第1章 绪论
近年来，现场总线以其全开放、全分散、全数字化，集计算机、通信、控制技术于一体而已成为当今自动化领域技术发展的热点，在各种工业生产过程中得到了越来越广泛的应用。它能对工业生产过程中的各个参数进行测量、信号转换、控制和显示，把多个测量控制仪表或计算机作为网络节点，并通过双绞线、通讯电缆等传输媒介进行信息的高速双向传输，构成一个全数字化、全开放、多点测试和可靠通信的智能化工业控制网络。CAN总线作为有效支持分布式控制的多主串行现场总线之一，以其检错能力强、通讯硬件接口简单、通讯介质选择灵活、可靠性高、实时性强、价格低等特点而被受现场设备互连的青睐，广泛应用于汽车自动化、楼宇自控、工业控制等领域。针对工业现场被控对象地域分布广、实时性、快速性要求较高的需求，为提高多点温度控制系统的效率、性能和智能化水平，因此，提出了基于CAN总线的一种结构简单、可靠性高、实时性好的分布式温度检测系统设计。
本文应用CAN总线技术和单总线数字温度传感器DS18B20，设计了智能楼宇温度测控系统。
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第2章 现场总线CAN原理概述
现场总线是应用于工业自动化最底层的一种总线型拓扑的网络。它实现现场仪表或现场设备的互连，是现场通信网络与控制系统的集成。早期的自动控制系统是基于模拟信号和一对一的物理连接。模拟信号不仅精度低，而且抗干扰能力差：一对一结构造成了系统接线复杂、工程周期长、安装和维护费用高且困难：随着微处理器技术、通信技术和集成电路技术的发展，自动控制系统逐渐地采用了数字化的现场仪表和现场设备。同时，数字设备的成本也越来越低。因此，就对现场仪表和现场设备的互连方式提出了更高的要求。现场总线就在这种内外因素的作用下应运而生。现场总线是一种实现和维护成本低廉而又能经受工业现场环境的通信系统。从20世纪80年代中期至今的短短20多年中，现场总线经历了概念提出、标准制定和软硬件产品的研制，已经出现了好几种现场总线技术走向成熟并且得到了推广和广泛地应用。下面是几种具有代表性现场总线：
1．基金会现场总线(FF)
1994年，由ISPF和World FIP北美分会联合成立了现场总线基金会。该基金会集众家之长，致力于开发出国际上统一的现场总线协议，即基金会现场总线(Foundation Field bus，缩写FF)。该总线主要用于过程自动化。
2．PROFIBUS
1986年，德国开始制定PROFIBUS标准。1990年完成了PROFIBUS-F湖S和PROFIBUS-DP协议的制定工作，1994年又制定了用于过程自动化的PROFIBUS-PA通信协议，可实现总线供电与本质安全防爆。
3．Lon Works
Lon Works 是由美国Echelon公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1990年正式公布而形成的。Lon Works技术采用的Lon Talk协议被封装在称之为Neuron的神经元芯片中得以实现。该总线主要用于智能和家庭自动化。
4．HART
HART是Highway Addressable Remote Transducer的缩写。是由Rosemount公司开发并得到80多家著名仪表公司的支持，于1993年成立了HART通信基金会。它是一种模
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拟信号与数字信号混合的通信协议。能利用总线供电，可满足本质安全防爆要求，并可组成由手持编程器与管理系统主机作为设备的双主设备系统。
此外还有本文所要研究和应用的CAN(Control Area Network)总线。在本次课题设计中，我们对CAN总线协议进行了深入的学习和研究，并且设计了一个验证性的实验系统，即基于CAN总线的温度监控系统。
2.1 CAN总线产生和发展
控制器局部网(CAN—CONTROLLER AREA NETWORK)是BOSCH公司为现代汽车应用领先推出的一种多主机局部网，由于其卓越性能，现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。
随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一个分支，并取得了巨大进步。由于对系统可靠性和灵活性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为：控制面向多元化，系统面向分散化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。
分布式工业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的。这类系统是以微型机为核心，将5c技术--COMPUTER(计算机技术)、CONTROL(自动控制技术)、COMMUNICATION(通信技术)、CRT(显示技术)和CHANGE(转换技术)紧密结合的产物。它在适应范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面，较之分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统都具有明显的优越性。
