（动力机械及工程专业论文）基于can总线的内燃机热工参数现场测试系统研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文在广泛文献研究的基础上，对内燃机热工参数的检测系统的当前现状及其 发展做了细致的分析。 针对内燃机热工参数的检测，本文研制出基于c a n 总线的内燃机热工参数现 场测试的分布式检测系统。该系统下位机采用单片机处理和显示采集的检测参数， 实现集多种检测仪表功能于一体的智能检测仪表系统。下位机作为检测网络的一个 节点，采用c a n 总线接口设计把单个分散的检测仪表，以现场总线为纽带，组成 网络检测系统。上位机通过现场总线向下位机发出数据请求命令、发送和接收报文、 响应数据报警，完成上位机与下位机之间点对点、一点对多点( 成组) 及全局广播 高速传送接收数据的功能。 本文从以下方面对该系统的智能垡表、c a n 接口和检测网络系统三部分进行硬 件电路设计连接和软件调试及整个分布式系统的运行实验。 1 、对所要检测的柴油机热工参数设计出相应的信号调理电路，实现对传感器产生 的信号进行放大，滤波，隔离。 2 、完成以a d 模数转换芯片为核心的数据采集模块，将信号调理电路输出的的传 感器信号转换为数字信号，提供给下位机处理。 3 、设计处理采集电路输出数字信号的下位机模块，进行采集数据的转换处理及所 检测热工参数的l e d 数据显示。 4 、设计下位机与c a n b u s 连接的c a n 总线接口模块，实现向上位p c 机发送和 接收报文功能，并能实时响应上位机的数据请求和向上位机实时报警。 5 、实现上位p c 机和c a n b u s 的连接。完成p c 机对下位机特定节点或多个节点 的发送和接收报文功能，响应下位机的实时报警及完成对各个下位机节点的数 据请求。 6 、对组成的检测系统进行了实际电路的运行试验，完成了上位机与下位机节点之 间的收发报文功能、数据请求功能和下位机现场数据采集功能及报警功能。、， ， 、1 、 、 关键词。分布式检测系统上位机下位机c a n b u s 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep m s e u ts i t u a t i o na n dt h e d e v e l o p m e n ta b o u tt h ed e t e c t i o na n dm e a s l l r a m e u t s y s t e mo f t h ed i e s e lt h e r m a la n dd y n a m i cp a r a m e t e rw e r ep a r t i c u l a r l ya n a l y z e di nt h i s p a p e rb a s e d o nt h es t u d i e so f w i d el i t e r a t u r e ad i s t r i b u t e dd e t e c t i o na n dm e a s u r e m e u ts y s t e mo ft h ed i e s e lt h e r m a la n dd y n a m i c p a r a m e t e r w a s p u tf o r w a r d o nt h es u b j e c to ft h ed e t e c t i o na n dm e a s u r e m e n to ft h ed i e s e l t h e r m a la n dd y n a m i c p a r a m e t e ri nt h i sp a p e r n es i n g l ec h i pc o m p u t e r , w h i c hi st h ec o r e o f t h es l a v ec o m p u 缸c o u l dd e t e c ta n d d i s p l a ys e v e r a lp a r a m e t e r sa n dm a k e i ta c o m p l e x f u n c t i o n a li n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t a so n eo ft h en e tn o d e s ，t h ed i s t r i b u t e ds l a v e c o m p u t e r s m a d ean e t w o r kd e t e c ta n dm e a s u r es y s t e mt h r o u g ht h ef i e l db u s 血a 舭e m a s t e r c o m p u t e rt r a n s m i t t e d , r e c e i v e dt h ed a t af r a m e ，a n s w e r e dt h es l a v ec o m p u t e r sr e a lt i m e a l a r ma n dm a d et h ed a t ar e q u e s tt ot h es l a v ec