can-rs485协议转换网关的设计(编辑修改稿)

can-rs485协议转换网关的设计(编辑修改稿)内容摘要：

，适合于加工自动化领域的应用。 FMS 意为现场信息规范，PROFIBUSFMS 适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等。 而 PA 型则是用于过程自动化的总线类型，它遵从 IEC11582 标准。 该项技术是以西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的。 它采用了 OSI 模型的物理层、数据链路层。 FMS还采用了应用层。 传输速率为 ～ 12Mbps，最大传输距离在 12Mbps 时为 100m， 时 为 400m,可用中继器延长至 10km。 其传输介质可以是双绞线，也可以是光缆。 最多可挂接 127 个站点。 可实现总线供电与本质安全防爆。 基金会现场总线 基金会现场总线 FF（ Foundation Fieldbus）。 其前身是以美国 FisherRosemount公司为首，联合 Foxboro、横河、 ABB、西门子等 80家公司制定的 ISP协议，以及以 Honeywell公司为首，联合欧洲等地的 150家公司制定的 World FIP协议。 1994年这两大集团合并，成立了现场总线基金会，致力于开发出国际上统一的现场总线协议。 基金会现场总线分低速 H1和高速 H2两种通信速率。 H1的传输速率 ，通信距离可达 1900m（可加中继器延长），可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。 H2的传输速率可为 1Mbps和 ，其通信距离分别为 750m和 500m。 物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合 IEC11582标准。 FF物理媒介的传输信号采用曼彻斯特编码。 另外，传输速率为 100Mbps的 HSE（ High Speed Ether——高速以太网）也正在 FF中发展。 基金会现场总线的主要技术内容 包括有： FF通信协议；用于完成开放互联模型中第2～ 7层通信协议的通信栈（ Communication Stack）。 用于描述设备特征、参数、属性及操沈阳理工大学学士学位论文 7 作接口的 DDL设备描述字典；用于实现测量、控制、工程量转换等应用功能的功能块，实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。 CAN总线 最早 由德国 Bosch 公司推出的 CAN 总线，又称控制局域网，主要应用于汽车内部强干扰环境下电器之间的数据通信。 它也基于 OSI 参考模型，采用了其中的物理层、数据链路层、应用层，提高了实 时性。 数据链路层与以太网相似，采用载波侦听多路访问/冲突检测（ CSMA/CD）机制，最多可连接 110 个节点。 其节点有优先级设定，支持点对点、一点对多点、广播模式通信，各节点可以随时发送消息。 传输介质为双绞线、同轴电缆或光纤，通信速率与总线长度有关。 CAN 总线采用短消息报文，当节点出错时可自动关闭，抗干扰能力强，可靠性高。 这种总线规范已被国际标准化组织制定为国际标准，在工业现场测控领域和楼宇自动化得到了广泛应用 [3]。 本论文的主要工作 本课题着眼于现场总线技术的应用，在分析基于网关的网络化控制系统结 构的基础上，设计开发 了 CANRS485 协议转换网关。 所做的工作主要有以下几个方面： 通过对现场总线技术的应用现状的分析， 建立基于网关的工业网络化控制系统结构 模型。 研究并开发了 CAN 总线与 RS485 协议转换网关的硬件。 完成了 CAN 总线与 RS485 网关的软件设计开发，并调试 CPU与 RS485 间的通信 ，实现简单数据的交互。 沈阳理工大学学士学位论文 8 2 基于网关的网络化控制系统模型 现有控制系统存在的不足 在现有 控制中，控制系统应该与企业的经营战略相联系，必须将控制系统集成到整个企业系统中。 企业的这 种管理模式客观上要求信息网络与控制网络的一体化，两者分离必将会阻碍信息的上行下达，降低企业的生产管理效率。 目前的控制系统虽然在不同的 动静态 方面满足了一定控制的要求，但还是存在一些问题，为系统的应用和推广带来了很大的难度。 