基于CAN总线的多点温度监测及报警系统设计毕业设计论文文档格式.docx
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Keywords:
CAN-bus；
1绪论
1.1背景介绍
我国是一个农业大国，每年都有大量的新粮收获也有部分陈粮积压，由于储存不当会造成大量的粮食浪费，科学储粮是粮食生产的一个重要环节，若管理不当，粮食发霉或生虫会造成极大浪费，给国家和人民造成了巨大的经济损失，粮仓的性能成为粮食质量的决定因素。
……
随着电子技术和计算机技术的发展，目前普遍采用电子和计算机对粮仓测控和管理，但是仍存在很多不尽人意的问题，如抗干扰性能差、传输数据丢失等，针对这些情况提出一种基于CAN总线粮仓多点温度测控及报警系统的设计方法。
1.2国内外相关技术发展概况
传统的机械式温度检测仪表己经有上百年的历史了，一般均具有指示温度的功能，由于测温原理不同，不同的仪表在报警、记录、控制信息远传等方面有较大的差别。
今年来由于微电子的进步以及计算机应用的日益广泛，智能化测量仪表己经取得巨人的进步，以单片机为主体的温度控制器取代了传统的仪器仪表。
常规电子线路，可以容易地将计算机技术与测量技术结合起来。
智能仪表在测量过程自动化，测量结果的数据处理以及功能的多样化方面都取得了巨大的进展。
目前，在研制高精度，高性能，多功能的测量仪表时，几乎没有不考虑使用单片机使之成为智能仪表的。
1.2.1温度传感器的发展概况
美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板专利技术。
全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
“一线总线”独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。
使你可以充分发挥“一线总线”的优点。
同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°
C～+125°
C，在-10～+85°
C范围内，精度为±
0.5°
C。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。
适合于恶劣环境的现场温度测量，如：
环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
与前一代产品不同，新的产品支持3V～5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。
而且新一代产品更便宜，体积更小。
1.2.2现场总线概况
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，现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自具有了数字计算和数字通讯能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统[1]。
现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的。
随着微处理器与计算机功能的不断增强和价格的降低，计算机与计算机网络系统得到迅速发展。
现场总线可实现整个企业的信息集成，实施综合自动化，形成工厂底层网络，完成现场自动化设备之间的多点数字通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。
1983年，Honeywell推出了智能化仪表，它在原模拟仪表的基础上增加了计算功能的微处理器芯片，在输出的4～20mA直流信号上迭加了数字信号，使现场与控制室之间的连接模拟信号变为数字信号。
之后，世界上各大公司推出了各种智能仪表。
智能仪表的出现为现场总线的诞生奠定了基础。
智能仪表的出现为现场信号的数字化提供了条件，但不同厂商提供的设备通信标准不统一，束缚了底层网络的发展。
现场总线要求不同的厂商遵从相同的制造标准，组成开放的互连网络是现场总线的发展趋势。
现场总线系统打破了传统控制系统采用的按控制回路要求，设备一对一的分别进行连线的结构形式。
把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块放入现场设备，加上现场设备具有通信能力，因而控制系统功能能够不依赖控制室中的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。
对于一般控制，设备间连锁可以通过串行网络完成。
因此，BOSCH公司开发了CAN总线（ControllerAreaNetwork），并已取得国际标准化组织认证（ISO11898），其总线结构可参照ISO/OSI参考模型。
同时，国际上一些大的半导体厂商也积极开发出支持CAN总线的专用芯片。
通过CAN总线，传感器、控制器和执行器由串行数据线连接起来。
它不仅仅是将电缆按树形结构连接起来，其通信协议相当于ISO/OSI参考模型中的数据链路层，网络可根据协议探测和纠正数据传输过程中因电磁干扰而产生的数据错误。
CAN网络的配制比较容易，允许任何站之间直接进行通信，而无需将所有数据全部汇总到主计算机后再行处理。
对机动车辆总线和对现场总线的需求有许多相似之处，即较低的成本、较高的实时处理能力和在恶劣的强电磁干扰环境下可靠的工作。
奔驰S型轿车上采用的就是CAN总线系统;
美国商用车辆制造商们也将注意力转向CAN总线;
美国一些企业已将CAN作为内部总线应用在生产线和机床上。
同时，由于CAN总线可以提供较高的安全性，因此在医疗领域、纺织机械和电梯控制中也得到广泛应用。
1.3温度监测及报警系统的应用前景
在粮仓、北方暖气和热水供应中心、大面积水泥铺建等多种场合中，温度是最主要的检测控制参数，在电力、生物制品、药品、电子器件等行业，温度监测及报警系统更是需求很大。
因此，温度监测及报警系统的应用范围非常广泛。
但由于各类温度传感器的性能稳定性、适应性、经济性仍然存在不少技术问题，阻碍了温度监测及报警系统的应用发展。
这些领域大都以较为准确但效率非常之低的检测手段为主，如目前国内80%的纺织企业对工作环境温度的检测仍采用温度计表的形式。
如能充分利用智能化技术，实现温度控制系统的自动检测及越线报警提示技术，由此推广应用将可能出现一定的市场规模，应用前景将更加看好。
