CAN+Modbus總線設備在工業生產中的應用

于小鯤

摘 要：該文首先介紹了CAN+Modbus總線設備的特點，然后敘述了如何利用CAN+Modbus總線設備構建工業設備網絡。最后著重給出了，CAN+Modbus現場設備的硬件和軟件的設計方法。

關鍵詞：CAN總線 Modbus協議 CAN+Modbus現場總線設備設計 現場總線設備的網絡構成 人機界面組態

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（b）-0076-02

內蒙古赤峰某銅冶煉企業熔煉爐采用銅水套技術來延長大修時間為企業增加效益，為生產安全必須監測160片水套的銅體溫度和128個出入水溫度。由于水套周圍空間狹小無法安裝過多的電纜。針對這個問題企業儀控中心采用了CAN+Modbus的現場溫度采集設備加組態軟件（國產組態王）的方式來完成對銅水套溫度的監測。

1 CAN+Modbus總線設備的特點

CAN（Controller Area Network）總線協議最初是以研發和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開發的，它是一種支持分布式實時控制系統的串行通信局域網。CAN總線以其高可靠性、實時性等優點，而被廣范應用于工業控制領域。

Modbus是由Modicon（現為施耐德電氣公司的一個品牌）在1979年發明的，是全球第一個真正用于工業現場的總線協議，Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，進行集中監控。

CAN+Modbus設備是以CAN總線的高可靠性、實時性為基礎結合了Modbus協議的通用性而研發的一種新型總線設備。

2 CAN+Modbus總線設備構建工業設備網絡

CAN+Modbus網絡由現場CAN+ Modbus設備、modbusTCP服務器、人機界面計算機組成。其中現場CAN+Modbus設備、modbusTCP服務器之間的連接用四芯雙絞屏蔽型電纜STP-120Ω（for RS485 & CAN）電纜連接其中兩芯用于為設備供電另兩芯用于通訊。modbusTCP服務器與人機界面計算機之間用以太網連接。系統互聯網絡結構如圖1所示。

3 CAN+Modbus總線設備的硬件設計

（1）CAN+Modbus總線設備的硬件主要由中央處理器、CAN總線驅動器、數據采集部分三個部分構成。

（2）中央處理器選用系統采用AT90CAN32芯片作為主控制器，AT90CAN32片內具有32KBflash、2KB RAM、1K EEPROM、1路CAN、2個16位定時、2個8位定時器、8路外部中斷輸入、看門狗電路等豐富的資源，最高的處理速度可以到16MIPS，采用AT90CAN32芯片作為主控制器設計的CAN總線節點，可以節約大量的外部擴展電路，簡化設計，并且可靠性大大提高。由于AT90CAN32芯片內置了CAN控制器，利用其內部集成的CAN控制器構成CAN總線收發網絡，所以設計的CAN通訊的電路被大大簡化。中央處理器電路原理如圖2所示。

（3）CAN總線驅動器選用ADM3053芯片，ADM3053是一款隔離式控制器區域網絡（CAN）物理層收發器，集成隔離DC/DC轉換器，符合ISO 11898標準。該器件采用ADI公司的iCoupler?技術，將雙通道隔離器、CAN收發器和ADI公司的isoPower? DC/DC轉換器集成于單個SOIC表貼封裝中。片內振蕩器輸出一對方波，以驅動內部變壓器提供隔離電源。該器件采用5 V單電源供電，提供完全隔離的CAN解決方案。 ADM3053在CAN協議控制器與物理層總線之間創建一個完全隔離的接口。它能以最高1Mbps的數據速率工作。通訊部分電路原理如圖3所示。

（4）數據采集主要由LMP90100傳感器模擬前端芯片、基準電壓源LM4140，溫度傳感器LM94022組成。LMP90100提供了一個高度集成的8通道輸入多路復用器的組合，是一個帶有可調增益系數和24位Σ-Δ ADC的高精度放大器。器件包括電流源、電壓基準和其他功能。在LMP90100中集成了兩個匹配的激勵電流IB1和IB2，這大大的方便了如PT100等熱電阻應用的設計。部分原理如圖4所示。

圖4顯示為一個典型的三線熱電阻PT100應用。兩個電流源IB1和IB2構建了一個跨VIN0和VIN1的差分電壓，同時使用IB1和IB2的結果是，只有一個通道（VIN0-VIN1）需要被測量，如方程2所示，假定RLINE1=RLINE2，此通道的方程式為：IB1*（RTD-RCOMP）VIN0=IB1（RLINE1+RTD）+（IB1+IB2）（RLINE3+RREF）

