智能楼宇的计算机网络设计.pdf

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1、智 能 楼 宇 的 计 算 机 网 络 设摘 要 楼 宇 自 动 化 控 制 系 统 是 采 用 现 代 化 的 传 感 技 术、计 算 机 通 信 技 术 对 建 筑 物 内 所 有 机 电 设 施 进 行 信 号 采 集、控 制，提 供 有 效 安 全 的 物 业 管 理，使 其 设 备 应 用 在 最 良 好 的 状 态。本 设 计 介 绍 了 控 制 系 统 的 发 展，分 析 了 各 种 控 制 系 统 的 特 点，提 出 了 现 场 总 线 技 术 在 控 制 领 域 的 应 用 前 景，特 别 是 C A N总 线 的 先 进 性。基 于 CAN总 线 的 楼 宇 控 制 系 统

2、 主 要 由 模 拟、开 关 量 前 端 模 块，和 上 位 管 理 机 构 成，前 端 模 块 是 一 个 小 的 智 能 单 元，核 心 部 分 是 8051单 片 机，通 信 部 分 采 用 SJA1000CAN协 议 芯 片，完 成 信 号 的 采 集 和 控 制 工 作。上 位 机 由 PC机 加 入 PCI插 卡，插 卡 由 PCI接 口 芯 片 CH365完 成 PC I总 线 和 SJA10OO通 信，结 构 简 单，通 信 可 靠。CAN总 线 提 供 了 标 准 网 络 协 议 的 数 据 链 路 层，没 有 相 应 的 高 层 通 信 协 议，为 此 设 计 了 简 单

3、的 通 信 协 议，完 成 设 备 的 识 别，数 据 的 可 靠 传 输，网 络 的 控 制。由 于 网 络 是 一 个 多 主 的 网 络，可 以 方 便 的 实 现 单 主 机 的 查 询 工 作 方 式，和 设 备 之 间 的 点 对 点 通 信。CAN总 线 在 楼 宇 控 制 中 的 应 用，提 高 了 楼 宇 的 智 能 化 水 平 并 降 低 了 设 备 和 管 理 成 本，具 有 广 泛 应 用 前 景。关 键 词：智 能 楼 宇；CAN现 场 总 线；8051单 片 机；通 讯 协 议 IAbstractBuilding automation control system

4、consists of modem sensor technology,computer communication technology on buildings of all electrical andmechanical facilities for signal acquisition,control and provide effectivesecurity for property management,to equipment used in the best condition.The designed CAN based building automation system

5、 is composed offront-end modules and a PC with communication card as the system supervisor.The front-end module is an intelligent unit designed around 8051micro-controller,with I/O interfaces to perform data acquisition and controlaction,the CAN interface is designed by using SJA1000 CAN controller

6、chipto fulfill the network communication tasks.The communication card mount inPC uses CH365 to link PCs PCI bus and perform data exchange to/from CANbus via SJA1000.A simple communication protocol is designed based on theCANS physical and data link layer protocols.The protocol fulfills the tasks ofe

7、quipment identification,reliable data transfer,network control.The application of CAN based building automation system will raise theintelligent level,degrease the cost of management and improve the reliabilityand safety of the building.Obviously,such a system is of broad applicationprospects.Keywor

8、ds intelligent buildings,CAN field bus,8051meu,communicationprotocol目 录 摘 要.IAbstract.II第 1章 绪 论.11.1 背 景 及 意 义.11.2 国 内 外 研 究 现 状.21.3 主 要 研 究 内 容.3第 2 章 CAN总 线 技 术 综 述.42.1 CAN总 线 简 述.42.2 几 种 常 用 的 现 场 总 线 技 术.52.3 现 场 总 线 的 技 术 特 点 与 优 点.72.4 CAN协 议 的 物 理 层.92.4.1 媒 体 相 关 接 口(MDI).92.4.2 物 理 媒 体

9、 附 属 装 置(PMA).92.4.3 物 理 信 令(PLS).92.5 CAN总 线 数 据 链 路 层.102.5.1 逻 辑 链 路 控 制(LLC)和 媒 体 访 问 控 制(MAC).102.5.2 CAN的 帧 格 式.1 12.6 CAN的 通 信 过 程.132.7 本 章 小 结.15第 3章 基 于 CAN的 楼 宇 自 动 化 系 统 总 体 设 计.163.1 基 于 CAN的 楼 宇 自 动 化 网 络 拓 扑.163.2 CAN的 网 络 通 信 协 议.173.2.1 帧 格 式.173.2.2 总 线 的 通 信 方 式:.183.3 本 章 小 结.19第

