（测试计量技术及仪器专业论文）基于can总线的超导磁体电源温度检测系统.pdf

摘要 超导磁体是第三代北京谱仪( b e s i l l ) 的关键部件之一，它提供高强度和一定均匀 度的恒定磁场( 1 o t ) ，供主漂移室测量带电粒子的径迹，用以研究基本粒子间的相互 作用和规律。因此，需要一台电源专门为超导磁体励磁，提供大电流小电压。 超导磁体电源为磁体提供4 0 0 0 a 的大电流，其内部各器件在额定功率下最高温度达 七十度，特需要检测其温度，以保证电源的正常工作。本文讨论了c a n 总线的优点、 分析各检测要素( 传感器) 的接口和性能、提出了采用一总线多路多点测温方法进行数 据采集等关键问题，设计了基于c a n 总线的超导磁体电源检测温度系统，实现了数据 采集的自动化。 传感器是整个检测系统的重要组成部分，本文首先分析了各传感器的对外接口和性 能，为我们的硬件电路和软件处理提供了设计依据。 在电路设计部分，主处理器采用美国微芯公司的p i c l 8 f 2 4 8 ，其内部带有符合国际 标准的i s oc a n 总线模块，其c a n 协议与c a n2 o b 版本相一致。设计了各传感器的 调理电路，选用恰当的方法提高主处理器口的驱动能力，采用添加共模扼制线圈的 方法提高系统的抗干扰能力，对风机转速溯量电路进行了可靠的放大处理，另外还设计 了实时时钟及c a n 总线接口等相关电路，并对整个系统功能进行软件实现。 最后，采用n i 公司的图形化编程软件l a b v i e w 进行系统检测界面设计。通过 l 曲v i e w 语言编程驱动c a n 接口卡，完成数据接收，从而实现数据保存和实时曲线显 示，然后通过程序判断，实现故障显示和发送，完成实时检测。 关键词：超导磁体电源c a n 总线一总线测温风机转速l 抽v i e w 语言 a b s t r a c t s u p e r c o n d u c t i n gs o l e n o i dm a 髓e t ( s s m ) i so n eo ft 1 1 em o s ti m p o n a n tc o m p o n e n t so f b e s i i i i tp l d v i d c sa na x i a lm a 印e t i c6 e l do f1 0 1 w i mag o o df i e l du n i f o m i t yo v e rt l l e t r a c k i n gv o l u m e p a m d ed e t e c t o r sw i m i nt h i sv o l 啪ew i l lm e a 跚r et 1 1 e 仃a j c c t o r i e so f c h a 堵c dp 枷c l e s 锄e r g i n g 缸nt h ec o l l 主s i o n s ap o 、榭s u p p l yi sn e e d e dt op f o v i d ec u n 翎t f o r s s m t h ep o w e rs 印p l yo fs s mp m v i d e s4 0 0 0 ac u r r 呲f o rm em a 髓e t t l l et 嘲p e r 栅e a l m o s tr e a c h e s7 0 i ti sn e c e s s a r yt om o n i t o f 廿l es t a t eo f 也ep o w c rs u p p ly n i sp 印e r d i s c u s s e st h ea d v a i l t a g e so f c a n - b l l s ，髓a l y s e s 廿l ei n t 酬f a c ea 1 1 df h n c t i o no f e a c hm a i ns e n s o r b r i n g sf o r w a r dt h em 就h o d so fm u l t i c h a n n e la n dm u l t i p l ep o i n tt e m p a 奴】r em e 鼬瑚啪e n t u s i n go f l 一惭r eb l l s b a s e do n l ec a n - b l l s ，t 1 1 em o i l i t o rs y s t e mw a sd e s i 弘e da n dr e a l i z e d t 1 1 ea u t o m a t o no f d 砒ac o l l e c t i o n s e l l s o r sa r em ek e yp a r to fm em o n i t o rs y s 胁i nm i sp a p e r i n t e f f a c ea i l d 向n c t i o no f s e n s o r sw a s 趾a l y z e d ，够廿l e b u n d a t i o no f e l e c 昀n i cc 沁u i t 锄dt l l ep r o 蓼a i l 瑚m g i nm ep a r to f t l l ed e c t r o n i cd 枷i td c s i g n t 1 1 em a i np r o c e s s o ri sm i c m c h i pp i c l 8 f 2 4 8 ， t h e r ci sa t li s oc a n - b u sm o d u l e 访s i d et l l i sc h i pb a s e do nc a n2 0 bp r o t o c a l a d j l l s t a b l e c i r c l l i tf o rs 髓s o r sw a sd e s i 弘e da n dap r o p e rm e m o dw a sa d o p t c dt oi n l p r o v ei o v e l l a b i l “y - c o m m o n m o d ec o i lw a sa d d 。