CAN总线磁悬浮球系统远程监控设计与实现

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 1.85MB 62 页 15积分

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摘要

在现代经典技术理论中，最主要的两大技术分别是计算机网络技术和自动控

制技术。随着现代科学技术的发展，人们开始思考将这两项技术融合，使得自动

控制现场作为互联网的一部分。自动控制人员不需要时刻在现场，而是通过远端

浏览器就可以实现对现场设备的控制。这就促使出现了远程监控技术。

磁悬浮技术具有不存在机械接触和摩擦、使用寿命长、可在特殊环境中使用

等优点；CAN 总线是工业控制现场常用的现场总线；远程监控可以在远端实现对

生产系统和现场设备运行状态及各种参数的监视和控制。目前，这三种技术是国

内外学者的主要研究课题，但是将这三种技术应用在一起的研究还没有出现。

论文通过分析远程监控技术、磁悬浮技术和 CAN 总线技术，首次提出了这

三种技术的融合方法，并据此设计实现了 CAN 总线磁悬浮球远程监控系统。磁

悬浮球系统是可控、可观测的不稳定系统，实时性要求高。根据系统的这些特点，

论文选择该系统作为研究对象。为了实现各个检测节点和控制节点之间的数据交

换，又满足系统的实时控制要求，论文提出用实时性和可靠性较强的 CAN 总线

实现数据通信，并设计实现了 CAN 总线应用层协议，包括通信参数、报文配置

等。

论文搭建了系统的实验平台，进行了系统硬件和软件设计。远程控制节点采

用可利用资源较少的嵌入式芯片 S3C2440A，难以支持大型操作系统和网络服务

器。为此，论文根据远程监控技术原理和磁悬浮球控制系统特点，设计搭建了嵌

入式 Linux 操作系统下的 Boa 服务器，使得远端用户可以通过浏览器实现对磁悬

浮球系统的远程监控。设计完成的 CAN 节点是现场通用的，既可以作为磁悬浮

球系统的检测节点，也可以作为执行器节点。软件程序设计包括 CAN 驱动设计、

控制页面和 CGI 程序设计。设计实现的磁悬浮球控制页面和相应的 CGI 程序不仅

人机接口界面友好，而且操作方便。

实验测试表明，新型 CAN 总线磁悬浮球的远程控制系统运行可靠，系统设计

合理。一次数据远程传输所需时间大致为 56ms~58ms，且每次操作的差异较小，

由此可见系统具有可预测性，满足磁悬浮系统的远程实时监控要求。

关键词：远程监控嵌入式服务器磁悬浮 CAN 总线

ABSTRACT

In the modern classic technology theory, there are two important technologies:

computer network technology and automatic control technology. With the development

of modern science and technology, people start to bring these two technologies

together, making automation field bus as an extension to the Internet.

Automation experts can control field devices through the remote browser. This

encouraged the emergence of remote monitoring technology. The magic levitation

technology has many advantages as non-contact, no lubrication problems, and can be

used in a special environment. CAN bus is one of common field bus in industrial

control field.

Thesis analyzes magic levitation, CAN bus and remote monitoring technologies,

proposes the integration of these technologies, and designs the remote monitoring for

CAN bus magnetic levitation ball system. Magnetic levitation system is unstable,

controllable and observable. It also needs high real-time requirement. According to

these characters, the thesis uses this system for the study. In order to achieve the data

exchange between nodes and meet the real-time requirements, the paper uses the CAN

bus as data communication, and design the communication parameters and packet

configuration.

The thesis set up the experimental platform of the system, including hardware

and software. Field control node uses the S3C2440A, an embedded chip. It supports

embedded operating system and embedded server. So this paper transplants the

embedded Linux operating system and Boa server. The CAN field control node can be

used for different functions, not only as a detection node but also as the actuator node.

The CAN driver can achieve the data exchange between microprocessor and CAN

controller. The design and implementation of magnetic levitation ball control page and

the CGI program is a friendly man-machine interface and easy to operate. It achieves

remote monitoring of the CAN bus magnetic levitation ball system.

Experimental tests show the whole system is reliable and reasonable. The time of

a remote data transmission is roughly 56-58ms, and the difference of each operation is

small. Therefore the system is predictable and meets the real-time requirements.

