CAN总线在工业用嵌入式控制系统中的应用研究

论文摘要

CAN总线采用了ISO/OSI的7层参考模型中的3层:物理层、数据链路层和应用层。它是一个多主的串行通讯协议,能有效地支持具有很高安全等级的分布式实时控制。但是,协议在数据链路层只实现简单的冲突仲裁和重发机制,当CAN总线网络负载突发性增长时,存在通讯冲突问题,发送失败的报文在其尝试重发的过程中会严重影响到网络的运行稳定,造成其它报文的延迟。在工业分布式嵌入式控制系统中,系统工艺要求达到的控制目标是由系统中各个CAN节点协调工作而实现的。CAN总线连接各节点,是控制信息和状态信息传递的通道。为了保证控制的实时性,本论文设计实现在应用层以时间片的方式来调度周期性报文的CAN总线应用协议,协调分布式系统中各个CAN节点对总线物理介质的占用。这样可以保证在周期时间范围内通讯的确定性,而时间的确定性正是实时控制的基本要求。系统设计实现包括硬件和软件两个方面的工作。硬件平台采用PXA270和LPC2194的双处理器结构。PXA270处理器负责控制逻辑的运行,产生和处理CAN总线传递的数据信息。ARM7处理器LPC2194主要负责CAN总线应用协议的实现,以及检测和处理系统紧急事件。软件平台采用Linux操作系统和实时性性能好的μC/OS-Ⅱ操作系统。PXA270处理器运行Linux,μC/OS-Ⅱ运行在处理器LPC2194中。需要设计专用Linux设备驱动程序和μC/OS-Ⅱ任务程序,保证两个处理器间可靠地互通信息,使控制参数和工况参数在PXA270、LPC2194、CAN总线、各分布式CAN节点间顺利交互,达到系统工艺要求的控制目标。系统实现了四条独立CAN总线,每条总线最多可挂装110个CAN节点。各CAN节点协同工作,执行对温度、压力、湿度等模拟量的采集以及电磁阀、电机等开关量的控制和检测。系统的控制逻辑要求时间精度精确到0.1秒。所以系统信息量大,控制实时性要求高。通过大量的测试工作,确认系统达到了两个主要的设计目标。第一个目标是基于CAN总线的系统控制数据流能在整个分布式控制系统中通畅传递;第二个目标是对于影响系统安全运行的紧急事件,在20ms内能够检测到并且作适当处理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 系统概况
• 1.2 主要研究工作和创新点
• 1.3 本文内容组织
• 第二章 现场总线选型
• 2.1 工业以太网简介
• 2.2 CAN总线的特点
• 2.3 CAN总线选用原则
• 第三章 CAN总线应用协议
• 3.1 CAN总线通讯调度方式
• 3.2 通讯帧格式
• 3.3 应用层数据包拆分格式
• 3.4 应用层协议
• 3.5 CAN总线时间参数设定与分析
• 3.6 下位机模块通讯控制策略
• 3.7 嵌入式主机通讯控制策略
• 第四章 硬件设计
• 4.1 PXA270处理器简介
• 4.2 LPC2194处理器简介
• 4.3 嵌入式主机硬件结构
• 4.4 CAN总线硬件结构设计
• 4.5 CAN总线通讯数据流路径设计
• 第五章 Linux设备驱动程序设计
• 5.1 设备驱动程序设计概述
• 5.2 驱动程序的初始化
• 5.3 驱动程序的open方法设计
• 5.4 驱动程序的write方法设计
• 5.5 驱动程序的read方法设计
• 第六章 控制流程基于μC/OS-Ⅱ操作系统的实现
• 6.1 基于μC/OS-Ⅱ的系统设计概述
• 6.2 任务建立
• 6.3 处理器PXA270和LPC2194间数据收发
• 6.4 处理器LPC2194和CAN总线间数据收发
• 第七章 测试与分析
• 7.1 测试目的
• 7.2 软硬件环境
• 7.3 测试方案
• 7.4 测试情况分析
• 第八章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