10、 4 章 测 控 终 端 的 设 计.204.1 单 片 机 AT89c52.204.2 A/D 转 换 器 ADC0809.204.2.1 接 口 方 法 及 工 作 方 式.234.2.2 在 系 统 中 的 应 用.234.3 RAM/IO 扩 展 芯 片 8155.244.3.1 引 脚 功 能 说 明.254.3.2 地 址 编 码 及 工 作 方 式.254.3.3 8155的 定 时/计 数 器.27in4.3.4 在 系 统 中 的 应 用.284.4 测 控 终 端 的 组 成.284.5 微 控 制 器 80c52.294.6 基 于 SJA1000的 CAN通 讯 接 口

11、 电 路.304.6.1 硬 件 设 计.304.6.2 接 口 软 件 设 计.314.7输 入 与 输 出 通 道 的 设 计.314.7.1 模 拟 量 输 入 模 块 式 设 计.314.7.2 模 拟 量 输 出 模 块 设 计:.324.7.3 模 拟 通 道 的 隔 离.334.7.4 开 关 量 输 入 模 块.344.7.5 开 关 量 输 出 模 块.344.8 测 控 终 端 的 软 件 设 计.344.9 软 件 设 计 系 统 流 程.344.1 0本 章 小 结.35结 论.36致 谢.37参 考 文 献.38附 录.40附 录 A：总 原 理 图.40附 录 B：

12、元 器 件 清 单 表.41附 录 C：系 统 总 程 序.42IV第 1章 绪 论 1.1 背 景 及 意 义 目 前 日 益 流 行 的 智 能 建 筑(Intelligent Buildings)是 建 筑 技 术 与 计 算 机 信 息 技 术 相 结 合 的 产 物，是 信 息 社 会 的 需 要，也 是 未 来 建 筑 发 展 的 方 向。智 能 建 筑 主 要 由 楼 宇 自 动 化 系 统(Building Automation system,缩 写 为 BAS)、通 信 自 动 化 系 统(CAS)和 办 公 自 动 化 系 统(OAS)三 大 系 统 组 成。其 中，楼 宇

13、 自 动 化 系 统 是 智 能 建 筑 中 最 基 本 和 最 重 要 的 组 成 部 分。楼 宇 自 动 化 系 统 是 利 用 计 算 机 及 其 网 络 技 术、自 动 控 制 技 术 和 通 信 技 术 构 建 的 高 度 自 动 化 的 综 合 管 理 和 控 制 系 统，将 大 楼 内 部 各 种 设 备 连 接 到 一 个 控 制 网 络 上，通 过 网 络 对 其 进 行 综 合 的 控 制，这 些 设 备 包 括 空 调、照 明 设 备、电 梯、消 防 设 备、安 防 设 备 等 等。它 确 保 建 筑 物 内 的 舒 适 和 安 全 的 办 公 环 境，同 时 实 现 高

14、 效 节 能 的 要 求 叫 计 算 机 控 制 系 统 的 发 展 在 经 历 了 基 地 式 气 动 仪 表 控 制 系 统、电 动 单 元 组 合 式 模 拟 仪 表 控 制 系 统、集 中 式 数 字 控 制 系 统 以 及 集 散 控 制 系 统(DCS)后，随 着 微 处 理 器 技 术 和 集 成 电 路 技 术 的 飞 速 发 展，到 了 现 在 的 现 场 总 线 控 制 系 统。现 场 总 线 也 被 称 为 自 动 化 领 域 的 计 算 机 网 络，是 当 今 自 动 化 领 域 技 术 发 展 的 热 点 之 一，它 标 志 着 控 制 技 术 进 入 了 一 个 新

15、 的 时 代。随 着 我 国 现 代 化 建 设 的 飞 速 发 展，经 济 实 力 的 增 长，我 国 建 筑 智 能 化 的 需 求 不 断 增 长，一 座 座 高 水 平、高 要 求 的 智 能 楼 宇 应 运 而 生。对 楼 宇 的 智 能 化 技 术 提 出 了 新 的 要 求。目 前 智 能 建 筑 中 建 筑 设 备 自 动 化 系 统 包 容 的 设 备 和 子 系 统 既 多 又 复 杂。由 于 不 同 厂 商 提 供 的 不 同 的 产 品 和 系 统，其 通 讯 协 议 不 同，造 成 通 讯 速 率、编 码 格 式、同 步 方 式、通 讯 规 程 各 不 相 同，因 而