o m p u t e ra n dc o m p l e t et h et r a n s m i ta n d r e c e i v ef r a m ef u n c t i o no f p o i n tt op o i n t , p o i n tt om u t i - p o i n t ，b r o a d c a s t n l ed e s i g no ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo ft h es y s t e mw a sp r o d u c e di nt h r e e s e g m e n t s o ft h i s s y s t e m ：i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t , i n t e r f a c e o fc a n d e t e c t i o na n d m e a s l l r e m e u t s y s t e m 1 ：1 1 1 ed e s i g no f t h es i p a d j u s t se l e c t r o c i r c u l tw a sm a d e f o rt h ed i e s e lt h e r m a la n d d y n a m i cp a r a m e t e ra n d u s e da sm a g n i f i c e n t ，r e j e c t e ra n di s o l a t i o nf o rt h es i g n a lp r o d u c e d b y t h es e n s o r 2 ：t h ed a t ac o l l e c t i o nm o d u l e w h i c hb a s e do nt h ea dc h i pt r a n s m i t t e dt h ed i g i t a l s i g n a lt os i n g l ec h i pw h i c hw a st r a n s f o r m e df r o mt h es i m u l a t e ds i g n a l 3 ：1 1 l es i n g l ec h i pm o d d e p r o c e s s e da n dd i s p l a y e dt h ed a t ao f t h ed i e s e lt h e r m a la n d d y n a m i cp a r a m e t e r 4 ：d e s i g nt h ec a n i n t e r f a c em o d u l ew h i c hc o n n e c tt h es l a v ec o m p u t e rw i t ht h e c a n b u sm a d et h es l a v ec o m p u t e rt r a n s m i ta n dr e c e i v et h ef r a m ea n dr e a lt i m ea l a r mt o t h em a s t e r c o m p u t e r 5 ：d e s i g nt h ec o m r n u n i c a t i o n a lf u n c t i o no fc a n b u si nm a s t e rc o m p u t e rw i 也t h e c a n b u sa n dm a d et h ed a t ao p e r a t ea th i g hs p e e db a u dr a t e sa n dt r a n s m i t t e dt h ed a t a r e q u e s t t ot h en o d e i i 华中科技大学硕士学位论文 6 ：t r y t h ed e t e c t i o na n dm e a s u r e m e n t s y s t e m a n d c o m p l e t e t h ef u n c t i o no f t r a n s m i s s i o na n dr e c e i v et h ed a t af l a m e ，s l a v ec o m p u t e r sr e a lt i m ea l a r mt ot h em a s t e r c o m p u t e r a n dt h em a s t e r c o m p u t e r d a t ar e q u e s t t ot h es l a v ec o m p u t e r k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e d d e t e c t i o na n dm e a s u r e m e n t s y s t e m m a s t e r c o m p u t e rs l a v ec o m p u t e r c a n b u s 1 1 i 华中科技大学硕士学位论文 第一章绪论 计算机集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 也称为分布式计算机控制系 统，简称集散控制系统( d c s ) 【l 】。