（农业机械化工程专业论文）基于can总线的智能压力变送器的设计研究.pdf

摘要 摘要 随着信息技术网络技术和自动化技术的飞速发展，传统仪表易失控可靠性和互换性 等缺点和不足日益明显，越来越不能满足用户的需求。新的总线型仪表除了能够完成基本的测 量功能外，还具有现场总线通信功能和控制功能。现场总线技术的发展改变了传统控制系统 结构，在总线条件下与控制网络相结合逐渐形成网络集成式全分布控制系统一现场总线控 制系统。 课题研究针对总线型仪表的要求，选用t i 公司m s p 4 3 0 系列微控制器和p c i o 系列压力传感 器，开发了一种基于c a n 总线的智能压力变送器论文主要内容包括：1 对c a n 总线技术特点、 技术规范，器件及其应用的分析：2 硬件配置设计分析，包括微控制器模块、传感器模块， 液晶显示模块，通信模块、电源模块以及仪表的抗干扰措施的设计：3 软件系统设计分折， 包括初始化模块、数据采集模块、数据处理模块、i z o 显示模块、控制模块、通信模块及系统 测试模块的编写：4 仪表的测量和通信功能的试验和调试，并对试验数据加以分析，进一步 确定仪表的基本性能指标，验证了该仪表能够满足总线型智能仪表的要求 试验结果表明，现场总线技术实现了远程节点信息交换的新途径，增加了双向数字通信 的功能；现场总线采用数字信号传输，切实解决了变送器的抗干扰问题。压力变送器的压力 测量精度为0 2 5 级传感器线性度较高。结合m s p 4 3 0 单片机的低功耗特性和技术要求，提高了 系统的可靠性、自治性和灵活性，达到了智能化变送器的效果 关键词：压力变送器现场总线m s p 4 3 0c a n 智能仪表 两南大学硕十学何论文 a b s t ra c t w i t ht h ea m a z i n gd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n ，n e t w o r ka n da u t o m a t i o nt e c h n o l o g y , t h e d i s a d v a n t a g eo ft h et r a d i t i o n a li n s t r u m e n ti nr e l i a b i l i t ya n di n t e r c h a n g ea b i l i t yi sm o r ea n dm o r e o b v i o u sa n dt h u si tc o u l d n tm e e tt h eu s e r s r e q u i r e m e n t s t h en e wg e n e r a t i o no ff i e l db u si n s t r u m e n t s h o u l dn o to n l yh a v et h ef u n d a m e n t a lm e a s u r e m e n tc a p a b i l i t y ，b u ta l s op o s s e s st h ef i e l db u s c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o na n dc o n t r o lf u n c t i o n t h ed e v e l o p m e n to ff i e l db u st e c h n o l o g yh a sc h a n g e d t h es t r u c t u r eo ft r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e ma n dc o m b i n e dw i t hc o n t r o ln e t w o r kt ob r i n gf o r w a r da n i n t e g r a t e df u l l - d i s t r i b u t e ds y s t e m , n a m e l yt h ef i e l db u sc o n t r o ls y s t e m i no r d e rt om e e tw i t ht h er e q u i r e m e n t so ff i e l db u si n s t r u m e n t s ，a l li n t e l l e c t u a lp r e s s u r e t r a n s m i t t e rb a s e do nc a nf i e l db u st e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p e d i th a se x p l o i t e dt h et ip r o d u c t s ： m s p 4 3 0s e r i e sm i c r o c o n t r o l l e ra n dp c i 0s e r i e sp r e s s u r es e n s o rw i t hc a ni n t e r f a c e t h et h e s i s i n c l u d e st h ef o l l o w i n gp a