电网监控系统的CAN总线智能通信节点设计.docx

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1、摘 要智能电网是经济和技术发展的必然结果，而现场总线是在发展综合自动化的需要下产生的，它适应了工业控制系统向分散化、网络化和智能化发展的方向，CAN总线现已经形成国际标准，并已被公认为最有前途的现场总线之一。本设计的主要任务是开发电网监控系统的CAN总线智能通信节点模块，它具有现场数据采集和控制及CAN总线通信的功能，可以通过CAN总线通信与其它CAN智能测控节点传送状态和各种参数，接收来自监控节点的命令和数据来调整和改变控制状态。智能控制是控制理论和技术发展的高级阶段，是一个新兴的并正在迅速发展的领域。它主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。关键词： 电网监控，CAN总线，

2、SJA1000，PCA82C250ABSTRACTSmart Grid is the economic and technological development. The inevitable result of the field bus is required in the development of integrated automation arising under. It adapted to the decentralization of industrial control systems, networking and intelligent direction of t

3、he development. CAN bus now has become an international standards, and has been recognized as the most promising one field bus. The main task of this design is the development of network monitoring system CAN bus. Intelligent Communication Node module, which has on-site data acquisition and control,

4、 and CAN bus communication features, you can communicate with other CAN bus intelligent control node transmission status and various parameters to receive commands from the control node and data to adjust and change the control state.Intelligent control is the control theory and technology of the ad

5、vanced stage of development, is an emerging, and rapidly developing area. It is primarily those who use traditional methods to solve difficult control problem of complex systems.Key words: Network monitoring, CAN bus, SJA1000，PCA82C250目 录1 绪论11.1 智能电网的概念21.2 现场总线的概念31.3 现场总线的产生与发展41.4 现场总线的结构模型51.5

6、现场总线的特点与优点62 电网监控的控制器局域网总线（CAN）82.1 CAN总线技术特点82.2 CAN总线技术规范92.3 CAN总线的通信原理103 CAN总线智能通信节点设计133.1硬件电路设计143.2 CAN总线通信接口的控制和驱动163.3 CAN通信接口电路设计214 CAN总线通信节点的软件设计244.1 SJA1000的初始化244.2 报文的发送过程264.3 报文的接收过程295 结论33参考文献34致谢35附录3643 / 461 绪论智能电网是经济和技术发展的必然结果，具体是指利用先进的技术提高电力系统在能源转换效率、电能利用率、供电质量和可靠性等方面的性能。智能

7、电网的基础是分布式数据传输、计算和控制技术，以及多个供电单元之间数据和控制命令的有效传输技术。智能电网就是通过传感器把各种设备、资产连接到一起，形成一个客户服务总线，从而对信息进行整合分析，以此来降低成本，提高效率，提高整个电网的可靠性，使运行和管理达到最优化1。智能电网需要具有实时监视和分析系统目前状态的能力：既包括识别故障早期征兆的预测能力，也包括对已经发生的扰动做出响应的能力。智能电网也需要不断整合和集成企业资产管理和电网生产运行管理平台，从而为电网规划、建设、运行管理提供全方位的信息服务2。CAN 是Controller Area Network 的缩写（以下称为CAN），是ISO国际

8、标准化的串行通信协议。在当前的汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN 通信协议。此后，CAN通过ISO11898及ISO11519进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。现在，CAN的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技

9、术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。CAN属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。较之目前许多RS-485基于R线构建的分布式控制系统而言，基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性。首先，CAN控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权（取决于报文标识符）采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且CAN协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之

10、间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。而利用RS-485只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差3。其次，CAN总线通过CAN控制器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会出现象在RS-485网络中，当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现象在网络中，

11、因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态。而且，CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期，这些是只仅仅有电气协议的RS-485所无法比拟的4。另外，与其它现场总线比较而言，CAN总线是具有通信速率高、容易实现等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。这些也是目前 CAN总线应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力的重要原因。1.1 智能电网的概念1.1.1 智能电网的含义智能电网并没有一个确定的概念，各个领域的专家从不同角度阐述了智能电网的内涵，并且随着研究和实践的深入对其不断细化。天津大学余贻鑫院士给出如下定义：智能电网是指一

