CAN+Modbus总线设备在工业生产中的应用

于小鲲

摘 要：该文首先介绍了CAN+Modbus总线设备的特点，然后叙述了如何利用CAN+Modbus总线设备构建工业设备网络。最后着重给出了，CAN+Modbus现场设备的硬件和软件的设计方法。

关键词：CAN总线 Modbus协议 CAN+Modbus现场总线设备设计 现场总线设备的网络构成 人机界面组态

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）09（b）-0076-02

内蒙古赤峰某铜冶炼企业熔炼炉采用铜水套技术来延长大修时间为企业增加效益，为生产安全必须监测160片水套的铜体温度和128个出入水温度。由于水套周围空间狭小无法安装过多的电缆。针对这个问题企业仪控中心采用了CAN+Modbus的现场温度采集设备加组态软件（国产组态王）的方式来完成对铜水套温度的监测。

1 CAN+Modbus总线设备的特点

CAN（Controller Area Network）总线协议最初是以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，它是一种支持分布式实时控制系统的串行通信局域网。CAN总线以其高可靠性、实时性等优点，而被广范应用于工业控制领域。

Modbus是由Modicon（现为施耐德电气公司的一个品牌）在1979年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议，Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

CAN+Modbus设备是以CAN总线的高可靠性、实时性为基础结合了Modbus协议的通用性而研发的一种新型总线设备。

2 CAN+Modbus总线设备构建工业设备网络

CAN+Modbus网络由现场CAN+ Modbus设备、modbusTCP服务器、人机界面计算机组成。其中现场CAN+Modbus设备、modbusTCP服务器之间的连接用四芯双绞屏蔽型电缆STP-120Ω（for RS485 & CAN）电缆连接其中两芯用于为设备供电另两芯用于通讯。modbusTCP服务器与人机界面计算机之间用以太网连接。系统互联网络结构如图1所示。

3 CAN+Modbus总线设备的硬件设计

（1）CAN+Modbus总线设备的硬件主要由中央处理器、CAN总线驱动器、数据采集部分三个部分构成。

（2）中央处理器选用系统采用AT90CAN32芯片作为主控制器，AT90CAN32片内具有32KBflash、2KB RAM、1K EEPROM、1路CAN、2个16位定时、2个8位定时器、8路外部中断输入、看门狗电路等丰富的资源，最高的处理速度可以到16MIPS，采用AT90CAN32芯片作为主控制器设计的CAN总线节点，可以节约大量的外部扩展电路，简化设计，并且可靠性大大提高。由于AT90CAN32芯片内置了CAN控制器，利用其内部集成的CAN控制器构成CAN总线收发网络，所以设计的CAN通讯的电路被大大简化。中央处理器电路原理如图2所示。

（3）CAN总线驱动器选用ADM3053芯片，ADM3053是一款隔离式控制器区域网络（CAN）物理层收发器，集成隔离DC/DC转换器，符合ISO 11898标准。该器件采用ADI公司的iCoupler?技术，将双通道隔离器、CAN收发器和ADI公司的isoPower? DC/DC转换器集成于单个SOIC表贴封装中。片内振荡器输出一对方波，以驱动内部变压器提供隔离电源。该器件采用5 V单电源供电，提供完全隔离的CAN解决方案。 ADM3053在CAN协议控制器与物理层总线之间创建一个完全隔离的接口。它能以最高1Mbps的数据速率工作。通讯部分电路原理如图3所示。

（4）数据采集主要由LMP90100传感器模拟前端芯片、基准电压源LM4140，温度传感器LM94022组成。LMP90100提供了一个高度集成的8通道输入多路复用器的组合，是一个带有可调增益系数和24位Σ-Δ ADC的高精度放大器。器件包括电流源、电压基准和其他功能。在LMP90100中集成了两个匹配的激励电流IB1和IB2，这大大的方便了如PT100等热电阻应用的设计。部分原理如图4所示。

图4显示为一个典型的三线热电阻PT100应用。两个电流源IB1和IB2构建了一个跨VIN0和VIN1的差分电压，同时使用IB1和IB2的结果是，只有一个通道（VIN0-VIN1）需要被测量，如方程2所示，假定RLINE1=RLINE2，此通道的方程式为：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）