r t s ：t h ef i r s tp a r ti sa b o u tc a nf i e l db u s ，i n c l u d i n gi t sf e a t u r e ，t e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n , p r o t o c o l ，d e v i c ea n da p p l i c a t i o n t h e s e c o n dp a r ti sa b o u tt h eh a r d w a r ed e s i g n ， i n c l u d i n gt h em i c r o c o n t r o l l e rm o d u l e ，t h es e n s o rm o d u l e ，t h el c dm o d u l e ，t h ec o m m u n i c a t i o n m o d u l e ，t h ep o w e rm o d u l ea n dt h ea n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e s t h et h i r dp a r ti sa b o u tt h es o f t w a r e d e s i g n ，i n c l u d i n gt h ei n i t i a l i z a t i o nm o d u l e ，d a t aa c q u i s i t i o n ，d a t ap r o c e s s i n g ，l c dc o m m u n i c a t i o n , c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o na n ds y s t e mt e s t i n g t h ef o u r t hp a r ti sa b o u tt h ei n s t n m l e n tm e a s u r i n g , c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n d e b u g g i n ga n d d a t aa n a l y z i n g i tc o m e st ot h ec o n c l u s i o nt h a tt h e i n s t r u m e n tc o n f o r m st ot h er e q u i r e m e n t so ff i e l db u si n t e l l e c t u a la p p l i c a t i o n s 。 t h er e s e a r c hi n d i c a t e st h a tt h ef c st e c h n o l o g ya c h i e v e st h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g ea m o n g r e m o t en o d ei nan e ww a yw h i c ha d d st h ef u n c t i o no fb i l a t e r a ld i 【g i t a lc o m m u n i c a t i o n t h er a t i n go f p r e s s u r em e a s u r e m e n tp r e c i s i o no ft h et r a n s m i t t e ri s0 2 5a n dt h es e n s o ri sc h a r a c t e r i s t i co fh i g h l i n e u r i t y t h ef i e l db u sh a ss o l v e dt h ea n t i - i n t e r f e r e n c ep r o b l e mo ft h et r a n s m i t t e rt h r o u g ha d o p t i n g t h ed i g i t a ls i g n a l st r a n s m i s s i o na n dh a si m p r o v e dt h er e l i a b i l i t y ，a u t o n o m ya n da g i l i t yo ft h es y s t e m f o rc o m b i n i n gt h el o ww a s t a g ea n dt h et e c h n o l o g i cr e q u i r e m e n t so ft h em s p 4 3 0s c mw h i c h a c h i e v i n gt h ee f f e c to fi n t e i l e c t u a lt r a n s m i t t e r k e y w o r d s ：p r e s s u r et r a n s m i t t e r ；f i e l db u s ；m s p 4 3 0 ；c a n ；i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t 独创性声明 学位论文题目：基王坠堕! 