西门子6ES7222-1BD22-0XA0代理订购

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 控制器局域网（CAN）是一种有效支持分布式控制或实时控制的现场总线，具有和高性的特点；随着现代汽车技术的发展，CAN技术在汽车电子领域应用日益广泛。文章介绍了符合CAN2.0B协议汽车CAN系统设计方案，着重讨论了以微处理器P89C668为的CAN总线智能节点的软硬件实现，一款MOTOROLA的多路开关检测芯片MC33993，并且涉及到SPI以及在系统编程等技术。

 一、汽车电子与CAN总线

    随着汽车电子技术的不断发展，汽车上各种电子控制单元的数目不断增加，连接导线显著增加，因而提高控制单元间通讯性和降低导线成本已成为迫切需要解决的问题。为此以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发了CAN总线协议，并使其成为标准（ISO11898）。1989年，Inbbb公司开发出CAN总线协议控制器芯片，截至目前，世界上已经拥有20多家CAN总线控制器芯片生产商，110多种CAN总线协议控制器芯片和集成CAN总线协议控制器的微处理器芯片。在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。我国的汽车CAN总线技术起步较晚，但随着现代汽车电子的不断进步发展，其研究和应用正如火如荼的进行中。CAN总线是一种串行多主站控制器局域网总线，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串性通讯网络。CAN总线的通信介质可以是双绞线，同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mbps/40m，通信距离可达10km/40Kbps。由于其通信速，性好以及价格低廉等特点，使其特别适合中小规模的工业过程监控设备的互连和交通运载工具电气系统中。

 CAN总线有如下基本特点：

 1．废除传统的站地址编码，代之以对通信数据块进行编码，可以多主方式工作；

 2．采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送数据时，级低的节点主动停止数据发送，而级高的节点可不受影响继续传输数据，有效避免了总线冲突；

 3．采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，时间短，受干扰的概率低，重新发送的时间短；

 4．每帧数据都有CRC校验及其他检错措施，保证了的高性，适于在高干扰环境下使用；

 5．节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上其他操作不受影响；

 6．可以点对点，一对多及广播集中方式传送和接受数据。

  
  
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    现代汽车典型的控制单元有电控燃油喷射系统，电控传动系统，防抱死制动系统（ABS），防滑控制系统（ASR），废气再循环系统，巡航系统和空调系统，车身电子控制系统（包括照明指示和车窗，刮雨器等）。完善的汽车CAN总线网络系统架构如图1所示。

 二、CAN节点硬件构架

 1．芯片

 选用PHILIPS公司的8位微处理器P89C668。其特点如下：

 （1）80C51 处理单元；

 （2）内置可ISP（在系统编程）和IAP（在应用编程）的Flash 存储器，Boot ROM 可通过串口访问从而升级下载用户程序；

 （3）每个机器周期6 个时钟周期操作标准，每个机器周期12 个时钟周期操作可选，周期12 个时钟周期下速度高达33MHz；

 （4）8K字节RAM和64K字节FLASH；

 （5）4个中断级，8个中断源；

 （6）自带串行接口序列；

 （7）5路可编程的计数器阵列PCA（PWM输出，捕捉/比较，高速输出三种工作方式）。

    无论从处理能力，存储容量，还是外围资源以及网络可扩展性方面来评价，P89C668都是一款出色的微处理器，适用工控电子等各个领域。尤其是其8K字节RAM的“”内存，是许多高速存储应用场合的。

 2．CAN接口电路

    采用技术成熟应用广泛的SJA1000（CAN控制器）、6N137（光电隔离）、P82C250（CAN收发器）组成接口电路。需要指出的是，CAN总线（CANH，CANL）两端务必跨接120欧的终端电阻。SJA1000中断引脚接CPU的外中断0引脚。

 3．在应用/系统编程电路

    IAP/ISP技术在许多款单片机得到应用，其特点是方便快捷的实现程序的下载和新。P89C668的FLASH空间0XFC00～0XFFFF烧写入1K字节的Boot Rom程序，上电后可以通过软件和硬件置位方法进入Boot Rom程序，通过PHILIPS提供的编程软件由串行口通讯就可以实现程序的在线升级（ISP）。当然用户还可以根据需要依据协议，自己编写Boot Rom程序（IAP）。通过拨码开关硬件置位（ALE、P2.6、P2.7），上电后强制进入Boot Rom程序，烧写程序完毕后拨回原来状态重新上电后就进入用户程序。串行口电平转换芯片用MAX202替代MAX232，其匹配电容只需103瓷片电容。串行数据通讯波特率可达38400bps。