12、个完全自动化的供电网络，其中的每一个用户和节点都得到实时监控，并保证从发电厂到用户端电器之间的每一点上的电流和信息的双向流动。智能电网通过广泛应用的分布式智能和宽带通信，以及自动控制系统的集成，能保证市场交易的实时进行和电网上各成员之间的无缝连接及实时互动。智能电网是经济和技术发展的必然结果，具体是指利用先进的技术提高电力系统在能源转换效率、电能利用率、供电质量和可靠性等方面的性能。智能电网的基础是分布式数据传输、计算和控制技术，以及多个供电单元之间数据和控制命令的有效传输技术。针对智能电网技术，美国和欧洲已经形成强大的研究群体，研究内容覆盖发电、输电、配电和售电等环节，许多电力企业也在如火如

13、荼地开展智能电网建设实践，通过技术与具体业务的有效结合，使智能电网建设在企业生产经营过程中切实发挥作用，最终达到提高运营绩效的目的。总之，智能电网就是通过传感器把各种设备、资产连接到一起，形成一个客户服务总线，从而对信息进行整合分析，以此来降低成本，提高效率，提高整个电网的可靠性，使运行和管理达到最优化。1.1.2 智能电网与传统电网的差异传统电网是一个刚性系统，电源的接入与退出、电能量的传输等都缺乏弹性，致使电网没有动态柔性及可组性；垂直的多级控制机制反应迟缓，无法构建实时、可配置、可重组的系统；系统自愈、自恢复能力完全依赖于实体冗余；对客户的服务简单、信息单向；系统内部存在多个信息孤岛，缺

14、乏信息共享。虽然局部的自动化程度在不断提高，但由于信息的不完善和共享能力的薄弱，使得系统中多个自动化系统是割裂的、局部的、孤立的，不能构成一个实时的有机统一整体，所以整个电网的智能化程度较低。与传统电网相比，人们设想中的智能电网将进一步拓展对电网全景信息（指完整的、正确的、具有精确时间断面的、标准化的电力流信息和业务流信息等）的获取能力，以坚强、可靠、通畅的实体电网架构和信息交互平台为基础，以服务生产全过程为需求，整合系统各种实时生产和运营信息，通过加强对电网业务流实时动态的分析、诊断和优化，为电网运行和管理人员提供更为全面、完整和精细的电网运营状态图，并给出相应的辅助决策支持，以及控制实施方

15、案和应对预案，最大程度地实现更为精细、准确、及时、绩优的电网运行和管理。与传统电网相比，智能电网将进一步优化各级电网控制，构建结构扁平化、功能模块化、系统组态化的柔性体系架构，通过集中与分散相结合，灵活变换网络结构、智能重组系统架构、最佳配置系统效能、优化电网服务质量，实现与传统电网截然不同的电网构成理念和体系。由于智能电网可及时获取完整的电网信息，因此可极大地优化电网全寿命周期管理的技术体系，承载电网企业社会责任，确保电网实现最优技术经济比、最佳可持续发展、最大经济效益、最优环境保护，从而优化社会能源配置，提高能源综合投资及利用效益。智能电网监控系统的连接采用了现场总线，而且CAN总线又具备

16、了一系列的优点，所以本毕业设计是CAN总线对智能电网监控的通信设计。1.2 现场总线的概念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，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有了数字计算和数字通信能力，采用双绞线、电缆和光纤等作为通信介质，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5。传统的测控自动化系统，采用一对一连线，用电压、电流的模

17、拟信号进行测量控制，或采用自封闭的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，使自动化系统称为 “信息孤岛”。现场总线是一种在工业现场环境运行的、性能可靠、造价低廉的通信系统，可以完成现场自动化设备之间的多点通信，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线作为过程自动化、制造自动化、楼宇和交通等领域现场智能设备之间的互连通信网络，沟通了生产过程现场控制设备之间及其与更高控制管理层网络之间的联系，为彻底打破自动化系统的信息孤岛创造了条件。现场总线控制系统（FCSFieldbus Control System）是开放系统网络，又是一种全分布控制系统。它作为智能设备的联系