垫缝煎蟹篚压应变送墨煎遮进盈峦 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得西南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者： 够甾真 签字日期：土市年s - 月上4 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解西南大学有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权西南大学研究生院可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书，本论文：翻不保密， 口保密期限至年月止) 。 学位语文储獬：气弓岱兵导师签名：；後彳 万古锑 签字日期：岫7年f 月埤日签字日期：溯年i ，月巧一日 学位论文作者毕业后去向： 7 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 文献综述 第1 章文献综述 1 1 变送器发展历程 变送器是将非标准电信号转换为标准电信号的仪器。 变送器是把传感器采集到的微弱的电信号放大以便转送或启动控制元件或将传感器输 入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源。根据需要还可将模拟量 变换为数字量。 人类社会进入了信息时代，作为信息获取、测量、控制、监视与显示的测控仪器，无疑 是一种极其重要的信息测控工具。可以说，测控仪器的水平是科学技术现代化的重要标志， 没有现代化的测控仪器，国民经济是无法发展的 然而目前在我国测控系统中使用传统的模拟仪表仍有需求。虽然模拟仪表己相当成熟。 几十年形成的标准和系列也已被世界公认，但是随着信息技术和自动化领域的飞速发展，传 统仪表存在的缺点和不足日益明显，越来越满足不了用户的要求。 伴随着控制系统的发展，作为底层测控仪表的变送器也经历了几个主要发展阶段。按照 不同的分类依据，其发展历程如下： 1 按照组成器件可分为： ( 1 ) 电子管阶段：以电子管和磁放大器为主要放大单元，六十年代中期开始生产，代表产品 为d d z - i 型仪表( 电动单元组合仪表) 。 ( 2 ) 晶体管阶段：该阶段广泛采用晶体管作为主要放大单元，输出0 - 1 0 m a 的标准直流信号。 七十年代初开始生产，代表产品为d d z - i 型仪表 ( 3 ) 中小规模集成电路：随着半导体工艺水平的提高，由成千上万的晶体管组成的中小规模 集成电路出现并被应用于仪表领域，从而实现了从分立元件阶段到集成电路阶段的转变该 阶段的变送器采用集成电路为主要放大元件，并且具有安全火花防爆性能，其输出信号为 4 - 2 0 m a 标准直流信号。八十年代初开始生产，代表产品为d d z - i l i 型仪表 在上述三个阶段中，硬件电路实现所有功能，任一部分的漂移都将反映剑测蕾结果中去， 测量结果的正确性不能完全保证。 ( 4 ) 大规模集成电路阶段：该阶段的变送器习惯上被称为智能变送器，其显著特点是微处理器 的广泛应用。微处理器的引入简化了硬件电路，提高了仪表的可靠性和使用灵活性，功能大 大丰富，同时具有一定的通信能力而且降低了成本，加快了产品开发。代表产品有：美国 h o n e y w e h 公司的d s t j - 3 0 0 0 系列智能变送器、r o s e m o u n t 公司的3 0 5 1 系列变送器和s m a r 公司的 t r 3 0 2 系列变送器 2 按照输出信号形式可分为： ( 1 计专统的模拟变送器：该类型变送器主要由输入电路、放大电路和反馈电路组成，敏感元 1 两南丈学硕士学位论文 件送来的输入信号与反馈信号相比较，其差值经放大器放大并转换成统一的0 - 1 0 m a 或4 - 2 0 m a 标准输出信号。该阶段的变送器主要缺点是功能单一不便于同计算机接口而且体积大， 价格高，安装维修不方便等。 ( 2 ) 半数字式变送器：由于目前各种现场总线标准正处于发展和完善阶段，传统的4 - 2 0 m a 标 准输出模拟设备还广泛应用于工业控制的各个领域，因此短时同内普及全数字化是不现实的。 在这种情况下，半数字式变送器应运而生，符合h a r 嗽议的产品即为该阶段变送器的主要代 表，其输出为4 - 2 0 m a 电流信号，同时载有h a r t 数字通信信号。用户的管理系统首次延伸到 工厂最底层的测控点上，因而是测量发展历程上重要的一个转折点，但全数字化的发展趋势 决定了这种仪表的过渡性位置终将披全数字智能仪表所代替。 ( 3 ) 全数字智能变送器：随着综合信息自动化的需求推动和现场总线的发展，一些国际上有 影响的专业化大公司相继开发出符合现场总线通信协议的总线式变送器，其输出为全数字信 号，将分散的底层故备变成网络节点，打破了信息孤岛的局面，实现了整个企业的信息集成 和综合自动化该阶段的代表产品有s m a r 公司的t r 3 0 2 智能温度变送器、y o k o g a v a 的e j a 系列 压力变送器等。 