摘 要

现场总线是一种迅速发展的工业数据总线技术,是一种工业自动化中的底层数据通信网络。它以总线作为核心，将工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备连接起来形成一个能够互相交换信息的控制网络。

本文设计的CAN智能节点由节点功能电路和通信电路两部分组成。各节点根据功能不同分别由数据采集电路、数据显示电路、键盘输入电路、电机控制电路以及报警电路。节点的通信电路部分以CAN总线控制器SJA1000为核心。节点功能电路完成相关功能，单片机获得相关信息，通过CAN总线控制器将相关数据传输给其他节点。

本文从课题的研究背景、CAN总线协议、CAN节点功能电路以及CAN总线节点之间的通信等方面对CAN总线技术的应用进行了阐述，并对CAN总线节点的硬件设计和软件编程进行了介绍。

关键词 智能节点；CAN总线；嵌入式

Abstract

Fieldbus is a rapidly growing industrial data bus technology, is an industrial automation in the underlying data communication network. It is a bus as the core, the industrial field of intelligent instrumentation, controllers, actuators and other field devices can be connected together to form a network to exchange control information.

This design CAN intelligent node consists of two functional circuit node and a communication circuit. Each node separately by the data acquisition circuit in accordance with the different functions, the data display circuit, keyboard input circuit, the motor control circuit and alarm circuit. Communication circuit section node in CAN bus controller SJA1000 core. Node function circuit performs related functions, the microcontroller to obtain information via the CAN bus controller to transfer data to other nodes.

From the aspect of communication between the research background, CAN bus protocol, CAN node CAN bus node function circuit and the application of CAN bus technology are described, and CAN bus node hardware design and software programming are introduced.

Keywords CAN bus; intelligent node; Embedded

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.1.1 研究目的 1

1.1.2 研究意义 1

1.2 国内外的研究现状分析 1

1.2.1 现场总线简述 1

1.2.2 CAN总线简述 2

1.2.3 相关领域的研究进展和主要成果 2

第2章 CAN总线特点及协议介绍 3

2.1 CAN总线特点 3

2.2 报文的传送及帧结构 3

2.2.1帧格式 4

2.2.2 帧类型 4

2.3 CAN总线通信原理 5

第3章 CAN总线智能节点硬件设计 7

3.1 CAN总线芯片介绍 7

3.1.1 AT89C51简介 7

3.1.2 SJA1000简介 7

3.1.3 PAC82C250简介 9

3.2 节点硬件电路设计 10

3.3 CAN总线通信电路设计 12

3.3.1 单片机最小系统 12

3.3.2 CAN控制器SJA1000与单片机接口电路 13

3.3.3 CAN控制器SJA1000与驱动器82C250连接电路 14

3.4 节点功能电路 15

3.4.1 键盘扫描电路 15

3.4.2 显示电路 15

3.4.3 电机驱动及显示电路 16

3.4.4 传感器采集及A/D转换电路 17

第4章 CAN总线智能节点软件设计 19

4.1 CAN总线节点程序设计 19

4.2 CAN总线通信程序 19

4.2.1 SJA1000初始化程序 19

4.2.2 CAN节点发送程序设计 21

4.2.3 CAN节点接收程序设计 22

4.3 节点功能程序 23

4.3.1 键盘扫描程序 23

4.3.2 LCD1602显示程序 25

4.3.3 A/D转换程序 26

4.3.4 电机控制程序 27

第5章 调试与仿真 28

5.1 A/D与节点通讯调试 28

5.2 电机控制调试 28

5.3 系统完整功能调试 29

第6章 结论 30

参考文献 31

致 谢 54

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

1.1.1 研究目的

现场总线(Fieldbus)是一种总线型拓扑的网络，其广泛应用于加工制造、交通运输、楼宇、冶金等领域^[1]。它联系着控制设备与生产现场，并且联系更高的控制管理层，它是现场数字化通信网路的基础。它不仅仅是一个应用在生产最底层的网络，而且还是一种全数字化的、开放型的、系统结构高度分散性的控制系统^[2]。这是一项由测量系统、控制系统、管理系统组成的综合控制系统。

本课题通过研究CAN总线协议，根据设计要求设计出符合CAN总线协议的嵌入式智能节点，节点能够向其他节点接收和发送信息，能处理接收或则采集到的信息并且能将处理好的信息发送给控制器和执行器^[3]。