18、纽带，把连接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报签、显示、监控、优化和控管一体化的综合自动化功能6。这是一项以智能传感器、控制、计算机、数字通信和网络为主要内容的综合技术。现场总线是新型自动化系统，又是低带宽的底层控制网络。它可与因特网、企业内部网相连，且位于生产控制和网络结构的底层，因而有人称之为底层网，它作为网络系统最显著的特征是具有开放统一的通信协议，肩负着生产运行一线测量控制的特殊任务。它与现场设备直接连接，一方面将现场测量控制设备互连为通信网络，实现不同网段、不同现场通信设备间的信息共享；同时又将现场运行的各种信

19、息传送到远离现场的控制室，并进一步实现与操作终端、上层控制管理网络的连接和信息共享。由于现场总线所肩负的测量控制的特殊任务，它具有自己的特点，它要求信息传输的实时性强、可靠性高，且多为短帧传送，传输速率一般在1 kbps至1 Mbps之间。由于现场总线适应了工业控制系统向分散化、网络化和智能化发展的方向，它一经产生便成为全球工业自动化技术的热点，受到全世界的普遍关注。1.3 现场总线的产生与发展现场总线是在发展综合自动化的需要下产生的，现代的工业生产需要把市场、生产计划、制造过程、售后服务和企业管理作为统一的生产过程来考虑，并采用计算机、控制和通信等技术来实现整个过程的综合自动化，以改善生产加

20、工和管理决策等。要实现整个生产过程的信息集成、实现综合自动化，就必须设计出一种能在工业现场环境运行的、性能可靠的、价格低廉的通信系统，以实现现场自动化智能设备之间的多点数字通信，形成工厂底层网络系统，实现底层现场设备之间以及生产现场与外界的信息交换。现场总线就是在这种背景下产生的。智能仪表的出现为现场总线的出现奠定了基础。从用户到设备制造商都强烈要求形成统一的标准，组成开放互连网络。开放意味着对同一标准的共同遵从，意味着来自不同厂商而遵从相同标准的设备可以互连为一致的通信系统。从这个意义上说，现场总线就是工厂自动化领域的开放互连系统。1984年，美国仪表协会（ISA）下属的标准与实施T作组中的

21、ISA/SP50开始制定现场总线标准；1985年，国际电工委员会决定由Proway Working Group负责现场总线体系结构与标准的研究制定工作；1986年，德国开始制定过程现场总线（Process Fieldbus）标准，简称为PROFIBUS，由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发的序幕。1992年，由Siemens、 Rocemount、 ABB、 Foxboro 、Yokogawa等80家公司联合，成立了ISP（Interoperable System Protocol）组织，着手在PROFIBUS的基础上制定现场总线标准；1993年，以Honeywell Bailey等公司为首

22、，成立World FIP（Factory Instrumentation Protocol）组织，有120多个公司加盟该组织，并以法国标准FIP为基础制定现场总线标准。1994年，ISP和World FIP北美部分合并，成立T现场总线基金会（Field bus Foundation，简称FF），推动了现场总线标准的制定和产品开发，于19%年第一季度颁布了低速总线H1的标准，安装了示范系统，将不同厂商的符合FF规范的仪表互连为控制系统和通信网络，使H1低速总线开始步入实用阶段。与此同时，在不同行业还陆续出现了一些有影响的总线标准。它们大都在公司标准的基础上逐渐形成，并得到其他公司、厂商、用户以至

23、于国际组织的支持。如德国Bosch 公司推出的CAN，美国Echelon公司推出的Lon Works等。当前，由于各行业和各公司投资效益和商业利益的需要.存在着多种现场总线标准共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面。但发展共同遵从的统一的标准规范，真正形成开放互连系统，是现场总线技术的大势所趋7。.1.4 现场总线的结构模型按ISO （ International Standardization Organization国际标准化组织）的OSI （Open System Interconnection开放式系统互联）参考模型的规定，计算机网络结构分为7层，包括物理层、数据链路层、网络层

24、、传输层、会话层、表示层和应用层。IEC （International Electro technical Commission-国际电工技术委员会）定义现场总线的结构模型为3层，分别为物理层、数据链路层和应用层8。其原因是：在现场总线实际应用中，不需要选择等功能，传送信息通常也不会提交给高层网络，从实际需要出发，可以减少层次。但是，现有的传输层不支持广播式或多点式寻址，现有的会话层和表示层均不具备周期性服务的功能。为此，美国仪表学会制定的ISA/SPSO现场总线结构模型规定，增加新的用户层。这样，现场总线结构模型统一为4层，即：物理层、数据链路层、应用层和用户层，两种网络模型之间的对照关系如

