基于CAN总线的温度控制系统设计开题报告

石河子大学机械电气工程学院毕业设计开题报告课题名称：基于CAN总线的温度控制系统设计学生姓名：刘凯学号：2010509045学院：机械电气工程学院专业年级：10电气（2）班指导教师：李江全职称：教授完成日期：2014年3月-6月一、本课题来源及研究的目的和意义1、课题来源石河子大学机械电气工程学院2、本课题研究的目的和意义现场总线是应用在生产最底层的一种总线型拓扑的网络，是用作现场控制系统的、直接与所有受控节点串行相连的通信网络。受控设备和网络所处的环境可能很特殊，对信号的干扰往往是多方面的，这就要求控制必须是实时性很强。在20世纪80年代初，工程人员开始讨论现有的总线系统运用于轿车的可能性。1986年2月在SAE大会上，博世公司提出了CAN，称为“AutomotiveSerialControllerAreaNetwork”。今天几乎每一辆在欧洲诞生的新轿车都至少装配有一个CAN网络系统。CAN也应用在从火车到轮船等其他类型的运输工具上，以及工业控制方面。仅1999年，就有近六千万个CAN控制器投入使用，2000年这个数字达到一亿。由于CAN总线具有多主方式工作、非破坏总线仲裁、直接通讯距离远、通信介质灵活、性价比高等特点，其应用范围目前已不再局限于汽车行业，而扩展到了机械工业、纺织机械、农业机械、机器人、数控机床、家用电器等领域发展。CAN已经形成了国际标准，并已被公认为集中最有前途的现场总线之一。对于CAN总线的开发具有重要的现实意义。二、本课题所涉及的问题在国内研究现状及分析1、国内研究现状在上个世纪70年代,随着计算机微电子技术的发展,控制仪器也得到了性能和结构的改变,一些智能设备在工业生产中占据的地位越来越重要,计算机与仪器设备间的界限越来越模糊[2]。在温度控制方面的系统很多是基于Rs485总线实现的,在RS485系统中,最多可以挂载30多个节点,有着价格低廉,维护方便的优点,但是RS485总线是通过循环地址查询,挂载的节点越多效率越低,每个节点的总线地址是确定不变的,不利于实现系统的冗余,主节点的错误会影响到整个系统的功能另外IZC总线也广泛应用于工控领域,它虽然有着接线简单,可以挂载多个器件的优点,但是软件实现上相对复杂,且传输速度较慢[3]。现场总线是应用在生产现场、在控制设备之间实现双向串行多节点通信的数字通信系统。它是在80年代后期发展起来的一种先进的现场工业控制技术,它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段,从根本上突破了传统的点对点式的模拟信号或数字模拟信号控制的局限性,构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多节点的通信与控制系统。现场总线的基础是智能现场设备,分散在各个工业现场的智能设备通过现场总线连为一体,并与控制室中的监控设备一起共同构成FCS。FCS通过遵循一定的国际标准,可以将不同厂商的现场总线产品集成在同一套FCS中,具有互换性和互操作性。FCS把传统DCS的控制功能进一步下放到现场智能设备,由现场智能设备完成数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等功能。现场智能设备的数据,通过现场总线传到控制室的监控设备上控制室的监控设备用来监视各个现场设备的运行状态,保存各现场智能设备上传的数据,同时完成一定的控制功能因此FCS更好地体现了“信息集中,控制分散”的概念。而且FCS连线简单,将大大降低安装和连线的费用,现场装置的智能化将增强现场设备的功能,减少一半甚至一半以上的FO设备,并提供更多的信息流动。由于结构上的改变,FCS比DCS节约硬件设备。同时减少大量电缆,使施工、调试大大简化[4~6]。目前自动控制中的温度测控网络的研究重点集中在远距离传输和检测数据的稳定性上。通常该系统主要采用的是用模拟温度传感器，通过A/D转换成数字信号，再转换为RS485通信。测控系统主要借助于PC提供的RS232串行口。