1 2 现场总线技术 1 2 1 现场总线的定义及特点 现场总线是用于连接过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表的数字式、 双向传输、多分支结构的通信网络，是现场通信网络与控制系统的集成。现场总线的特点主 要表现在以f 方面： ( 1 ) 一对n 结构一对传输线，n 台仪表 简单，工程周期短，安装费用低，维护容易。 到电缆上，无需架设新的电缆。 双向传输多个信号。这种一对n 结构使得接线 如果增加现场设备或现场仪表，只须并行挂接 ( 2 ) 可靠性好现场总线采用数字信号传输，而数字信号传输抗干扰性强，精度高，因 此可靠性好。 ( 3 ) 可控状态操作员在控制室既可了解整个系统中现场设备和仪表的工作状况，也能 对其进行参数调整，因此可以预测或发现故障，提高了系统的可控性和可维护性。 ( 4 ) 互换性 用户可以自由选择不同制造商所提供的性能价格比最优的现场设备或现 场仪表，并将不同品牌的仪表互联。 ( 5 ) 互操作性用户把不同制造商的各种品牌的仪表集成在一起，进行统一组态，构成 其所需的控制同路；而不必为集成不同品牌的产品在硬件或软件上花费力气或增加额外投资。 ( 6 ) 综合功能现场仪表既有检测、变换和补偿功能，又有控制和运算功能，实现了一 表多用，不仅方便了用户，而且降低了成本。 ( 7 ) 分散控制”1 控制站功能分散在现场仪表中，通过现场仪表就可构成控制回路，实现 2 文献综述 了彻底的分散控制，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。 ( 8 ) 统一组态由于现场设备或现场仪表都引入了功能块的概念，所有制造商都使用相 同的功能块，并统一组态方法，这样用户就不需要学习新的组态方法及编程语言 ( 9 ) 开放式系统。1 现场总线为开放式互联网络所有技术和标准都是公开的，各制造商 都必须遵循同层网络内部设备可以互联，不同层网络之问设备也可互联 1 2 2 现场总线的类型 自舳年代以来。几种典型的现场总线己逐渐形成，并在一些特定的应用领域显示了自己 的优势“1 它们具有各自的特点，对现场总线技术的发展发挥起到重要作用。 ( 1 ) 瞰基金会现场总线) f f 是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术”，于1 9 9 绰有l s p ( 以美 国f i s h e r r o s e m o u n t 公司为首联合西门子等8 0 家公司制定) 和w o r l d f i p ( 以h o n e y w e l l 公司为首， 联合欧洲等地的1 5 0 家公司制定) 协议合并而成。它以i s o o s i 开放系统互联模型为基础，取其 物理层，数据链路层、应用层为刚蓖信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。由于 这些公司是该领域自控设备的主要供应商，足以左右该领域现场自控设备的发展方向，因而 其总线规范具有一定的权威性。具有两种通信速率h i 和h 2 , h 1 的通信速率为3 1 2 5 k b p s ，通信距 离可达1 9 0 0 m ，可支持总线供电，支持本质安全防爆环境。h 2 的传输速率可为i m b l 和2 5 m b p s ， 对应通信距离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传输介质可支持双绞线、光缆和无线发射，协议符合 i e c l l 5 8 - 2 标准。 ( 2 ) i o n w o r k s ( 局部操作网络1 l o n w o r k s 是由美国e c h e l o n 公司推出并由它与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，于1 9 9 0 年正 式公布而形成的。它采用了i s o o s i 模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法， 通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通信速率从3 0 0 b p s 至1 5 m b p s 不等，直接通 信距离可达2 7 0 0 m ，支持双绞线、同轴电缆、光线、射频、红外线、电力线等多种通信介质。 并开发了相应的本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。它己被广泛应用于楼宇自动化、 交通运输、工业控制等行业”1 。 ( 3 ) p r o f i b u s ( ：e 立程现场总线1 p r o f i b u s 是由德国国家标准d i n l 9 2 4 5 和欧洲标准e n 5 0 1 7 0 的现场总线标准。由 p r o f i b u s d p , i r o f l b u s - f m s ，p r o f i b u s p a 组成了p r o f i b u s 系列。d p 型用于分散外设间 的高速数据传输，适合加= 自动化领域的应用。f m s 用于纺织、接宇自动化、可编程控制器、 低压开关等。而队型用于过程自动化。p r o f l b u s 采用了o s i 模氆的物理层、数据链路层。