25、图2-1所示。图2-1 两种网络模型的比较现场总线模型4个层次的任务概况如下:（1） 物理层（Physical layer ）：规定了铜导线、无线通信和光纤传输速率通常分为低、高速两类，低速H1一般不超过31.25kbps，高速H2不超过1 Mbps或2.5Mbps。物理层还应规定每条线路最多连接的智能端口数量。最大传输距离与速度有关，通常低速率H1时为1900m；若速率允许更低，则传输速率可达10km；不同的高速率H2，传输距离可不超过750m, 500m或40m不等。（2） 数据链路层（Data link layer）：规定了物理层与应用层之间的接口，如数据结构，从总线上传送数据的规则，传

26、输差错识别处理，噪音检测、多主站使用规范等。该层通过每帧数据校验来保证信息的正确性、完整性，为应用层透明与可靠的传输和处理做准备。概括的讲，其主要任务是解决通信过程中数据的链接任务，具体表现在确定总线存取规则、令牌传送、申请立即响应，总线时间调度等规则。（3） 应用层（Application layer）：提供设备之间及网络要求的数据服务，以对现场控制进行支持。为给用户提供一个简单的接口，该层大部分工作内容是定义信息语法、传输信息的方法、网络初始化的管理操作；通过出错统计，控制网络运行并检查有无新站挂网或老站退出，系统连续询问各可能的站地址以寻找新站。该层利用对信息或命令的格式及读写规定，使通

27、信双方或多方互相理解其内容、数据格式，并可完成纠错判断。（4） 用户层(User layer)：把数据规格为确定的形式，并用以表达特定的功能或设备，从而能被连接在现场总线网络上的智能端口（设备或仪表）所识别和理解。简言之，用户层的主要任务是对现场总线设备中数据库信息的互相存取制定统一的规则，定义功能块，提供用户对系统进行组态的语言。 现场总线模型中还必须有网络管理部分。其任务是将上述网络通信协议中的4个层次有机的结合在一起，协调的工作，使各层准确的完成通信和数据交换所赋予的任务。网络管理不直接参与数据通信，但对通信任务起着必不可少的保证作用。1.5 现场总线的特点与优点1.5.1 现场总线系统

28、的特点系统的开放性：开放是指对相关标准的一致性和公开性，强调对标准的共识与遵从。开放系统是指世界上任何遵守相同标准的设备或系统之间都可以互连。通信协议一致公开，各不同厂家的设备之间可实现信息交换。用户可根据自己的需要，把来自不同供应商的产品组成随意的系统。通过现场总线构筑自动化领域的开放互连系统。互可操作性和互用性：互可操作性是指实现互连的设备间和系统间的信息传送与沟通；互用性则是指不同生产厂家的性能类似的设备可以实现互相替换。现场设备的智能化与自治性：现场总线技术的应用将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的

29、运行状态。系统结构的高度分散性：现场总线己构成一种新的全分散性控制系统的体系结构。从根本上改变了原有DCS系统集中与分散相结合的控制体系，简化了系统结构，提高了可靠性.。对现场环境的适应性：工作在生产现场前端，作为工厂网络底层的现场总线，是专门为现场环境而设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线和电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现通信与供电，并可满足本质安全防爆要求等。1.5.2 现场总线的优点节省硬件资源与投资：由于现场总线系统中分散在现场的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器、计算单元等。也不在需要DCS系统

30、的信号调理、转换、隔离等功能单元及其复杂接线，还可以用工控PC机作为操作站，从而节省了硬件投资，并可减少控制室的占地面积。 节省安装费用：现场总线系统的接线十分简单，一对双纹线或一条电缆上通常可挂多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少9。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，又减少了设计和安装的工作量。节省维护开销：由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力，并通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室，用户可以查询所有设备的运行，诊断维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间