2现场总线CAN原理介绍
2.1现场总线简介
随着控制、计算机、通讯、网络等技术的发展，信息交换沟通的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次、覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场。
信息技术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。
现场总线就是顺应这一形势发展起来的新技术。
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。
它的出现，标志着工业控制领域又一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要影响。
现场总线是应用在生产现场、在微型计算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。
其在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用背景[2]。
现场总线技术将专用于微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自具有数字计算和通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微型计算机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。
简而言之，它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，连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。
它给自动化领域带来的变化正如众多分散的计算机被网络连接在一起，使计算机的功能、加入到信息网络的行列。
因此现场总线技术是一个控制技术新时代的开端[2]。
2.2CAN总线简介
控制器区域网（ControllerAreaNetwork）CAN现场总线已经成为在仪表装置通讯的新标准。
它提供高速数据传送，在短距离（40m）条件下具有高速（1Mbit/s）数据传输能力，而在最大距离10000m时具有低速（5kbits/s）传输能力，极适合在高速的工业自控应用上CAN总线可在同一网络上连接多种不同功用的传感器（如位置，温度或压力等）。
CAN总线与其他总线相比有如下特点：
①它是一种多主总线，即每个节点机均可成为主机，且节点机之间也可进行通信；
②通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mbps；
③CAN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、循环冗余校验、优先级判别等项工作；
④CAN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受到相同的数据，这一点在分步式控制中非常重要；
⑤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总线所具有的卓越性能、极高的可靠性和独特设计，特别适合工业设备测控单元互连。
因此倍受工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。
2.2.1CAN-bus的产生与发展
控制器局部网（CAN－CONTROLLERAREANETWORK）是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越性能现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。
控制器局部网将在我国迅速普及推广。
随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大进步。
由于对系统可靠性和灵活性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为：
控制面向多元化，系统面向分散化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。
2.2.2CAN-bus的基本工作原理
CAN总线的拓扑结构如图2.1所示，是一个典型的串行总线的结构形式。
图2.1CAN总线网络结构
CAN总线中一个节点发送信息，多个节点接收信息；
但CAN总线的信息存取方式既不同于令牌方式的Arcnet，也不同于主从方式的Bitbus，采用的是一种广播式的存取工作方式。
与其他网络不同，在CAN总线的通信协议中，没有节点地址的概念，也没有任何与节点地址相关的信息存在，它支持的是基于报文的工作方式[5]。
也就是说，CAN总线面向的是数据而不是节点，因此加入或撤销节点设备都不会影响网络的工作，十分适用于控制系统要求快速、可靠、简明的特点。
以下将对CAN总线的基本通信工作原理做一介绍。
CAN总线协议是通过一种非破坏性的仲裁方式来解决总线冲突的。
这也就是说当总线出现发送冲突时，通过仲裁后，原发送信息不会受到任何影响。
所有的仲裁判别都不会破坏优先级高的报文信息内容，也不会对其发送产生任何的时延。
这种仲裁规则可以使信息和时间均无损失。
CAN总线是一个基于报文而不是基于站点地址的协议。
也就是说报文不是按照地址从一个节点传送到另一个节点。
CAN总线上报文所包含的内容只有优先级标志区和欲传送的数据内容。
所有节点都会接收到在总线上传送的报文，并在正确接收后发出应答确认。
至于该报文是否要做进一步的处理或被丢弃将完全取决于接收节点本身，由节点来进行报文过滤。
同一个报文可以发送给特定的站点或许多站点，就看你怎样去设计网络和系统。
CAN总线协议另外一个有用的特性是一个节点可以主动要求其它节点发送信息。
这种特性叫做远程发送请求（RTR）。
和上面不同之处在于，节点并不等待信息的到来，而是主动去索取。
设计人员就可以利用这一远程发送请求特性来减少网络的数据通信量，同时维持整个系统的完整性。
基于报文的这种协议另外一个好处是新的节点可以随时方便地加入到现有的系统中，而不需对所有节点进行重新编程以便它们能识别这一新节点。
一旦新节点加入到网络中，它就开始接收信息，判别信息标识，然后决定是否作处理或直接丢弃。
