可燃气体检测CAN网络电路设计

2013届毕业生毕业设计说明书题 目: 可燃气体检测 CAN 网络电路设计 院系名称：电气工程学院 专业班级： 自动 F0904 学生姓名： 马辰 学 号： 200948280402 指导教师： 李秀娟 教师职称： 教 授 2013 年 05 月 20 日目 录1 概述 .11.1 研究背景及意义 .11.2 可燃性气体监测系统的发展概况 .11.3 现场总线技术概述 .41.4 本课题研究内容 .52 设计方案论证 .62.1 设计总体结构 .62.2 CAN 总线技术极其通讯协议分析 .62.3 可燃性气体检测设计方案 .92.4 传感器设计 .103 硬件电路设计 .123.1 CAN 总线电路设计 .123.2 信号采集放大电路设计 .163.3 电源电路设计 .173.4 系统总体结构 .184 软件设计 .19结 论 .22致 谢 .23参考文献 .24附录 A .2601 概述1.1 研究背景及意义在许多场所都会有可燃性气体泄漏的情况发生，比如加油站、化工厂、油库、煤气站、液化气站、炼油厂等等。如果有可燃性液体或可燃性气体发生泄漏，人们没能及时发现，那么可燃性气体的浓度会不断升高达到爆炸点。在任何时候都有可能发生可怕的灾难，造成人员伤亡或是设备损毁。有关这方面的一些报道，导致难以想象的悲剧，在国内和国外，其教训是非常严重的。为了防患于未然，采取有效措施，确保安全生产事，安装可靠的安全监控设备，这是可以实现的，要想早期发现隐患必须使用检测系统，以保证企业的经济效益。人们的安全意识逐渐曾强，监控报警和可燃气体，保护设备和人员的安全是非常必要的，为了达到此目的，我们开发了可燃气体监测系统，用于监测空气中的可燃气体和易燃液体，和易燃气体在空气中的浓度，易燃液体的蒸气的浓度到达一定浓度时，系统发生报警，可燃气体在空气中的蒸气的浓度达到时，它可以在系统的仪表盘上显示，以方便检查事故发生后的报警灯，我会记录下报警的时间。为了保护安全的生活和生产，避免爆炸和火灾，并保证企业的生产设备所需的安全性，其有广阔的市场空间的前景。国内很多厂家已经关注到安全生产的严重性，以及这个具有潜力的市场，开始研发可燃性气体检测系统。专注于检测传感器、控制单片机等，一些厂家的产品在主要性能上存在差异。而国内厂家生产的燃气检测系统，在检测灵敏度、设备的维护难易度、系统整体的可扩展性与国际上先进的国家生产的产品还存在差距。1.2 可燃性气体监测系统的发展概况最先意识到监测可燃性气体的环境，可能是煤矿行业。矿工的工作环境，在矿井当中，矿井中的甲烷浓度可能会随时发生，甲烷没有颜色，没有气味，其浓度可能随时攀升到爆炸浓度，等到人们身体发生不适，甲烷浓度很有可能积累到立即爆炸的限度。此时如果有火源出现，比如井下照明灯等等，都将引起爆炸的发生。另一方面，我国经济的发展带动了百姓生活水平的提升。老百姓相继住进了楼房，对于居住环境的安全问题提出了更高的要求。可燃性气体检测设备也可以进入家庭当中。家用式的燃气报警器就可以实现对家中煤气泄漏的情况实时监测实时监控，保证了人们的生命和财产的安全。一旦发生燃气泄漏，空气中的煤气达到一定1的浓度时，设备检测到危险情况，立即报警，有效的防止悲剧的发生，人们的安全得以保证。所以可燃气体检测系统的出现，大大提高了人们在工作生活方面的安全指数。越来越多的企业注重到这一点，大力研发和生产可燃气体报警检测系统设备。目前总的来说，气体检测报警系统大致分为以下几类：(1) 总线式的可燃性气体报警系统(2) 点型式的可燃性气体报警系统(3) 移动式可燃性气体报警系统(4) 独立式可燃性气体报警系统独立式可燃性气体报警控制器：是集声光报警功能和探测检测功能于一体。安装在工作现场。主要用在液化石油气、天然气、煤制气、燃气用户等，范围不大的环境中进行检测。如下图就是一种独立式可燃性气体报警器。图 1-1 独立式可燃气体报系统移动式可燃性气体报警系统的操作非常简便，工作范围大，相当灵活，结果又简单。