31、，同时由于系统结构简单化，连线简单而减少了维护工作量。2 电网监控的控制器局域网总线（CAN）2.1 CAN总线技术特点CAN总线（Control Area Network，控制局域网络）最初是由德国Bosch公司为汽车内部的监控系统而设计的，世界上一些著名的汽车制造厂商，如BENZ, BMW, PORSCHE，ROLLS-ROYCE等都已经采用CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。CAN是一种有效支持分布式控制或实时控制的总线式串行通信网络，具有物理层，数据链路层和应用层三层协议。CAN总线专用接口芯片中以固件形式集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能：可完成对通

32、信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余校验、优先级判别等多项工作。CAN总线传播的形式进行通信。由于采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通信总线相比，具有突出的可靠性、实时性和灵活性，其应用范围目前己不再局限于汽车行业。CAN现已经形成国际标准，并已被公认为最有前途的现场总线之一。CAN具有如下主要特性：（1） CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息，利用这一特点可方便地构成多机备份系统。（2）CAN网络上的节点信息可分为不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134S内

33、得到传输。（3）CAN采用无破坏性的基于优先权的总线仲裁技术，当多个节点同时向总线 发送信息时，优先级较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。尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况。（4）CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传输数据，无需专门“调度”。（5）CAN的直接通信距离最远可达l 0km（速率5kbps以下），通信速率最高可达1 Mbps（通信距离最长为40m）。 （6）CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，可达110个；报文标识符口可达2032种（CAN2.OA），而扩展标准

34、（CAN2. OB）的报文标识符几乎不受限制。（7）CAN采用短帧结构，传输时间短，受干扰的概率低，具有极好的检错结果。（8）CAN的每帧信息都有CRC校验及其它检错措施，保证了数据出错率极低。（9）CAN的通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。（10）CAN节点在错误严重的情况时，具有自动关闭功能，以切断该节点与总线的联系，使总线上的其它节点及其通信不受影响，抗干扰能力强，可靠性高。2.2 CAN总线技术规范由于CAN总线在不同领域内的应用和推广，故要求对其通信格式标准化。为此，1991年9月Philips Semiconductors制定并发布了CAN技术规范 （Version2

35、.0）。该技术规范包括A和B两部分，2.0A给出了CAN报文标准格式，2. 0B给出了标准的和扩展的两种格式。1993年11月ISO正式颁布了道路交通运输工具数据信息交换高速通信控制器局域网（CAN）国际标准ISO11898。2.2.1 CAN 总线的电气特性CAN总线的通信线路由两根导线组成，分别为CANH和CANL，这两根导线也就是CAN网络中的总线。网络中所有的节点都挂接在该总线上，并且都通过这两根导线交换数据。2.2.2 CAN总线的分层结构CAN按照开放系统互连（OSI）基本参考模式（IS07498）实现了一种简化的OSI模型，它只具有OSI七个层次中的两层：数据链路层和物理层。这两

36、层一般固化在专用的CAN总线接口芯片和微处理器中。CAN总线系统的开发者在软件上主要进行应用层的工作。（1） 数据链路层按照IEEE 802. 2和802. 3标准，数据链路层又划分为：逻辑链路控制（LLC-Logic LinkControl）和媒体访问控制（MAC- Medium Access Control）。在CAN技术规范2. 0A版本中，LLC和MAC子层的服务和功能被描述为：“目标层”和“传送层”。逻辑链路控制(LLC)子层：LLC子层的主要功能是：帧接收滤波、超载通告和恢复管理。 1） 帧接收滤波：在LLC子层开始的帧跃变是独立的，其自身操作与先前的帧跃变无关。帧内容由标识符命名

37、。标识符并不能指明帧的目的地，但描述数据的含义，每个接收器通过接收滤波确定此帧与其是否有关。2） 超载通告：如果接收器内部条件要求延迟下一个LLC数据帧或LLC远程帧，则通过LLC子层开始发送超载帧。最多可产生两个超载帧，以延迟下一个数据帧或远程帧。3） 恢复管理：发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的帧，LLC子层具有自动重发送功能，在发送成功完成前，帧发送服务不被用户认可。（2）物理层按照IEEE 802.3 LAN标准规范，物理层又划分为：1） 物理媒体附属装置（PMA-Physical Medium Attachment ），实现总线发送/接收的功能电路并可提供总线故障检测方法。2） 媒

