现场总线大作业2016

南京工程学院

现场总线大作业

课程名称基于CANopen总线的温度测的设计院（系、部、中心）自动化学院

专业自动化

班级、姓名数控133 吴雅雯

起止日期 2016/11/4 - 2016/12/14

目录

1 设计任务............................... 错误！未定义书签。

2 总体方案 (3)

3 硬件设计 (3)

4 软件设计 (17)

5 设计总结 (19)

6 参考文献 (22)

一、设计任务

1．系统整体方案设计，包括

（1）课题分析，方案选择；

（2）主控制器和通信控制器的选择；

（3）温度传感器的选择

（4）系统总体结构框图及各模块功能。

2．系统硬件设计，包括：

2.1测量对象的数据采集

（1）测量电路的设计；

（2）数据采集电路的设计；

2.2 CAN通信最小系统的设计

（1）主控制器最小系统电路

（2）根据主控制器的类型（是否集成CAN控制器功能）设计CAN通信接口与驱动电路；

3．CANopen通信节点的软件设计；

（1）数据采集模块程序流程；

（2）主程序流程设计；

（3）底层CAN通信程序流程设计，及各功能模块子程序设计，包括：初始化程序设计、接收报文程序设计、发送报文程序设计；

（4）应用层的CANopen协议程序设计；

（5）CANopen对象字典部分的程序设计，依据DS301和DS401对CANopen 对象字典进行配置；

二、总体方案

CAN是Contro l erAreaNetwork的缩写, 即控制器局部网,通常称为CANbus(CAN总线),是一种支持分布式控制

的串行通信协议。CAN最初出现在汽车工业中,是20世纪80年代德国Bosch公司为汽车的监控、控制系统而设计的,主要是解决汽车中的电子控制装置之间的通信,减少不断增加的信号线。CAN总线的直接通信距离最

远可以达到10 km, 此时通信速率为5 kbps以下;而通信速率最高可达 1

Mbps, 此时通信距离长为40 m。同时CAN总线的通信媒介采用双绞线或

光纤,选择灵活,其结构较简单,总线接口芯片支持8位、16位的CPU。

由于CAN总线采用短帧结构,在标准格式中,短帧的字节数为8个,

因此传输时间短,受干扰的概率低,重新发数据帧的时间短,并且每帧信息

都有CRC校验及其他检错措施,这样可以保证极低的数据出错率。CAN总

线上的节点在错误严重时,可以自动关闭总线的功能,使总线上的其它操作

不受到影响。由于CAN总线的数据通信具有卓越的特性及极高的可靠性,

因而非常适合工业过程监控设备互连,也是最有前途的现场总线之一[2]。

由于CAN总线的特点,使得其广泛地应用于电力、航空航天、治金、交通

工具、机器人、医疗设备、环境监控和家用电器等众多领域。本文提出基

于CAN总线的温度测量节点的设计。

1系统总体结构设计

三、硬件设计

基于CANopen协议多通道温度测量模块的研发摘要：CAN总线广泛应用于工业现场，开发基于CANopen协议温度测量模

块具有一定的现实意义。采用内嵌CAN控制器的微处理器设计方案，开发以

单片机为核心、基于CANopen协议的多通道温度测量模块，阐述了模块的硬件结构、关键电路和嵌入式软件组成。最后，给出模块通过测试验证的CANopen从节点通讯功能。关键词：现场总线；CANopen；从节点；嵌入式系统；单片机（MCU）

引言控制器局域网（Control Area Network, CAN）现场总线具有优先抢占总线仲裁的优势。其可靠性高、开放性强、组网灵活、成本较低、具有良好的实时性及传输防错能力，真正实现了全数字化的双向传输。利用CAN总线更容易实现“集中监控，分散控制”这一现代工业的新型控制方式[1] 。CAN总线具有许多突出的性能优点[2,3] 。CAN协议建立在ISO开放系统互联模型的基础上，但只取OSI模型结构的物理层、数据链路层和应用层。通常，CAN控制器负责物理层和数据链路层，而应用较广泛的应用层协议有CANopen、DeviceNet等。CANopen由CiA（CAN in Automation）组织制定和发布，是一个基于CAL的子协议。其采用面向对象的思想设计，具有很好的模块化特性和很强的适应性，不仅定义了应用层和通信子协议，而且为可编程系统、不同设备、接口、应用子协议定义了大量的规范，遵循该规范开发的设备能够实现不同产品间的互连、互操作[4~6]。另外，CANopen协议是完全免费开放的，用户开发此类产品，无需支付版税。随着对CANopen协议研究的深入，其应用越来越广泛[7]。依据CiA规范，国内厂家开发了基于CANopen协议的伺服驱动器、PLC、变频器等产品，如：深圳步进科技有限公司的KINCO ED系列伺服驱动器；和利时公司的PLC产品HOLLiAS-LEC G3系列可编程控制器；台达VFD-E-C系列变频器。

温度既是自然界中一个重要的模拟量，又是科学研究中一个重要的基本物理量。同时温度又是一个与人们生活环境、生产活动密切相关的量，在很多情况下都需要对温度进行准确测量，以满足各种要求[8]。温度监测在土木建筑施工、储粮仓库、智能楼宇、空调系统及其它工农业生产中有着广泛的应用。随着CANopen技术的普及应用，研制基于CANopen协议的多通道温度测量模块有利于提高自动化领域国产设备的占有率，为应用CAN总线的系统提供必备的硬件基础设备。同时随着CANopen总线系统广泛应用于工业控制系统，该类设备具有一定的市场前景。 2 多通道温度测量模块的硬件结构 2.1 多通道温度测量模块的硬件结构组成多通道温度测量模块是嵌入式系统的一个典型应用，其硬件电路主要包括：人机接口、温度测量接口、CAN接口、联动输出、电源变换、单片机及其外围辅助电路。

人机接口实现的主要功能包括：各测量点温度值显示、模块系统参数配置操作与显示及CANopen节点工作状态指示。如图1所示，模块的人机接口电路由按键、液晶显示屏（CM19264）和发光二极管组成。

联动输出由继电器及其驱动电路组成，主要实现模块所测温度超出用户预设范围时输出报警。电源变换电路则为各功能电路提供电源，具体包括支持MCU、数字温度传感器、液晶显示屏的5V电源、CAN总线侧隔离电源、继电器24V工作电源等。2.2 测量模块关键元器件的选用及电路设计 2.2.1 嵌入式微控制器的选型

图1的硬件结构中，除CAN通讯以外，其它应用（如温度传感器接口、LCD 接口等）对嵌入式微处理器的端口均无特殊要求。文献[9]、[10]指出：CAN