管理的集中性和控制的分散性这一实际的需要 是推动计算机集散控制系统发展的根本原因。其实质是利用计算机技术、信号处理 技术、测量控制技术、通讯网络技术和人机接口技术等对生产过程进行分散控制， 集中监视、操作和管理的一种新型控制概念及技术。 d c s 的结构是一个分布式系统，概括起来有集中显示部分、分散控制检测部分 和通信部分组成。完成从现场采集数据到控制站和操作站，对生产过程进行实时监 督和控制的任务，并通过软硬件接口与其上位机进行通信，为实施企业综合自动化 系统提供良好的条件。 1 2 课题提出背景现状 内燃机试验中的各参数，有的能直接测量，例如温度、转速、压力，有的需要 根据已经获得的各参数进行计算后才能获得，例如功率、机械效率等【4 】f 6 1 。这就要 求这些不同检测设备之间有有效的联系，同时设备数据采集现场与检测控制操作机 之间的距离加大也要求提高上下位机的信息通讯能力。内燃机多参数的检测系统实 现分布式检测控制功能。 随着i b m p c 个人计算机的普及和m c s 一5 i 系列单片机在我国的推广应用， 把这两种微机用于处理及过程控制，构成小型的分散控制或测量系统| 3 ) 。 其具体组成是，由一台p c 机管理若干台以单片机为核心的智能测量或控制仪 表，p c 机与测量或控制仪表之间由r s 2 3 2 接口相连，如图1 1 所示。上位p c 机 和下位单片机之间的通信接口设计是通过单片机的串行口来实现的。由于m c s 一5 1 华中科技大学硕士学位论文 系列的单片机的串行通信接口输入输出为t t l 电平：高电平为3 8 v 左右，低电平 为o 3 v 左右。这种以1 v r l 电平传递数据的方式，抗干扰性较差，只能在几米的范 围之内传送数据。为了提高串行通讯的可靠性，国际上流行一种标准的r s 一2 3 2 串 行接口，这种接口负1 2 v 表示逻辑“1 ”，正1 2 v 表示逻辑“0 ”，使0 信号和1 信 号的电平差别增大，从而增强了抗干扰性。 图1 1 分布控制测量或控制设备 r s 2 3 2 总线传递的信息采用串行格式，如图1 2 所示。两机通讯时因为要转换 电平，就需加接电平转换器，如果采用标准的1 4 8 8 、1 4 8 9 r s 2 3 2 电平转换器就需 外接1 2 v 电源供电，如果采用m a x 2 3 2 ，则需要外接8 5 v 电压供电。为了简 化系统结构也可通过电路设计，使用系统自带的+ 5 v 供电。 逻辑“1 一1 2 v ( 标志) 二 回亚巫巫叵回圊 逻辑1 0 2 v ( 掷3 雾锈特 倔 图1 2r s 2 3 2 c 总线传递的串行格式信息 华中科技大学硕士学位论文 r s 2 3 2 标准共有2 5 条线，但在最简单的全双工系统中，仅用发送数据、接收 收数据和信号地线即可。全双工通信的多机系统的实现，是通过编程各从机串行口 控制寄存器s c o n 来实现的。 首先s c o n 的s m 2 位置为“l ”以允许建立多机通讯协议。其次对t b 8 ，r b 8 位设置。t b 8 ，r b 8 含义为：如果串行口工作方式为方式2 或方式3 ，即9 位数据 的u a r t 方式，一帧共有1 1 位信息。1 位数据位，8 数据位，1 位可编程的第9 个 数据位和一位停止位。如图1 2 所示。 发送的串行格式第9 个数据为串行口控制寄存器s c o n 中t b 8 位的内容：接 收时，串行格式的第9 个数据，被写入串行口控制寄存器s c o n 的r b 8 位。 在多机通信时，若主机要给某一个从机发送数据块时，先发送一个目标从机的地 址信息，其串行口控制寄存器s c o n 的t b 8 置为“l ”，故总线传递的地址帧的第 9 位数据( t b 8 ) 为“1 ”，它会使全部从机产生中断，进入中断服务程序。从机的 中断服务程序检查接收到的地址与分配给当前从机的地址是否相符合，因为每一个 从机在初始化时都已分配了各自唯一确定的地址。 如果接收到的地址信息符合该从机的分配地址，该从机则清串行口控制寄存器 s c o n 的s m 2 位为“0 ”。这样该机在接收有效的数据帧的停止位时，就会置位串 行口控制寄存器s c o n 的接收中断标志位，接收中断服务程序保存该数据。 而串行口控制寄存器s c o n 的s m 2 位为“1 ”的从机在接收有效的数据帧的停 止位时，不会置位串行口控制寄存器s c o n 的接收中断r j 标志位，从而不与主机 通讯 t # ”唰 串行口上的数据通讯的典型波形如图1 3 所 示，脉冲的陡峭边缘的信号有高频分量，在相邻 两根信号线传输时它们很容易由一根导线耦合到 另一根导线上去，引发“交叉干扰”，利用双扰线 和平衡倍号传送，可减少干扰，但在距离长时， 必须采用另处的措控制波形上升时间提高通信线 路可靠性。 衄口 t 舟时柳曩 ca 图1 3 数据通讯波形示意图 华中科技大学硕士学位论文 r s 2 3 2 标准中允许的变化量为3 0 v ps ，即充许1us 内信号从+ 1 5 变化到一1 5 v 。 但该标准在抗干扰方面考虑欠周全。