传 输速率为9 6 k b p s - 1 2 m b p s ，最大传输距离在1 2 m b p s 时为1 0 0 m a 5 m b p s 时为4 0 0 r e ，可用中继器 延长1 0 k i n 。传输介质可以是双绞线、光缆，可挂接1 2 7 个站点，可实现总线供电和本安防爆。 3 两南大学硕士学位论文 ( 4 ) h a r t ( 口- j 寻址远程传感器数据通路1 h a r t 最早由r o s e m o u n t 公司开发，并得到8 0 多家著名仪表公司的支持，于1 9 9 3 年成立 其特点是在模拟信号传输线上实现数字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过 渡性产品，因而在当前的过渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快的发展。 ( 5 ) c a n ( 控制器局域网络1 c a n 最早由德国b o s c h 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信，使汽 车的动力性、操作稳定性、安全性和燃油经济性都上升到新的高度。其应用范围已不再局限 于汽车工业，仅在国内，其应用已遍及过程控制、机械工业、智能电器、化学： 业、码头货 运、分布管理等离散控制领域，并得到快速发展。c a n 总线具有结构简单、实时性好、可靠 性高、灵活性强、成本低等特点，因此我们选择开发基于c a n 总线的智能压力变送器，将具 有很好的使用价值，并为企业创造良好的经济效益。 1 3 基于c a n b u s 的智能压力变送器的研究 随着4 c 技术( 计算机技术、控制器技术、通信技术和显示技术) 的发展，特别是其中的微处 理器技术和集成电路技术的飞速发展，过程控制系统在经历了模拟仪表控制系统c a c s 和分散控 制系统d c s 后，发展到现在的现场总线控制系统f c s 。故有必要对基f 现场总线的智能压力变 送器的研究进展作介绍。 1 3 1 基金会现场总线( f f ) 压力变送器 在现场总线通信方式下，为使各种数字信息在一对电缆上进行传递，对变送器作用的要 求将有较大变化。在模拟方式下，变送器主要的作用是将被测对象的过程值( p v ，传送至系统仪 表上。这是因为，模拟通信方式是现场仪表向系统仪表或系统仪表向现场仪表的单向通信。 而若使用现场总线通信，与以前的模拟通信相比，用一对电缆可传送的信息种类与信息最大 大增加。另外，现场仪表与系统仪表间以及现场仪表相互间均可实现双向通信。为了使现场 仪表准确无误的传输数字信息，还应大大提高信息情报的可靠性”。下面具体介绍现场总线通 信技术给变送器带来的变化： ( 1 ) 传送精度的提高 模拟通信方式的变送器，是将p v 值以相对于测鼙范嗣的卣分比( 0 1 0 0 的相对值) 来表示， 并将该值转换为4 - 2 0 m a 模拟信号传送至系统仪表，再将传送来的4 2 0 m a 的模拟信号转换为工 业单位鼙加以利用。而现场总线通信方式下的变送器，是把p v 值直接以 业单位鼙表示，并 将该值直接以数字信号方式传送给系统仪表。系统仪表直接利用传送过来的数字信号。由丁二 不需要象模拟通信方式那样的转换因此不产生在传送测量数据时的转换误差，可以传送更 高精度的数据。 ( 2 ) 测簧精度的提高 现场总线通信使传送精度得以提高，同时要求变送器的测苗精度和仪表控制系统整体精 4 文献综述 度大幅提高。为实现更高精度的测量，将会广泛运用具有比以前产品更优秀、先进的测量原 理的传感设备。 ( 3 ) 多参数复合测量 以一台变送器进行多种参数的测量称为多参数复合测量现场总线通信可以用一对电缆 线进行多种信息的传输，为了充分发挥现场总线的特长变送器可以实现多参数复合测量。 模拟通信方式传送一个测量值必须要一对传送电缆而在现场总线通信方式下，仅使用一对 电缆线即能传输科里奥利流量计的多个传输值。对于当前的只能进行一种测量的现场总线变 送器，也可以导入多参数复合测量功能以充分利用现场总线通信方式的优势。 c 4 ) 复杂运算功能的实现 在现场总线通信方式下，变送器还可以传送p v 值以外的各种信息。利用这种特长，现场 总线变送器可以对p v 值进行运算并加工成为控制所需的必要信息模拟通信的变送器以高精 度测量一个p v 值并传输该数据作为其主要机能。若要将测量的p v 值转换为控制上必须的信 息，则需要附属其它仪表。而具有运算功能的现场总线变送器可以将p v 值运算为客户所需的 单位量并进行传送，将仪表的运算功能和多参数复合测量功能组合运用，可以使仪表控制系 统得以大大简化假i 设有一台流鼙、压力、温度的多参数变送器，对其追加运算功雒，那么 即可在变送器内部对测得流鼍、压力、温度进行运算，算出温度补偿后的实际流量并进行传 送。模拟通信方式下需要流量计、压力计、温度计三台仪表与温压补偿运算器，而现在只需 要一台现场总线差压变送器即可 1 3 2 地r t 协议智能压力变送器 随着现场总线技术的迅速发展，全数字系统取代模拟系统已是大势所趋，因此现场仪表 的数字化也势在必行但由于模拟现场仪表与全数字现场仪表存在本质的差异，所以要市场 接受全数字仪表还需要一定的时间，而且原投资的保值也在限制全数字系统占领市场的速度。 