CAN总线定义了四种不同的报文（或叫帧）用于总线通信。
第一种也是最常用的是数据帧，用于一个节点传送信息到其它任一或所有节点；
第二种叫远程帧，基本上是一个数据帧但其中的RTR位被置1，表明这是一个远程发送请求，用于一个节点主动要求其它节点发送信息；
另外两种用于差错处理，分别叫做错误帧和过载帧。
如果节点在接收过程中检测到任一在CAN总线协议中定义了的错误信息，它就会发送一个错误帧，当一个节点正忙于处理接收的信息，需要额外的等待时间接收下一报文时，可以发送过载帧，通知其它节点暂缓发送新报文。
2.2.3CAN-bus的特征
（1）CAN总线有如下基本特点：
①废除传统的站地址编码，代之以对通信数据块进行编码，可以多主方式工作；
②采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送数据时，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继续传输数据，有效避免了总线冲突；
③采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，数据传输时间短，受干扰的概率低，重新发送的时间短；
④每帧数据都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性，适于在高干扰环境下使用；
⑤节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上其他操作不受影响；
⑥可以点对点，一对多及广播集中方式传送和接受数据。
（2）CAN总线的优点：
①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；
②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；
③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；
④可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；
⑤可靠的错误处理和检错机制；
⑥发送的信息遭到破坏后，可自动重发；
⑦节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；
⑧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。
2.2.4CAN协议简介
2.2.4.1CAN协议的分层结构
CAN协议分为三层：
目标层、传输层和物理层[6]。
主要对应于ISO（IntermationalStandardOrganizantion，国际标准化组织）的OSI（OpenSystemInterconnertion，开放系统互连）七层模型中数据链路层的媒体访问控制子层以及物理层的物理信号部分。
目标层和传输层包含所有由ISO/OSI模型定义的数据链路层的服务和功能。
由于CAN的数据结构简单，又是范围较小的局域网，因此不需要其他中间层，应用层数据直接取自数据链路层或直接向链路层写数据。
结构层次少有利于系统中实时控制信号的传送。
图2.2CAN协议的分层结构
CAN协议的分层结构如图2.2所示。
PMA子层和MDI子层有多种规范，由不同的组织制定，可应用在不同的领域和场合。
CAN层的定义与开放系统互连模型（OSI）一致，每一层与另一设备上相同的那一层通讯，实际的通讯发生在每一设备上的相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互连，表2-1中展示了OSI开放式互连模型的各层。
应用层协议可以由CAN用户定义成合适特别工业领域的任何方案，已在工业控制和制造业领域得到了广泛应用的标准是DeviceNet，这是PLC和智能传感器设计的，在汽车工业，许多制造商都应用他们的标准。
表2-1OSI开放系统互连模型
7
应用层
最高层用户软件网络终端等之间用来进行信息交换如DeviceNet
6
表示层
将两个应用不同数据格式的系统信息转化为能共同理解的格式
5
会话层
依靠低层的通信功能来进行数据的有效传递
4
传输层
两通信节点之间数据传输控制操作如数据重发数据错误修复
3
网络层
规定了网络连接的建立维持和拆除的协议如：
路由和寻址
2
数据
链路层
规定了在介质上传输的数据位的排列和组织如数据校验和帧结构
1
物理层
规定通讯介质的物理特性如电气特性和信号交换的解释
CAN物理层定义了传输线和硬件的机械、电气和电信号特征及功能。
机械特征包括连接器尺寸、类型等；
电气特性包括最大传输速率、最大传输距离、信号电平状态代表意义等；
电信号特征包括对应电平信号的逻辑信号、信号的传输时序、数据采样方式等。
但在CAN2.0A/B中对物理层部分的内容做了规定，而在ISO11898标准中的内容更加具体，但没有指明通讯介质的材料，因而用户可以根据自己的需要选择双绞线，同轴电缆或光纤，最常用的就是双绞线。
表2-2CAN总线长度与传输距离的关系
CAN总线波特率
任意两节点间的最大距离
1Mbps
40m
500kbps
130m
250kbps
270m
125kbps
530m
100kbps
620m
50kbps
1.3km
20kbps
3.3km
10kbps
6.7km
5kbps
10km
CAN网络的速度取决于总线的长度。
控制器最快能达到1Mbps，但对总线长度有限制。
对于50m长的总线，最大波特率是1Mbps，而对于150m的总线，波特率约为0.5Mbps。
CAN网络上的任意两个节点之间的最大传输距离与其位速率有关，其对应关系见表2-2所示。
时间t
平均电压U
隐性位显性位隐性位
图2.3总线位的数值表示
CAN总线上的电平形式中的总线数值为两种互补逻辑数值之一：
“显性”或“隐性”。
显性数值表示逻辑“0”，而“隐性”数值表示逻辑“1”。
“显性”和“隐性”同时发送时，最后总线数值将显示为“显性”。
在“隐性”状态下，
和
被固定于平均电压电平，
近似为0。
在总线空闲或“隐性”位期间，发送“隐性”状态。
“显性”状态改写“隐性”状态并发送。
总线位的数值表示如图2.3所示。
（差动传输方式）
2.2.4.2报文传输及其帧结构
图2.4数据帧标准格式中的仲裁场结构
CAN总线的数据传输
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