工业现场总线的应用

摘要

现场总线FF（Field Bus）的概念起源于70年代，现场总线已经发展成为集计算机网络、通信技术、现场控制、生产管理等内容为一体的现场总线控制系统FCS（Field-bus Control System）。它将通信线一直延伸到生产现场生产设备，用于过程和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场通信网络，将传统的DCS三层网络结构变成两层网络结构，降低了成本，提高了可靠性，实现了控制管理一体化的结构体系。

本文介绍了CAN总线技术，以及CAN总线在以摩托罗拉16位单片机MC9S12为中央控制器的某汽车仪表系统中的应用，并对该系统总体结构及其中CAN通信模块的软硬件设计作了说明。

关键词：现场总线，PROFIBUS-DP，CAN总线，MC9S12，汽车，仪表

Abstract

Fieldbus FF (Field Bus) concept originated in the 70's, Fieldbus has developed into computer networks, communication technology, field control, production management, etc. as one of the field bus control system FCS (Field-bus Control System). Communication line will extend to the production site has been producing equipment for process and manufacturing automation equipment or field instrument field-site communication network interconnection, the traditional DCS network structure into a two-tier network architecture, reduce costs, Improve the reliability, control and management to achieve the integration of architecture.

This paper introduces the CAN Bus technology as well as the application of CAN Bus in

MOTOROLA-16-bit single chip MC9S12 central controller for a car instrument system. It also

explains the system in the overall structure and the design of the software and hardware CAN

communication modules.

Keyword：Field Bus, CAN Bus ,Car instrument

1.1现场总线的定义：

目前，公认的现场总线技术概念描述如下：现场总线是安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。其中，"生产过程"包括断续生产过程和连续生产过程两类。或者，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。

1.2 现场总线技术产生的意义

（1）现场总线（Fieldbus）技术是实现现场级控制设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术；是一次工业现场级设备通信的数字化革命。现场总线技术可使用一条通信电缆将现场设备（智能化、带有通信接口）连接，用数字化通信代替4-20mA/24VDC信号，完成现场设备控制、监测、远程参数化等功能。（2）传统的现场级自动化监控系统采用一对一连线的、4-20mA/24VDC信号，信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自控系统成为工厂中的"信息孤岛"，严重制约了企业信息集成及企业综合自动化的实现。（3）基于现场总线的自动化监控系统采用计算机数字化通信技术，使自控系统与设备加入工厂信息网络，构成企业信息网络底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场。在CIMS系统中，现场总线是工厂计算机网络到现场级设备的延伸，是支撑现场级与车间级信息集成的技术基础。

1.3 现场总线技术的应用展望

现场总线技术的产生促进了现场设备的数字化和网络化，使现场控制的功能更加强大。由于采用了现场总线技术而带来了过程控制系统的开放性，使得系统成为具有测量、控制、执行和过程诊断等综合能力的控制网络。为更好适应工业过程控制的需要，今后现场总线技术会从以下几个方面发展：

(1)基于现场总线的一次仪表和二次仪表的研制

现在，生产自动化仪表的厂家必须向现场总线靠拢，开发出具有现场总线结构的一次及二次仪表。检测、变换、补偿、控制、告警、趋势分析等功能可以分散在现场解决，简化上层系统，彻底实现分散控制、集中管理以提高系统的可靠性和稳定性。

(2)基于现场总线网络设备的软、硬件开发

系统的开放性和通信问题是分散控制系统的突出问题，它需要解决不同厂家软、硬件产品能否集中到一个系统的问题。如Lon Works总线技术的产品，只要遵循Lon Talk标准，几百家不同产品均可连接在一个系统中，所以要进行网络设备的研制必须遵循现场总线的统一标准。

(3)开放的组态技术研究

目前现场总线系统的组态是比较复杂的，需要组态的参数多，各参数之间的关系比较复杂，所以研究开放的组态技术也是现场总线的发展趋势。开放的组态

技术的研究主要还包括网络拓扑结构、网络设备、网段互联等。在异构网连接的网关路由的开发方面，Lon Works具有独特的优势。

(4)网络设计与网络管理技术的增强

网络设计的重点是从物理形态上考虑通信网络和输入、输出线缆网络的布置，减少信息的往返传递是现场总线系统中网络设计和系统组态的一条重要原则。因此，网络设计时应优先将相互间信息交换量大的节点放在同一条支路里。网络管理技术主要还包括网络管理软件、网络数据操作与传输。现场总线的出现形成了低层网络，应同时提供与企业网、国际互联网相连接的可能性。

(5)基于现场总线技术的全开放控制系统集成技术的开发

自动化系统与设备将朝着现场总线体系结构的方向发展，并且涉及的应用领域十分广阔，几乎覆盖了所有的过程控制领域。

(6)控制网络与数据网络的结合

2.1 CAN总线简述

控制局域网CAN (controllerareanetwork)是国际上应用最广泛的现场总线之一，是德国Bosch公司为解决汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种通讯协议，它作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN控制装置。CAN是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10Km时，CAN仍可提供高达50 kbit/s的数据传输速率。它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络。CAN的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。在自动化电子领域的汽车发动机控制部件、传感器、抗滑系统等应用中，CAN的位速率可高达1 Mbps。CAN网络具有反映快,可靠度高的特性，应用于要求实时处理的场合，例如汽车刹车防锁死系统安全气囊等。今天此项通信协议已得到广泛应用，成为现代汽车设计中必须采用的装置，奔驰、宝马、大众、沃尔沃及雷诺汽车都将CAN作为控制器联网的手段。

2.2CAN总线的特点及通讯协议

2.2.1CAN总线的特点：

CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。其通讯介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。在汽车发动机控制部件、传感器等应用中，总线的位速率最大可达1Mbit/s。