16、 使 这 些 产 品 实 现 互 操 作 和 系 统 的 互 连 很 困 难。如 果 系 统 中 各 种 设 备 及 子 系 统 不 进 行 互 连 而 独 立 运 作，则 不 能 进 行 一 体 化 协 调 运 作，导 致 管 理 效 率 抵、维 修 困 难、扩 展 维 护 费 用 高。近 30年 来，世 界 上 根 据 楼 宇 的 智 能 化 需 求，相 继 开 发 出 一 批 楼 宇 控 制 系 统,如 美 国 霍 尼 维 尔 公 司 的 Excel5000控 制 系 统、西 门 子 的 5600控 制 系 统、江 森 公 司 的 DXglOO控 制 系 统 等。长 期 控 制 着 我

17、国 和 世 界 的 楼 宇 控 制 市 场。获 得 了 丰 厚 的 利 润。这 些 控 制 系 统 使 有 其 独 立 的、封 闭 的 控 制 协 议，使 得 其 它 任 何 控 制 设 备 均 无 法 与 其 兼 容，严 重 的 影 响 了 行 业 的 发 展。智 能 建 筑 的 业 主 和 管 理 者 迫 切 需 要 降 低 投 入 和 提 高 效 率。他 们 要 求 智能 建 筑 的 各 子 系 统 集 成 在 一 起，为 实 现 系 统 和 设 备 集 成 和 互 操 作，必 须 有 一 种 有 效 的 方 法 实 现 系 统 和 设 备 之 间 的 通 讯。因 此 就 需 要 系 统

18、 具 有 真 正 的 开 放 性。所 谓 开 放 系 统 即 建 筑 设 备 自 动 化 系 统 的 所 有 部 件 均 以 公 认 的 工 业 标 准 技 术 制 造。系 统 符 合 公 认 的 工 业 结 构，因 而 不 同 厂 商 的 产 品，可 以 组 合 从 而 实 现 互 操 作。它 具 有 两 个 要 求：(1)系 统 的 技 术 标 准 和 规 范 所 有 厂 商 必 须 共 同 遵 守；(2)同 样 功 能 的 部 件 虽 由 不 同 厂 家 生 产，但 可 以 互 相 替 换，可 以 互 操 作。开 发 具 有 我 国 独 立 知 识 产 权、国 有 品 牌 的 控 制 系

19、 统 不 仅 非 常 必 要 而 且 是 可 能 的。基 于 总 线 技 术 的 智 能 楼 宇 控 制 系 统 就 是 根 据 智 能 建 筑 市 场 的 要 求 以 及 先 进 的 总 线 技 术 的 支 持，而 产 生 的 种 极 具 生 命 力 的 控 制 系 统。1.2 国 内 外 研 究 现 状 为 了 加 速 楼 宇 智 能 化 技 术 的 发 展，加 强 各 楼 宇 智 能 化 控 制 系 统 厂 商 的 合 作。世 界 各 国 一 直 在 致 力 于 研 究 一 种 平 台，这 平 台 能 够 使 世 界 各 国 楼 宇 智 能 化 控 制 系 统 厂 商 产 品 得 到 最

20、 佳 兼 容。目 前 基 本 采 用 二 种 方 式。一 种 是 编 写 一 种 专 用 的 协 议，用 来 规 范 楼 宇 能 量 管 理 与 控 制 系 统。另 一 种 则 采 用 现 有 的、国 际 上 通 用 的 网 络 协 议 来 规 范 楼 宇 能 量 管 理 与 控 制 系 统。后 一 种 则 是 本 文 要 介 绍 的 基 于 总 线 技 术 的 智 能 楼 宇 控 制 系 统。现 场 总 线 技 术 进 入 我 国 已 经 有 好 几 年 了，在 前 面 了 解 学 习 和 宣 传 的 基 础 上，已 进 入 了 开 发 和 应 用 阶 段。由 于 我 国 市 场 潜 力 巨