1.1.2 研究意义

现场总线是近年来迅速发展的工业控制系统技术，是信息化与工业化共同发展共同进步的技术之一。在广泛应用后互联网技术后，企业对生产过程控制有了更高的标准，企业的生产现场与外界的信息沟通不断增多，而且对这种信息沟通的实时性要求也越来越高，这使得企业需要把大量的现场信息快速、准确的送到外界，而且要求能够远程的对生产现场进行维护、诊断和服务^[4]。现场总线的出现与发展不仅顺应了这种要求，而且它的结构便于对系统功能进行扩充，更能够方便的改变总线型式。同时现系统的简单，系统稳定，可性高，现场总线的全数字化特点使得系统的信号精度比传统系统所采用的模拟信号要高。现场总线高度分散的控制策略使系统风险得到了彻底的分散^[5]。现场总线的可维护性好，能够预防性的进行诊断和维护，且具有高度集成的系统主动权，能提供更丰富的现场信息^[6]。

现场总线技术的广泛应用正在改变传统控制系统的理念和方法，而这对整个工业自动化系统的技术进步将是个极大推动力，也将对整个工业领域产生积极和深远的影响^[7]。

1.2 国内外的研究现状分析

1.2.1 现场总线简述

现场总线(Fieldbus)是一种全数字化通信、国际标准化、现场设备智能化、互可操作性与互用性且系统结构高度分散性的通信网络^[8]。它联系着控制设备与生产现场，并且联系更高的控制管理层，它是现场数字化通信网路的基础^[9]。它不仅仅是一个应用在生产最底层的网络，而且还是一种全数字化的、开放型的、系统结构高度分散性的控制系统。这是一项由测量系统、控制系统、管理系统组成的综合控制系统^[10]。因为现场总线技术有着巨大的商机，各大公司都投入了巨大的成本来进行总线技术的开发研究。国际上各大公司一直在现场总线技术方面有着激烈的竞争，这种竞争使得现场总线技术飞速发展，其应用在过程控制领域的控制系统已经由第四代的DCS控制系统发展到FCS总线控制系统^[11]。现场总线控制系统被称为第五代控制系统。而现场总线控制系统与集散控制系统的真正区别在于其所使用的现场总线技术^[12]。现场总线技术通过使用数字信号取代模拟信号，在技术、技术、技术的基础上，使得大量的检测与控制信息能够现场采集、现场处理、现场控制，这样就让大量的控制措施从控制室转移到现场设备^[13]。由于现在各大公司在现场总线技术方面有着激烈的竞争，以至于仍然未达成一个统一的标准，所以现在现场总线所采用的网络互联模型大都是OSI参考模型^[14]。现场总线技术以机技术、子技术、技术、网讯技术为基础，而这一技术广泛应用也正在改变传统控制系统的理念与方法，而这对整个工业自动化系统的技术进步将是个极大推动力，也将对整个工业领域产生积极和深远的影响^[15]。

1.2.2 CAN总线简述

CAN是Controller Area Network的简称，即控制器局域网络，是为了汽车内部系统控制而开发的，随着CAN总线技术的发展现在一些著名的汽车制造厂商都采用这一技术来使实现汽车内部控制系统与检测和执行机构实现实时的数据通信^[16]。CAN是一种实时非常高的总线式串行通信网络，并且是分布式控制的。CAN总线遵从模型，其结构分为两层：层和数路层^[17]。很多公司开发出集成了CAN协议的CAN总线专用接口芯片，通过固件的形式集成物理层和数据链路层功能：这种CAN总线芯片能够完成传输数据的包装处理，这种处理包括以下几种功能：位填充、数据块编码、优先级判别、循环冗余校验等^[18]。由CAN总线作为通讯手段而设计出来的产品有着结构简单、使用灵活方便、可靠性强等优点，越来越受到人们的喜欢。

1.2.3 相关领域的研究进展和主要成果

在国内外相关的研究设计报告中，CAN总线的性、性、性等特点非常突出，继而得到广泛的应用。CAN总线是一种广泛应用的现场总线，它已经作为标准总线而应用到了汽车控制系统和工业控制局域网中^[19]。它的应用范围也由以前单纯的汽车行业扩大到了航空航天、工业控制、传感器等多种领域。通过报文技术CAN总线可以不用对程序进行专门的调度，便能实现点、单对多及全广播等多种方式的数据传输，这样就大大减轻了系统软件运行的负担^[20]。

第2章 CAN总线特点及协议介绍

2.1 CAN总线特点

CAN总线是汽车公司为了减少汽车控制总线所使用的线束而设计的，其属于现线之一，采用串信方式。CAN总线的通信性能非常好，同时很高，是实际应用中最为广泛的总线之一。CAN总线的通信速度很快、系统设计简单、性价比高，这使其在随后的发展中在工业控制、、医器等众多领域得到广泛应用。