基于CAN和Modbus/TCP的现场总线控制系统研发

论文摘要

现场总线作为一种先进的工业控制技术,将当前网络通信与管理的观念带入工业控制领域。现场总线控制系统以现场总线为纽带,把单个分散的测量控制设备变成网络上的节点,将它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自动控制任务的网络系统与控制系统。本文在综述了现场总线概念、工业控制系统的发展历程及现场总线控制系统的特点和体系结构的基础上,分析了目前常见的几种现场总线的优缺点,根据目前市场需求,采用当前最有发展前途现场总线之一——CAN总线构建设备监控网络,利用已在工业领域广泛应用的Modbus/TCP工业以太网协议构建信息网络,提出了适合中小规模工业企业的现场总线控制系统设计方案。底层监控网络是一种基于CAN总线的分布式结构,由主站和从站组成,从站包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块。主/从站硬件采用带有CAN控制器的嵌入式ARM处理器作为它们的核心,并采用μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统作为软件开发平台。主站同时提供以太网接口,并采用Modbus/TCP协议将现场设备网络与上层管理信息网络连接,实现数据交换,便于监控和调度。最后,通过在汽车装配线上摩擦式无链自动化输送控制系统中的实际应用,验证了自行设计的基于CAN总线和Modbus/TCP的现场总线控制系统的可行性。实际应用证明本文开发的现场总线控制系统具有安装简单、成本低廉、可扩展性强等特点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 现场总线概述
• 1.2 现场总线控制系统
• 1.2.1 工业控制系统发展过程
• 1.2.2 现场总线控制系统的特点
• 1.3 工业以太网
• 1.4 国内外研究现状及发展趋势
• 1.5 课题来源与意义
• 1.6 课题主要研究内容
• 第二章 基于CAN 和MODBUS/TCP 的现场总线控制系统设计
• 2.1 现场总线控制系统结构
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 系统总体结构设计
• 2.2 CAN 总线技术
• 2.2.1 CAN 总线概述
• 2.2.2 CAN 总线技术规范
• 2.2.3 CAN 总线的报文传输
• 2.3 CAN 总线应用层设计
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 iCAN 协议规范
• 2.4 MODBUS/TCP 协议规范
• 2.4.1 Modbus/TCP 概述
• 2.4.2 Modbus/TCP 协议结构
• 2.4.3 功能码分类
• 2.4.4 Modbus/TCP 通讯模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 系统硬件设计
• 3.1 嵌入式ARM 概述
• 3.2 主站电路设计
• 3.2.1 CPU 及其相关电路
• 3.2.2 存储器电路
• 3.2.3 以太网接口设计
• 3.2.4 主站其他接口
• 3.3 CAN 总线接口设计
• 3.4 从站电路设计
• 3.4.1 CPU 电路及其相关电路
• 3.4.2 开关量输入接口设计
• 3.4.3 开关量输出接口设计
• 3.4.4 模拟量输入接口设计
• 3.4.5 模拟量输出接口设计
• 3.5 JTAG 调试电路
• 3.6 硬件系统可靠性设计
• 3.7 本章小结
• 第四章 系统软件设计
• 4.1 嵌入式实时操作系统ΜC/OS-II 简介
• 4.2 基于ΜC/OS-II 的嵌入式软件开发
• 4.3 硬件抽象层软件开发
• 4.3.1 CAN 控制器驱动程序设计
• 4.3.2 DM9000E 驱动程序设计
• 4.3.3 设备驱动程序设计
• 4.3.4 其他接口驱动程序设计
• 4.4 操作系统层软件设计
• 4.4.1 iCAN 协议栈软件设计
• 4.4.2 嵌入式TCP/IP 协议栈的开发
• 4.5 ICAN 主、从站软件开发
• 4.5.1 iCAN 从站软件设计
• 4.5.2 iCAN 主站软件设计
• 4.6 MODBUS/TCP 服务器软件设计
• 4.7 上位机配置软件开发
• 4.8 本章小结
• 第五章 现场总线控制系统的应用
• 5.1 应用背景
• 5.2 系统总体方案
• 5.3 应用层软件设计
• 5.4 试验结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的论文和参与的项目