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基于CAN总线和以太网技术的远程监控系统分析

作者: 发布时间:2020-01-17 16:42:07 阅读: 48 次

摘要:当前的控制系统不断向智能化、离散化、网络化方向发展。为满足该发展需求,本文设计了一种基于CAN控制总线和以太网通信技术的远程监控系统,该系统使用单片机AT89C52CAN控制器SJA1000、网络芯片DM9000A等实现了远程监控功能。

关键词:CAN;以太网;远程监控;AT89C52SJA1000DM9000A

 

 

0 引言

随着电气自动化技术的在工业控制领域的广泛应用,越来越多的设备间的通信需要通过网络完成。同时,系统集控端对每个设备的监控和维护也需要通过网络进行。基于现场总线技术的现场设备智能化控制技术可以满足远程监控的诸多需求,因此现场总线技术得到了广泛的应用并具有非常实际的应用价值。现场总线技术具有很高的系统通信率,同时具有较强的通信纠错能力,在可以实现对设备进行实时性、分布式控制的基础上,克服监控现场的环境限制和气候限制等因素,实现对设备的远程监控。

计算机技术的发展使得网络应用覆盖到人们生活的各个领域。为提高企业工作效率,减小信息传递时间,企业不同程度的引入了以太网进行通信互联。通过以太网,用户可以方便的对远程系统或者数据库进行访问和操作。因此CAN总线通常与以太网组合使用,以便于达到更佳使用效果。

当前基于CAN总线和以太网技术的远程监控系统有两种主流方案,分别为片内集成式和片外集成式。鉴于片内集成方案成本相对较高,本文系统采用片外集成的方式实现。系统核心模块为CAN器件、以太网连接芯片以、单片机及相关配件。

1 系统硬件总体结构分析

1.1 硬件构成

系统按照功能分为三个部分,分别为监控终端、嵌入式网关、现场设备网络、。三部分通过CAN总线和以太网进行模块连接和数据传输,进而实现设备的远程监控。其中,监控终端与嵌入式网关之间的连接方式为以太网,嵌入式网关与现场设备之间的连接方式为CAN总线。现场检测设备的监测数据通过以太网被传输到监控端数据库,监控人员通过对该数据库数据进行数据分析决定控制策略。网关是系统的中间节点,来自以太网和CAN总线的数据在网关进行协议转换,并进行下一步信息传送,利用网关服务器可以确定信息继续传送位置。为增加系统的灵活性,提高设备的使用率,减低维护成本,可以根据监控需求合理配置网络服务器,进而对CAN总线上的任意节点的自动配置。实现系统的动态配置和重构。当系统出现故障时,现场设备向监控终端发送报警信号,现场设备执行控制指令,减少因故障产生的损失。

通过该系统,可以有效提高信息传输效率,实现现场设备和仪器的监控与管理。具体实现框图如下图所示

 

 

1.2 CAN现场控制网络设计

网络中的各节点通过CAN总线可以实现节点间的相互通信。利用CAN总线,系统控制端还可以对系统中的各节点进行监控和控制。通常一个CAN总线可以挂载110个节点。因此CAN总线功能非常强大。

在工业现场中,CAN控制网络主要由CAN总线控制器、收发器和底层设备构成。其中,底层设备主要包括微控制器、数据采集器、数据传输接口、现场设备等。通过引言可知,本文的监控系统采用片外集成的方式实现,因此,CAN总线硬件构成为如下几部分。

微控制器选用AT89C52芯片。CAN控制器选用飞利浦SJA1000,该芯片支持CAN2.0B协议,可具有更多的控制和工作方式。微控制器和CAN控制器之外还包括A/D转换电路、CAN收发器82C250和抗电磁干扰电路6N137等。该部分子系统利用AT89C52实现SJA1000的初始化工作,SJA1000负责数据的收发等通信工作。SJA100CPU的通信通过中断服务程序实现,82C250的斜率电阻根据通信需要取为47kΩ,CAN总线与地间的并联电容组织为30pF

