現(xiàn)場總線是自動化領(lǐng)域的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。CAN 總線作為目前最有前途的現(xiàn)場總線之一，其主要優(yōu)點(diǎn)為實(shí)時性好、可靠性高、性價比突出。因此已經(jīng)逐漸成為當(dāng)今自動化領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)之一。

　　本文主要研究對象為基于 CAN 總線的分布式數(shù)據(jù)采集與通訊系統(tǒng)，并準(zhǔn)備將其應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。作者在分析了 CAN 總線 2.0B 協(xié)議的基礎(chǔ)上，采用結(jié)構(gòu)化的方法獨(dú)立設(shè)計了帶有 CAN 總線通信接口的數(shù)據(jù)采集與處理底層模塊。

　　底層模塊的硬件設(shè)計以 C8051F040 高速型單片機(jī)為核心，其內(nèi)部已經(jīng)集成了 AD 采集和 DA 輸出子模塊，在其基礎(chǔ)上，又外擴(kuò)了 CAN 總線通訊、人機(jī)交互、地址譯碼等功能模塊。

　　在集成了 Keil C51 編譯器的 Silicon Laboratories IDE 開發(fā)環(huán)境下，采用模塊化的軟件程序設(shè)計方法完成了底層模塊的模擬電壓采集、CAN 總線通訊、模擬電壓輸出、 LCD 顯示、矩陣鍵盤掃描、現(xiàn)場溫度監(jiān)控、開關(guān)量輸入輸出等功能。每個子任務(wù)模塊之間通過主程序的多任務(wù)機(jī)制來進(jìn)行分時調(diào)用，并采用過采樣等方法對采集到的信號進(jìn)行一些簡單的處理，減輕通訊帶寬的負(fù)擔(dān)，以提高系統(tǒng)的實(shí)時性與效率。

　　整個系統(tǒng)由兩個底層模塊和一臺接有 CAN 總線通信板卡的上位機(jī)組成，采用主從結(jié)構(gòu)，通過接口卡來實(shí)現(xiàn)雙向通訊，由此可以及時得知工業(yè)現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)和運(yùn)行參數(shù)，從而保證了對現(xiàn)場遠(yuǎn)程測控的實(shí)時性。CAN 總線應(yīng)用層協(xié)議由作者自行定義和編寫，使之更加符合本系統(tǒng)的要求和特點(diǎn)。

　　目前整個系統(tǒng)運(yùn)行良好，性能穩(wěn)定，通信冗余度高，符合工業(yè)現(xiàn)場使用的要求。

　　所謂現(xiàn)場總線（Field bus），顧名思義，就是一種應(yīng)用在生產(chǎn)最低層的總線型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。進(jìn)一步講，這種總線是用做現(xiàn)場控制系統(tǒng)的、直接與所控設(shè)備串行相連的通信網(wǎng)絡(luò)。它是在市場對現(xiàn)場儀表智能化以及全數(shù)字控制系統(tǒng)的需求驅(qū)動下產(chǎn)生的，從技術(shù)的角度看，它是將 5C 技術(shù)--COMPUTER（計算機(jī)技術(shù)）、CONTROL（自動控制技術(shù)）、COMMUNICATION（通信技術(shù)）、CRT（顯示技術(shù)）和 CHANGE（轉(zhuǎn)換技術(shù)）緊密結(jié)合后的必然產(chǎn)物。按照國際電工委員會 IEC61158 的定義，現(xiàn)場總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置之間、以及現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行和多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。它的關(guān)鍵標(biāo)志是支持雙向、多節(jié)點(diǎn)、總線式的全數(shù)字式通訊。總的來說它不單單是一種通信技術(shù)，也不僅僅是用數(shù)字儀表代替模擬儀表，而是用新一代的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) FCS（Fieldbus Control System）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集散控制系統(tǒng) DCS（Distributed Control System），實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。

　　本課題的研究重點(diǎn)是設(shè)計基于 CAN 總線的數(shù)據(jù)采集與處理模塊，并將其應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。由于在工控現(xiàn)場中，有著各種各樣的干擾源以及不可預(yù)見的突發(fā)事件，因此要求整個系統(tǒng)都必須具有很高的抗干擾能力和糾錯能力，同時還需要對從現(xiàn)場采集到的各種模擬與數(shù)字信號進(jìn)行及時的傳輸，并且對上位機(jī)發(fā)出的命令與數(shù)據(jù)做到實(shí)時的響應(yīng)。這就要求被選擇的總線標(biāo)準(zhǔn)精確可靠、抗干擾性強(qiáng)、實(shí)時性高。

　　之所以在那么多現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)中選擇 CAN 總線作為本系統(tǒng)的傳輸協(xié)議，是因?yàn)樵诒鞠到y(tǒng)中，CAN 總線有著其它幾種現(xiàn)場總線所無法比擬的特性。

　　CAN 總線技術(shù)是為分布式系統(tǒng)在強(qiáng)干擾等惡劣環(huán)境下能夠正確可靠的傳輸而研制開發(fā)的一種總線標(biāo)準(zhǔn)，因此其較低的成本和較高的實(shí)時處理能力使其在工業(yè)自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣，已經(jīng)成為該應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展的一大趨勢。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：

　?。?） 短報文結(jié)構(gòu)。由于工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)為傳輸頻率較大，但是每次信息量不多，因此 CAN 總線的這種短報文格式既保證了系統(tǒng)的實(shí)時性又充分利用了帶寬，傳輸效率大大提高。

　?。?） 確保緊急報文的等待時間。等待時間是指從收到發(fā)送要求到開始發(fā)送之間的時間，等待時間主要取決于總線客觀條件的變化。在向總線發(fā)送報文并產(chǎn)生失真的情 6 況下，等待時間可高達(dá) 149 位時間（最惡劣情況）。而優(yōu)先級高的報文總能最先被發(fā)送，這樣可以最大程度的保證工業(yè)現(xiàn)場重要信息的傳輸。

　　（3） 總線訪問優(yōu)先權(quán)取決于報文標(biāo)識符，使得多主設(shè)計成為可能。

　?。?） 強(qiáng)有力的錯誤處理能力，為系統(tǒng)的可靠運(yùn)行創(chuàng)造良好的條件。

　　（5） 配置靈活，方便局域網(wǎng)進(jìn)行擴(kuò)展。本課題的主要任務(wù)是設(shè)計一個基于 CAN 總線協(xié)議的分布式數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。具體包括以下幾個方面的工作：

　　1）利用 PHILIPS 公司生產(chǎn)的 CAN 微控制器 SJA1000 設(shè)計出基于 CAN 總線的底層智能模塊，它帶多路 I/O 口、AD 采集和 DA 輸出等，可完成信號采集與處理、LCD 顯示、芯片溫度監(jiān)控等功能，并通過硬件調(diào)試達(dá)到各種技術(shù)指標(biāo)；

　　2）使用 VC 編寫與完善基于周立功公司生產(chǎn)的 CAN 總線適配器 PCI5121 的上位機(jī)通訊監(jiān)控界面，以完成對整個 CAN 總線系統(tǒng)的管理與控制；

　　3）搭建分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，編寫各現(xiàn)場控制單元的應(yīng)用與處理程序，在上位機(jī)軟件管理與控制下實(shí)現(xiàn)各現(xiàn)場控制單元與上位機(jī)之間的雙向數(shù)據(jù)通訊。