毕 业 设 计（论 文）说 明 书题 目：全量程现场总线系统采集节点设计系 别：专业班级：学生姓名：XXX指导教师：教 研 室：提交时间：I全量程现场总线系统采集节点设计摘 要针对现场总线在工业实时检测中的应用，提出了全量程的现场总线系统采集节点的实现方案，每个节点能完成四路实时参数检测，每路均能与热电偶、热电阻，变送器配合实现数据采集。系统采用双单片机作为微控制器，同时采用CAN总线为系统总线，使节点与上位机进行通信，将数据送到上位机，同时采用组态王6.0作为系统的组态软件，实现了操作站对现场的实时监控。另外从硬件和软件方面提出了系统的改进方案。该数据采集器可广泛应用于工业控制领域。关键词 ：现场总线；数据采集；CAN总线；数据发送；缓冲器ABSTRACTIn view of the application of the field bus in the industry real-time examination, Proposed a project of full measuring ranged data acquisition system point based on the field bus system. Each point can complete four groups real-time parameters examination each group can Complete the data acquisition by coordinating the thethermo, the thermal resistance, and the transducer. The system used the single-chip as the microcontroller, Simultaneously used the CAN bus as the system bus, Caused the system point to communication with the position machine. Simultaneously used the Configuration King 6.0 as the system configuration software, realized the operation station to the scene real-time monitoring. Moreover proposed the system improvement program from the hardware and the software aspect. This data acquisition may widely apply to the industry control domain.KEY WORDS: Fieldbus；data acquisition；CAN bus；data Transmit；buffer本科毕业（设计）论文目 录摘 要IABSTRACTII第1章 引 言1第2章 硬件设计部分32.1整体方案概述32.2 系统主控电路设计52.2.1 时钟及复位电路72.2.2 双机通信部分92.3模拟量输入通道设计102.3.1信号输入端子设计102.3.2信号调理电路112.3.3 A/D 转换部分132.4 CAN通信接口电路设计162.4.1 CAN总线通信控制器SJA1000的介绍162.4.2总线驱动器PCA82C250的介绍192.4.3 SJA1000的电路设计212.4.4光电隔离部分222.5 系统电源设计222.6 PCB印制电路板制作22第3章 软件设计部分223.1 CAN技术规范223.1.1帧类型223.1.2 CAN总线数据帧结构223.2操作站读数据223.3 软件编程223.3.1数据采集部分软件设计223.3.2 CAN接口部分程序设计223.3.3 CAN接口中断程序设计223.3.4 SJA1000初始化流程图22第4章 总 结22致 谢22参考文献22附录22第1章 引 言随着工业技术的发展，数据采集技术得到了很大发展，各种数据采集器层出不穷，本次设计旨在设计一个全量程的数据采集器是一种多路数据采集器，它能就地的对热电偶，热电阻，及变送器的信号进行采集。以解决传统数据采集器功能简单、抗电磁干扰弱的缺陷，同时采用CAN总线作为系统的通信总线，使数据能有效，快速，无差错的传输到上位机，实现操作站对现场参数的实时在线监控。下面将就数据采集和CAN总线的发展及应用给与介绍。数据采集在控制系统中起着重要的作用，它将现场的各种控制参数检测后送给控制室，以供显示或控制使用。在各种控制系统中起着非常关键的作用，数据采集的精度对控制的品质的好坏也起着重要作用。数据采集系统的应用范围非常广泛。随着科学技术的发展，对有用信号进行数据的采集，分析，计算，提取等有较好的运用。一般的数据采集主要应用于实时过程参数检测，生物医学信号处理，多媒体技术与人机交互，导航与现代通信技术，遥感，遥测的应用，人工智能与模式识别，计算机视觉与可视化雷达，声纳信号处理，微弱信号处理技术等。随着数据采集系统被广泛的利用，在特定的行业要获得较精确的采样数据，都需要对该系统进行特殊的要求如：由于工业现场环境恶劣，很多设备（比如大功率电机）都是对数据采集产生很大干扰的干扰源；而且一般的采集器都有多路信号输入，它们地线相连会导致干扰通过地线进入正在采集的信号，使得数据采集不准确，因此数据采集器的抗干扰设计十分重要。