基于嵌入式系统的现场总线的研究与应用
|
摘要
CAN(Control Area Network)总线是一种支持分布式实时控制的，高安全性的串行总线。基于CAN总线高速通信速率、高可靠性、连接方便、多主站、通讯协议简单和高性能价格比等突出优点，CAN总线被广泛应用工业以及汽车环境中。
随着嵌入式系统处理器的快速发展，一片嵌入式处理器就可完成比较复杂的运算和控制功能。由嵌入式处理器构成的系统体积越来越小，功能越来越强大。
本系统基于嵌入式微处理器和单片机，通过CAN总线连接通信网络，另外还增加了一个USB-CAN节点，可以方便PC或便携式电脑随时通过USB接口接入CAN总线网络。
基于微控制器AT89C52的CAN节点主要是模拟工业环境中的智能设备，微控制器从总线上获取命令，根据命令来控制管理其下位的设备。
基于嵌入式处理器ARM9的CAN节点有着强大的监控功能，不仅可以对CAN总线上的各个节点根据需求发送命令，还可以将CAN网络上各个节点的状态显示出来，对CAN总线的信息进行记录以备企业信息管理、分析使用。
USB-CAN节点主要为PC或笔记本电脑接入CAN总线提供一个方便快捷的接入点。由于CAN总线是多主形式的串行总线，CAN-USB节点可以通过软件编程实现对CAN网络中所有节点的控制，能够模拟所有CAN总线上任意节点进行通信，这就大大方便CAN总线系统的现场调试，加快了故障排除的速度。
本文利用CAN控制器扩展微控制器和嵌入式处理器，建立了CAN总线网络，研究分析了CAN总线的底层通信协议；通过系统功能的分析、CAL协议的分析，对CAN总线应用层协议有了一定的认识，设计了基于本系统的上层通信的协议，成功实现了CAN总线节点之间快速实时的通信。
CAN (Control Area Network) field-bus is a very safety serial bus which can support distributed real time control. CAN has been used in industrial environment and Auto-electricity widely.
As developing rapidly recently, a embedded processor can make a more complex operation and data process, and the size of embedded processor is smaller, the cost of hardware is lower and lower.
This system includes a node based on a embedded processor, two nodes based on micro-controller and a USB-CAN node, which linked by the CAN bus. The node based on microcontroller AT89C52 is a smart node. It simulated a automatic device, which can be controlled remotely and be programmed to run.
The node base on the embedded system can detect and record the communications of CAN bus. The core of this node is ARM9-S3C2410, a 32bit processor, which has a powerful function.
The node of USB-CAN is the person computer can access the can bus conveniently. Today, almost any personal computer has a usb port, so we design a usb-can node which can make the access of the CAN bus easier, make debugging and recovering industrial device faster.
This project built a network of CAN, which did much work with the low protocol of CAN 2．0．For the network can work correctly, this paper did some research on the application protocol of CAN, and designed a concise and feasible application layer protocol. It succeeded in communication among every node of this system.
随着嵌入式系统处理器的快速发展，一片嵌入式处理器就可完成比较复杂的运算和控制功能。由嵌入式处理器构成的系统体积越来越小，功能越来越强大。
本系统基于嵌入式微处理器和单片机，通过CAN总线连接通信网络，另外还增加了一个USB-CAN节点，可以方便PC或便携式电脑随时通过USB接口接入CAN总线网络。
基于微控制器AT89C52的CAN节点主要是模拟工业环境中的智能设备，微控制器从总线上获取命令，根据命令来控制管理其下位的设备。
基于嵌入式处理器ARM9的CAN节点有着强大的监控功能，不仅可以对CAN总线上的各个节点根据需求发送命令，还可以将CAN网络上各个节点的状态显示出来，对CAN总线的信息进行记录以备企业信息管理、分析使用。
USB-CAN节点主要为PC或笔记本电脑接入CAN总线提供一个方便快捷的接入点。由于CAN总线是多主形式的串行总线，CAN-USB节点可以通过软件编程实现对CAN网络中所有节点的控制，能够模拟所有CAN总线上任意节点进行通信，这就大大方便CAN总线系统的现场调试，加快了故障排除的速度。
本文利用CAN控制器扩展微控制器和嵌入式处理器，建立了CAN总线网络，研究分析了CAN总线的底层通信协议；通过系统功能的分析、CAL协议的分析，对CAN总线应用层协议有了一定的认识，设计了基于本系统的上层通信的协议，成功实现了CAN总线节点之间快速实时的通信。
CAN (Control Area Network) field-bus is a very safety serial bus which can support distributed real time control. CAN has been used in industrial environment and Auto-electricity widely.