由于h a r t ，总线技术具有兼容数字信号和原4 - 2 0 m a 模拟信号的特点，可对智能仪表间的通 信提供无风险的解决方案，所以h a r t 总线仪表的开发与应用发展迅速，特别是在设备改进中 受到欢迎，在这场大转换中扮演着承前启后的独特角色。尽管h a r t , i 酶线协议只是现场总线 协议的一种，是一种过渡性协议，但经过十多年的发展，h a r t , 总线技术已发展得十分成熟。 目前在现场总线产品中应用最为广泛，已成为全世界智能仪表事实上的工业标准，并将还有 数十年的生命周期。在国际上其销售额仍处在上升期，而在国内的应用可以说仅仅是初具雏 形。尤其当前阶段我国仍在大量使用模拟现场仪表，从模拟到全数字现场仪表的更新较国外 将更为缓慢，因此在今后很长一段时期内，基= f h a r t 总线技术的产品在国内仍然具有十分广 阔的市场”。 压力是一种重要的过程参数，在石油、化工，冶金、电力、制药等行业，压力、差压的 测鼙是普遍存在的，压力变送器是应用最多的仪表之一。我们研究和开发基于h a r t 通信协议 5 西南大学硕十学位论文 的智能压力变送器，就是为了掌握现场仪表的数字化、智能化和总线技术，提高我国仪器仪 表应用水平。 开发h a r t 协议智能压力变送器的目的就是将数字化技术引入变送器设计中，使智能压力 变送器比模拟压力变送器具有更高的测量精度，更好的使用灵活性和更高的可靠性。采用 h a r t 通信方式，将更多先进的功能赋予压力变送器：可以将：亡位号、维修日期标定日期等写 入变送器，在需要的时候读出，便于管理；可以获取多传感器模式下的多种测量值：可以远程设 定和组态，使用更方便；可以在检测的同时，检查智能压力变送器的运行状态，完成故障诊断， 从而简化了仪表维护作业，提高安全性。 1 3 3 w b r l d f 口现场总线技术的智能压力变送器 从“九五”起，我国政府开始投资现场总线技术，国家机械：j ：业局、教育部和中科院组织力 量对现场总线展开研究和开发，并加大了具有自主知识产权的先进仪器仪表的研制力度。西 安仪表厂、重庆仪表所、北京华拓公司、浙大中控等公司己经取得了阶段性成果，h a r t 仪表 已经开始批量应用，f f 仪表也开始投入试用，但总体说来国内的开发工作主要集中在h a r t , f f 和p r o f l b u s 总线，上述三种总线的创新空间较小：而w o f l d f i p 则处于技术引进阶段，基于该协议 进行产品开发有以下优点： 首先，可以充分发挥w o f l d f i p 总线技术成熟的优势： ( 1 ) 唯一支持物理层介质冗余，显著提高了系统的可靠性； ( 2 ) 具有单一的总线，没有任何网桥或网关；低速与高速部分的衔接用软件的办法来解决； ( 3 ) 易于与i n t r a n e t ( 企业网) 及i n t e r n e t t f 联网相连接； ( 4 ) 采用与f f 相同的物理层协议，容易和f f 连接。 其次，w o r l d f l p 己被广泛应用于发电与输配电、地铁、汽车制造等多个领域，具有成功 的范例，对于提高我国电力行业的自动化水平具有较高的实践指导意义 最后，w o r l d f l p 开发工具丰富、基础器件容易获取，然而由于其现有产品侧重于上层通 信部件和总线连接设备，而位于底层的现场设备，如现场总线变送器、现场总线执行器的开 发创新空间较大。 综上所述，基于w o r l d f i p 进行具有自主产权产品的开发，即充分发挥其技术优势，又在 一定程度上填补了技术空白，因而具有较强的实践意义。目前，国内基于该协议进行研发的 机构只有国电自动化研究院南京南瑞集团公司和作者所在的实验室，前者主要开发基于 w o r l d f i p 现场总线的继电保护设备。 随着现场总线技术的进一步推广，引进先进的技术对我国传统产业结构进行改造势在必 行，而这对底层的测簧变送设备提出了新的要求，现场总线智能压力变送器具有较广的麻用 前景。 6 文献综述 1 - 3 4 目前国内外对c a n b u s 的智能压力变送器的研究重点 基丁：现场总线的智能仪表的巨大优点，也引起了国内的广泛重视。从“九五”起，我国政府 开始投资现场总线技术，国家机械一i ：业局、教育部和中科院组织力量对现场总线展开研究和 开发，并加大了具有自主知识产权的先进仪器仪表的研制力度。近几年来，一些高校和研究 院所也相继开展了现场总线的研究工作，但仍是处于起步状态或理论研究状态，自主开发的 基于现场总线的现场设备还是极少数，主要针对h a r t , f f , w o f l d f i p 几种现场总线。上述几种 总线的创新空间较小，而c a n 总线本身具有其独特的技术优势和广泛的应用范围，因此我们 选择1 1 的m s p 4 3 0 系列单片机展开积极的尝试和探索，自主开发出一种基于c a n 总线通信功能 的智能压力变送器，将具有重要的理论价值和现实意义。 目前，国内外对c a n b u s 的智能压力变送器的研究着重于以下几个方面： ( 1 ) 结合低功耗和技术要求，选择外围芯片，对智能压力变送器进行整体原理结构设计。 ( 2 ) 控制站功能分散在现场仪表中，通过现场仪表就可构成控制回路，实现彻底的分散控 制，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。 ( 3 ) 现场总线采用数字信号传输“，而数字信号传输抗干扰性强，精度高，切实解决变送 器的抗干扰问题 ( 4 ) 完善变送器智能采集系统。 