Key Words: Remote monitor, Embedded, Web server, Magnetic

levitation, CAN bus

III

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论...............................................................................................................1

§1.1 课题的来源及意义..............................................................................................1

§1.2 磁悬浮技术..........................................................................................................2

§1.2.1 磁悬浮技术原理............................................................................................2

§1.2.2 磁悬浮技术应用领域....................................................................................2

§1.2.3 磁悬浮技术研究现状....................................................................................4

§1.3 远程控制技术.......................................................................................................5

§1.3.1 远程监控技术简介.......................................................................................5

§1.3.2 远程监控技术研究现状...............................................................................6

§1.4 CAN 总线 .............................................................................................................6

§1.4.1 CAN 总线的优点 ..........................................................................................7

§1.4.2 CAN 总线研究现状 ......................................................................................7

§1.5 课题研究现状......................................................................................................7

§1.6 本文所做的主要工作..........................................................................................8

第二章远程监控关键技术.........................................................................................10

§2.1 嵌入式 Linux 操作系统 ....................................................................................10

§2.1.1 操作系统.....................................................................................................10

§2.1.2 嵌入式操作系统.........................................................................................11

§2.1.3 嵌入式 Linux ..............................................................................................12

§2.1.4 嵌入式 Linux 的优点 .................................................................................13

§2.2 Web 服务器.........................................................................................................13

§2.2.1 Web 起源......................................................................................................14

§2.2.2 Web 浏览器和 Web 服务器.........................................................................14

§2.2.3 嵌入式 Web 服务器....................................................................................15

§2.2.4 Boa 服务器 ..................................................................................................16

§2.3 CGI 技术 .............................................................................................................18

§2.3.1 HTML 概述..................................................................................................18

§2.3.2 CGI 工作原理..............................................................................................19

§2.3.3 CGI 与嵌入式 Web 服务器交互.................................................................19

§2.4 本章小结............................................................................................................20

第三章磁悬浮球控制系统远程监控设计方案...........................................................21

§3.1 磁悬浮球控制系统............................................................................................21

§3.1.1 磁悬浮球控制系统方程.............................................................................21

§3.1.2 磁悬浮球控制系统可控性分析.................................................................23

§3.2 CAN 总线磁悬浮球远程监控总体架构 ...........................................................24

§3.2.1 实时通信架构..............................................................................................24

§3.2.2 CAN 总线磁悬浮球远程控制架构 ............................................................25

§3.3 CAN 总线磁悬浮球远程监控硬件设计 ...........................................................26

§3.3.1 通用 CAN 节点 ..........................................................................................27

§3.3.2 远程控制节点.............................................................................................30

§3.4 CAN 总线磁悬浮球远程监控软件设计 ...........................................................33

§3.4.1 CAN 通信软件实现 ....................................................................................33

§3.4.2 CAN 驱动软件实现 ....................................................................................35

§3.4.3 CGI 程序 ......................................................................................................37

§3.5 本章小结............................................................................................................39

第四章实验平台的构建...............................................................................................40

§4.1 嵌入式 Linux 软件开发环境构建 ....................................................................40

§4.1.1 嵌入式操作系统的选型.............................................................................40

§4.1.2 交叉开发环境的搭建.................................................................................41

§4.1.3 NFS 的配置..................................................................................................43

§4.2 嵌入式 Linux 构建的基本流程 ........................................................................43

§4.2.1 引导程序概述.............................................................................................44

§4.2.2 内核定制与移植.........................................................................................45

§4.2.3 根文件系统.................................................................................................46

§4.3 Boa 的搭建 .........................................................................................................47

§4.4 本章小结............................................................................................................47

第五章系统测试与分析...............................................................................................48

§5.1 测试要求、方法以及准则................................................................................48

§5.2 测试案例设计以及输出结果分析....................................................................48

§5.3 系统的实时性分析.............................................................................................50

§5.4 本章小结............................................................................................................52

第六章总结与展望.....................................................................................................53

§6.1 课题工作总结....................................................................................................53

§6.2 课题研究展望....................................................................................................53

参考文献.........................................................................................................................55

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................58

致谢...............................................................................................................................59