As developing rapidly recently, a embedded processor can make a more complex operation and data process, and the size of embedded processor is smaller, the cost of hardware is lower and lower.
This system includes a node based on a embedded processor, two nodes based on micro-controller and a USB-CAN node, which linked by the CAN bus. The node based on microcontroller AT89C52 is a smart node. It simulated a automatic device, which can be controlled remotely and be programmed to run.
The node base on the embedded system can detect and record the communications of CAN bus. The core of this node is ARM9-S3C2410, a 32bit processor, which has a powerful function.
The node of USB-CAN is the person computer can access the can bus conveniently. Today, almost any personal computer has a usb port, so we design a usb-can node which can make the access of the CAN bus easier, make debugging and recovering industrial device faster.
This project built a network of CAN, which did much work with the low protocol of CAN 2．0．For the network can work correctly, this paper did some research on the application protocol of CAN, and designed a concise and feasible application layer protocol. It succeeded in communication among every node of this system.
引文
[1] 阳宪惠．现场总线技术及原理．北京：北京航空航天大学出版社，1999
[2] 饶运涛 邹继军 郑勇芸 现场总线CAN原理与应用技术，2003
[3] 邬宽明．CAN总线原理和应用系统设计．北京：北京航空航天大学出版社，1996
[4] 邹益仁，马增良，蒲维．现场总线控制系统的设计和开发．北京：国防工业出版社，2003
[5] 王桂荣，钱剑敏．CAN总线和基于CAN总线的高层协议[J]．计算机测量与控制，2003，(05)
[6] 马秋霞，郇极．CANopen现场总线从设备协议一致性测试系统研究[J]．制造业自动化，2005，(01)
[7] 程坷飞，王渝，王向周．基于CANopen协议的车载平台数据通讯系统[J]．微计算机信息，2005，(07)
[8] 张舒原，吴运新．CANBUS技术在智能装载机中的应用[J]．装备制造技术，2003，(03)
[9] 陈骥．基于CANOpen高级协议和ED调度算法的电动汽车网络协议研究[D]天津大学，2004
[10] 吴爱国，刘莉．CAN总线控制系统的应用层协议CANopen剖析[J]．微计算机信息，2003，(03)
[11] 吕京建，张宏韬．CAN总线的浅析CANopen协议[J]．电子产品世界，2002，(17)．
[12] 郇极，杨斌，魏继光．一种开放式的现场总线协议CANopen[J]．制造业自动化，2002，(10)
[13] 隆志力，吴运新，张舒原，廖凯．基于CANopen协议的装载机控制系统数据通讯[J]．建筑机械化，2004，(06)
[14] 何光宇，胡正，秦霆镐，王健．针对工业控制的Canopen系统[J]．微计算机信息，2003，(12)
[15] 赵君．基于现场总线的基站式测控仪表的研制[D]哈尔滨理工大学，2003
[16] 王建锋．基于CAN总线的蓄电池组智能在线监测系统[D]大连海事大学，2006
[17] 徐建华．遥控装载机电液操纵系统的设计与研究[D]中南大学，2003
[18] 黄玉贤．基于CAN总线的智能压路机控制系统的研究[D]长安大学，2003
[19] 李爱国．基于现场总线的电梯远程监控系统的设计与实现[D]天津大学，2004
[20] 周立功单片机．ZLG7289B应用指南．
[21] 张培仁．MCS-51单片机原理与应用．北京：清华大学出版社，2002
[22] 李伯成．基于MCS-51单片机的嵌入式系统设计．北京：电子工业出版社，2004
[23] 徐爱钧，彭秀华．Keil Cx51 V7.0单片机高级语言编程与μVision2应用实践．北京：电子工业出版社，2004
[24] 顾洪军等．工业企业网与现场总线．北京：人民邮电出版社，2002
[25] 梁合庆，吕京建，博洋．从C到嵌入式C编程语言．北京：北京航空航天大学 出版社，2000
[26] Semiconductors.SJA1000 Stand-alone CAN controller.1999
[27] ATMEL.AT89C52 8-Bit Microcontroller with 8 Kbytes Flash PHILIPS.