具体应用时r s 一2 3 2 串行接口只适用于设备之 间的通讯距离不大于1 5 米，传递速率最大为2 0 k 波特，从机台数在四台左右。 为了改进r s 2 3 2 标准接口，又推出的r s - 4 2 3 标准接口，最大传输速率是每秒 1 0 0 k 波特的高速波特的数据传输，其最大的传输距离是1 2 米。 r s 4 2 2 标准接口是r s - 4 2 3 标准接口的进一步改进，允许更高的数据传输率， 并允许发送器和接收器之间距离更远，但其允许的从机的台数数目为一台驱动器， 1 0 台接收器。r s - 4 8 5 可接收的台数也只为3 2 台驱动器，3 2 台接收器。这限制其 在从机数目为上百上千系统中使用。 r s 2 3 2 通信标准，尽管它们被广泛地使用，但却是一种低数据速率和点对点的 数据传输标准，无能力支持更高层次的计算机之间的功能操作。其连接的网络上只 能有一个主节点，无法构成多主冗余系统，系统可靠性低：数据通讯方式为命令响 应式，致使系统灵活性、实时性差；技术陈旧，错误处理能力弱。 同时，在复杂或大规模的应用( 如工业现场控制或生产自动化领域) 中需要使 用大量的传感器、执行器和控制器等，它们通常分布在非常广泛的范围内，如果采 用r s - 2 3 2 通信标准，其性能会受到工业现场环境的影响，安装成本和介质造价都 将非常昂贵。这就需要设计出一种造价低廉而又能经受工业现场环境的通信系统。 1 3 智能仪表系统 传感器本身是一个系统，当前这个系统的组成与研究内容发展的一个重要趋势 就是传感器、计算机、和通讯技术的结合，如图1 4 ，来实现传感器系统的“智能” 化。 传统传感器技术追求传感器本身的完善，对传感器的各个环节进行精心设计与 调试、进行“手工艺品”式的精雕细琢来获得传感器的高性能。智能传感器则通过 与微处理器，微计算机相结合，采用廉价的集成电路和芯片以及强大的软件来实现 其高性能，所有还具有低的价格性能比。 华中科技大学硕士学位论文 图1 4 智能传感器框图 智能仪表功能要求传感器要具有仪器本身的自校零、自标定、自校正和自动补 偿功能。能够自动采集数据，并对数据进行预处理，具有数据存储、记忆与信息处 理功能。还能够进行双向通讯、标准化数字输出、判断和决策处理功能，实现对数 据的显示。 1 4 c a n 总线简介 c a n 总线是德国b o s c h 公司从8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试 仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介 质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1 m b p se ”| 【1 ”。c a n 总线是 一种串行数据通信协议。在c a n 总线通信接口中集成了c a n 协议的物理层和数 据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、c r c 循环检验、优先级判别等项工作。c a n 协议的一个最大特点是废除了传统的站地 址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点是使网络内的节点 个数在理论上不受限制，数据块的标识码可由1 1 位或2 9 位二进制数组成，因此可 以定义2 ”或2 2 9 各不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同 时接收到相同的数据。 1 , 4 1 局域网络c a n 特性 ( 1 ) c a n 通信速率为5 k b p s 1 0 k m 、1 m b p s 4 0 m ，传输介质为双绞线和光纤等。 其总线数值为两种互补逻辑数值之一：“显性”代表逻辑“o ”或“隐性”代表逻辑 华中科技大学硕士学位论文 “l ”。“显性”状态对“隐性”状态有强制拉低功能。 ( 2 ) c a n 采用点对点、一点对多点及全局广播几种方式发送接受数据。c a n 可 实现全分布式多机系统且无主、从机之分，每个节点均主动发送报文，用此特点可 方便地构成多机备份系统。 ( 3 ) c a n 采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当两个节点同时向网络上发信息 时，优先级低的节点主动停止发送数据，而优先级高的节点可不受影响地继续发送 信息；按节点类型分成不同的优先级，可以满足不同的实时要求。 ( 4 ) c a n 支持四类报文帧；数据帧，远程帧，出错帧，超载帧。采用短帧结构， 每帧有效字节数为8 个。这样传输时间短，受干扰的概率低，且具有较好的检错效 果。 c a n 采用循环校验c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) 及其它检错措施，保证 了极低的信息出错率。c a n 节点具有自动关闭功能，当节点错误严重的情况下， 则自动切断与总线的联系，这样可不影响总线正常工作。 c a n 单片机：m o t o r o l a 公司生产带c a n 模块的m c 6 8 h c 0 5 x 4 ，p h i l i p s 公司 生产带c a n 模块的p s x c 5 9 2 t “】嗍8 0 1 。