38、体相关接口（MDI-Medium Dependent Interface），实现物理媒体与媒体访问单元（MAU-Medium Access Unit ）之间机械和电气接口。MAU表示用于偶合节点至发送媒体的物理层的功能部分，由PMA和MDI构成。3） 物理信令(PLS-Physical Signalling )，实现与位表示、定时和同步相关的功能。位表示、定时确定了正常位时间，正常位时间二同步段（Tsyncseg）、时间段（Tseg 1）和时间段（ Tseg2 ）。同步段对应一个系统时钟周期。时间段1由补偿传播延迟的时间段和直接采样点前同步缓冲段组成，决定了定位周期内采样点的位置一位于时间段1

39、的结束。时间段2提供采样点上的附加时间以计算后续位电平以及采样点后的直接同步缓冲段。时间段1和时间段2由CAN控制器的BTRO和BTR1通过编程决定。CAN总线的同步也是由物理信令完成的，它将到来沿同其实际位定时进行比较，并通过同步适配位定时。同步包括硬同步和重同步两种：硬同步仅发生在报文的开始。硬同步后，位时间由每个定时逻辑单元从同步段重新启动。因此，硬同步强迫引起硬同步的边沿处于重新启动位时间的同步段内。重同步发生在报文位流发送期间，以补偿个别CAN控制器振荡频率的变化以及由于从一个发送器转至另一个发送器引入的变化。重同步的结果是时间段1被延长或时间段2被缩短，这两个时间段的延长或缩短的总

40、和上限由重同步跳转宽度给定。当引起重同步沿的相位误差幅值小于或等于重同步跳转宽度编程值时，重同步的作用与硬同步相同:当相位误差幅值大于重同步跳转宽度，且相位误差为正时，则时间段1延长总数为重同步跳转宽度：当相位误差幅值大于重同步跳转宽度且相位误差为负时，则时间段2缩短总数为重同步跳转宽度。2.3 CAN总线的通信原理通过对上述介绍，下面可以对CAN总线的组织和通信过程作一简单归纳：CAN控制器只能在总线空闲状态期间启动发送过程，总线上的所有的控制器同步于帧起始的前沿，这个过程由硬同步来完成。若有两个或更多的CAN控制器同时开始发送，总线访问冲突通过仲裁场发送期间位仲裁处理方法予以解决。仲裁期间

41、，每个进行发送的CAN控制器都将发送的位电平与监控总线电平进行比较，任何发送一个隐性位而监视到一个显性位电平的CAN控制器立即变成总线上较高优先权报文的接收器，而不破坏总线上的任何信息。每段报文包括一个唯一的标识符和在报文中含描述数据类型的RTR位。标识符和RTR位最先发送。标识符和RTR位对应二进制数值最低的报文具有最高的优先权。处于数据帧的RTR位为显性电平，因此数据帧比远程帧具有更高的优先权。对于每个数据帧存在唯一的发送器。从与其他CAN总线控制器兼容性的。考虑，由于使用标识符二进制位模式 ID= 11111111XXXX （X表示任意电平位），这样，在Basic CAN方式下，可以使用

42、的标识符数目为2048-16 = 20320帧起始、仲裁场、控制场、数据场和CRC序列使用位填充技术进行编码。当正在发送的CAN控制器检测到5个连续的相同极性的位被发送，一个互补（填充）位被插入到该发送位流中。当一个正在接收的CAN控制器检测到接收的上述五种位场的位流中，具有5个相同极性的连续位，它将自动地删除下一个接收（填充）位。删除的填充位电平必须与先前位相反，否则一个填充错误被检测到并被标注。其余的位场和帧具有固定的形式，因而不使用位填充方法进行编码/解码。当发生位错误，填充错误、形式错误或应答错误时，检测到出错条件的CAN控制器将发送一个出错标志。出错标志在下一位开始发生。当检测到CR

43、C错误时，出错标志在紧跟应答界定符后的一位开始发送，除非其他一些出错条件的错误标志已经开始发送。出错标志将破坏位填充或损坏固定形式的位场。位填充法则的破坏将影响检测出错条件的任何CAN控制器。一个检测出错条件的认可型CAN控制器将发送一个认可出错标志。认可出错标志不会中断在不同CAN控制器上的当前报文，但这类出错标志可能被其他控制器忽略。检测到出错条件后，认可型出错CAN控制器将等待具有相同极性的6个连续位，并在检测到它们时，将它们理解为出错标志。发送出错标志后，每个CAN控制器都在监视总线直至检测到一个显性电平到隐性电平的跳变。此时，每个CAN控制器就完成了其出错标志发送，并且所有CAN控制