VIN1=IB2（RLINE2+RCOMP）+

（IB1+IB2）（RLINE3+RREF）

如果RLINE1=RLINE2那么VIN=

（VIN0-VIN1）=IB1（RTD-RCOMP）

完整的原理圖如圖5所示。

4 CAN+Modbus總線設備的軟件設計

CAN+Modbus軟件設計主要有通訊和數據轉換兩個部分組成。

通訊部分由CAN驅動程序、Modbus處理程序組成。當CAN通道有數據到達時產生一個內部中斷，中斷程序判斷數據是否是一個完整的Modbus數據幀，如果不是則為幀中數據片段，如果是則調用Modbus處理子程序對幀數據進行處理。LMP90100設置為連續轉化方式，通過外部中斷通知CPU數據轉換完成，再通過查表方式將ADC值計算為PT100溫度數據并放入緩存區等待Modbus命令讀取。

5 結語

隨著國內生產自動化水平不斷普及和提高。總線式設備必將在自動化與生產領域得到廣泛的應用。該文以CAN+Modbus總線設備在冶煉企業的銅水套測溫系統中的應用為背景，詳細地探討了總線設備的網絡構成和軟硬件的實現。提出了一種以結合CAN總線的可靠性、實時性和Modbus協議通用性的新型總線設備設計方案。

該方案的穩定性、實時性、通用性、易于維護性在長時間的生產實踐中已經充分得到了驗證。

參考文獻

[1] LMP90100傳感器模擬前端系統數據手冊[EB/OL].http：//www.nation.com.

[2] AT90CAN32數據手冊[EB/OL].http：//www.atmel.com.

[3] ADM3053數據手冊[EB/OL].http：//www.analog.com.endprint

摘 要：該文首先介紹了CAN+Modbus總線設備的特點，然后敘述了如何利用CAN+Modbus總線設備構建工業設備網絡。最后著重給出了，CAN+Modbus現場設備的硬件和軟件的設計方法。

關鍵詞：CAN總線 Modbus協議 CAN+Modbus現場總線設備設計 現場總線設備的網絡構成 人機界面組態

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（b）-0076-02

內蒙古赤峰某銅冶煉企業熔煉爐采用銅水套技術來延長大修時間為企業增加效益，為生產安全必須監測160片水套的銅體溫度和128個出入水溫度。由于水套周圍空間狹小無法安裝過多的電纜。針對這個問題企業儀控中心采用了CAN+Modbus的現場溫度采集設備加組態軟件（國產組態王）的方式來完成對銅水套溫度的監測。

1 CAN+Modbus總線設備的特點

CAN（Controller Area Network）總線協議最初是以研發和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開發的，它是一種支持分布式實時控制系統的串行通信局域網。CAN總線以其高可靠性、實時性等優點，而被廣范應用于工業控制領域。

Modbus是由Modicon（現為施耐德電氣公司的一個品牌）在1979年發明的，是全球第一個真正用于工業現場的總線協議，Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，進行集中監控。

CAN+Modbus設備是以CAN總線的高可靠性、實時性為基礎結合了Modbus協議的通用性而研發的一種新型總線設備。

2 CAN+Modbus總線設備構建工業設備網絡

CAN+Modbus網絡由現場CAN+ Modbus設備、modbusTCP服務器、人機界面計算機組成。其中現場CAN+Modbus設備、modbusTCP服務器之間的連接用四芯雙絞屏蔽型電纜STP-120Ω（for RS485 & CAN）電纜連接其中兩芯用于為設備供電另兩芯用于通訊。modbusTCP服務器與人機界面計算機之間用以太網連接。系統互聯網絡結構如圖1所示。

3 CAN+Modbus總線設備的硬件設計

（1）CAN+Modbus總線設備的硬件主要由中央處理器、CAN總線驅動器、數據采集部分三個部分構成。

（2）中央處理器選用系統采用AT90CAN32芯片作為主控制器，AT90CAN32片內具有32KBflash、2KB RAM、1K EEPROM、1路CAN、2個16位定時、2個8位定時器、8路外部中斷輸入、看門狗電路等豐富的資源，最高的處理速度可以到16MIPS，采用AT90CAN32芯片作為主控制器設計的CAN總線節點，可以節約大量的外部擴展電路，簡化設計，并且可靠性大大提高。由于AT90CAN32芯片內置了CAN控制器，利用其內部集成的CAN控制器構成CAN總線收發網絡，所以設計的CAN通訊的電路被大大簡化。中央處理器電路原理如圖2所示。