与RS-485之间进行转换，从而实现温度测控网络系统的控制。这种方式虽然很成熟。但主要存在两大缺点。一是A/D转换成本高，电路较为复杂，稳定性差。二是RS485通信距离短，一般不加中继通信距离小于1200m，同时RS485抗强干扰能力差，当某一通信节点出现故障时不能自动脱离，从而使整个系统瘫痪。严重影响了整个系统的可靠性。为了提高自动控制系统中通信的可靠性。近年来，现场总线取得了长足的发展。现场总线系统FCS也是未来控制网络化的基础。FCS不需要一个中央控制单元来集中控制和操作，而是通过智能现场设备来完成控制和通信任务。可较好地解决实时控制和现场信号的网络通信。另外新一代的数字温度传感器，可直接将温度信号转换为串行数字信号供计算机处理，使检测稳定性大为提高。因此，把现场总线技术，单片机控制技术和数字化温度传感器结合起来，就可以克服目前温度测控网络系统中存在的缺点，实现高可靠性的数字化温度测控网络系统。[7]国外研究现状1986年德国Bosch公司为解决汽车的监测和控制而设计了CAN,CAN(ControllerAreaNetwork)是一种串行网路,基于其高可靠性、支持分布式控制和实时控制等适合工业控制的特点,随后逐步发展到其他工业控制领域。CAN总线经过上世纪90年代的高速发展,并制定了CAN技术规范(CAN2.0)和ISO国际标准(IS011898)。据上世纪90年代初成立的国际CAN用户和制造商非营利组织CiA(CANinAutomation)统计:在1998年CAN节点销售量多达9700万个,其中80%安装于欧洲,且80%的CAN节点应用于汽车工业,剩下20%则应用于嵌入式网络和工业控制系统,如工业控制系统、监测系统、机器人控制系统等。值得注意的是在欧洲高能物理项目CERN中也采用了CAN总线。[8~10]进入21世纪,CAN总线技术得到高速发展,在广泛应用于汽车应用领域的同时,逐渐应用于其他新领域,如:医疗器械、航空航天、航海、自动化控制和军事国防等众多领域。CAN总线被公认为几种最有前途的现场总线之一。随着我过经济的高速发展,科技创新的突飞猛进,CAN总线作为我国新兴的科学技术手段,将会在我国工业、农业、生活等众多领域发挥出巨大的作用和潜力,为推动我国的现代化建设做出应有的贡献。[11]众多国际知名汽车公司早在20世纪80年代就积极致力于汽车网络技术的研究及应用。早期的汽车网络只不过是2个处理器之间的UART连接。这种串行连接使2个控制器之间能容易地共享信息，但这样的网络却无法简单地增加节点。北美汽车制造商和汽车工程师协会SAE（SocietyofAutomotiveEngineers）开发了J1850，这是一个汽车网络的专用规程。J1850很快就成了车内联网的标准，并取代了UART串行通讯。通用汽车公司和克莱斯勒汽车公司使用10.4kb/s可变脉宽规程的相似版本,在单根线的总线上通讯。福特汽车公司采用速率更高的41.6kb/sPWM型,在2条线的差分总线上通讯。欧洲汽车制造商支持控制器局域网络CAN（ControlAreaNetwork）。CAN最早是德国博世公司开发的，是一种最高数据速率可达到1Mb/s的实时控制总线。其它的标准还有德国大众的ABUS、ISO的VAN、马自达的PALMNET等。[12]三、对课题提出的任务要求及实现预期目标的可行性分析1、对课题提出的任务要求1、研究如何测量温度；2、研究如何将所得温度信号送入单片机；3、研究如何将温度信号由单片机送入PC机并显示；4、研究如何实现将所得温度与所需温度对比并调节。2、实现预期目标的可行性分析1）技术可行性本课题所涉及的研究目标，在国内外已经有成熟的理论基础和技术基础。对于can总线所涉及到的技术问题进行细致的分析，绝大部分使用计算机与所学专业知识进行构建，其他的部分则可以通过自学，老师的指导来完成。2）操作可行性本课题要求对于can总线有比较细致的了解，能够通过对所查文献和专业知识的自主研究与学习。利用实验室提供的现有仪器和设备来搭建，从可操作性的角度来讲，完全可行。