c a n 控制器：p h i l i p s 公司生产8 2 c 2 0 0 ，s j a 1 0 0 0 ，i n t e l 公司生产8 2 5 2 7 。c a ni o 器件：p h i l i p s 公司生产8 2 c 1 5 0 ，具有数字 和模拟i o 接口。 1 4 2c a n 总线控制网络的发展 c a n 的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。在自动化电子领域 的汽车发动机控制部件、传感器、抗滑系统等应用中。 c a n 卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备 的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一 n 1 1 3 】【1 4 1 1 15 1 。 由于c a n 为愈来愈多不同领域采用和推广，导致要求各种应用领域通信报文 的标准化。为此，1 9 9 1 年9 月p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r s 制定并发布了c a n 技术规范 ( v e r s i o n2 o ) 。该技术规范包括a 和b 两部分。2 0 a 给出了曾在c a n 技术规范 6 华中科技大学硕士学位论文 版本1 2 中定义的c a n 报文格式，而2 o b 给出了标准的和扩展的两种格式。此后， 1 9 9 3 年1 1 月i s o 正式颁布了道路交通运载工具数字信息交换高速通信控 制器局部网( c a n ) 国际标准( i s 0 1 1 8 9 8 ) ，为控制器局部网标准化、规范化推广 铺平了道路。可以预料，控制器局部网将在我国迅速发展和普及。 1 5 课题内容 本课题基于此提出了采用基于现场总线的c a n 总线结构作为连接检测系统中 的智能仪表的双向数字分布式检测系统。这样就用数字信号取代原来的4 2 0 m a 标准模拟信号，进而提高可靠性和抗干扰能力。所有现场智能检测仪表节点通过数 字总线接1 2 1 都方便地挂接在一条现场总线上，节点可分为不同的优先级，满足不同 的实时要求，总线采用非破坏性总线仲裁技术。 本课题内容就是进行以下工作，完成该系统的智能仪表、c a n 接口和检测网络 三部分的硬件和软件设计，实现整个检测网络的现场检测功能。 1 、设计检测的柴油机转速、润滑油油温、排气管温度、缸内温度、曲轴扭矩等热 工参数的信号调理电路，实现对传感器产生信号的放大，滤波，隔离。 2 、设计以a d 模数转换芯片为核心的数据采集模块，能够将调理电路处理的传感 器信号转换为数字信号，提供给e c u 处理。 3 、设计处理采集电路输出数字信号的e c u 模块，能够将采集数据的转换处理及所 检测热工参数的l e d 数据显示。 4 、设计下位机与c a n b u s 连接的c a n 总线接口模块，能够实现向上位p c 机发 送和接收报文功能，并能实时响应上位机的数据请求和数据实时报警。 5 、实现上位p c 机和c a n b u s 的连接。实现p c 机对下位机特定节点或多个节点 的发送和接收报文功能，响应下位机的实时报警及完成对各个下位机节点的数 据请求。 6 、对组成的测控网络进行实际运行，完成上位机与任意下位机节点之间的收发报 文功能、数据报警功能和上位机的数据请求功能。 华中科技大学硕士学位论文 第二章模拟信号的输入电路设计 传感器的目的是将物理现象如温度、应变、压力等转换为电信号如电压或电流。 传感器的一些独特特性常常是设计电路所需考虑的因素。由传感器产生的信号必须 首先进行调理才能被数据采集设备精确、可靠地采集。这种前端口的处理称为信号 调理，它包括信号放大，滤波，隔离等通用功能嗍。经过信号调理的信号才能输入 数据采集板。其过程见图2 1 。 鼎一匹圃啼雁l m 圜w a u u i _ 匡圃哲酱w - i 传感器i 啼l 理蝼i _ l 梗i 图2 1 数据采集流程 2 1 温度测量 内燃机试验中关于内燃机热工参数的温度测量大致可分为两类： l 、稳定或变化很慢的流体温度的测量 这种温度一般比较稳定或变化缓慢，例如进出冷却水温度、机油温度、燃油温 度、大气温度等。本系统采用热电阻来检测这类温度。 2 、流体介质的瞬时温度测量 这类温度如排气瞬时温度、汽缸内燃烧温度等，本系统使用热电偶方式来检测。 2 2 热电偶温度测量 热电偶是一种常用的测温元件( 或称温度传感器) 其工作原理是温差电效应， 在热电偶的测温回路中满足在任意多个不同均匀金属导体的热电回路中，所产生的 热电动势之代数和仅仅是温度的函数川。由此我们可以推论，在这样的热电回路中， 假如除了一个接点之外的所有接点都被保持在同一个参数温度，那么回路中产生的 热电势就仅仅依赖那一个接点的温度，并可用来量度的那一个接点温度。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 1 热电儡的冷端补偿方法 若用热电偶测量温度，热电偶的工作端( 热端) 被放置在待测温度场中，而自 由端( 冷端) 通常被放在o o c 的环境中。如果冷端温度不是0 0 c ，则会产生测量误 差，此时就要加入温度补偿电路【2 4 1 1 2 6 1 1 3 ”。 