（3）CAN總線驅動器選用ADM3053芯片，ADM3053是一款隔離式控制器區域網絡（CAN）物理層收發器，集成隔離DC/DC轉換器，符合ISO 11898標準。該器件采用ADI公司的iCoupler?技術，將雙通道隔離器、CAN收發器和ADI公司的isoPower? DC/DC轉換器集成于單個SOIC表貼封裝中。片內振蕩器輸出一對方波，以驅動內部變壓器提供隔離電源。該器件采用5 V單電源供電，提供完全隔離的CAN解決方案。 ADM3053在CAN協議控制器與物理層總線之間創建一個完全隔離的接口。它能以最高1Mbps的數據速率工作。通訊部分電路原理如圖3所示。

（4）數據采集主要由LMP90100傳感器模擬前端芯片、基準電壓源LM4140，溫度傳感器LM94022組成。LMP90100提供了一個高度集成的8通道輸入多路復用器的組合，是一個帶有可調增益系數和24位Σ-Δ ADC的高精度放大器。器件包括電流源、電壓基準和其他功能。在LMP90100中集成了兩個匹配的激勵電流IB1和IB2，這大大的方便了如PT100等熱電阻應用的設計。部分原理如圖4所示。

圖4顯示為一個典型的三線熱電阻PT100應用。兩個電流源IB1和IB2構建了一個跨VIN0和VIN1的差分電壓，同時使用IB1和IB2的結果是，只有一個通道（VIN0-VIN1）需要被測量，如方程2所示，假定RLINE1=RLINE2，此通道的方程式為：IB1*（RTD-RCOMP）VIN0=IB1（RLINE1+RTD）+（IB1+IB2）（RLINE3+RREF）

VIN1=IB2（RLINE2+RCOMP）+

（IB1+IB2）（RLINE3+RREF）

如果RLINE1=RLINE2那么VIN=

（VIN0-VIN1）=IB1（RTD-RCOMP）

完整的原理圖如圖5所示。

4 CAN+Modbus總線設備的軟件設計

CAN+Modbus軟件設計主要有通訊和數據轉換兩個部分組成。

通訊部分由CAN驅動程序、Modbus處理程序組成。當CAN通道有數據到達時產生一個內部中斷，中斷程序判斷數據是否是一個完整的Modbus數據幀，如果不是則為幀中數據片段，如果是則調用Modbus處理子程序對幀數據進行處理。LMP90100設置為連續轉化方式，通過外部中斷通知CPU數據轉換完成，再通過查表方式將ADC值計算為PT100溫度數據并放入緩存區等待Modbus命令讀取。

5 結語

隨著國內生產自動化水平不斷普及和提高。總線式設備必將在自動化與生產領域得到廣泛的應用。該文以CAN+Modbus總線設備在冶煉企業的銅水套測溫系統中的應用為背景，詳細地探討了總線設備的網絡構成和軟硬件的實現。提出了一種以結合CAN總線的可靠性、實時性和Modbus協議通用性的新型總線設備設計方案。

該方案的穩定性、實時性、通用性、易于維護性在長時間的生產實踐中已經充分得到了驗證。

參考文獻

[1] LMP90100傳感器模擬前端系統數據手冊[EB/OL].http：//www.nation.com.

[2] AT90CAN32數據手冊[EB/OL].http：//www.atmel.com.

[3] ADM3053數據手冊[EB/OL].http：//www.analog.com.endprint

摘 要：該文首先介紹了CAN+Modbus總線設備的特點，然后敘述了如何利用CAN+Modbus總線設備構建工業設備網絡。最后著重給出了，CAN+Modbus現場設備的硬件和軟件的設計方法。

關鍵詞：CAN總線 Modbus協議 CAN+Modbus現場總線設備設計 現場總線設備的網絡構成 人機界面組態

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（b）-0076-02

內蒙古赤峰某銅冶煉企業熔煉爐采用銅水套技術來延長大修時間為企業增加效益，為生產安全必須監測160片水套的銅體溫度和128個出入水溫度。由于水套周圍空間狹小無法安裝過多的電纜。針對這個問題企業儀控中心采用了CAN+Modbus的現場溫度采集設備加組態軟件（國產組態王）的方式來完成對銅水套溫度的監測。

1 CAN+Modbus總線設備的特點

CAN（Controller Area Network）總線協議最初是以研發和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH公司開發的，它是一種支持分布式實時控制系統的串行通信局域網。CAN總線以其高可靠性、實時性等優點，而被廣范應用于工業控制領域。

Modbus是由Modicon（現為施耐德電氣公司的一個品牌）在1979年發明的，是全球第一個真正用于工業現場的總線協議，Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡（例如以太網）和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，進行集中監控。