完整的原理图如图5所示。

4 CAN+Modbus总线设备的软件设计

CAN+Modbus软件设计主要有通讯和数据转换两个部分组成。

通讯部分由CAN驱动程序、Modbus处理程序组成。当CAN通道有数据到达时产生一个内部中断，中断程序判断数据是否是一个完整的Modbus数据帧，如果不是则为帧中数据片段，如果是则调用Modbus处理子程序对帧数据进行处理。LMP90100设置为连续转化方式，通过外部中断通知CPU数据转换完成，再通过查表方式将ADC值计算为PT100温度数据并放入缓存区等待Modbus命令读取。

5 结语

随着国内生产自动化水平不断普及和提高。总线式设备必将在自动化与生产领域得到广泛的应用。该文以CAN+Modbus总线设备在冶炼企业的铜水套测温系统中的应用为背景，详细地探讨了总线设备的网络构成和软硬件的实现。提出了一种以结合CAN总线的可靠性、实时性和Modbus协议通用性的新型总线设备设计方案。

该方案的稳定性、实时性、通用性、易于维护性在长时间的生产实践中已经充分得到了验证。

参考文献

[1] LMP90100传感器模拟前端系统数据手册[EB/OL].http：//www.nation.com.

[2] AT90CAN32数据手册[EB/OL].http：//www.atmel.com.

[3] ADM3053数据手册[EB/OL].http：//www.analog.com.endprint

摘 要：该文首先介绍了CAN+Modbus总线设备的特点，然后叙述了如何利用CAN+Modbus总线设备构建工业设备网络。最后着重给出了，CAN+Modbus现场设备的硬件和软件的设计方法。

关键词：CAN总线 Modbus协议 CAN+Modbus现场总线设备设计 现场总线设备的网络构成 人机界面组态

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）09（b）-0076-02

内蒙古赤峰某铜冶炼企业熔炼炉采用铜水套技术来延长大修时间为企业增加效益，为生产安全必须监测160片水套的铜体温度和128个出入水温度。由于水套周围空间狭小无法安装过多的电缆。针对这个问题企业仪控中心采用了CAN+Modbus的现场温度采集设备加组态软件（国产组态王）的方式来完成对铜水套温度的监测。

1 CAN+Modbus总线设备的特点

CAN（Controller Area Network）总线协议最初是以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，它是一种支持分布式实时控制系统的串行通信局域网。CAN总线以其高可靠性、实时性等优点，而被广范应用于工业控制领域。

Modbus是由Modicon（现为施耐德电气公司的一个品牌）在1979年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议，Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

CAN+Modbus设备是以CAN总线的高可靠性、实时性为基础结合了Modbus协议的通用性而研发的一种新型总线设备。

2 CAN+Modbus总线设备构建工业设备网络

CAN+Modbus网络由现场CAN+ Modbus设备、modbusTCP服务器、人机界面计算机组成。其中现场CAN+Modbus设备、modbusTCP服务器之间的连接用四芯双绞屏蔽型电缆STP-120Ω（for RS485 & CAN）电缆连接其中两芯用于为设备供电另两芯用于通讯。modbusTCP服务器与人机界面计算机之间用以太网连接。系统互联网络结构如图1所示。

3 CAN+Modbus总线设备的硬件设计

（1）CAN+Modbus总线设备的硬件主要由中央处理器、CAN总线驱动器、数据采集部分三个部分构成。

（2）中央处理器选用系统采用AT90CAN32芯片作为主控制器，AT90CAN32片内具有32KBflash、2KB RAM、1K EEPROM、1路CAN、2个16位定时、2个8位定时器、8路外部中断输入、看门狗电路等丰富的资源，最高的处理速度可以到16MIPS，采用AT90CAN32芯片作为主控制器设计的CAN总线节点，可以节约大量的外部扩展电路，简化设计，并且可靠性大大提高。由于AT90CAN32芯片内置了CAN控制器，利用其内部集成的CAN控制器构成CAN总线收发网络，所以设计的CAN通讯的电路被大大简化。中央处理器电路原理如图2所示。