图2 2 中所示的补偿电桥的桥臂电阻r l 、r 2 、r 3 和r 。通常与热电偶的冷端置 于相同的环境中。取r 。= r 2 = r 3 = lq ，用锰铜线绕成。r 。是用铜导线绕制而成的补 偿电阻，咫是供桥电源的限流电阻，r 由热电偶的类型决定。 图2 2 热电偶的冷端补偿电路 若电桥在2 0 。c 时处于平衡状态。当冷端温度升高时，r 。补偿电阻将随之而增 大，则a 、b 两点间的电压v 。也增大，此时热电偶温度电势却随冷端温度升高而降 低。若v 。的增加量等于热电偶温差电势的减少量，则热电偶输出电势v 。的大小 将保持不变，从而达到冷端补偿的目的。 2 2 2 集成运算放大电路 通常，检测信号的放大采用集成运算放大器。运算放大器可以实现模拟信号的 加、减运算。运算放大器具有电压增益高输入阻抗大，输入阻抗小的特点。 由于传感器变换后的摸拟信号有的是很微弱的信号，例如热电偶产生的电势为 5 m v ，为了给后续电路提供+ 5 v 信号，需放大1 0 0 0 倍。而通用运算放大器一般都 具有毫伏级的失调电压和每度数微状的温度漂移。在信号源为单纯有效信号，而没 有干扰的情况下具有超低失调电压，超低温漂的运算放大器方可用于小信号的放 大。 然而传感器的工作环境往往是比较复杂和恶劣的，在传感器的两个输入端经常 华中科技大学硕士学位论文 会产生较大的干扰信号，有时是完全相同的干扰信号，称为共模干扰。虽然运算放 大器对共模信号都有较高的干扰信号，但实际上共模信号不都直接加到运算放大器 的差动输入端+ 矾和- i n 。其中一路干扰信号直接加到+ i n ，而另一路干扰信号则要 经过输入电阻r 加到- 输入端。因此对来自信号源的共模干扰信号不能起到有效 的抑制作用。 对于一般的电压信号源有较高的噪声抑制能力的放大器称为测量放大器( 也称 仪放大或数据放大器) 由于它具有高输入阻抗、低输出阻抗，强抗共模干扰能力， 低温漂，低失调电压和高稳定增益特性，使其在微弱信号的检测系统中广泛用作前 置放大器。 本系统对传感器变换后的模拟信号即采用仪器放大器。集成运算放大器外接不 同负反馈电路时，可构成不同功能的运算放大电路，下面具体分析了其工作原理。 2 2 3 仪器放大器原理分析 仪器放大器9 ”0 1 通常是由三个运算放大器组成的，其中第一级是两个对称的同 相放大器，它不仅提高了输入阻抗和共模抑制比，而且改双端输入为单端输出，如 图2 3 所示，放大倍数g 求得数下 因为 所以 因为 甲i l i g - v i 2 图2 3 差动输入运放 坞= l + 七r l 坎= k 2 + 如月2 如= 警 2 煮哦 v o 1 0 华中科技大学硕士学位论文 v s2 所以塑：业 r 3r 5 百9 5 眈一k ) = 一匕 2 i r 5 一巧) + 匕= 鲁_ 一鲁巧+ 圪 = 隆j 巧一砉巧 2 雨r 6 圪隆卜鲁 为抑制共模抑制比和降低温漂影响，测量放大器采用对称结构，即取 r f = r l = r 2 ；r 32 r 4 = r 5 = r 6 则= 啊一 = 2 一如r 2 一。一，g r l = k ：一k ，一屯伙。+ r ：) ：一眠叱) + 掣础， 删缸赢i + 2 r f r c 即调节电阻心可改变放大倍数。 2 2 4 仪器放大器a d 6 2 5 本系统选择了较为新型的单片可程控 精密仪用放大器a d 6 2 5 t 2 ”，其成本为几十 元，适用于微机检测工作。其引脚排列、 引脚说明见如图2 4 所示。 该芯片主要具有以下几个特点： 1 ) 增益的温度系数最大为5 p p m c ， 非线性误差最大为o 0 0 5 ，增益最大误差 为o 0 5 ，因而，增益的精度和温度系数 + 输入 + 增益 盘测端 墒 调霉端 + 增盐驱动端 空 输出基准端 - s 一蝓 - 增益检测端 蝓出端调零端 一增益驱动端 晌出 盘测端 晌出端 + v s 图24 仪用放大器a d 6 2 5 引脚排列图 华中科技大学硕士学位论文 完全取决于用户选择的外部电阻的精度。 2 ) 外部电路简单，利用三个外加电阻可在1 1 0 0 0 0 倍之间选择放大倍数增益， 也可外接电阻网络和c m o s 模拟开关，利用软件编程在上述范围内控制增益，而 且c m o s 开关的接通电阻不影响增益的精度。 3 ) 提供相应独立的输入调零端，以满足高精度放大测量的需要。即使两个反 馈电阻不完全匹配，由于增益反馈电流对共模电压不敏感，仍能保持高共模抑制比。 2 2 5a d 6 2 5 的电路设计l a d 6 2 5 在实际电路应用中有两种工作模式，一种是用作电阻可编程模式，一种 f 是用作软件可编程模式，本系统采用电阻编程模式。 电阻可编程模式如图2 5 所示，利用三个外部电阻就可以在l 1 0 0 0 0 的范围内 l 选择闭环增益，由于其增益误差的增益的温度系数小于5 p p m c ，非线性误差最大 为o 0 0 5 ，增益最大误差的典型值小于为0 0 2 ，因而，增益的精度和温度系数 完全取决于用户选择的外部电阻的精度，所以r f r g 选用高精度和稳定性好的金 属膜电阻。 图2 5a d 6 2 5 的电路设计 华中科技大学硕士学位论文 由于增益反馈电流对共模电压不敏感，使得共模抑制比与两个反馈电阻匹配无 关，所以增益方程也可以写为g = l + 协，l + r ，2 j r g ，其中r ，l 和r ，2 分别为正负驱 动匹配端的反馈电阻，尽可能选择r r = r n = r ，：为好。 