 4．晶振和复位电路

    外接一块工业级的12M振荡芯片作为时钟信号。复位电路采用X25045芯片进行智能控制。X25045芯片将定时器，电源监控电路和E2PROM功能合三为一。定时器功能在系统出错期间，经过一个可设置的时间间隔就置位RESET信号。电源监控电路能检测到欠电压状况，在VCC下降到限阀值以下，系统被复位。并且RESET信号在VCC恢复且稳定之直有效。存储器功能的X25405是CMOS的4096字的E2PROM.并且支持SPI协议的三线（SO、SI、SCLK）存取。本节点用到X25405的前两个功能构成的复位电路。

 5．开关/数字量，模拟量检测电路

    汽车节点的开关器件（信号灯、雨刮、面板、车窗玻璃、电动后视镜等等的开关）特别复杂和繁多，而电流检测，水温油位传感器信号都是非线性的模拟信号，所以实时地对这些开关/模拟量进行检测成为汽车电子硬件解决的问题。传统的分立元件保持电路存在性差，尤其是开关触点氧化严重，浪费大量的微处理器I/O口等问题，采用MOTOROLA公司的多路开关检测芯片MC33993。其优点如下：

 （1）3.3/5.0V的SPI序列读写（SO、SI、SCLK）；

 （2）8路可编程开关输入检测（接地或接电源），14路接地开关输入检测，每路开关状态改变均能够产生中断；

 （3）开关输入电压从-14V～Vpwr（工作电源），Vpwr大可达40V；

 （4）开关状态改变时的可选择唤醒；

 （5）可选择的湿性电流（16mA或2mA）；

 （6）22对1的模拟量输出；

 （7）Vpwr的低功耗电流（standby current）小于100uA，VDD的低功耗电流（standby current）小于10uA。

    可见只需要四个CPU口线（SPI序列线和片选），就能够完成22路开关量（其中有8路可编程为对接电源开关）的检测，还可以进行串行和并行的多片MC33993级连。所谓的湿性电流（wetting current），指的是MC33993内部提供的输入口的上拉和下拉恒流源，可以编程选择为16mA或2mA，这对于保证开关的闭合，去除金属触点的氧化物有着良好的作用。输入口的恒流源，可以直接驱动MOSFET以及LED。每一个输入口都可以编程为模拟量输出状态，从而在AMUX引脚输出所选输入口的电压。利用MC33993恒流源和模拟量输出可以组成线性的传感器检测电路。ADC芯片选用AD公司生产的并行数据采样集成芯片AD1674。它从引脚到功能都与AD574/674兼容，但内部增加了采样/保持电路，采样频率为100kHZ，并且有全控模式和单一工作模式。其采样精度可达0.05%，符合高速数据采集的要求。

 6．功率器件驱动电路

    汽车车身控制系统需要驱动大功率的用电器件，比如照明信号灯，前后雨刮器电机，电动车窗，电动后视镜等等。功率驱动器件考虑采用MOTOROLA公司的汽车功率器件。MC33286为汽车电气智能的双路控制驱动芯片，与传统的机械继电器相比，自身提供过流和过热保护，响应时间短，稳定性高。MC33286设有两路驱动通道，每路大工作电流可达1，通过两路输入端口将CPU引脚电平信号引入，经过内部的逻辑处理模块转换成输出通道的电平变化。特别适号灯以及阻性负载的驱动。MC33887是带反馈的H桥型驱动芯片，来驱动需要正反转的电机负载。MC33486与MC33887类似，但内部只有半桥须外加CMOS管以构成全桥驱动电路，稳定输出可达10 A，尤其适用于电动车窗电机之类的大功率并伴有冲击电流的正反相控制要求。

