如何使用CAN总线进行信号采集与处理模块的研究资料说明

　　现场总线是自动化领域的计算机网络。CAN 总线作为目前最有前途的现场总线之一，其主要优点为实时性好、可靠性高、性价比突出。因此已经逐渐成为当今自动化领域发展的热点之一。

　　本文主要研究对象为基于 CAN 总线的分布式数据采集与通讯系统，并准备将其应用于工业现场。作者在分析了 CAN 总线 2.0B 协议的基础上，采用结构化的方法独立设计了带有 CAN 总线通信接口的数据采集与处理底层模块。

　　底层模块的硬件设计以 C8051F040 高速型单片机为核心，其内部已经集成了 AD 采集和 DA 输出子模块，在其基础上，又外扩了 CAN 总线通讯、人机交互、地址译码等功能模块。

　　在集成了 Keil C51 编译器的 Silicon Laboratories IDE 开发环境下，采用模块化的软件程序设计方法完成了底层模块的模拟电压采集、CAN 总线通讯、模拟电压输出、 LCD 显示、矩阵键盘扫描、现场温度监控、开关量输入输出等功能。每个子任务模块之间通过主程序的多任务机制来进行分时调用，并采用过采样等方法对采集到的信号进行一些简单的处理，减轻通讯带宽的负担，以提高系统的实时性与效率。

　　整个系统由两个底层模块和一台接有 CAN 总线通信板卡的上位机组成，采用主从结构，通过接口卡来实现双向通讯，由此可以及时得知工业现场的各种数据和运行参数，从而保证了对现场远程测控的实时性。CAN 总线应用层协议由作者自行定义和编写，使之更加符合本系统的要求和特点。

　　目前整个系统运行良好，性能稳定，通信冗余度高，符合工业现场使用的要求。

　　所谓现场总线（Field bus），顾名思义，就是一种应用在生产最低层的总线型拓扑网络。进一步讲，这种总线是用做现场控制系统的、直接与所控设备串行相连的通信网络。它是在市场对现场仪表智能化以及全数字控制系统的需求驱动下产生的，从技术的角度看，它是将 5C 技术--COMPUTER（计算机技术）、CONTROL（自动控制技术）、COMMUNICATION（通信技术）、CRT（显示技术）和 CHANGE（转换技术）紧密结合后的必然产物。按照国际电工委员会 IEC61158 的定义，现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线。它的关键标志是支持双向、多节点、总线式的全数字式通讯。总的来说它不单单是一种通信技术，也不仅仅是用数字仪表代替模拟仪表，而是用新一代的现场总线控制系统 FCS（Fieldbus Control System）代替传统的集散控制系统 DCS（Distributed Control System），实现通信网络与控制系统的集成。

　　本课题的研究重点是设计基于 CAN 总线的数据采集与处理模块，并将其应用于工业现场。由于在工控现场中，有着各种各样的干扰源以及不可预见的突发事件，因此要求整个系统都必须具有很高的抗干扰能力和纠错能力，同时还需要对从现场采集到的各种模拟与数字信号进行及时的传输，并且对上位机发出的命令与数据做到实时的响应。这就要求被选择的总线标准精确可靠、抗干扰性强、实时性高。

　　之所以在那么多现场总线标准中选择 CAN 总线作为本系统的传输协议，是因为在本系统中，CAN 总线有着其它几种现场总线所无法比拟的特性。

　　CAN 总线技术是为分布式系统在强干扰等恶劣环境下能够正确可靠的传输而研制开发的一种总线标准，因此其较低的成本和较高的实时处理能力使其在工业自动化领域中的应用越来越广，已经成为该应用领域发展的一大趋势。其主要优点如下：

　　（1） 短报文结构。由于工业现场的数据传输特点为传输频率较大，但是每次信息量不多，因此 CAN 总线的这种短报文格式既保证了系统的实时性又充分利用了带宽，传输效率大大提高。

　　（2） 确保紧急报文的等待时间。等待时间是指从收到发送要求到开始发送之间的时间，等待时间主要取决于总线客观条件的变化。在向总线发送报文并产生失真的情 6 况下，等待时间可高达 149 位时间（最恶劣情况）。而优先级高的报文总能最先被发送，这样可以最大程度的保证工业现场重要信息的传输。

　　（3） 总线访问优先权取决于报文标识符，使得多主设计成为可能。

　　（4） 强有力的错误处理能力，为系统的可靠运行创造良好的条件。

　　（5） 配置灵活，方便局域网进行扩展。本课题的主要任务是设计一个基于 CAN 总线协议的分布式数据采集与处理系统。具体包括以下几个方面的工作：

　　1）利用 PHILIPS 公司生产的 CAN 微控制器 SJA1000 设计出基于 CAN 总线的底层智能模块，它带多路 I/O 口、AD 采集和 DA 输出等，可完成信号采集与处理、LCD 显示、芯片温度监控等功能，并通过硬件调试达到各种技术指标；

　　2）使用 VC 编写与完善基于周立功公司生产的 CAN 总线适配器 PCI5121 的上位机通讯监控界面，以完成对整个 CAN 总线系统的管理与控制；

　　3）搭建分布式数据采集与控制系统，编写各现场控制单元的应用与处理程序，在上位机软件管理与控制下实现各现场控制单元与上位机之间的双向数据通讯。