7 两南大学硕十学位论文 第2 章绪论 2 1 研究目的和意义 随着科学技术的不断发展，特别是微加工技术，包括微电子和微机械加工技术快速发展， 以及信息产业的飞速发展和环保生态产业的兴起，把传感器技术的发展推向了一个新的阶段。 微型化、集成化、多功能化、智能化、网络化、系统化、低功耗、无线己成为国内外新璎传 感器的特点。 虽然模拟仪表己相当成熟几十年形成的标准和系列也己被世界公认，但是随着信息技 术和自动化领域的飞速发展，传统仪表存在的缺点和不足日益明显，越来越满足不了用户的 要求，现列举如下： 一对一结构一台仪表，一对传输线，单向传输一个信号。这种一对一结构造成接线庞 杂，工程周期长，安装费用高，维护困难。 可靠性差模拟信号传输不仅精度低，而且易受干扰。为此，采用了各种抗干扰和提高 精度的措旌，其结果增加了成本。 失控状态操作员在控制室既不了解模拟仪表e 作状况，也不能对其进行参数调整，更 不能通过仪器预测故障，导致操作员对其处于“失控状态”。由于操作员不能及时发现现场仪表 的故障而发生的生产事故己屡见不鲜。 互换性差1 3 l 尽管模拟仪表统一了信号标准4 - 2 0 m a ，可是大部分技术参数仍由制造厂自 定，致使不同品牌的仪表无法互换。这就导致了用户依赖制造厂，无法使用性能价格比最优 的配套仪表，甚至出现个别制造商垄断市场 随着4 c 技术( 计算机技术、控制器技术、通信技术和显示技术) 的发展，特别是其中的微处 理器技术和集成电路技术的飞速发展，过程控制系统在经历了模拟仪表控制系统a c s 和分散控 制系统d c s 后，发展到刚剐起步的现场总线控制系统f c s 。现场总线技术将微处理器和总线通 信模块置入测控仪表。使它们各自都具有了数字处理与数字通信能力，它把单个分数的测量 控制设备变成网络节点，以现场总线传输介质作为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、 共同完自控任务的网络系统与控制系统。f c s 由1 二适应了i ：业控制系统向分散化、网络化、智 能化发展的方向，以及在降低系统的投资和运行成本，增强系统性能等方面的优越性，导致 了自动控制领域的一场革命，引起了学术界、技术界和设备系统供应商方面的广泛关注。 f c s 的核心是具有控制、测量功能的能实现现场总线协议的智能现场总线仪表。国外对现 场总线的研究起步较早，已生产化不同类型的总线璎智能仪表，并开始大量投入使_ i j 。与传 统现场仪表相比，总线型仪表具有如f 突出的优点： ( 1 ) 多变鼙输入和输出一台总线硝仪表能够通过多路选择器测量多个过程变鼍输出几 个独立的信号，节省了设备投资。 8 绪论 ( 2 ) 节省费用现场总线型仪表可直接挂接在现场总线上，大大简化了系统集成，方便了 设计、安装和扩展，而且基于现场总线的压力变送器可以向监督控制计算机传送自身的状态， 大大节省了维护工作量和费用。 ( 3 ) 更高的精确度在仪表的微处理器内可以对被测量进行非线性、温度等补偿，并且传 输的是数字信号，传输过程中精度损失小。抗干扰性强。 ( 4 ) 自诊断功能“”部分电子线路及各种主要部件能够作完善的自诊断，并能给出故障部 件的明确指标 ( 5 ) 远程组态系统的操作员可以在控制室中对现场总线智能压力变送器进行量程、控制 算法、报警等参数设置，通过总线下载到仪表中 ( 6 ) 更高的可靠性和更好的控制品质”1 控制功能下放到现场仪表中后，实现了彻底的分 散，增强了控制系统的可靠性，而且智能变送器的控制信息可以通过总线直接送往执行装置 和其他智能仪器，缩短了控制周期，提高了控制系统的控制品质 由于上述的缺点和不足，传统的模拟仪表严重制约了测控系统的发展，因此迫切需要开 发更高级的智能仪表，来变革和替代传统仪表 2 2 研究的内容和方法 课题研究围绕仪表的设计展开，仪表的设计过程如图2 - 1 所示首先确定要开发的c a n 总 线智能压力变送器仪表具有测量、控制和通信的功能，并规定仪表的工作过程如下：被测压力 信号作用于压力传感器，产生对应的电压信号，经过信号调理电路对信号进行放大、滤波、 温度补偿及非线性补偿后，送入m s p 4 3 0 微控制器，其内嵌的a d 转换模块将模拟电压信号转 换成数字电压信号，再经过一系列的相关软件( 数字滤波等) 处理后，进行液晶显示，完成压力 测量功能；根据预先设定的控制规律计算出控制量，进而完成控制功能：将压力测最值、压力控 制量以及仪表运行状态以报文帧的格式发送给c a n 总线，然后通过c a n 总线与其它节点进行 传输，并接收总线上来自各节点和其他网络仪表的发送帧，进而实现通信功能 接下来围绕硬件设计和软件编写进行开发，并对软、硬件进行了统一考虑，表现在以下 几个方面： ( 1 ) 尽可能选择功能强、集成度高的标准化和模块化芯片，尽量减少插接件和相互连线， 以提高仪表的可靠性和成功率。 。 ( 2 ) 充分发挥软件的作用，以降低硬件成本，并能提高仪表的灵活性和适应性。 ( 3 ) 各功能模块的设计在满足系统功能要求的基础上，留有适当的余地，以备将来修改和 扩展之用。 ( 4 ) 仪表的抗干扰设计在仪表开发中也是需要重点考虑的。对此后面有专门讨论。 9 髑南大学硕十学 奇论文 图2 1 仪表的设计过程 开发基于。