如前所述，每个r f 都提供反馈信号到放大级，以调整单位增益的互导。通过 试验，r f 选作2 0 千欧。当增益大于1 ，在1 0 到3 0 千欧之间选择，增益电阻由如 下公式决定：r 。= 2 r ，( g 1 ) 对于电阻编程模式，仅需要一个调零电阻。热电偶的连接电路如图2 6 所示 仪用放大器 热电偶 2 3 热电阻温度测量 图2 6 热电偶的连接电路图 电阻式温度传感器( r t d ) 工作原理是基于电阻变化与温度成正比的规律。铂、 镍、镍铁合金及铜因这方面的特性优良而用于工业领域。虽然随着半导体技术的发 展，新兴的i c 温度传感器得到了长足的发展，但传统的铂电阻或热电偶测温法，仍 然具有不可替代的优势，尤其在工业温度的测控领域中，它们依然占据统治地位口”。 铂电阻的测温上限虽不及某些耐高温热电偶，但是和热电偶测温比较，它有着 线性好、不需要进行冷端补偿，不需要补偿导线，具有稳定性、一致性、高精度、 易标定的优点。根据应用需要选择性能。r t d 适用于- 3 0 0 。f 到1 7 0 0o f 各种环境类 型的温度测量：专用抗振r t d 用于要求苛刻的柴油机测量。 2 3 1 惠斯顿电桥 热电偶采用惠斯顿( w h e a t s t o n e ) 电桥【2 7 1 ，通过电阻值的变化，输出电压值。 华中科技大学硕士学位论文 惠斯顿电桥有四个电阻，如图2 7 示，其中任一个都可以是应变片电阻，电桥一个 对角接入输入电压u ，另一个对角来测量输出电压e 。电桥的一个特点是：四个电 阻达到某一关系时，电桥输出为零。这时我们就有可能很灵敏得测量输出电势。由 于这一特点使电桥能够清楚地测量出微小的电阻变化。 d 图2 7 惠斯顿电桥电路 2 3 2 热电阻的电路连接 在进行测量前，必须先使电桥平衡，对于直流电桥只考虑电阻平衡即可。热电 阻的电路连接如图2 8 所示 惠斯顿电桥 仪用放大器 a d 转换单片机 图2 8 热电阻的电路连接图 2 4 力的测量 力的测量是通过测量应变的电阻变化引起所连接的电桥输出电压变化，得到应 变所受的力，进而得出扭矩和功率等参数。所用的装置如图2 9 所示。其电路连接 和热电阻测温度类似，只是电桥中的两个电阻是应变片。 华中科技大学硕士学位论文 2 5 发动机转速的检测 图2 9 应变测量 本系统测速传感器采用磁电式传感器，如图如图2 1 1 所示，它由齿轮和磁头组 成。齿轮由导磁材料做成，由6 0 个齿，安装在被测轴上。磁头由永久磁铁和线圈 组成，安装在紧靠齿轮边缘处。 图2 1 0 磁电式传感器 齿轮每转过1 个齿，就切割1 次磁力线，发出1 个来自线圈感应电势的脉冲信 号。故齿轮每转一圈，就发出6 0 个电脉冲信号，如果测量时间为1 秒，则得到的 脉冲信号个数就为发动机每分钟的转速。 从传感器得到的脉冲信号不能直接送入单片机的计数端口，必须经过转换电 路，将脉冲信号变成方波信号后输入单片机编程计数脉冲得到发动机的转速。测量 转速的调理电路电压比较器利用集成运算放大器具有高增益和非线性传输特性，实 华中科技大学硕士学位论文 现电压比较。图2 1 i 示出了一个简单电路。 y i v 矗 v 0k y 0 耻x 姜二 图2 11 用运算放大器构成的比较器 参考电压v 。和变化的电压v ；分别加于放大器的同相端和反相端。只要( u v ) 超过v + o m “a ，o ，从比较器输出的电压就等于、，+ 0 m x 。 如果两个输入端之间所加电压达到控制范围的上限时，输出电压将改变为v - 0 m 。 而且只要( v 。- v i ) 超过v - 0 。x a v o 时，输出电压仍然为v - 0 m “值( v h t ) c o ) 。 实际上，简单电路有严重缺陷，即输入电压和输出电压之间存在着直接的联系， 对于慢变化的输入电压，电路将产生一个缓慢变化的输出电压。再者，输入噪声使 得电路发生转换的过程不稳定。也就是说，在一种转换完成之前，可能发生反复变 化。由于这个原因，本电路采用了附图所示的电路。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 第三章智能仪表节点的系统设计 3 1 系统简介 智能仪表节点的系统结构如图3 1 所示。本系统由单片机、传感器信号调理电 路、数模转换、显示模块和与上位机通信的c a n 总线模块。其中传感器信号调理 电路在第二章已介绍，数模转换是将传感器信号调理电路输出的各路模拟信号转换 为数字信号输入单片机，单片机对输入数据进行处理，将数据显示、存贮。如果判 断数据超出正常范围，将向上位p c 机报警。同时响应上位机的指令向上位机发送 采集的信号数据。c a n 总线接口模块是将本节点连接至c a n 总线组成网络，其发 送和接收报文按c a n 总线协议操作。 3 2 单片机选择应用 图3 1 智能传感器节点的系统结构 单片机是检测系统的关键器件，它的优劣将直接影响到整个电路的软硬件设计 和性能指标i ”】。广泛运用的单片机类型有下面几种： m o t o r o l a 单片机：其特点之一是在同样速度下所用的时钟频率较i n t e l 单片机 低得多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强，更适合用于工控领域及恶劣环境， 华中科技大学硕士学位论文 近年来将d s p 做为辅助模块集成的单片机也纷纷推出。