44、器开始发送7个附加的隐性位。辨识数据帧或远程帧报文格式的方法是所有可检测的错误均可在报文发送时间内被标识，因而使CAN控制器很容易组成对应报文的出错帧，并且初始化被破坏报文的重新发送。如果CAN控制器监测到出错帧固定格式的任何偏离，它将发送一个新的出错帧。一些CAN控制器要求借助于发送一个或更多超载帧来延迟下一个数据帧或远程帧的发送。超载帧的发送必须起始于所等待间歇场的第一位。在期望的间歇场期间，重新激活位显性位的超载帧的发送应在该事件后的一个开始。虽然超载帧和出错帧的格式相同，但对它们的处理却不同。在间歇场期间进行的超载帧的发送不能初始化任何先前的数据帧和远程帧的重新发送。如果发送超载帧的C

45、AN控制器监测到其固定格式的任何偏离，它将发送一个出错帧。需要指出的是，以上介绍的CAN总线的相对较为复杂的概念，说明了CAN的工作原理和为什么能形成高效率和高可靠性现场总线网络的原因。推出CAN总线标准的同时已经为其发展提供了强有力的技术和物质支持。有关厂家推出的CAN控制器芯片和微处理器（如Philips的PCX82C200及其升级产品SJA1000和80C592）可完成物理层和数据链路层的全部功能，因此以上操作对CAN的设计者来说是透明的，设计者主要考虑应用层的问题，只要通过相对简单的设计和编程就可能开发出适用的CAN总线系统。3 CAN总线智能通信节点设计CAN智能测控节点具有现场数据

46、采集和控制及CAN总线通信功能，它可以通过CAN总线通信与监控站和其它CAN智能测控节点传送状态和各种参数，并接收来自监控站的命令和数据来调整和改变控制状态，CAN总线智能通信系统通常由多个节点构成智能测控节点系统，包括一个主节点和若干个从节点。系统的总体框图如下图所示：图3-1 系统结构框图CAN智能测控节点设计，采用89C51微处理器作为系统的控制核心，再扩展CAN通信接口，其中CAN通信控制器采用Philips公司生产的SJA 1000，它与单片机自接接口，电路简单；CAN总线驱动器采用PCA82C250，本方案具有编程灵活，通信协议易扩展等特点。总体硬件设计结构图如下：图3-2 硬件设

47、计结构图3.1硬件电路设计本系统采用了Atmel公司生产的89C51单片机，它含有128字节数据存储器，内置4K的电可擦除FLASH ROM,重复编程，大小满足软件系统设计，所以不必再扩展程序存储器。3.1.1微处理器基本系统电路原理图微处理器基本系统电路原理图如下：图3-3微处理器系统电路原理图图3-4 硬件实物图在本系统中，除单片机本身需要复位外，外部扩展的I/O接口电路等也需要复位，因此需要一个系统的同步复位信号：即单片机复位后，CPU开始上电时，外部的电路一定要同时复位好，以保证CPU有效地对外部电路进行初始化编程。图3-5 外部时钟方式电路89C51内部有一个用于构成震荡期的高增益反

48、相放大器，输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器，电路中的电容典型值通常选择为30pF左右。图3-6 按键电平复位电路按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种，本设计中使用电平复位时通过RST端和经电阻与电源Vcc接通而实现的，时钟脉冲选用12MHz，C取22uF，R1取512，R4取1.5K。3.2 CAN总线通信接口的控制和驱动本方案中，采用89C51微处理器作为系统的控制核心，再扩展CAN通信接口，其中CAN通信控制器采用Philips公司生产的SJA1000，它与单片机自接接口，电路简单；CAN总线驱动器采用PCA82C250，本方案具有编程灵活，通信协议易扩展等特点。3.2.1 SJA1000 CAN控制器CAN通信协议主要由CAN控制器完成。SJA1000是适用于汽车和一般工业环境控制器局域网（CAN）的高集成度独立控制器，具有完成高性能通信协议所要求的全部必要特性，具