1.3 嵌入式网关设计

现场总线与监控端的信息通信需要通过网关进行数据转换,故网关是该系统的核心。本文网关的硬件电路由以下几部分构成:ARM2410S64MROMRAM、扩展CAN总线控制器MCP2510CAN收发器SJA1050、以太网控制器DM9000A。其中SJA1050CAN总线进行数据连接,MCP2510SJA1050进行连接,然后通过通过ARM芯片实现和DM9000A实现数据向以太网的转换。

1.4 监控端设计

本文所采用的网络结构为C/S模式,通过以太网和C/S网络接口可以有效提高系统对现场设备的监控和管理。该设计方式可以在对硬件数据实时采集的基础上进行数据分析,以便于用户做出合理决策,降低现场设备的维护工作量。

2 系统软件实现

系统软件部分的实现主要由四部分构成。下面对这四部分的功能与设计实现方式进行讨论。

2.1 网络协议的确定

网络协议分为两部分。部分是针对不同硬件层的数据转换协议,第二部分为数据在以太网硬件层中的数据传输协议。

部分是指以太网中的控制端之间的数据传输协议该协议通常选为TCP/IP协议,利用该协议可以充分满足控制信息在系统中传输的要求。但是,工业现场设备的监控可能会涉及视频监控等特殊监控。该监控所产生的数据流量相对较大、实时性较高,且可能需要多控制端对同一监控设备进行同时监控,因此在TCP协议的基础上可以加入UDP协议,以满足数据传输要求。

第二部分是指CAN协议与TCP/IP协议之间的数据转换协议。网关在接收来自不同端口的数据时采用的不同的实现方式。在接收CAN数据时,采用中断服务的方式,在接收以太网数据时采用查询的方式,因此两者之间的数据无法实现直接传输,需要利用网关进行数据转换。具体来说,如果网关从CAN总线端接收到数据,该数据会包含设备的地址信息等,网关需要对无用信息进行删除操作才能对数据封装,向以太网用户端进行发送。如果网关从以太网端接收到数据,则需要对数据进行处理,去除数据信息中的封装数据部分,然后对剩余部分信息进行再处理,添加设备信息等,按照选择的CAN控制协议进行向设备端发送。

2.2 CAN控制器的编程设计

本文CAN控制器工作模式为BasicCAN模式,该模式的优点在于只需要对寄存器进行控制帧写入和读出等即可完成编程过程。该模式的帧结构为:帧长度占用11个字节,前3个字节为控制信息,其余字节为数据区。通过控制信息和数据信息可以让联网设备实现某种内置功能,如点对点的信息传输、设备自检、设备接收数据的来源节点确定等。

2.3 CAN控制器协议

通过对SJA1000的部分程序进行编写,可以实现控制模块的编写。SJA1000初始化时,会对控制寄存器、验收代码寄存器、验收屏蔽寄存器、总线定时寄存器和输出控制寄存器等进行配置,然后等待数据输入,根据配置信息对输入数据进行处理和执行。

3 CAN网络与以太网的安全保障措施

为保证监控系统的通信安全,需要采用必要的加密手段等确保整个系统中的通信不被非法获取,常用手段为综合网卡加密技术、密钥管理技术、加密解密技术等对网卡进行加密管理,保证网卡数据不被非授权网络设备读取,增强了系统的安全性能。为进一步加强通信的可靠性和安全性,可以对每个站点设置一对公开密钥和保密密钥,通过发送者的数字签名确认消息的来源,进而决定是否进行数据发送或接收。此外,对网络设备设置MAC地址绑定等,也可以增强系统的安全性能。

 

总结

本文设计了一种基于CAN总线和以太网的远程监控系统,该系统综合考虑了系统远程监控需求、扩展需求、适应性需求等,实现了控制端与多个现场设备的互连。此外,为保证系统的可靠性和安全性,本系统还设计了一定的信息网络传输安全措施。该措施进一步提高了系统的完善度。该系统顺应了当前的监控系统发展趋势,具有广泛的应用范围和应用领域。

 

 

参考文献

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