根本不需要软件的支持，只要硬件电路的设计就可完成。但得有特定的人员到达施工现场进行测量，这样就有点浪费劳动资源，而且对工作人员存在着安全隐患，工作量还大。如图 1-2 就是测漏仪。图 1-2 测漏仪点型报警器，主要应用在需要探测的节点数量比较小的环境中。一个节点只被2一路系统监控着。然后把多条线路的报警器集中到一起，可靠度很大，在我国目前被应用的相当广泛。但是也存在着不足，在需要放置的节点数量比较多时，用这种份线试报警器操作起来异常麻烦，并且价格非常贵。图 1-3 就是一种份线试报警控制器。图 1-3 点型可燃性气体报警系统总线试报警器：此种可燃性气体报警器大都采用 CAN 总线的方式进行通讯，这种 CAN 总线式的报警控制器能把相当多的节点集中进行监视控制。图 1-4 就是基于CAN 总线式的可燃性气体监测系统。图 1-4 CAN 总线式可燃性气体报警控制器目前，基于 CAN 总线的技术已经很完善的被应用，进而基于 CAN 总线技术的气体检测报警器。在要求异常严格的消防行业中被非常广泛的使用。采用 CAN 总线的通讯方法，可以使探测的节点数量增至其他方法的数倍，具有相当可观的发展空间，也是总线式可燃性气体检测报警器的重要的研究发展方向。31.3 现场总线技术概述所谓“现场”是指生产或制造区域，或者是安装了变送器、传感器、和执行器等的设备区域。现场总线的功能就是将这些现场设备与智能系统（可编程控制系统或计算机控制系统等）相连接，进而将他们所提供的细心汇入工厂信息管理系统。根据电工委员会 IEC 和现场总线基金会 FF 定义，现场总线是一种用于智能现场设备和自动化系统的开放式、数字化、多节点的通讯技术。现场总线具有如下几个特点：（1）数字信号完全取代模拟信号。（2）实现现场设备管理和控制的统一。（3）可使设备增加非控制信息，如诊断信息等。（4）现场设备之间是开放的，能够实现互操作。现场总线技术以及其构成的系统主要优越性体现在：（1）系统结构简化，成本降低。在现场总线系统中，一对数据线便可以连接多台现成现场设备，同时其网络拓扑结构灵活，大大节约了信号电缆，从而降低了成本，也减少了系统操作和系统维护的费用。（2）提高了信号传输的可靠性和精度，采用数字信号传输和模拟信号相比，传输精度要高十倍，同时数字信号比模拟信号具有更高强的抗干扰能力，所以整个控制系统的精度显著提高，数据也更真实。（3）现场设备自治性加强，系统性能全面提高。由于现场设备采用数字化、智能化设备，因而在现场设备相互之间、现场设备与主控系统之间实现了双向参数的信息传输，这样既增加了现场设备的功能，也增强了主控系统对现场设备控制的实时性和灵活性。（4）用户拥有系统集成权。因为现场总线具有开放性和互操作性的特点，用户在继承自己的控制系统过程中，可以根据生产实际选测不同厂家的不同产品。（5）开放式系统结构。现场总线的所有技术和标准都是公开的，任何制造商都要遵循统一的标准生产现场总线产品，真正实现了系统结构的开放性。41.4 本课题研究内容本课题设计采用 CAN 总线的可燃气体检测硬件电路，实现 CAN 总线的收发功能。(1)深入理解 CAN 总线网路的协议，了解其网络结构，对报文的发送接收的过程，以及数据帧的结构做进一步的研究，并且提出一个 CAN 总线控制系统的方案。(2)设计了一套 CAN 总线智能节点，以 Samsung s3c2410 开发板、CAN 控制芯片 MCP2510 和 CAN 高速收发器 TJA1050 作为研究对象，前端选取 MC101 催化式可燃气体传感器。(3)对可燃性气体进行监测，以及传感器信号的采集和调理电路进行设计。52 设计方案论证2.1 设计总体结构使用 MCP2510、TJA1050 和 ARM 核心板设计 CAN 总线的硬件电路，实现节点与 CAN 总线的接收数据以及发送数据的功能。2.2 CAN 总线技术极其通讯协议分析2.2.1 CAN 总线技术CAN 是一种实时性很高，性能很强，可靠度极高，又非常灵活的总线式的串行通讯网络，并且运用了大量新型高科技手段和非常独到的设计理念，在很多场合使用 CAN 总线技术的数据通讯。