主要表现在以下几个方面： 企业上下信息的集成 根据美国著名信息咨询集团 GartnerGroup 和美国先进制造研究中心 AMR 等组织的调查和统计，现有的控制系统中存在着一个极为突出的问题：在企业的经营管理计划层和底层控制层之间存在着 “鸿沟 ”，即上层的管理决策层和底层的现场控制层之间信息很难实时共享。 通用性 制造过程管理和控制一般是与具体生产方式和设备类型紧密相关的，传统的控制系统大多是面向功能，生产方式包含在功能之中，因此很难适应多种生产方式 /混合生产方式，往往是不同的企业，甚至是不同的车间都不一样，也就是说不具备通用性，为企业的流程重构和企业间资源共享带来了很大的困难。 控制信息的动态和实时性 在现有的控制系统中，执行模块或传统的车间控制器实际上完成的只是计划的派工单及物料的需求和消耗控制，主要是基于 BOM（ Bill of Material）的静态计划和控制，没有将它们与现 场的动态信息融为一体，实现动态、实时的控制 [4]。 基于网关的网络化控制系统模型 在激烈的市场竞争中， 现代企业非常关心如何 在 将企业生 产和运营的费用降低的同时又能使管理者有效的监管企业的生产和运营， 工业控制网络的建立就是为了解决这一问题的。 在一个控制网络中，企业要把 经营决策、管理、计划、调 度、现场控制等紧密地联系在一起，进行综合信息处理， 就必须对企业的生产情况进行实时地监管： 各车间要对生产过程进行有效的自动化控制，管理层要实时地获得第一手的生产数据等等。 沈阳理工大学学士学位论文 9 基于网关的网络化控制系统结构 工业控制网络的目标是，削减通向自动化层次路径上的复杂程度各异的连接，以跨越不同的总 线技术，并借助以太网建立统一的通信。 通过前面对现有控制网络系统 的分析，从各个控制环 节的功能角度出发，基于各种通信协议转换的网关，我们将工业控制网络 分为现场控制层、生产监控层、生产管理层、生产决策层四个层次，通过各层之间的信息共享，构成较为完整的网络化控制系统模型 [5]，其系统结构如图 所示。 图 基于网关的网络化控制系统结构图 现场控制层 现场控制层包括各种现场节点和设备，如现场智能传感器、传动装置和执行机构等现场设备，负责现场生产设备按照预先编制好的程序或上层传递下来命令进行监控。 其主要技术是现场总线技术，将现场总线连接起来成为很多不同的网段，现场节点通过其自带的现场总线接口与现场总线相连。 由于各种生产条件的不同，可能用到了几种现场总线技术，在它们之间 可以用相应的网关互连。 避免由于一方的网关出现故障而造成的生产服务器 数据服务器 网络服务器 工业以太网 控制 计算机 优化控制器 以太网 —现场总线网关 现场节点 现场节点 生产决策层 生产管理层 生产监测层 现场控制层 现场总线之间网关 沈阳理工大学学士学位论文 10 网络的瘫痪问题，提高了网络的可靠性。 生产监控层 生产监控层主要包括各种网关和在底层简单的现场控制器，负责生 产过程的监控，以及相应的数据的采集、上报和下传，保证现场设备准确高效地运行。 现场控制器通过网关与控制网络相连，可以在现场底层实行简单的控制。 生产监控层的网关肩负着使底层的现场总线网络与上层的网络相连的任务，它主要负责两方面的功能：一是接收现场总线上的数据并对其进行解释，向上传送；二是把上层网络发来的命令和数据转换为现场总线的数据格式送往现场节点。 这一层由于要负责上下两层的数据通信，所以这一层设计的优劣对整个系统的正常运行至关重要。 生产管理层 生产管理层主要负责维护系统历史数据库、更新系统实时数据库， 根据生产监控层传来的控制信息，进行优化配置，同时接收生产决策层的生产决策、了解企业内部的生产计划。 生产决策层 生产决策层一方面根据企业内部的生产过程，执行企业内部的物流管理，确定企业的整体生产调度；另一方面，可以通过网络服务器与外部 Inter 相连，方便远程客户对控制网络的各种信息查询、故障监控，与分布 比较分散的企业的营销单元之间进行信息交互，收集市场信息，以便决策 [5]。 控制系统中网关的需求分析 可以看到，上述控制网络是 建立在串行通信、以太网和各种现场总线的混合通信之上 的 ，通过网关实现各层次 的互连，实现 计算机对现场设备、仪表的操作。 网关采用一种相当于隧道技术的方式在各网段之间传输数据，当上层网络向现场仪表、设备发送信息时，它首先基于一种协议将信息发给网关，然后由网关根据相应的总线协议把数据发给相应的仪表设备。 