基于CAN总线的大型远程监控网络设计

摘要

目前我国正在深山峡谷地区建设一批水电站，地质地形条件复杂，边坡的稳定性问题是这些工程项目所面临的共同技术难题。安全监测是掌握边坡稳定状况的有效手段。但边坡监测和常规大坝监测相比有其特殊性，实现自动化监测存在技术上需要克服的问题。 本文针对青海拉西瓦水电站大坝右岸高边坡安全监测的需要设计了一个大型远程监控网络系统。整个系统包含通讯系统、上层软件和底层测量模块三个部分。本文重点介绍通讯系统和上层管理软件的相关内容。 考虑到拉西瓦水电站高边坡安全枢纽监测系统的特殊性：测点多、仪器设备多，而且测量设备之间距离差异较大，距离主控制室较远(长达5Km)。因此，本文选择CAN总线作为通信系统报文协议的载体，主要实现两方面的功能：一方面将上层用户的命令传送给底层测量模块；另一方面将底层测量模块采集到的传感器数据准确无误的传送给上层管理软件，供上层用户分析和处理。 针对通信系统网络模块的设计，本文将介绍模块的硬件和软件设计。硬件设计方面，本文选取C8051F040微控制器作为通信系统的控制核心，还选取了一些新型高速、功能强大的外围芯片，使硬件设计更为合理、简单和可靠。由于拉西瓦水电站边坡监测系统覆盖面大(10Km×10Km)，为了提高通信系统网络的抗干扰性并保证适当高的通信速率，需要在网络中加中继器。本文首次在通信系统网络中采用基于SPI的双MCU的CAN网络中继器模块，以实现对通信链路中的信号放大，并对数据报文进行路由和转发。此方法在国内尚处在试验阶段，但其意义却显得非常重要。软件设计方面，根据CAN2.0A、CAN2.0B和SPI的协议规范，充分利用报文的帧格式，设计合理的通信协议，完成了主机节点、中继器和底层通讯节点的通讯软件设计。上层管理软件方面，本文介绍了串口通讯的相关内容。 另外，通过对远程网络等效电路的分析，搭建模拟远程电路，并对所设计的系统进行测试实验，没有发现丢包情况，并且76ms成功发送接收一次数据，如果加上中继器138ms成功发送接收一次数据，．验证了通信系统网络模块具有良好的稳定性和实时性，已经基本满足高边坡安全监测系统的要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2控制系统的发展

1.3现场总线的定义和技术特点

1.4几种有影响的现场总线

1.4.1 CAN总线

1.4.2 PROFIBUS总线

1.4.3 LON总线

1.4.4 RS-485总线

1.4.5基金会现场总线

1.5 CAN总线与其他总线性能比较

1.5.1 CAN总线与DCS、PLC控制系统性能比较

1.5.2 CAN现场总线与RS-485总线比较

1.5.3专用和通用CAN总线系统性能比较

1.6本文所做的主要工作

第2章CAN总线技术规范

2.1 CAN总线产生与发展

2.2 CAN总线的相关概念

2.3 CAN总线特性

2.4 CAN总线的分层结构

2.5 CAN总线报文传输

2.5.1帧格式

2.5.2帧类型

2.6 CAN总线位数值表示

2.7传输距离与位速率

2.8多主和多节点接收

2.9数据安全性

2.10本章小结

第3章大型远程监控网络总体结构与硬件设计

3.1大型远程高边坡监控网络组成结构

3.2树型高边坡多个CAN总线系统结构

3.3硬件系统器件选择

3.3.1 MCU的选择

3.3.2电压转换芯片AS1117

3.3.3 CAN总线收发芯片SN65HVD251

3.3.4双通道数字隔离器ADuM1201

3.3.5 CP2101特性和原理

3.4 CAN节点的设计

3.4.1主机节点功能设计

3.4.2主机节点硬件电路设计

3.5本章小结

第4章系统通讯软件规划与实现

4.1 C_CAN用户设计方法

4.2 C8051F040中的CAN控制器操作

4.2.1控制器局域网

4.2.2 C8051F040的CAN寄存器分类

4.2.3 CAN控制器时序与位定时设置

4.3上层控制界面与通信协议的设计

4.3.1上层控制界面设计

4.3.2通讯协议的设计

4.4 CAN通讯程序软件设计

4.4.1系统初始化和交叉开关引脚分配

4.4.2系统CAN消息配置和初始化程序

4.4.3与CAN有关的程序

4.4.4主机CAN节点软件设计

4.4.5底层节点通讯软件设计

4.5本章小结

第5章CAN总线中继器设计

5.1 CAN总线中继器概述

5.1.1中继器种类

5.1.2中继器的优缺点

5.1.3 CAN总线中继器总体设计方案

5.1.4 CAN总线中继器硬件设计要求

5.2串行外设接口SPI介绍

5.2.1 C8051F040中SPI总线的信号说明

5.3 C8051F040的SPI功能概述

5.3.1 SPI0主方式

5.3.2 SPI0从方式

5.3.3 SPI0中断源

5.3.4 SPI0操作

5.3.5串行时钟时序

5.4双MCU的CAN总线中继器硬件系统设计

5.4.1中继器CAN总线传输模块设计

5.4.2中继器SPI模块设计

5.5中继器的通讯协议设计

5.5.1中继主节点

5.5.2中继从节点

5.6中继器MCU状态控制设计

5.6.1 MCUO的设计

5.6.2 MCU1的设计

5.7中继器系统的实时性分析

5.8本章小结

第6章CAN总线通讯平台搭建及系统分析

6.1远程通讯网络搭建及实验设计

6.1.1远程有线通讯网络中等效电路图的分析和设计

6.1.2远程监控系统调试实验及结果分析

6.1.3 CAN总线远程控制网络的性能总结

6.2多主通讯方式原理分析及实验结果

6.2.1位仲裁方式原理及分析

6.2.2实验设计及结果分析

6.3提高系统实时性的方法

6.4本章小结

第7章结论与展望

7.1结论

7.2展望

附录

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