典型的分布式控制系统由现场设备、接口与计算设备以及通信设备组成。现场总线(FIELDBUS)能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，因而现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域。现场总线的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点。尽管目前对现场总线的研究尚未能提出一个完善的标准，但现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统采用。同时，正由于现场总线的标准尚未统一，也使得现场总线的应用得以不拘一格地发挥，并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据。控制器局部网CAN(00NTROLLER AERANETWORK)正是在这种背景下应运而生的。由于CAN在愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文的标准化。为此，1991年9月PHILIPS SEMICONDUCTORS制订并发布了CAN技术规范(vERSl0N2．O)。该技术规范包括A和B两部分。2.OA给出了曾在CAN技术规范版本1．2中定义的CAN报文格式，而2.OB给出了标准的和扩展的两种报文格式。此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通运载工具--数字信息交换--高速通信控制器局部网(CAN)国际标准2002．12．62(IS011898)，为控制器局部网标准化、规范化推广铺平了道路。
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2.2 CAN总线的概述
CAN是控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）的简称，是德国BOSCH公司为解决现代汽车中电子监控设备之间的数据交换于1958年推出的高级串行数据通信协议。此后，CAN通过ISO11898及ISO11519标准化，得到国际上许多大公司的支持。现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。CAN通信接口游硬件实现，完成物理层和数据链层功能，其独特的设计和高度的可靠性，非常适用于分布式实时控制，因此越来越受到工业界的重视。
CAN属于总线式串行通讯网络，由于采用了许多新技术及独特的设计，CAN总线数据通讯具有突出的可靠性、实用性和灵活性。其特点如下：
1．CAN总线为多主工作方式，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不是传统的主从方式。
2．在报文标识符上，CAN上的节点分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，优先级高的数据最多可在134us内得到传输。
3．CAN采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出现冲突时，优先级低的节点会主动地退出发送，而高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪情况。
4．CAN节点只需要通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据。
5．CAN报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低。并且CAN的每帧信息都有CRC校验及其它检错措施，具有极好地检错效果。
6．CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其它节点的操作不受影响。
7．CAN协议废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。使得网络内的节点个数在理论上是不受限制的。但是，实际应用中CAN总线的节点个数主要取决于总线驱动电路，目前节点数可达110个。这个问题将在下文中有详细地讨论。
8．CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆和光纤，选择灵活。而且CAN总线结构简单，开发技术容易掌握。因此CAN总线具有很高的性价比。
2.3 CAN总线的特点
（1）全数字化通信
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现场总线系统是一个“纯数字”系统，而数字信号具有很强的抗干扰能力，所以，现场的噪声及其他干扰信号很难扭曲现场总线控制系统里的数字信号，数字先后的完整性使得过程控制的准确性和可靠性更高。
（2）一对N结构
一对传输线，N台仪表，双向传输多个信号。这种一对N结构使得连接简单，工程周期短。安装费用低，维护容易。如果增加现场设备或现场仪表，只需要并行挂接到电缆上，无需架设新的电缆。
（3）可靠性高
数字信号传输抗干扰能力强，精确度高，无需采用抗干扰和提高精度的措施，从而降低成本。
（4）可控状态
操作员在控制室即可了解现场设备或现场仪表的工作情况，也能对其进行参数调整，还可以预测或者寻找故障。整个系统始终处于操作员的远程监控状态，提高了系统的可靠性，可控性和可维护性。
（5）可换性
用户可以自由选择不同控制商所提供的性能价格比最优的现场设备或者现场仪表，并将不同品牌的仪表互联。即使某台仪表发生故障，换上其他品牌的同类仪表也能照常工作，实现了“即接即用”。
（6）互操作性
用户把不同的制造商的各种品牌的仪表集成在一起，进行统一组态，构成其所需的控制回路，而不必绞尽脑汁，为集成不同品牌的产品在硬件或者软件上花费力气或增加额外投资。
（7）综合功能
现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制和运算功能，实现了一表多用，不仅方便了用户也降低了成本。
（8）分散控制
控制站功能分散在现场仪表中，通过现场既可以构成控制回路，实现了彻底分散控制，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。
（9）统一组态
由于现场设备或者现场仪表都引入了功能块的概念，所有制造商都使用相同的功能块，并统一组态方法，使组态变得非常简单，用户不需要因为现场设备或者现场仪表种类不同而带来组态方法不同，再去学习和培训。
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