 三、软件结构

    系统的程序结构分为四个部分：CAN通讯程序（包括应用层协议的SJA1000通讯）、外围接口程序（所有检测芯片和驱动芯片的驱动）、中断服务程序（处理开关信号以及故障报警等消息）、主程序（完成系统初始化和任务调度，喂狗等）。限于篇幅，以下着重介绍 CAN应用层协议。

    本系统CAN通讯选用CAN2.0B协议的PeliCAN模式，通信位速率为500Kbps，采用双验收滤波器机制。为使用及修改方便，通讯协议中标识码设计兼容点对点、一对多及广播通讯模式。开关量消息通讯时各节点间采用主从结构，子节点的报文只有主节点接收（点对点模式），主节点的报文所有子节点均接收（广播模式）。模拟量消息通讯时各节点间采用点对点模式。

摘要：设计了一个结构简单、使用方便、应用面广的CAN节点与RS232串口通信转换模块．详细介绍了该模块的工作原理和实现方法，即通过软硬件相结合实现电平标准和通信协议的转换，从而完成两者之间的信息传输.

1 引言
    RS232作为标准的计算机串行接口已被广泛使用，与此同时，随着现场总线技术的飞速发展，具有实时性好、性高、结构简单等优点的CAN总线在测控系统中也越来越多地被采用。但由于两者的总线结构、通信协议及传输特点各不相同，因而给不同设备之间的连接带来诸多不便，因此，如何以简单的方式实现CAN节点与RS232串行口的通信就成为工程实践中一个不可回避的问题。
    本文采用典型的不具备CAN通信能力的AT89C51单片机作为微处理器，设计了一个简单、实用的通信转换模块。该通信转换模块具有体积小、结构简单、通用性好、使用方便等特点。

2 工作原理
    CAN-RS232通信转换模块通过硬件电路的电平标准转换和软件编程的通信协议转换实现相关功能。
2.1 电平标准转换
    RS232采用的不是TTL电平的接口标准，而是负逻辑，即逻辑“1”为-3 V—-15 V：逻辑“0”为+3 V－+15 V;而CAN总线是采用“显性”和“隐性”两个互补的逻辑值表示“0”和“1”，其信号是以两线之间的“差分”电压形式出现的。这样导致两总线之间的信号电压不匹配．无法直接进行正常的通信，因此．需要相应的硬件接口电路实现电平标准转换。
2.2 通信协议转换
    RS232通信属于异步串行通信，一般为两点传输 其每帧的数据格式通常为：起始位+数据位+奇偶校验位(可省略)+停止位；每个数据包的格式通常为：数据包头+数据字节+校验和(溢出不计)。而CAN通信属于总线通信，可以同时存在多个节点，因此通信协议相对也比较复杂，这里以标准帧传输为例，其数据格式通常如表1所列。因此，需要软件处理实现通信协议的转换。
 

3 硬件设计
    模块采用Atmel公司生产的AT89C51型单片机作为微处理器．采用SJA1000和TJA1050分别作为CAN控制器和驱动器．采用MAX202E作为
RS232串行接口驱动器，其硬件连接电路图如图1所示。
 
    AT89C51采用外接晶体振荡器提供时钟输入．通过并行地址／数据复用的方式访问CAN控制器SJA1000．P2.0引脚作为片选端口；SJA1000作为CAN控制器，也采用单的外部时钟输入，由于集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的帧处理， 其地址为0x00－0xFF：TJA1050作为CAN控制器和物理总线之间的接口．采用高速工作模式，用于提供总线的差动发送能力和CAN控制器差动接收能力；MAX202E用于实现RS232电平到微控制器接口电路的TTL电平转换。

4 软件设计
    模块的软件设计主要包括RS232通信程序和CAN通信程序两部分，采用中断方式。其中，RS232通信的波特率为115200 bit/s，数据格式为1位起始位、8位数据位、1位停止位；CAN总线的传输波特率为500 kbit/s，采用PeliCAN模式的标准数据帧格式．每条报文的标识符ID为11位，有效数据为0－8个字节。其软件流程如图2所示。
 
    在RS232中断程序中，微处理器对接收的串口数据进行处理后出数据字节，通过增加帧结构信息、帧类型、字节长度和标识符等生成CAN报文格式．然后由CAN控制器的发送缓冲区发送出去；
    在CAN中断程序中．微处理器对接收的有效CAN报文进行解析，提取出字节长度和字节内容，通过增加数据头、数据尾和校验和转换为RS232通信格式，完成。