反过来，当现场的仪表或设备要往上层的网络发送数据时，它需要经过网关的协议转换，再发送给相应的上层网络。 下面对系统中各网关的需求进行分析。 现场总线与 RS232/RS485 网关 在工业控制领域中 RS232/RS485 标准被工业设备所广泛采用，是一种常见的电气和通信接口。 现在工业控制领域 中很多智能单元使用的通信方式是 RS232/485。 因此，如何将现场网络介质上的现场总线协议信息转换为 RS232/485 标准的信号或将沈阳理工大学学士学位论文 11 RS232/485 标准信号转换为现场总线协议的数据，将这些设备纳入现场总线控制网络，实现设备与其它节点以及网络管理设备通信，具有实际应用和拓宽现场总线应用范围的意义，这类网关如结构图中的 LonWorksRS23 LonWorksRS48 CANRS232 网关。 现场总线与以太网网关 以太网技术从出现到现在的几十年间得到了飞速的发展，其应用领域也从最初的办公自动化发展到工业控制、楼宇自动化等领域。 但是要把以太网技术真正的运用到现场控制的底层，还面临着以下的困难和问题： （ 1） 以太网并不支持多分插的信令或带电双绞线网络，为布线拓扑设置严重限制，并且要求单独的电源布线。 （ 2） 以太网原来的用途是企业数据网，适合工作在 ESD、突发噪声、电涌、辐射噪声、磁场等都比较低的环境。 而工业现场的环境要恶劣的多，如果以太网要在这样的环境中工作，需要加上电涌抑制器、 ESD 防护设备以及一大批其它防护设备，这在经济和技术上都需要增加投入。 （ 3） 工业控制网络不同于普通数据网络的最大 特点在于它必须满足控制对实时性的要求。 由于以太网采用 CSMA/CD 的媒体访问控制方式，一条总线上挂接的多个节点采用平等竞争的方式争用总线，因此以太网技术难以满足控制系统要求准确定时通信的实时性要求。 但是另一方面，随着现场总线控制网络的发展，信息管 理决策层需要了解的底层信息会越来越多，以方便决策等优化控制。 现场总线在生产控制底层，由于各种控制环境和控制功能的不同，同时各种现场总线的网络传输介质、传输速度也不同，很难由一种现场总线实现整个现场控制。 为了将各种现场总线控制系统集成，实现整个底层的网络化控制，就需 要设计各种现场总线之间协 的协议 网关 ，为了满足工业控制的实时性要求，它们传送的数据帧多为短帧，当要传送很长的数据信息的时候，就只能进行分割传送，这在控制网络的底层，具有协议简单、安全可靠、实时性好等特点，但是在上层的企业信息网中就会影响信息的传输量和传输速度，如果采用以太网的 TCP/IP 技术，就会大大提高数据的传输效率。 这就使得现场总线控制网络与以太网信息网络的集成势在必行。 因此，需要对各种现场总线与以太网的互连网关进行深入的研究，如控制系统中的LonWorks以太网网关、高速基金会现场总线 H2以太网网关。 各现场总线之间网关 议转换的网关，将采用不同总线协议的生产线、生产车间互连 [6]。 沈阳理工大学学士学位论文 12 3 CANS485 协议转换网关的设计 CAN协议规范 随着 CAN 在各种领域的应用和推广，对其通信格式的标准化提出了要求。 为此，1991 年 9 月 Philips Semiconductors 制订并分布了 CAN 技术规范。 该技术规范包括 A, B 两部分。 给出了 CAN 报文的标准格式， 给出了标准的和扩展的两种格式。 此后， 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 IS011898，为控制器局域网的标准化、规范化铺平了道路。 CAN 总线是开放系统，但没有严格遵循国际标准化组织 ISO 的开放系统互连的七层参考模型 OSI，处于对实时性和降低成本等因素的考虑， CAN 总线只采用了其中最关键的三层，即物理层，数据链路层和应用层，其中数据链路层又进一步分为逻辑链路控制子层 LLC 和媒体访问控制子层 MAC，而应用层则包含了 ISO/OSI 模型中物理层和数据链路层外其余各层的功能。 CAN 总线物理层的主要内容是规定了通讯介质的机械、电器、功能和规程特性。 在 ，而在 IS011898标准中的内容更加具体，但没有指明通讯介质的材料，因而用户可以根据需要选择双绞线、同轴电缆或光纤。 CAN 是一个多主机局部网，它的串行通信链路采用一条多个单元均可连接的总线。 理论上，单元数目是无限的，实际的单元总数受限于延迟时间。