埘总线的智能压力变送器主要做了以下方面的t 作： ( 1 ) c a n 总线技术的研究 c a n 总线技术的研究总线技术的研究主要从c a n 总线的特点、技术规范、控制器和收发 器等几个方面进行。 ( 2 ) 硬件的设计 c a n 总线智能压力变送器的硬件部分由传感器模块、微控制器模块、通信模块、显示模 块、上下限报警模块、电源模块组成。应用a u t o c a d 绘图r 具进行传感器封装以及仪表的防 撰外壳等机械部分的设计；利用p r o t e l 9 9 进行电路原理图及印胱电路板的设计。 ( 3 ) 软件的编制 配合硬件结构，确定合适的软件结构和程序算法，绘制程序流程图，根据低功耗要求选 1 0 绪论 定单片机，掌握1 1 公司的m s p 4 3 0 单片机的应用及其汇编语言的编制，熟悉i a r 开发环境“ 采用汇编语言和c 语言进行程序编制，最后进行仿真调试和脱机运行调试。软件基于模块 化设计思想，采用分层分块的结构，使程序编写容易，易丁：扩展、维护和调试。软件部分主 要包括初始化程序、数据采集与处理程序、液晶显示程序、控制程序、通信中断程序等。 ( 4 ) 试验 测量功能的试验方案 测量功能分别从压力校验仪和c a n 总线智能压力变送器的l c d 显示器上读数，并对试验 数据加以分析，确定仪表的测量精度等基本性能指标 通信功能的试验方案 通信功能按p a 睢与压力变送器通信的实验方案进行设计、安装和调试，用以检钡g c a n 总 线智能压力变送器通过c a n 总线与上位机之问的通信功能。 1 1 两南大学硕十学付论文 第3 章硬件设计 3 1 硬件系统整体框架 基于c a n 总线的智能压力变送器的硬件部分由微控制器模块、传感器模块、通信模块、 显示模块、上下限模块和电源模块等组成。其电路框图如图3 1 所示。 图3 - ! 仪表电路原理图 3 1 1m s p 4 3 0 单片机简介 单片机是整个系统的关键，单片机的性能决定了系统的功能。1 1 公司的m s p 4 3 0 系列的单 片机，是一种具有超低功耗的功能强大的单片机。m s p 4 3 0 f 1 4 9 有丰富的片上外围资源“”。 基础时钟模块，包括1 个数控振荡器( d c o ) 和两个晶体振荡器。 看门狗定时器，可用作通用定时器 带有3 个捕捉，比较寄存器的1 6 位定时器t i n r - a 3 带有7 个捕捉比较寄存器的1 6 位定时器t i m e b 3 2 个具有中断功能的8 位并行端口：p 1 和p 2 4 4 8 位并行端口：p 3 ，p 4 ，p 5 与p 6 模拟比较器c o m p a r a t o r - a 。 1 2 位a d 转换器a d c l 2 。 两个串行通讯接口：u s a r t 0 和u s a r t l 1 个硬件乘法器。 6 0 k b + 2 5 6 字节的f l a s h ，2 k b r a m 。 硬件设计 m s p 4 3 0 单片机丰富的片上外设资源，省去了大量的硬件开发调试工作，在开发时可降 低开发者的大量工作，大大地提高了工作效率，系统先天的可靠性、抗干扰性得到了显著改 善此单片机进一步小型化和便携化，再加上它的低功耗特性，特别适合于各类仪表。 超低功耗是m s p 4 3 0 系列单片机的最显著特点m s p 4 3 0 采用3 v 电压供电，相比于采用5 v 工作电压的系统。它的功耗可降低很多；m s p 4 3 0 还提供了三种多个可变工作频率c p u i 作在 较高频率上，其他功能模块如定时器、硬件乘法器、比较器、a d 转换器等以及外围模块可工 作在同一频率或其他较低频率上。m s p 4 3 0 f 1 4 9 总共有1 2 通道，对外可以用8 个通道，同时具 有内嵌的温度传感器，实际上是一个输出电压随环境温度而变化的温度二极管必要时可以 做芯片温度报警“”对于序列通道转换，采样顺序完全由用户来定义，并且每个通道可以独 立配置转换所需的参考电平”。 寄存器s r 中的c p u o f f , o s c o f f , s c g o 和s c g i 位用于控制c p u 和系统时钟发生器的控制 位。完成对各模块的智能化管理和c p u 的状态组合而得到的，可以在m s p 4 3 0 的6 种工作模式闻 转换，低功耗模式o 一低功耗模式4 和活动模式，如图3 - 2 所示。 图3 2m s p 4 3 0 工作模式及其功耗 由于m s p 4 3 0 芯片采用表面贴片封装，不能方便的通过插座来实现开发系统和目标板的连 接只能采用y f a g 接口来调试。7 f a g 技术是种所谓的边界扫描技术标准，o p m e e l l 4 9 1 。 这是为了在线测试的需要而发展起来的针对芯片及线路扳测试的接口技术。 m s p 4 3 0 系列的f l a s h 型芯片在内部都集成了j t a g 模块，使得用户可以经过j t a g 接口实 现c p u 仿真调试功能：可进行在线编程的7 r a g 接口、电源模块等“1 7 调试时，只要将m s p 4 3 0 芯片的y f a g 的几个接口和r 1 1 公司提供的f e t o c l a s he m u l a t o rt o o l ，f l a s h 仿真t 具) 的z f a g 接口连接起来。f e t 也可以自己做，它里面有f r a g 控制器，另外一端与p c 机的并行口相连， 兀黼制器可以将程序代码从p c 机