21、 大 且 正 处 于 经 济 快 速 发 展 的 阶 段，各 种 现 场 总 线 的 主 要 支 撑 企 业 都 看 好 中 国 市 场，在 中 国 展 开 了 激 烈 的 竞 争。竞 争 的 集 中 体 现 是 在 国 内 引 起 现 场 总 线 协 议 的 争 论，而 争 论 的 焦 点 则 是 哪 种 现 场 总 线 更 好。国 内 现 场 总 线 的 发 展 趋 势 是:多 种 现 场 总 线 在 国 内 展 开 激 烈 竞 争，重 点 是 在 应 用 工 程；(2)国 内 自 己 开 发 的 现 场 总 线 产 品 开 始 投 入 市 场;(3)国 内 各 行 业 对 现 场 总 线

22、 的 工 程 应 用 迅 速 发 展。从“九 五”起，我 国 政 府 开 始 投 资 支 持 现 场 总 线 的 开 发。这 期 间 国 家 机 械 工 业 局、教 育 部 和 中 科 院 组 织 力 量 对 HARI,、F F 等 现 场 总 线 展 开 研 究 和 开 发。到 现 在 已 经 取 得 了 阶 段 性 成 果，HARI,仪 表 己 经 开 始 批 量 试 用，FF仪 表 也 在 投 入 试 用。此 外 还 有 一 些 企 业 自 筹 资 金 开 发 现 场 总 线。但 是 总 的 来 说 还 不 能 满 足 广 大 用 户 的 要 求。国 内 企 业 要 推 广 现 场 总

23、线 产 品，目 前 的 主 要 困 难 是:产 品 尚 不 成 熟；(2)扩 充 和 配 齐 品 种 规 格 所 需 的 开 发 力 量(资 金 和 人 才)不 足；(3)市 场 开 发 的 投 入 不 足。外 国 企 业 如 果 能 在 我 国 开 发 市 场 和 推 广 应 用，那 么，现 场 总 线 的 市 场 打 开 后，国 内 企 业 销 售 产 品 则 会 轻 松 得 多。现 在 要 使 用 现 场 总 线，客 观 地 说，绝 大 部 分 使 用 的 是 国 外 的 产 品。要 2推 动 我 国 现 场 总 线 的 发 展，则 应 借 助 外 国 公 司 的 力 量，大 力 推 动

24、 现 场 总 线 的 应 用。如 果 停 留 在 关 于 总 线 的 争 论 上 反 而 使 用 户 无 法 判 断 到 底 应 该 用 哪 一 种 现 场 总 线，这 样 则 会 阻 碍 现 场 总 线 在 我 国 的 发 展。1.3 主 要 研 究 内 容 本 文 首 先 介 绍 了 控 制 系 统 的 发 展，分 析 了 各 种 控 制 系 统 的 特 点，提 出 了 现 场 总 线 技 术 在 控 制 领 域 的 应 用 前 景，特 别 是 C A N总 线 的 先 进 性。接 着 分 析 了 基 于 C A N总 线 的 楼 宇 控 制 系 统 的 组 成，开 发 设 计 了 模 拟

25、、开 关 量 前 端 模 块，和 上 位 管 理 机 模 块。前 端 模 块 是 一 个 小 的 智 能 单 元，核 心 部 分 是 8051单 片 机，通 信 部 分 采 用 SJA1000CAN协 议 芯 片，完 成 信 号 的 采 集 和 控 制 工 作。上 位 机 由 PC机 加 入 PCI插 卡,插 卡 由 PCI接 口 芯 片-CH365完 成 PC I总 线 和 SJA10OO通 信，结 构 简 单，通 信 可 靠。CAN总 线 提 供 了 标 准 网 络 协 议 的 数 据 链 路 层，没 有 相 应 的 高 层 通 信 协 议，为 此 设 计 了 简 单 的 通 信 协 议，

26、完 成 设 备 的 识 别，数 据 的 可 靠 传 输，网 络 的 控 制。由 于 网 络 是 一 个 多 主 的 网 络，可 以 方 便 的 实 现 单 主 机 的 查 询 工 作 方 式，和 设 备 之 间 的 点 对 点 通 信。3第 2章 CAN总 线 技 术 综 述 2.1 C A N总 线 简 述 现 场 总 线 是 2 0世 纪 8 0年 代 中 期 在 国 际 上 发 展 起 来 的。所 谓 现 场 总 线,就 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