第一章绪论

CAN总线磁悬浮球控制系统远程监控是融合了磁悬浮技术、远程控制技术和

CAN 总线的一项综合设计课题。本章首先介绍了课题的来源及意义，然后分别介

绍了磁悬浮技术、远程控制技术和 CAN 总线，以及它们目前国内外研究现状，

最后介绍了本文所做的工作。

§1.1 课题的来源及意义

计算机网络技术和自动化控制技术是现今世界的两个经典技术理论。一般认

为，自动化控制技术是通过现场总线对现场传感器得到的信息进行处理，从而控

制现场执行器的动作，需要专门的自动控制专家或者小组在现场工作。而计算机

网络技术则是实现了所有连入 Internet 网络的计算机资源的共享。所以，现今的

趋势是把现场总线设备作为 Internet 的一个设备终端，从而实现各个自动控制现

场信息的资源共享，同时可以实现对现场设备的远程自动控制。

远程监控技术使专业人员虚拟地出现在现场监控地点，利用本地丰富的软件

和硬件资源就可以方便地控制远程对象即现场设备，维护现场设备的正常运营，

从而减少现场的工作人员，最终实现远端现场无人或者少人工作，以达到减员增

效的目的[1]。

本课题选用 CAN 总线磁悬浮球系统作为远程控制对象。主要原因在于：首

先，磁悬浮技术是集合了电磁学、电子学、力学、机械学、控制工程和计算机科

学等技术于一体的一项综合集成技术。目前磁悬浮技术应用领域广泛，除了我们

熟知的磁悬浮列车外，还有磁悬浮轴承、磁悬浮电机等。本次课题选用的磁悬浮

球系统是不稳定的，但是是可控、可观测的[2]，因此可以对其进行控制系统设计。

其次，CAN 总线是解决了大量控制与测试仪器之间的数据交换的一种串行数据通

信协议，能够方便地实现对磁悬浮球系统的分布式实时控制。

实现远程监控，一般的方法是通过建立服务器将现场网络与 Internet 网络连

接，从而使得任意连入 Internet 网络的远端都能够实现对现场设备的监控。但是

由于一般服务器过于庞大，占据大量的现场空间，而且通信协议过于庞大复杂，

而对现场设备来说，不是所有的协议内容都是必须的。因此，本课题采用嵌入式

Web 服务器将 CAN 总线磁悬浮球分布式控制系统连入 Internet 网络，从而实现对

系统的远程监控。

综上所述，随着计算机网络技术和自动控制技术的飞速发展，两者结合的远

CAN 总线磁悬浮球系统远程监控设计与实现

程监控技术具有很大的研究价值。另一方面，目前我国对于磁悬浮技术和远程监

控技术是分开来研究的，将磁悬浮技术和远程监控技术相结合的研究还不是很多。

因此，该课题具有一定创新性，具有研究意义。

§1.2 磁悬浮技术

磁悬浮技术是本次课题研究的一个重要组成部分。本小节主要介绍磁悬浮技

术以及它的应用领域和目前国内外研究现状。

§1.2.1 磁悬浮技术原理

磁悬浮技术是利用电磁力将物体无机械接触地悬浮起来的技术，实现该技术

的装置有传感器、控制器、电磁铁和功率放大器等部分组成[3]。磁悬浮系统简单

原理图如图 1-1 所示。

图1-1 磁悬浮系统原理图

从图中看到，磁悬浮系统是由悬浮体、位置传感器、功率放大器、控制器和

电磁铁构成。其中，功率放大器和电磁铁作为执行器。其工作原理如下：假设在

参考位置上，悬浮体受到一个向下的扰动，偏离了参考位置。这时位置传感器检

测出悬浮体偏离参考位置的位移，控制器将该位移变换成控制电压，然后通过功

率放大器将其转换成控制电流，控制电流在电磁铁中产生磁力，使悬浮体返回到

原来的参考位置。因此，不管悬浮体受到向下还是向上的扰动，都能保持在稳定

的平衡状态[4]。

磁悬浮系统具有不存在机械接触，无摩擦、使用寿命长、可在特殊环境中使

用等优点。所以，磁悬浮技术引起了国内外学者和高校研究所广泛的关注和研究。

§1.2.2 磁悬浮技术应用领域

磁悬浮技术随着电子技术、电磁理论、控制工程和信号处理元器件的发展得

到了长足的发展。现在磁悬浮技术应用到了越来越多的领域。下面介绍磁悬浮技

术应用最多的两个领域：磁悬浮列车和磁悬浮轴承。

控制器

功放

位置传感器

悬浮体

电磁铁

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摘要：

I摘要在现代经典技术理论中，最主要的两大技术分别是计算机网络技术和自动控制技术。随着现代科学技术的发展，人们开始思考将这两项技术融合，使得自动控制现场作为互联网的一部分。自动控制人员不需要时刻在现场，而是通过远端浏览器就可以实现对现场设备的控制。这就促使出现了远程监控技术。磁悬浮技术具有不存在机械接触和摩擦、使用寿命长、可在特殊环境中使用等优点；CAN总线是工业控制现场常用的现场总线；远程监控可以在远端实现对生产系统和现场设备运行状态及各种参数的监视和控制。目前，这三种技术是国内外学者的主要研究课题，但是将这三种技术应用在一起的研究还没有出现。论文通过分析远程监控技术、磁悬浮技术和CAN总线技...

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