（3）CAN总线驱动器选用ADM3053芯片，ADM3053是一款隔离式控制器区域网络（CAN）物理层收发器，集成隔离DC/DC转换器，符合ISO 11898标准。该器件采用ADI公司的iCoupler?技术，将双通道隔离器、CAN收发器和ADI公司的isoPower? DC/DC转换器集成于单个SOIC表贴封装中。片内振荡器输出一对方波，以驱动内部变压器提供隔离电源。该器件采用5 V单电源供电，提供完全隔离的CAN解决方案。 ADM3053在CAN协议控制器与物理层总线之间创建一个完全隔离的接口。它能以最高1Mbps的数据速率工作。通讯部分电路原理如图3所示。

（4）数据采集主要由LMP90100传感器模拟前端芯片、基准电压源LM4140，温度传感器LM94022组成。LMP90100提供了一个高度集成的8通道输入多路复用器的组合，是一个带有可调增益系数和24位Σ-Δ ADC的高精度放大器。器件包括电流源、电压基准和其他功能。在LMP90100中集成了两个匹配的激励电流IB1和IB2，这大大的方便了如PT100等热电阻应用的设计。部分原理如图4所示。

图4显示为一个典型的三线热电阻PT100应用。两个电流源IB1和IB2构建了一个跨VIN0和VIN1的差分电压，同时使用IB1和IB2的结果是，只有一个通道（VIN0-VIN1）需要被测量，如方程2所示，假定RLINE1=RLINE2，此通道的方程式为：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）

完整的原理图如图5所示。

4 CAN+Modbus总线设备的软件设计

CAN+Modbus软件设计主要有通讯和数据转换两个部分组成。

通讯部分由CAN驱动程序、Modbus处理程序组成。当CAN通道有数据到达时产生一个内部中断，中断程序判断数据是否是一个完整的Modbus数据帧，如果不是则为帧中数据片段，如果是则调用Modbus处理子程序对帧数据进行处理。LMP90100设置为连续转化方式，通过外部中断通知CPU数据转换完成，再通过查表方式将ADC值计算为PT100温度数据并放入缓存区等待Modbus命令读取。

5 结语

随着国内生产自动化水平不断普及和提高。总线式设备必将在自动化与生产领域得到广泛的应用。该文以CAN+Modbus总线设备在冶炼企业的铜水套测温系统中的应用为背景，详细地探讨了总线设备的网络构成和软硬件的实现。提出了一种以结合CAN总线的可靠性、实时性和Modbus协议通用性的新型总线设备设计方案。

该方案的稳定性、实时性、通用性、易于维护性在长时间的生产实践中已经充分得到了验证。

参考文献

[1] LMP90100传感器模拟前端系统数据手册[EB/OL].http：//www.nation.com.

[2] AT90CAN32数据手册[EB/OL].http：//www.atmel.com.

[3] ADM3053数据手册[EB/OL].http：//www.analog.com.endprint

摘 要：该文首先介绍了CAN+Modbus总线设备的特点，然后叙述了如何利用CAN+Modbus总线设备构建工业设备网络。最后着重给出了，CAN+Modbus现场设备的硬件和软件的设计方法。

关键词：CAN总线 Modbus协议 CAN+Modbus现场总线设备设计 现场总线设备的网络构成 人机界面组态

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）09（b）-0076-02

内蒙古赤峰某铜冶炼企业熔炼炉采用铜水套技术来延长大修时间为企业增加效益，为生产安全必须监测160片水套的铜体温度和128个出入水温度。由于水套周围空间狭小无法安装过多的电缆。针对这个问题企业仪控中心采用了CAN+Modbus的现场温度采集设备加组态软件（国产组态王）的方式来完成对铜水套温度的监测。

1 CAN+Modbus总线设备的特点

CAN（Controller Area Network）总线协议最初是以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，它是一种支持分布式实时控制系统的串行通信局域网。CAN总线以其高可靠性、实时性等优点，而被广范应用于工业控制领域。

Modbus是由Modicon（现为施耐德电气公司的一个品牌）在1979年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议，Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。它已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。