5 结束语
    该设计已应用于笔者开发的项目一某型低空红外预警系统。用CAN—RS232通信转换模块将CAN总线收到的角度传感器测出的空中目标方位角和高低角(10 ms一组测角、波特率为500 kbifs)实时转换为RS232(波特率为115200 bit/s)串行口数据，使主控计算机(PC104工控机)接收、处理和显示；同时将RS232输出的主控计算机命令转换为CAN总线数据。经实践，该模块工作稳定、，且，能够满足系统的指标要求．了良好的应用效果。

（1）向下排水

由过滤模式进入冲洗模式的向下排水阶段，滤池的过滤运行时间计时被清零。滤池进水阀按照关闭时间和延迟关闭时间进入关闭阶段。对滤池的水位进行监控，仍使用过滤模式下的PID调节控制滤池清水阀的开度，让剩余的水继续过滤。

水位降到排水位时，关闭滤池清水阀，开放滤池排水阀和气冲阀。并确认污水池是否有充足的容量。

（2）气冲

当污水池的容量已经充足时，进入气冲阶段，启动鼓风机。确认鼓风机运行后，开始计时滤池气冲时间。当滤池气冲时间到时，进入气水联合冲洗阶段。

（3）气水联合冲洗

开水冲阀，启动低速水冲洗流程（即启动一台冲洗水泵）。气水联合冲洗时间开始计时，并监控滤池水位。当滤池水位达到“低速冲洗”水位或气水联合冲洗时间过大设定值，关闭鼓风机。关闭滤池气冲阀，开启滤池排气阀。

（4）排气

确认滤池气冲阀关闭和滤池排气阀开放后，排气时间和高速水冲洗延迟时间开始计时。当高速水冲洗延迟时间到设定值，进入高速水冲洗阶段。当排气时间到设定值，关闭滤池排气阀。

（5）高速水冲洗

高速水冲延迟时间到时后，启动高速水冲流程（即启动两台冲洗水泵），开始累计高速冲洗水流量，达到设定值，关闭已启动的两台冲洗水泵。关闭滤池水冲阀和滤池排水阀。

（6）滤池重新和中间沉淀物

确认滤池水冲阀和滤池排水阀关闭后，按照重行时间和中间沉淀时间开放滤池进水阀。

（7）慢速启动

确认滤池进水阀开放，重新开始清水阀的流量控制。流量控制值按设定斜率逐渐增大。当滤池流量控制值达到由进水渠决定的PID控制值，沿用由进水渠决定的PID控制值继续调节出水流量。滤池进入过滤模式，过滤运行时间开始重新计时。

4.结束语

本文的点是：基于ControlNet网络的水厂滤池自动控制系统用于水厂的扩建和改造，实现滤池部分的数据集中监控和管理的信息化。再加上整个系统具有较高的性、稳定性，水厂可以节省大量的操作员，只需要很少的人值守就可以保系统的正常运转。罗克韦尔自动化ControLogix系列PLC在该水厂的应用，不仅促进了该地区的经济快速健康发展、提高了城镇居民的生活质量，而且对该地区水处理事业的发展具有重大意义。

0、前言

现场总线技术是20世纪90年代发展起来的一种用于各种现场自动化设备与其控制系统的网络通信技术，是一种用于各种现场仪表（包括变送器、执行器、记录仪、单回路调节器、可编程序控制器、流程分析器等）与基于计算机的控制系统之间进行的数据通信系统。PROFIBUS现场总线是用于一定数目的区域和单元级设备联网的标准，主要用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。

综合自动化是现代工业自动化的发展方向，在完整的企业网构架中，现场总线控制网络模型应涉及从底层现场设备网络到上层信息网络的过程。网络是企业综合自动化的基础，在整个企业的网络体系结构中，现场总线处于基础地位，因此构建完整的现场总线控制网络模型具有重要的意义。这种模型延伸到控制领域的层，即管理决策层，因此要求控制网络和信息网络紧密结合，保证从底层现场设备到层生产管理之间，正确的和数据转发。OPC规范以OLE/DCOM为技术基础，而OLE/DCOM支持TCP/IP等网络协议，因此可以将各个子系统从物理开，分布于网络的不同节点上。OPC标准保证了自动化系统之间及商业系统之间可以经过工厂来共享信息和相互操作，因此采用OPC接***术可以使控制网络与管理信息网络实现无缝联接。

