e t c T h ew a t e rl e v e ld a t ap r o c e s s e di nm i c r o c o n t r o l l e rA T 8
10、9 C 5 2t h r o u g h1 2b i t ss e r i a lA Dc o n v e r s i o na n dd i s p l a y e di nr e a l t i m eb yL E D。I fw a t e rl e v e le x c e e d st h es a f e t yl i m i to fw a t e rl e v e l,t h es y s t e mg i v e sa na l a r ms i g n a la n dt h e ns a m p l e dd a t aw i l lb et r a n s m i t t
11、 e do nC A N b u sw h e nc o n v e r t e di nf o r m a tu s i n gC A Np r o t o c o lc o n v e r s i o nc h i pS J A l 0 0 0 I nC A Nn e t w o r ko t h e rn o d e sc a nr e c e i v ed a t as e n tf r o mt h i sn o d ea n dt h i sn o d ec a nr e c e i v ed a t af r o mo t h e rn o d e sa l s o S om u
12、 l t i-h o s tt r a n s m i tm o d ei sr e a l i z e di nC A Nn e t w o r k I no r d e rt od e c r e a s ev o lu n l eo fs y s t e mh a r d w a r ea n di m p r o v es t a b i1i t ya n dr e l i a b i l i t yo fs y s t e mo p e r a t i o n,t h ec i r c u i ts t r u c t u r e,d e v i c e sa n dP C Bd e
13、 s i g nu s e di nt h i ss y s t e ma r ec o n s i d e r e dc a r e f u l l y,s u c ha s”w a t c h d o g。m o n i t o r i n ga n dd i g i t a lf i l t e rs o f t w a r e T h es o f t w a r ep r o g r a m m e db yCl a n g u a g ea d o p t sam o d u l a rs t r u c t u r ef o ri n c r e a s i n gv o l u
14、 m eo fs o f t w a r e,i m p r o v i n gc o d ee f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yo fo p e r a t i o nK e y w o r d s:C A N b u sD a t at r a n s m i s s i o nD a t aa c q u i s i t i o nA DC o n v e r s i o nS i n g l e c h i pc o m p u t e r2基于C A N 总线的液位数据采集、传输及监拧系统设计第一牵绪论第一章绪论本课题设计研究了内
15、蒙古某一泵站液位连锁系统。该液位连锁系统的结构如图ll 所示。图卜i 液位连锁系统F i g 1 一lW a t e rl e v e ll o c k e ds y s t e m当黄河水量不足时,启用该储水系统为电厂供水。一级泵站将黄河水源泵到距离为5 0 0 米左右的低位水池,二级泵站再泵到距离为6 0 0 米左右高位水池。要求若高位水池高于或低于规定高度,产生报警(这一点尤其重要),并通知二级泵站电机停止或启动,从而保持高位水池的容量在一定范围内。随着低位水池向高位水池供水,要求其容量也要保持在一定限度内,即一旦超过规定上下限,报警并通知一级泵站电机停止或启动,这就要求建立高位与低位水
16、池间的液位连锁系统。同时为了实现集中管理,设立一中心监控机房,负责收集各点的设备的运行状态等数据,包括液位、电机轴温、流量等参数,为将来综合统一管理提供数据。根据实地考察及与企业人员的交流,希望选择一种经济可靠,维护方便,连接线路少,具有将来容易扩充采集多个过程参数的能力,且具有一定抗干扰的通信方式。考虑到水池液位由于容量巨大,其液位变化并不剧烈,对传输速率要求不高,因此选择C A N 总线方式来传输各节点间数据,利用性能稳定可靠,价格低廉的5 1 系列单片机构成现场液位采集、报警及数据转发单元。进行本课题的研究一方面是利用目前广泛使用的现场总线中C A N 总线技术解决具体问题,开发一种基于
17、C A N 总线的数据采集、监控与传输系统。同时为迸一步开展现场总线技术在煤矿企业中的应用做准备。整个液位连锁系统设计分两部分完成,一部分为中心机房上位机控制,另一部分为现场数据采集监控转发。本课题负责后一部分。设计制作以单片机为核心,将前端由现场液位仪采集并转换来的液位信号(O 一5 V)进行A D 转换,经单片机处理,用L E D 数码管实时显示液位高度,并根据设定的水池液位上下限临界值,若超出该临界值就在现场产生报警信号,同时采集数据经C A N 协议格式转换,通过C A N 总线向中基于C A N 总线的液位数据采集、传输及监控系统设计第一章绪论心机房的上位机传递。根据要求目前只需向上