CAN+Modbus设备是以CAN总线的高可靠性、实时性为基础结合了Modbus协议的通用性而研发的一种新型总线设备。

2 CAN+Modbus总线设备构建工业设备网络

CAN+Modbus网络由现场CAN+ Modbus设备、modbusTCP服务器、人机界面计算机组成。其中现场CAN+Modbus设备、modbusTCP服务器之间的连接用四芯双绞屏蔽型电缆STP-120Ω（for RS485 & CAN）电缆连接其中两芯用于为设备供电另两芯用于通讯。modbusTCP服务器与人机界面计算机之间用以太网连接。系统互联网络结构如图1所示。

3 CAN+Modbus总线设备的硬件设计

（1）CAN+Modbus总线设备的硬件主要由中央处理器、CAN总线驱动器、数据采集部分三个部分构成。

（2）中央处理器选用系统采用AT90CAN32芯片作为主控制器，AT90CAN32片内具有32KBflash、2KB RAM、1K EEPROM、1路CAN、2个16位定时、2个8位定时器、8路外部中断输入、看门狗电路等丰富的资源，最高的处理速度可以到16MIPS，采用AT90CAN32芯片作为主控制器设计的CAN总线节点，可以节约大量的外部扩展电路，简化设计，并且可靠性大大提高。由于AT90CAN32芯片内置了CAN控制器，利用其内部集成的CAN控制器构成CAN总线收发网络，所以设计的CAN通讯的电路被大大简化。中央处理器电路原理如图2所示。

（3）CAN总线驱动器选用ADM3053芯片，ADM3053是一款隔离式控制器区域网络（CAN）物理层收发器，集成隔离DC/DC转换器，符合ISO 11898标准。该器件采用ADI公司的iCoupler?技术，将双通道隔离器、CAN收发器和ADI公司的isoPower? DC/DC转换器集成于单个SOIC表贴封装中。片内振荡器输出一对方波，以驱动内部变压器提供隔离电源。该器件采用5 V单电源供电，提供完全隔离的CAN解决方案。 ADM3053在CAN协议控制器与物理层总线之间创建一个完全隔离的接口。它能以最高1Mbps的数据速率工作。通讯部分电路原理如图3所示。

（4）数据采集主要由LMP90100传感器模拟前端芯片、基准电压源LM4140，温度传感器LM94022组成。LMP90100提供了一个高度集成的8通道输入多路复用器的组合，是一个带有可调增益系数和24位Σ-Δ ADC的高精度放大器。器件包括电流源、电压基准和其他功能。在LMP90100中集成了两个匹配的激励电流IB1和IB2，这大大的方便了如PT100等热电阻应用的设计。部分原理如图4所示。

图4显示为一个典型的三线热电阻PT100应用。两个电流源IB1和IB2构建了一个跨VIN0和VIN1的差分电压，同时使用IB1和IB2的结果是，只有一个通道（VIN0-VIN1）需要被测量，如方程2所示，假定RLINE1=RLINE2，此通道的方程式为：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）

完整的原理图如图5所示。

4 CAN+Modbus总线设备的软件设计

CAN+Modbus软件设计主要有通讯和数据转换两个部分组成。

通讯部分由CAN驱动程序、Modbus处理程序组成。当CAN通道有数据到达时产生一个内部中断，中断程序判断数据是否是一个完整的Modbus数据帧，如果不是则为帧中数据片段，如果是则调用Modbus处理子程序对帧数据进行处理。LMP90100设置为连续转化方式，通过外部中断通知CPU数据转换完成，再通过查表方式将ADC值计算为PT100温度数据并放入缓存区等待Modbus命令读取。

5 结语

随着国内生产自动化水平不断普及和提高。总线式设备必将在自动化与生产领域得到广泛的应用。该文以CAN+Modbus总线设备在冶炼企业的铜水套测温系统中的应用为背景，详细地探讨了总线设备的网络构成和软硬件的实现。提出了一种以结合CAN总线的可靠性、实时性和Modbus协议通用性的新型总线设备设计方案。

该方案的稳定性、实时性、通用性、易于维护性在长时间的生产实践中已经充分得到了验证。

参考文献

[1] LMP90100传感器模拟前端系统数据手册[EB/OL].http：//www.nation.com.

[2] AT90CAN32数据手册[EB/OL].http：//www.atmel.com.

[3] ADM3053数据手册[EB/OL].http：//www.analog.com.endprint