CAN+Modbus設備是以CAN總線的高可靠性、實時性為基礎結合了Modbus協議的通用性而研發的一種新型總線設備。

2 CAN+Modbus總線設備構建工業設備網絡

CAN+Modbus網絡由現場CAN+ Modbus設備、modbusTCP服務器、人機界面計算機組成。其中現場CAN+Modbus設備、modbusTCP服務器之間的連接用四芯雙絞屏蔽型電纜STP-120Ω（for RS485 & CAN）電纜連接其中兩芯用于為設備供電另兩芯用于通訊。modbusTCP服務器與人機界面計算機之間用以太網連接。系統互聯網絡結構如圖1所示。

3 CAN+Modbus總線設備的硬件設計

（1）CAN+Modbus總線設備的硬件主要由中央處理器、CAN總線驅動器、數據采集部分三個部分構成。

（2）中央處理器選用系統采用AT90CAN32芯片作為主控制器，AT90CAN32片內具有32KBflash、2KB RAM、1K EEPROM、1路CAN、2個16位定時、2個8位定時器、8路外部中斷輸入、看門狗電路等豐富的資源，最高的處理速度可以到16MIPS，采用AT90CAN32芯片作為主控制器設計的CAN總線節點，可以節約大量的外部擴展電路，簡化設計，并且可靠性大大提高。由于AT90CAN32芯片內置了CAN控制器，利用其內部集成的CAN控制器構成CAN總線收發網絡，所以設計的CAN通訊的電路被大大簡化。中央處理器電路原理如圖2所示。

（3）CAN總線驅動器選用ADM3053芯片，ADM3053是一款隔離式控制器區域網絡（CAN）物理層收發器，集成隔離DC/DC轉換器，符合ISO 11898標準。該器件采用ADI公司的iCoupler?技術，將雙通道隔離器、CAN收發器和ADI公司的isoPower? DC/DC轉換器集成于單個SOIC表貼封裝中。片內振蕩器輸出一對方波，以驅動內部變壓器提供隔離電源。該器件采用5 V單電源供電，提供完全隔離的CAN解決方案。 ADM3053在CAN協議控制器與物理層總線之間創建一個完全隔離的接口。它能以最高1Mbps的數據速率工作。通訊部分電路原理如圖3所示。

（4）數據采集主要由LMP90100傳感器模擬前端芯片、基準電壓源LM4140，溫度傳感器LM94022組成。LMP90100提供了一個高度集成的8通道輸入多路復用器的組合，是一個帶有可調增益系數和24位Σ-Δ ADC的高精度放大器。器件包括電流源、電壓基準和其他功能。在LMP90100中集成了兩個匹配的激勵電流IB1和IB2，這大大的方便了如PT100等熱電阻應用的設計。部分原理如圖4所示。

圖4顯示為一個典型的三線熱電阻PT100應用。兩個電流源IB1和IB2構建了一個跨VIN0和VIN1的差分電壓，同時使用IB1和IB2的結果是，只有一個通道（VIN0-VIN1）需要被測量，如方程2所示，假定RLINE1=RLINE2，此通道的方程式為：IB1*（RTD-RCOMP）VIN0=IB1（RLINE1+RTD）+（IB1+IB2）（RLINE3+RREF）

VIN1=IB2（RLINE2+RCOMP）+

（IB1+IB2）（RLINE3+RREF）

如果RLINE1=RLINE2那么VIN=

（VIN0-VIN1）=IB1（RTD-RCOMP）

完整的原理圖如圖5所示。

4 CAN+Modbus總線設備的軟件設計

CAN+Modbus軟件設計主要有通訊和數據轉換兩個部分組成。

通訊部分由CAN驅動程序、Modbus處理程序組成。當CAN通道有數據到達時產生一個內部中斷，中斷程序判斷數據是否是一個完整的Modbus數據幀，如果不是則為幀中數據片段，如果是則調用Modbus處理子程序對幀數據進行處理。LMP90100設置為連續轉化方式，通過外部中斷通知CPU數據轉換完成，再通過查表方式將ADC值計算為PT100溫度數據并放入緩存區等待Modbus命令讀取。

5 結語

隨著國內生產自動化水平不斷普及和提高。總線式設備必將在自動化與生產領域得到廣泛的應用。該文以CAN+Modbus總線設備在冶煉企業的銅水套測溫系統中的應用為背景，詳細地探討了總線設備的網絡構成和軟硬件的實現。提出了一種以結合CAN總線的可靠性、實時性和Modbus協議通用性的新型總線設備設計方案。

該方案的穩定性、實時性、通用性、易于維護性在長時間的生產實踐中已經充分得到了驗證。

參考文獻

[1] LMP90100傳感器模擬前端系統數據手冊[EB/OL].http：//www.nation.com.

[2] AT90CAN32數據手冊[EB/OL].http：//www.atmel.com.

[3] ADM3053數據手冊[EB/OL].http：//www.analog.com.endprint