所以，在数据采集系统的发展过程中，为满足特定的要求，数据采集系统的发展方向为系统抗干扰性，实时通信等方面。1）系统抗干扰性 保证获得的数据较精确。如：可设计一个数据采集器，它除了正常的低通滤波，RC滤波外，还可用光电隔离对每路信号进行隔离，每路信号的地线都独立开来。2）高速数据采集 一般数字信号的获得需要对模拟信号进行采集，这就需要高速，高性能的A/D转换相适应。3）实时通信 保证数据处理单元能较快的得到要处理的数据，提高了主机的运行效率，如：采集现场与处理单元距离短可用RS-232总线，距离长可用RS-485总线，在本次设计中采用CAN总线作为通信总线，因为其相比其他总线，其具有很多优点。CAN（Controller Area Network）控制器局域网络，由于其高性能、高可靠性及独特的设计，CAN越来越受到人们的重视。由于CAN本身的特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而向过程工业，机械工业，纺织机械，农用机械，机器人，数控机床，医疗器械及传感器等领域发展。CAN总线由于具有可靠性高，成本低，容易实现等优点，在现场总线的实际工程应用中占据较大的份额。CAN也是基于OSI模型，但进行了优化，采用了其中的物理层、数据链路层，提高了实时性。其中，数据链路层又包括逻辑链路子层LLC和媒体访问子层MAC。而在CAN技术规范2.0A中，数据链路层的LLC和MAC子层的服务和功能被描述为目标层和传输层。由于其采用了许多新技术及独特的设计，与其它现场总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括如下：CAN是到目前为止唯一有国际标准的现场总线。多主方式工作，通信方式灵活。利用这一特点可方便地构成多机备份系统。网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求。介质访问控制子层采用非破坏总线仲裁技术，从而避免了网络瘫痪情况。其直接通信距离最远可达10km(速率5kbps以下)；通信速率最高可达1Mbps(此时通信距离最长为40m)。CAN上的节点个数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个。在标准帧的报文标示符11位，而在扩展帧的报文标示符(29位)的个数几乎不受限制。采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。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。1总之，通过以上分析，本次设计意在解决传统数据采集器功能单一的缺陷，同时能直接采集热电偶，热电阻信号，降低了成本。在设计中基于传统数据采集器，采用MCS-51单片机作为数据采集和收发控制中心，利用CAN总线作为系统传输总线，使数据采集节点与上位机进行通信，构成全量程现场总线系统采集节点。其首先对热电偶、热电阻、变送器信号进行采集，然后通过CAN总线把信息发送给上位机，同时通过操作站组态，实现操作站对现场参数的实时在线监控。69本科毕业（设计）论文第2章 硬件设计部分2.1整体方案概述全量程现场总线系统采集节点是在全量程采集的基础上，采用CAN总线作为系统总线，将数据传到操作站，通过操作站组态，实现多节点的在线监控，其系统网络拓扑结构图如图2-1所示， 全量程信号全量程数据采集节点1全量程信号全量程数据采集节点NSCADA全量程信号全量程数据采集节点N1全量程数据采集节点2全量程信号通讯控制器图2-1 CAN总线系统网络拓扑结构图如图2-1，图中现场设备网（Device Network）采用CAN，位于现场数据采集节点以及位于控制室的操作单元等通过总线连接，完成数据的采集和实时数据显示、控制等任务。现场的数据采集节点接收来自现场的变送器，热电阻，热电偶信号，通过对CAN总线控制器的控制，完成节点与CAN总线的双向通信。隔离型通信控制器CAN/RS232完成CANBUS、数据操作站SCADA设备间的协议互换，在SCADA上实现集中显示、管理，控制室内仪表与现场节点通过总线实现资源共享，实现控制彻底分散、管理集中的分布式控制系统。同时可方便地与基于工业以太网（Ethernet）的企业信息网（Plant Information Network）连接，提高工厂的信息化管理水平。2智能节点要与CAN总线系统进行通信，CAN控制器是必不可少的。CAN总线通信，除需要一个总线控制器外还需要一个总线驱动器。基于实际应用考虑，设计中选用PHILIPS公司SJA1000 CAN总线控制器和PCA82C250 CAN总线驱动器，采用ATMEL公司的AT89C51芯片作为信息中央处理单元。在具体的电路设计中采用双AT89C51单片机的形式，一个通过对A/D转换器等的控制，实现全量程的数据采集，一个通过对CAN总线控制器和驱动器的控制，实现CAN数据的收发。另外利用双口RAM作为存取数据缓冲区和单片机的连接媒介，同时在系统中加入看门狗电路。其系统原理框图如图2-2所示。单片机1 双端口ROM单片机2SJA1000PCA82C250地址锁存器74LS373IMP813L