27、式、数 字 化、多 点 通 信 的 底 层 控 制 网 络。它 在 制 造 业、流 程 工 业、控 制、交 通、楼 宇 等 方 面 都 具 有 广 泛 的 应 用 前 景。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 可 进 行 简 单 连 接 的 双 绞 线 等 作 为 总 线 的 传 输 界 质，把 单 个 分 散 的 测 量 控 制 设 备 变 成 网 络 节 点，以 现 场 总 线 为 纽 带，把 它 们 连 接 成 可 以 相 互 沟 通 信 息、

28、共 同 完 成 自 控 任 务 的 网 络 与 控 制 系 统。现 场 总 线 使 自 控 系 统 与 设 备 具 有 了 数 字 通 信 的 能 力，把 它 们 连 接 成 网 络 系 统，向 我 们 展 示 了 一 种 全 新 的 系 统 集 成 理 念。上 个 世 纪 七 八 十 年 代，伴 随 着 计 算 机 可 靠 性 提 高，价 格 大 幅 下 降，出 现 了 由 多 个 计 算 机 递 阶 构 成 的 集 中、分 散 相 结 合 的 分 布 式 控 制 系 统(Distributed Control S ystem,简 称 DCS)。DCS是 利 用 计 算 机 技 术 对 生

29、产 过 程 进 行 集 中 监 视、操 作、管 理 和 分 散 控 制 的 一 种 综 合 控 制 系 统。它 的 测 量 变 送 仪 表 一 般 是 模 拟 仪 表，因 此 它 属 于 一 种 模 拟 数 字 混 合 控 制 系 统，这 种 系 统 较 以 前 的 各 种 控 制 系 统 有 了 较 大 的 进 步。DCS在 工 业 自 动 化 控 制 领 域 获 得 了 广 泛 的 应 用，也 开 始 应 用 到 楼 宇 自 动 化 控 制 领 域 凶。但 是 DCS存 在 如 下 一 些 缺 点：(1)安 装 加 用 高。采 用 一 台 仪 表、一 对 传 输 线 的 接 线 方 式，导

30、 致 接 线 庞 杂、工 程 周 期 长、安 装 费 用 高、维 护 困 难；(2)可 靠 性 差。模 拟 信 号 传 输 精 度 低，而 且 抗 干 扰 性 差；(3)系 统 封 闭。各 厂 家 的 产 品 自 成 系 统，系 统 封 闭、不 开 放，难 以 实 现 产 品 的 互 换 与 互 操 作 以 及 组 成 更 大 范 围 的 网 络 系 统。上 个 世 纪 9 0年 代 以 来，随 着 控 制 技 术、计 算 机 技 术、通 信 技 术 的 发 展,出 现 了 基 于 现 场 总 线 的 控 制 系 统(FCS),FC S克 服 了 D C S的 缺 点，它 是 一 种 全 数

31、字 化 的、全 分 散 的、全 开 放、可 互 操 作 和 开 放 式 互 连 的 新 一 代 控 制 系 统。目 前，现 场 总 线 技 术 已 经 成 为 自 动 化 技 术 中 的 一 个 热 点，备 受 国 内 外 自 动 化 设 备 制 造 商 与 用 户 的 关 注。FCS极 大 地 简 化 了 传 统 控 制 系 统 繁 琐 且 技 术 含 量 较 低 的 布 线 工 作 量，使 其 系 统 检 测 和 控 制 单 元 的 分 布 更 趋 合 理。与 传 统 的 DCS(分 布 式 控 制 系 统)相 比，FC S具 有 可 靠 性 高、可 维 护 性 好、4成 本 低、实 时

32、性 好、实 现 了 控 制 管 理 一 体 化 的 结 构 体 系 等 优 点。现 场 总 线 的 出 现，为 工 业 自 动 化 带 来 了 一 场 深 层 次 的 革 命，从 而 开 创 了 工 业 自 动 控 制 的 新 纪 元，被 誉 为 自 动 化 领 域 的 计 算 机 局 域 网。鉴 于 FC S的 许 多 优 点，控 制 专 家 们 纷 纷 预 言“FC S将 取 代 DCS成 为 21世 纪 控 制 系 统 的 主 流。”现 在，FC S已 经 被 应 用 到 楼 宇 自 动 化 控 制 领 域。2.2 几 种 常 用 的 现 场 总 线 技 术(1)基 金 会 现 场 总