其特点如下。(1) CAN 总线从根本上来说，它是一种多组对等网络，所谓多组，就是可以有多个主站多个主节点；而对等网络就是，所有的节点的身份都是一样的，网络上的任何一个节点都可以发送报文。至于报文能否发送到网络上，就要看报文的优先级是否够高，网络是否空闲。(2) CAN 总线废除了传统的占地式编码，而是给通讯数据进行编码，咱们知道，传统的串行通讯是对地址进行编码，有原地址有目的地址，所以只能实行点对点的通讯。而 CAN 总线来讲，它是对通讯数据进行编码。通过对报文进行过滤的方法，可以进行点对点、多点、广播的通讯方式。(3) CAN 总线使用短帧的数据结构，这样一来就可以达到传输时间比较短，受干扰的概率比较低的目的。对标准的格式的数据帧来讲，如果不计填充位，最短是四十四位。最多是一百零八位。最多支持一帧数据是八个字节。每一帧数据传输的时间相当短，所以抗干扰能力也比较强。(4) CAN 总线具有多种检测措施，以及相应的处理功能，检测效果非常好，处理功能非常强，通过这些措施，可以保证通讯的可靠性。包括：位错误、位填充错误检测、CRC 校验、报文格式检查应答错误检测。(5) CAN 总线支持的通讯介质可以为双绞线、同轴电缆、光纤，因此总线网络的选择性较大，刻意灵活的组建。(6) CAN 总线长度，最远可以达到 10 公里，其通讯速度是 5Kbps；最快通讯速度可达 1Mbps，其距离是 40 米。6(7) 总线的驱动电路决定着 CAN 网络上面允许加载的节点数量。目前为止可以达到 110 个，CAN 总线采用报文标示符来识别节点，对于标准格式的标示符是11 位。因此理论上来讲可以挂接 2 的 11 次方个节点，但是 CAN 的技术规范上规定，最高 4 位不能全为 1，所以最多 2032 个。(8) 通过报文标示符来定义节点的报文优先权，标示符的值越小优先级越高。所以可以通过定义报文标示符的大小来决定报文的优先级，从而保证高优先级的报文优先发送。(9) 采用非破坏性主位仲裁机制，这样就可以避免总线的访问冲突，通过这种仲裁机制，可以是仲裁的时间缩至最小，即使网络附在很大，也不会瘫痪。(10) 发生严重错误的节点，具备自动关闭输出，脱离总线的功能，从而不影响其他的节点。2.2.2 CAN 总线的分层在 CAN 技术规范 2.0A 中，把 CAN 的结构分为数据链路层和物理层。逻辑链路（LLC ）和媒体访问控制（MAC ）属于数据链路层的子分层。数据链路层逻辑链路子层 （ L L C 层 ）接受滤波超载通知恢复管理媒体访问控制子层 （ M A C 子层 ）数据封装与拆装帧编码媒体访问管理错误检测出错标定应答 、 串行化 / 解除串行化物理层位编码 / 解码位定时同步故障界定总线故障管理图 2-1 CAN 总线的分层结构72.2.3 CAN 总线的通讯协议下面的五条协议，是 CAN 总线进行通讯的基本技术条件（1）总线访问：控制器只能在总线处于空闲的时候才能发送数据。也就是CAN 节点在监测到总线上有三个空闲位（隐性位）的时候才开始发送数据。（2）仲裁：每一个节点都能够向总线发送数据。以一个显性电平为一帧的开始。若有 2 个或者 2 个以上的节点同时向总线发送数据，这样就会有冲突，此时CAN 就会根据节点报文标示符来仲裁。标示符的值越小优先级越高，就会被总线有限使用，直到将本帧数据发送完毕。（3）编码解码：对帧的起始场、控制场、仲裁场、数据场、CRC 序列采用填充技术进行补码。即每五个连续的点平前面，补一位相反的电平。而解码，就是每五个连续相同的电平后相补的电平删除，确保数据的可靠。（4）出错标注：当系统监测到位错误、填充错误、格式错误、应答错误时，CAN 控制器将发送一个出错标志。（5）超载标注：当总线超载时，将发送一个超载帧，以延时下一个帧的发送。2.2.4 报文传送与结构报文传送由 4 种不同类型的帧表示和控制：数据帧携带数据由发送器至接收器；远程帧通过总线单元发送，以请求发送