四、本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路1、重点研究的、关键的问题（1）CAN控制器SJA1000和AT89C51单片机结合设计的通信。（2）单片机与微控制器的通信。（3）如何实现can总线对温度数据的采集和执行控制。2、解决的思路（1）CAN—RS232的转化这部分，主要有两部分的通信，一个是SJA1000和节点的通信，另外就是串口的通信，按照CAN总线帧的格式和节点定好协议，再约定好串口数据传送的协议。凡是涉及通信的，用户都可以按照自己所需要的定义通信协议，数据传送才能正确有序的传送。（2）CAN总线节点的软件设计主要包括三大部分：CAN节点初始化、报文发送和报文接收。熟悉这三部分程序的设计就能编写出利用CAN总线进行通信的一般应用程序，当然要将CAN总线应用于通信任务比较复杂的系统中还需详细了解有关CAN总线错误处理总线脱离处理接收滤波处理波特率参数设置和自动检测以及CAN总线通信距离和节点数的计算等方面的内容。五、完成本课题所必须的工作条件及解决的办法1、完成本课题所必须的工作条件（1）计算机一台，单机单用，保证程序的安全有效。（2）VisualBasic编程软件。（3）SJA1000的CAN控制器。（4）AT89C51单片机。（5）DS18B20温度传感器。（6）RS232标准的电平。（7）相关的书籍和学习资料。（8）能够保证一天不少于6个小时的工作环境。2、解决的办法（1）使用电子实验室个人计算机一台。（2）使用实验室的SJA1000的CAN控制器、AT89C51单片机、DS18B20温度传感器、RS232标准的电平。（3）通过个人购买，网络搜索，和大学图书馆和学院资料室借阅解决。（4）电子实验室的开放时间足以保证时间要求。(如工具书、实验设备或实验环境条件、某类市场调研、计算机辅助设计条件等等)六、完成本课题的工作方案及进度计划1、完成本课题的工作方案为完成本课题的基本任务要求，拟定工作方案如下：（1）确定毕业设计题目之后，首先从个人图书、学院资料室、大学图书馆，因特网上搜集相关的文献和技术文档，以及可能涉及到的软件程序，搜集开发平台所需要的插件，帮助文档等。（2）阅读搜集到的文档，熟悉课题所涉及到的知识和开发工具。查漏补缺，继续完善文献和技术文档。（3）对于课题进行功能分解，抽取其系统结构图，划定功能模块。（4）尝试编写功能模块，坚持完成一块，调试一块，解决一块的原则。（5）进行系统调试，安装和部署项目。（6）在各阶段中，做好相关的文档；在调试结束后进行文档的整理与汇总，完成毕业设计文档的撰写，并做好演示课件，准备毕业答辩。2、完成本课题的进度计划（以周为单位）（1）第1-3周：了解课题，文献检索（期刊、大学图书馆网站期刊检索、各专业网站），撰写开题报告（2）第4-5周：熟悉vb软件、单片机与can总线协议程序设计部分（3）第6-7周：开发can总线温度检测程序，与pc的通讯程序（4）第8-9周：开发pc端温度显示，协调各硬件功能，编写温度控制程序（5）第10-11周：调试程序、编写设计说明书（6）第12周：修改设计说明书、准备答辩总计12周（自2010年3月1日起）七、主要参考文献（不少于15篇）[1]戴明．基于CAN总线的温度监控系统［D］．南京理工大学.2006.11.[2]王再英,刘淮霞,陈毅静.过程控制与仪表[M].机械工业出版社,2006.[3]张毅.基于CAN总线的温度控制系统研究[D].南京理工大学.2010.6[4]李正军.现场总线及其应用技术7M].北京:机械工业出版社,2005.[5]徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计〔M〕.北京航空航天大学出版社2004.[6]师武旗,孙俊涛.一种can总线智能节点的设计闭.电子产品世界,2005(10):96一97.[7]余济临．基于CAN总线的数字化温度测控网络系统［J］．电子技术.2004年第8期.[8]赵建东.CAN总线工业测控网络系统的设计与实现[J].机器人,2007年[9]史久根.CAN数