[28] SAMSUNG. S3C2410 RISC MICROPROCESSOR.
[29] MICROCHIP.MCP2510带有SPI接口的独立CAN控制器．2004
[29] 李玉波，朱自强，郭军．Linux C编程．北京：清华大学出版社，2005
[30] 胥静．嵌入式系统设计与开发实例详解-基于ARM的应用．北京：北京航空航天大学出版社，2005
[2] 饶运涛 邹继军 郑勇芸 现场总线CAN原理与应用技术，2003
[3] 邬宽明．CAN总线原理和应用系统设计．北京：北京航空航天大学出版社，1996
[4] 邹益仁，马增良，蒲维．现场总线控制系统的设计和开发．北京：国防工业出版社，2003
[5] 王桂荣，钱剑敏．CAN总线和基于CAN总线的高层协议[J]．计算机测量与控制，2003，(05)
[6] 马秋霞，郇极．CANopen现场总线从设备协议一致性测试系统研究[J]．制造业自动化，2005，(01)
[7] 程坷飞，王渝，王向周．基于CANopen协议的车载平台数据通讯系统[J]．微计算机信息，2005，(07)
[8] 张舒原，吴运新．CANBUS技术在智能装载机中的应用[J]．装备制造技术，2003，(03)
[9] 陈骥．基于CANOpen高级协议和ED调度算法的电动汽车网络协议研究[D]天津大学，2004
[10] 吴爱国，刘莉．CAN总线控制系统的应用层协议CANopen剖析[J]．微计算机信息，2003，(03)
[11] 吕京建，张宏韬．CAN总线的浅析CANopen协议[J]．电子产品世界，2002，(17)．
[12] 郇极，杨斌，魏继光．一种开放式的现场总线协议CANopen[J]．制造业自动化，2002，(10)
[13] 隆志力，吴运新，张舒原，廖凯．基于CANopen协议的装载机控制系统数据通讯[J]．建筑机械化，2004，(06)
[14] 何光宇，胡正，秦霆镐，王健．针对工业控制的Canopen系统[J]．微计算机信息，2003，(12)
[15] 赵君．基于现场总线的基站式测控仪表的研制[D]哈尔滨理工大学，2003
[16] 王建锋．基于CAN总线的蓄电池组智能在线监测系统[D]大连海事大学，2006
[17] 徐建华．遥控装载机电液操纵系统的设计与研究[D]中南大学，2003
[18] 黄玉贤．基于CAN总线的智能压路机控制系统的研究[D]长安大学，2003
[19] 李爱国．基于现场总线的电梯远程监控系统的设计与实现[D]天津大学，2004
[20] 周立功单片机．ZLG7289B应用指南．
[21] 张培仁．MCS-51单片机原理与应用．北京：清华大学出版社，2002
[22] 李伯成．基于MCS-51单片机的嵌入式系统设计．北京：电子工业出版社，2004
[23] 徐爱钧，彭秀华．Keil Cx51 V7.0单片机高级语言编程与μVision2应用实践．北京：电子工业出版社，2004
[24] 顾洪军等．工业企业网与现场总线．北京：人民邮电出版社，2002
[25] 梁合庆，吕京建，博洋．从C到嵌入式C编程语言．北京：北京航空航天大学 出版社，2000
[26] Semiconductors.SJA1000 Stand-alone CAN controller.1999
[27] ATMEL.AT89C52 8-Bit Microcontroller with 8 Kbytes Flash PHILIPS.
[28] SAMSUNG. S3C2410 RISC MICROPROCESSOR.
[29] MICROCHIP.MCP2510带有SPI接口的独立CAN控制器．2004
[29] 李玉波，朱自强，郭军．Linux C编程．北京：清华大学出版社，2005
[30] 胥静．嵌入式系统设计与开发实例详解-基于ARM的应用．北京：北京航空航天大学出版社，2005