33、线 基 金 会 现 场 总 线 1(FF,Foundation Fieldbus)是 在 过 程 自 动 化 领 域 得 到 广 泛 支 持 和 具 有 良 好 发 展 前 景 的 技 术。其 前 身 是 以 美 国 FIShe、Rosemount公 司 为 首，联 合 Foxboro、横 河、ABB、西 门 子 等 8 0家 公 司 制 订 的 ISP协 议 和 以 Honeywell公 司 为 首，联 合 欧 洲 等 地 的 150家 公 司 制 订 的 W6rldFIP协 议。屈 于 用 户 的 压 力，这 两 在 集 团 于 1994年 9 月 合 并，成 立 了 现 场 总 线 基

34、金 会，致 力 于 开 发 出 国 际 上 统 一 的 现 场 总 线 协 议。F F的 体 系 结 构 参 照 150/051模 型 的 第 1、2、7 层 协 议，即 物 理 层、数 据 链 路 层 和 应 用 层，另 外 增 加 了 用 户 层。F F 现 场 总 线 最 初 包 括 低 速 总 线 H 1(速 率 为 31.25kbPs)和 高 速 总 线 HZ(速 率 为 1Mbps和 2.0Mbps)两 部 分。但 随 着 多 媒 体 技 术 的 发 展 和 工 业 自 动 化 水 平 的 提 高，控 制 网 络 的 实 时 信 息 传 输 量 越 来 越 大，H Z 的 设 计

35、能 力 已 不 能 满 足 实 时 信 息 传 输 的 带 宽 要 求。因 此，现 场 总 线 基 金 会 放 弃 了 原 有 H Z总 线 计 划，取 而 代 之 的 是 将 现 场 总 线 技 术 与 成 熟 的 高 速 商 用 以 太 网 技 术 相 结 合 的 新 型 高 速 现 场 总 线 一 基 金 会 HSE(High Speed Ethernet)现 场 总 线，并 于 2000年 3 月 发 布 了 HSE的 最 终 规 范(HSEL0版)。物 理 传 输 介 质 可 支 持 双 绞 线、光 缆 和 无 线 发 射。(2)LonworksLonworks”是 由 美 国 氏

36、hefon公 司 推 出 并 与 摩 托 罗 拉、东 芝 公 司 共 同 倡 导，于 1990年 正 式 公 布 而 形 成 的。它 采 用 了 150/051模 型 的 全 部 七 层 通 讯 协 议，采 用 了 面 向 对 象 的 设 计 方 法，通 过 网 络 变 量 把 网 络 通 信 设 计 简 化 为 参 数 设 置，其 通 信 速 率 从 3O0bPs至 1.0Mbps不 等，直 接 通 信 距 离 可 在 2700m(78Kbps,双 绞 线);支 持 双 绞 线、同 轴 电 缆、光 纤、射 频、红 外 线、电 力 线 等 多 种 通 信 介 质，并 开 发 了 相 应 的 本

37、 质 安 全 防 爆 产 品，被 誉 为 通 用 控 制 网 络。Lonworks技 术 核 心 是 具 备 通 信 和 控 制 功 能 的 Neuron神 经 元 芯 片，它 能 完 整 地 实 现 Lonworks的 LonTalk通 信 协 议。集 成 芯 片 中 有 3 个 8位 CPU,一 个 用 于 完 成 开 放 互 连 模 型 中 的 第 1和 第 2 层 的 功 能，称 为 媒 体 访 问 控 制 处 理 器，实 现 介 质 访 问 的 控 制 与 处 理;第 二 个 用 于 完 成 3 6 层 的 功 能，称 为 网 络 处 理 器，进 行 网 络 变 量 的 寻 址、处

38、理、背 景 诊 断、路 径 选 择、软 件 计 时、网 络 管 理，并 负 责 网 络 通 信 控 制，收 发 数 据 包 等;第 三 个 是 5应 用 处 理 器，执 行 操 作 系 统 服 务 与 用 户 代 码。芯 片 中 还 具 有 存 储 信 息 缓 冲 区，以 实 现 CPU之 间 的 信 息 传 递，并 作 为 网 络 缓 冲 区 和 应 用 缓 冲 区。Echelon公 司 的 技 术 策 略 是 鼓 励 各 OEM开 发 商 运 用 Lonworks技 术 和 神 经 元 芯 片，开 发 自 己 的 应 用 产 品，据 称 目 前 已 有 2600多 家 公 司 在 不 同