18、位机发送数据,暂不需要接收。另外该系统有1 1 路模拟信号输入通道,系统中暂时使用一个通道用于液位数据的输入,其它通道可用于未来参数采集的扩展。因此本系统可以作为基于C A N 总线上的一个标准采集,传输模块,应用于其它相关场合,有很大的扩展空间。课题的主要工作具体有:设计制作以单片机为核心的数据采集、处理、显示及报警电路:数据通信协议的转换及相关硬件电路的制作以及相关软件的编写。课题中拟解决的技术难题合理设计整体电路,保证系统运行的可靠性、稳定性;仔细研究C A N 总线协议,选择合适的协议转换芯片,设计C A N 总线通信电路;由于功能较多,因而编制程序需要仔细考虑,保证各程序模块执行流畅
19、,维护方便;由于处于现场环境,要求系统具有一定的抗干扰能力,这在电路设计及软件编写上要加以考虑。4基于C A N 总线的液位数据采集、传输及监拄系统设计第_ 二章系统的硬件设计第二章系统的硬件设计本课题设计的内容是整个基于C A N 总线的液位连锁系统中的一个节点。系统的功能框图如图2-i。图2 1 系统总体框图F i g 2 一lB l o c kd i a g r a|l lo fs y s t e m功能结构上主要包括现场液位数据采集,单片机,数据显示及报警,C A N 总线协议转换及驱动等单元。液位数据经1 2 位串行A D 转换送单片机A T 8 9 C 5 2 处理,并用数码管显示
20、液位实时高度,若超出设定的液位高度安全限,则产生报警信号,同时利用C A N 协议转换芯片S J A l 0 0 0 对液位数据进行格式转换,经C A N 驱动8 2 C 2 5 0 送到C A N总线上传输。系统电路原理图如图3 2 所示。2 1 C A N 总线的简介C A N(C o n t r o l l e rA r e aN e t w o r k 控制器局部网)是一种由带C A N 控制器组成的高性能串行数据局部通信网络,是国际上应用最广泛的现场总线之一。C A N 协议最初是由德国B o s c h 公司在2 0 世纪8 0 年代初为解决现代汽车内部大量的控制测试仪器与传感器、
21、执行机构之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议,其总线规范己被I S O标准组织制定为国际标准。C A N 是一种多主总线系统,通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤,其传输距离在通信速率为5 k b p s 下可达l O k m,且具有抗干扰能力强等诸多优点,因而C A N 总线被认为是最有发展前途的现场总线之一。由于C A N 总线本身的优点,它的应用范围已不再局限于汽车行业,且前已广泛应用于工业自动化、各种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等领域。2 1 1、C A N 总线的性能特点0 1基于C A N 总线的液位数据采集、传输及监控系统设计第二章系统的硬件设计C A N
22、 协议是建立在国际标准组织的开放系统互连模型(I S O-O S I)基础上的。考虑到现场总线的应用特点,C A N 协议规定的网络系统结构由I S O-O S I 七层中的物理层、数据链路层和应用层组成。“】【2 C A N 总线的主要特点如下:C A N 是一种串行数据通信协议,是一种多主机局部网。通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤,常用的是第一种。C A N 网络上任意节点均可在任意时刻主动的向网络上其它节点发送信息,而不分主从,通信方式灵活。C A N 的直接通信距离在速率5 k b p s以下最远可达I O K M,通信速率最高可达I M b p s,此时通信距离最长4 0 m。c
23、 A N 协议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。C A N 采用非破坏性总线仲裁技术,当多个节点同时向总线发送信息时,优先级低的节点会主动地退出发送,而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据,从而大大节省了总线冲突仲裁时间。c A N 网络上的节点信息分成不同的优先级,可满足不同的实时要求,高优先级的数据最多可在1 3 4 u s 内得到传输。C A N 通过报文滤波可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据。C A N 上的节点数主要取决于总线驱动电路,目前可达i i 0 个;报文标识符(I f)可由l l 位(C A N2 O A)或2 9 位(C A
24、N2 O B)二进制数构成,从而可定义的数据块数量为2 H 和2 2 9。c A N 协议采用短帧数据结构,数据块长度不超过8 个字节,传输时间短,受干扰的几率低,保证了通信的实时性。C A N 协议采用C R C 检验并提供相应错误处理功能,保证了数据通信的可靠性。2 1 2、O A N 总线的技术规范。11 连接和传递方式C A N 是一个多主机的局部网,各单元可同时挂到总线上。理论上单元数目是无限的,但由于总线的负载及数据延迟,其数目是有限的。总线结构广泛采用的是差分驱动的平衡双绞线,采用的数据具有两种互补的逻辑值之一:显性(d o m i n a n t)和隐性(r e c e s s
25、 i v e)。6基于C A N 总线的液位数据采集、传输及监 审系统设计第一二章系统的硬件设计图2 2C A N 总线的传输电平F i g 2 2L e v e lo nC A Nb u s“隐性”表示逻辑“1”,“显性”表示逻辑“0”。在“隐性”状态下V C A N-H和V C A N L 被固定在平均电压电平,V D I F F 近似为0,而“显性状态以大于最小阈值的差分电压表示,如图2 2 所示。但需要注意的是当“隐性位”和“显性位”同时发送时,最后的值将为“显性”,这也是故障界定和错误检测的根本基础。2 报文及帧结构C A N 总线以报文为单位进行信息传送。报文中包含标识符I D,它
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