m o t o r o l a 3 2 位单片机，它 集成了包括各种通讯协仪在内的i o 模块。 s c e n i x 单片机i o 模块除集成了传统的i o 功能模块，如并行i o ，u r t ，s p i ， a d ，p w m ，1 2 c 。d t m f 与新的i ，0 模块也不断出现，如u s b ，c a n ，j 1 8 5 0 。s c e n i x 采用了r i s c 结构的c p u ，使c p u 最高工作频率达到5 0 m h z ，运算速度接近 5 0 m p s 。有了强有力的c p u ，s c e n i x 引入了虚拟i o 的新慨念，各种f o 功能便可 以用软件的方法模拟。公司提供各种i o 的库函数，用于实现各种i o 模块的功能。 m c s 一5 1 系列单片机是当前8 位单片机功能最强的系列之一。8 0 5 1 单片机系 列指的是m c s - - 5 i 系列和其它公司的8 0 5 1 的衍生品，这些衍生品是在基本型基础 上增强了各种功能的产品，如高级语言型，f l a s h 型、e e p r o m 型、a d 型，d m a 型，多并行口型，专用接口型，双控制器串行通讯型等，这些增强型的8 0 5 1 系列 给8 位单片机注入了新的活力，给它的的开发应用开拓了更广泛的前景。 3 2 1a t 8 9 c 5 1 的接口设计 基于本课题内容和各类型单片机的特点，选用t a t 8 9 c 5 1 i s 6 ，它与标准的8 0 5 1 微控制器完全兼容，适用于1 2 2 4 4 0 m h z t 作频率的型式，低电压型仅可用于 1 2 毗z ，4 k 8 ( e p ) r o m ，1 2 8 8 r a m ， 6 4 k 岁b 部程序存储器空间，6 4 k 外部数据存储 器空间，四个8 位端口，两个1 6 f f 定时器计数 器，u s a r t ，五个中断源，两个优先级。 a t 8 9 c 5 1 单片机是采用4 0 引脚双列直接封 装的，有些引脚引具有两种功能，引脚如图 3 2 。 a t 8 9 c 5 l 的p 1 0 一p 1 7 ( 端口1 ) 是带内部 上拉的8 位双向i o 端口。系统中连接a d 模数 转换芯片t l c l 5 4 2 ，向t l c l 5 4 2 提供串行输出 脉冲，被写成1 的引脚由内部上拉电阻拉至高 电平且可用作为t l c l 5 4 2 转换数据输入引脚。 p 3 0 p 3 7 端口3 使用8 0 c 5 1 系列的特有性 图3 2a t 8 9 c 5 1 引脚图 华中科技大学硕士学位论文 能。p 3 0 r x d 接收器数据输入( 异步) 或串行接口o 数据输入输出( 同步) 和p 3 i t x d 发送器数据输出( 异步) 或串行接口o w t 钟输出( 同步) 的多机通讯功能本系统未 用。p 3 2 i n t 0 作为在c a n 总线接口中c a n 控制器s j a l 0 0 0 的中断信号输入。 p 3 5 f f l 连接经过信号调理电路的转速计数脉冲输入。p 3 4 t 0 ，计数器0 输入端 未用。 对c a n 控制器s j a l 0 0 0 内部寄存器的读写操作信号，由p 3 6 w r 写控制信号和 p 3 7 i 读控制信号把来自单片机端口0 的数据字节锁入c a n 控制器或允许c a n 控制 器读入端口0 。 p 2 0 p 2 7 ( 端口2 ) 是带内部上拉的8 位双向i o 端口。被写成1 的端口2 引 脚由内部上拉电阻拉至高电平且可用作为输入。此端口提供与看门狗x 2 5 0 43 的输 入和输出连接。 由于c a n 控制器相当于单片机的外部存储器，必须使用a l e p r o g - a d d r e s s l a t c he n a b l e p r o g r a mp u l s e ( 地址锁存允许编程脉冲) 在访问期间内输出用于锁存 低地址字节的脉冲。 e a v p p - e x t e r n a la c c e s se n a b l e p r o g r a ms u p p l yv o l t a g e ( 外部访问允许编程电 源电压) ：为了允许器件从位于0 0 0 0 h 至1 f f f h 的外部程序存储器取出代码，e a 必 须外部保持低电平。如果e a 保持高电平，那么除非程序计数器包含大于1 f f f h ( 4 k 型式为0 f f f h ) 的地址，否则器件将执行来自内部程序存储器的代码。 p 0 0 p o 7 端口o 是8 位漏极开路双向i o 口实现对c a n 控制器s j a l 0 0 0 的初始化和读 写控制操作，写成1 的端口0 引脚悬空且可用作高阻输入。在访问c a n 控制器s i a l 0 0 0 期间内，端口o 也是多路复用的低位地址和数据总线。 3 2 2a t 8 9 c 5 1 存贮器地址分配 8 0 5 l 单片机的存贮器结构是哈佛型的，即程序存贮器和数据存贮器分开，有各 自的寻址机构和寻址方式，而通用微机的存贮结构是普林斯顿型，即只有一个存贮 器逻辑空间，可随意安排r o m 或r a m