39、程 度 上 卷 入 了 Lonworks技 术，1000多 家 公 司 已 经 推 出 了 Lonworks产 品，并 进 一 步 组 织 起 Lonworks互 操 作 协 会，开 发 推 广 Lonworks技 术 与 产 品。它 己 被 广 泛 应 用 在 楼 宇 自 动 化、家 庭 自 动 化、保 安 系 统、办 公 设 备、交 通 运 输、工 业 过 程 控 制 等 行 业，在 组 建 分 布 式 监 控 网 络 方 面 有 较 优 越 的 性 能。另 外，在 开 发 智 能 通 信 接 口、智 能 传 感 器 方 面，Lonworks神 经 元 芯 片 也 具 有 独 特 的 优

40、势。(3)PROFIBUSPROFIBUS是 德 国 国 家 标 准 D 州 19245和 欧 洲 标 准 EN50170的 现 场 总 线 标 准。由 PROFIBUS 一 DP,PROFIBUS 一 FMS,PROFIBUS 一 PA组 成 了 PROFIBUS系 列。D P型 用 于 分 散 外 设 间 的 高 速 数 据 传 输，适 合 于 加 工 自 动 化 领 域 的 应 用。FM S意 为 现 场 信 息 规 范，PROFIBUS FM S适 用 于 纺 织、楼 宇 自 动 化、可 编 程 控 制 器、低 压 开 关 等。而 P A型 则 是 用 于 过 程 自 动 化 的 总

41、线 类 型，它 遵 从 IEC1158 2 标 准。该 项 技 术 是 由 西 门 子 公 司 为 主 的 十 儿 家 德 国 公 司、研 究 所 共 同 推 出 的。它 采 用 了 051模 型 的 物 理 层、数 据 链 路 层。FM S还 采 用 了 应 用 层。可 实 现 总 线 供 电 与 本 质 安 全 防 爆。(4)HARTHART 是 Highw 盯 AddressableRemoteTransdueer 的 缩 写 口 叫 1986 年 由 Rosemount公 司 提 出 的 一 种 通 信 协 议，于 1993年 成 立 了 HART通 信 基 金 会。HART是 在 4

42、-20InADC模 拟 信 号 上 迭 加 FSK(频 移 调 制 键 控)数 字 信 号，因 此 它 既 可 连 接 4 一 20nlADC模 拟 仪 表，也 可 连 接 数 字 通 信 仪 表,所 以 它 是 模 拟 系 统 向 数 字 系 统 转 变 过 程 中 的 过 渡 性 产 品，因 而 在 当 前 的 过 渡 时 期 具 有 较 强 的 市 场 竞 争 能 力，得 到 了 较 快 发 展。(5)CANCAN是 控 制 局 域 网 络(ControlAreaNetwork)的 简 称，最 早 由 德 国 BOSH公 司 推 出，用 于 汽 车 内 部 测 量 与 执 行 部 件 之

43、 间 的 数 据 通 信。其 总 线 规 范 已 被 150国 际 标 准 组 织 制 订 为 国 际 标 准。由 于 得 到 了 Motorola,Intel,Philip,siemens,N EC等 大 公 司 的 支 持，它 广 泛 应 用 在 离 散 控 制 领 域。CAN协 议 也 是 建 立 在 国 际 标 准 组 织 的 开 放 系 统 互 连 模 型 基 础 上 的，但 其 模 型 结 构 只 有 三 层，即 只 取 051底 层 的 物 理 层、数 据 链 路 层 和 顶 层 的 应 用 层。其 信 号 传 输 介 质 为 双 绞 线。通 信 速 率 可 达 IMbPs/40

44、mo可 挂 接 设 备 数 最 多 可 达 110个。CAN的 信 号 传 输 采 用 短 帧 结 构，每 一 帧 的 有 效 字 节 数 为 8 个，因 而 传 输 时 间 短，受 干 扰 的 概 率 低。当 节 点 严 重 错 误 时，具 有 自 动 关 闭 的 功 能，6以 切 断 该 节 点 与 总 线 的 联 系，使 总 线 上 的 其 他 节 点 及 其 通 信 不 受 影 响，具 有 较 强 的 抗 干 扰 能 力。CAN总 线 是 一 种 有 效 支 持 分 布 控 制 或 实 时 控 制 的 串 行 通 信 网 络。在 各 种 工 业 现 场 总 线 中 C A N总 线 以