1、系统设计需求与任务

为了与接轨，实现企业的信息化、现代化要求。广东某碱厂拟建成完善的企业管理、生产过程监控的信息网络系统，利用的技术实现网络互联，建成一个适合现代化办公及工业过程控制的网络系统，与此同时，使其与广域网的互联，实现信息的充分共享和信息发送的机制。系统将厂区6个生产车间近856个温度、压力和液面等测试点及报警点在控制室全集中监控，并将现场设备的实时数据发布到公司网页，用户可在浏览器上进行浏览访问，实现对各类信息数据的共享。要求控制网络具有很高的实时性、性、数据完整性和可用性，各控制分站可以实现对现场级工业设备进行的监视控制，并具有友好美观的人机界面，能够动态显示工艺流程，并且参数设置简单，历史、实时趋势曲线查询、报警及报表自动打印等功能。

2、系统的设计

数据采集与远程监控系统是利用S7-300系列的CPU315-2DP可编程序控制器及PROFIBUS-DP通信模块、扩展I/O 模块等通过PROFIBUS现场总线互联构成。各控制分站数据采集、监测系统综合布线以PROFIBUS-DP为主架结构，在6个车间根据输入点的不同，用14个S-300的PLC及I/O扩展模块连接工业现场的传感器；控制分站把PLC采集到的现场实时数据利用PROFIBUS总线送到主控制室的主检测计算机上显示。并结合资源信息共享的要求，利用PROFIBUS总线和INTERNET技术建成完善的企业管理、生产过程监控的信息网络系统，实现控制网络与信息网络的紧密集成。控制网络通过实时数据库和OPC接***术实现与信息网络的互联，建立企业综合实时信息库，为企业的优化控制、调度决策提供依据。

3、控制网络与信息网络的连接

传统的实时监控系统作为支撑现代工业生产和社会生活的基础设施，得到了广泛的应用和发展。但过去，动用了当时的技术和的人才，可以开发出好的实时监控系统，但由于系统不具备开放性，各个部分的联系过于紧密，使系统过于复杂。这样系统的新、扩展、升级变得非常困难。传统的实时监控系统开发中出现的另一个主要问题是软件的重复开发，软件不能够重用，资源不能共享，造成大量人力与物力资源的浪费。现在OPC标准已经成为工业界系统互联的缺省方案，保证了自动化系统之间及商业系统之间可以经过工厂来共享信息和相互操作。OPC规范基于OLE/COM技术，同时OLE/COM的扩展远程OLE自动化与DCOM技术支持TCP/IP等多种网络协议，因此可以将OPC客户、服务器在物理开，分布于网络不同节点上。下图中OPC的客户/服务器关系图描述了OPC在SA系统的应用。



企业信息化、办公自动化主要通过INTERNET技术和WEB技术实现，把信息发布到网上，通过网页方式来浏览，达到资源共享。实现WEB页面新的方式主要有两种：一是通过ActiveX技术，另一是通过动态页面技术。ActiveX技术是通过下载ActiveX控件来实现与网上信息的新和交互，实现的信息表示和交互方式也为灵活，并有丰富的开发工具支持，但对客户机的性能要求较高。动态页面技术则通过CGI、ASP编程或嵌入各种bbbbbb语言来实现，现在比较流行的是ASP网页技术。为了实现控制网络的信息资源在信息网络上共享，可以通过网页嵌入J***A脚本程序，访问OPC服务器的实时数据，使实时数据在网页上刷新；访问实时数据库，在网页上查看历史趋势图。

WINCC服务器在系统中即作为监控平台，又作为OPC服务器。允许与其它具有OPC客户机接口的应用程序进行数据交换。网页服务器（WEB、邮件服务器）通过OPC通讯接口程序和OPC服务器（WINCC服务器）通讯，就可以在公司网页上显示实时数据。