45、 成 本 较 低、速 度 快、实 时 性、可 靠 性 较 高 的 特 点 适 应 于 现 代 汽 车 电 子、医 疗、军 事 等 领 域 的 产 业。CANopen协 议 定 义 了 应 用 层 和 通 讯 子 协 议，为 可 编 程 系 数、不 同 器 件、借 口 及 应 用 子 协 议 定 义 了 帧 状 态 口 久 为 现 场 总 线 的 全 数 字 分 布 控 制 系 统 的 广 泛 应 用 以 及 把 系 统 一 体 化 管 理 提 供 了 有 效 的 方 案。CANopen协 议 是 基 于 CAN串 行 总 线 系 统 和 应 用 层 CAL的 高 层 协 议。CAL提 供 了

46、网 络 管 理 服 务 和 报 文 的 传 送 协 议。CANopen在 CAL基 础 上 使 用 了 CAL通 讯 和 服 务 协 议 子 集 的 一 种 实 现 方 案，在 保 证 网 络 节 点 互 用 性 的 同 时，允 许 节 点 的 功 能 随 意 扩 展。在 嵌 入 式 系 统 用 用 的 发 展，许 多 总 线 已 经 不 能 满 足 高 性 能、高 实 时 性 系 统 的 要 求，CAN总 线 是 当 前 比 较 有 希 望 成 功 的。CAN总 线 是 本 课 题 所 采 用 的 总 线 类 型，将 在 后 面 的 章 节 中 具 体 介 绍。2.3 现 场 总 线 的 技

47、 术 特 点 与 优 点(1)系 统 的 开 放 性 和 互 可 操 作 性 现 场 总 线 是 开 放 式 互 连 网 络，所 有 的 技 术 和 标 准 都 是 公 开 的，制 造 商 必 须 共 同 遵 守。这 样 用 户 可 以 自 由 集 成 不 同 制 造 商 的 通 信 网 络，既 可 与 同 层 网 络 互 连，也 可 与 不 同 层 网 络 互 连。另 外，用 户 可 以 极 其 方 便 地 共 享 网 络 数 据 库。同 时 开 放 性 也 意 味 着 现 场 总 线 将 打 破 DCS大 型 厂 家 的 垄 断，给 中 小 企 业 带 来 了 平 等 竞 争 的 机 遇。

48、互 可 操 作 性 则 是 指 用 户 可 按 自 己 的 需 要 和 考 虑，将 不 同 制 造 商 的 符 合 同 一 协 议 的 不 同 品 牌 的 仪 表 集 成 在 一 起，构 成 所 需 要 的 控 制 系 统，不 必 为 集 成 不 同 品 牌 的 产 品 而 在 硬 件 或 软 件 上 花 费 力 气 或 者 增 加 额 外 投 资。(2)现 场 设 备 的 智 能 化 与 功 能 自 治 性 微 控 制 器 植 入 现 场 设 备 后，现 场 设 备 自 身 便 可 完 成 传 感 测 量、补 偿 计 算、控 制 等 基 本 功 能，并 且 可 以 随 时 诊 断 设 备 的

49、 运 行 状 态。(3)系 统 结 构 的 高 度 分 散 性 在 传 统 的 DCS中，体 现 的 是 集 中 管 理 与 分 散 控 制 的 思 想，而 现 场 总 线 则 构 成 了 一 种 新 的 全 分 散 性 控 制 系 统 的 体 系 结 构，从 根 本 上 改 变 了 现 有 DCS集 中 与 分 散 相 结 合 的 集 散 控 制 系 统 体 系，简 化 了 系 统 结 构。由 此 可 见,现 场 总 线 系 统 具 有 更 高 的 可 靠 性 和 灵 活 性，易 于 进 行 重 组 和 扩 建，并 且 便 于 维 护。7(4)对 现 场 环 境 的 适 应 性 工 作 在

50、生 产 现 场 前 端，作 为 工 厂 网 络 底 层 的 现 场 总 线，是 专 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、电 力 线 等,具 有 较 强 的 抗 干 扰 能 力，能 采 用 两 线 制 实 现 供 电 与 通 信，并 可 满 足 本 质 安 全 防 爆 要 求 等。因 此，现 场 总 线 控 制 系 统 是 一 种 全 新 的、有 着 强 劲 生 命 力 的 新 型 控 制 系 统。CAN协 议 的 一 个 最 大 特 点 是 废 除 了 传 统 的 站 地 址 编 码，而 代 之 以 标 识(identifie