dt od e c r e a s en o i s e ac i r c u i tt om e a s u r et h er o t a t i o n s p e c do fc o o l 抽gf 抽s ，ar 龃i - t i m ec l o c ka f l d 血ei n t e r f a c eo fc a n _ b u sw a sa l s od e s i g n e d t h e m n c t i o n sw c r ep r o 孽锄m e d b yl l s i n gl a b v i e l wa i l d 诵也ac a n b u si n t 砸h c ec a r di n 也ec o m p u t e r ，a l lt h ed a t aa r e a c q u i r e d t h eh i s t o g r 锄a i l dw a m i n 萨a r ed i s p l a y c da n dr e f 沁s h e di nr e a l t i m e k e y w o r d s ： s u p 田c o n d u c t i n gm a 盟e tc a n j l l s 1 一w i r et 锄p e r a n l r e m e a s u r e m e n t m t a t es p c c do f l a b v i e w 郑重声明 本人的学位呛文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭等违 反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切法律责任和法 律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：壬欣欣 v 0 6 年岁只f 。 b 郑州人学坝i ：研究生毕业论文 第一章引言 第一章引言 1 1 课题研究的起源、沿革和目的 北京正负电子对撞机( b 蜘i n ge l e c t r o np o s i 缸d nc o l l i d e r ，简称b e p c ) 是利用加速 后的电子和正电子碰撞的大型仪器。对撞机就是观察微观世界的“显微镜”，粒子探测 器就是认识物质结构的一种有效的工具。我国在粒子探测器领域的探索研究从五十年代 已开始，到七八十年代已经研制成功一系列粒子探测器，最具代表的就是1 9 8 9 年建成 的3 5 g e v 北京正负电子对撞机上的北京谱议b e s ，成功运行十几年来获得了系列 令国际瞩目的高能物理研究成果。1 9 9 6 年加速器和探测器均进行了升级，使用了第二代 北京谱议b e s i i ，使对撞机性能有了相当大的改进。北京正负电子对撞机重大改造工程 ( b e p c i i ) 采用当今世界上最先进的双环交叉对撞技术改造对撞机，即在现有储存环 隧道内重建和安装两个储存环，大幅度提高北京正负电予对撞机的性能，改造后的对撞 机仍“一机两用”，它主要用于探测微观世界的高能物理研究，也可用于同步辐射应用， 这就要求有一个与其相配合的采用现代探测技术的高质量探测器，因此有必要建造一个 采用现代技术的新型探测器第三代北京谱议( b e s i i i ) 1 l ，这个工程将进行到2 0 0 6 年1 2 月。 ( 1 ) 、北京正负电子对撞机 北京正负电子对撞机b e p c 的外型，像一只硕大的羽毛球拍。圆形的球拍是周长2 4 0 米的储存环，球拍的把柄就是全长2 0 2 米的行波直线加速器。北京正负电子对撞机由注 入器( b e l ) 、储存环、束流输运线、北京谱仪( b e s ) 、弼步辐射装胃( b s r f ) 等几大 部分组成，如图卜1 所示。 图卜1 北京i e 负电子对撞机示意图 郑州大学坝l 一研究生毕业论文 第一章0 i 苦 ( 2 ) 、北京谱仪 北京谱仪是北京正负电子对撞机上的一台大型通用磁谱仪。它由多种探测器组成， 用于对正负电子对撞后产生的末念长寿命粒子的各种信息如轨迹、速度、能量等信息进 行探测记录，经过分析研究粒子的电荷、质量等信息，从中寻找新的例子和作用机制。 其从外到内主要包括下列几个部分：轭铁与u 探测器、超导磁体、晶体电磁量能器、 飞行时问探测器、漂移室和束流管，如图卜2 所示。 图卜2 北京谱仪组成示意图 ( 3 ) 、超导磁体 b e p ci i 工程需要一台超导螺线管磁铁( 超导磁体) 安装在b e s i i i 探测器上，磁铁 线圈直径为2 9 5 米，长为3 5 2 米，提供中心磁场强度为1 t 的恒定磁场，供漂移室来测 量带电基本粒子的径迹，供主漂移室能测量带电粒子的径迹，用以研究基本粒子问的相 互作用和规律。超导磁体系统由超导磁体及其外围的低温设备、电源、失超保护设备和 真空设备组成，如图卜3 所示。 图卜3 超导磁体系统组成示意图 超导磁体的技术特色是采用强迫氦两相流冷却技术，液氦( 4 2 k ) 在蛇形蜿 蜒的冷却管中流动，将线圈冷却到摄氏零下2 6 9 度，在这个温度下，线圈进入超 导状态。在线圈内外侧和两端，都设计了热辐射屏。液氦在蛇形蜿蜒的冷却管中 流动，冷却液氦热辐射屏，同时在液氦冷却管外层还有液氮( 7 7 k ) 管，用于逐 郑州大学坝i 研究生毕业论文 第一章q i 苦 层减少漏热。 ( 4 ) 、检测超导磁体电源的目的 超导磁体电源是为磁铁励磁提供4 0 0 0 a 1 0 v 的稳流电源，可以缓慢而均匀的调节尤 其是不应有的明显抖动。为保证超导磁体稳定地工作和得到稳定的磁场，要求电源的纹 波较小，具有一定的稳定度。电源还须附加保护磁铁的自动切断装置，在励磁、退磁过 程中及突然停电时，保护超导线圈和电源本身。当失超探测器发现失超( 超导线圈由超 导态转入正常态) 时，启动断路器将电源和磁铁隔离开，并将磁铁里的电流切换到泄能 电阻器放电，在短时间里将能量释放掉。所以需要实时监控磁体电源状态，以保证其正 常工作。 本课题主要是对北京谱仪上的超导磁体进行基于c a n 总线的电源温度检测，进行 软硬件上的研究，实现电源温度控制系统中的通信，保护超导线圈和电源本身，以确保 磁铁f 常工作。 1 2 国内外行业现状及发展 1 2 1 国外现场总线现状 现场总线是将自动化最低层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通 讯网络吐目前已经出现了4 0 多种现场总线，如i n t e i b u s 、b i t b u s 、d e v i c e n e t 、p n e t 等，其中最具影响力的有5 种，分别是f f 、p r o 舳l l s 、h a r t 、c a n 和l o n w o r k s 。但是 出于各种现场总线产品技术水平不同，性能不同，它们的的应用范围和前景各不相同。 像美国的h o n e y w e n 和f i s h * r o s 锄。吼t 公司使用的f f 总线，主要用于石油化工、连 续工业过程控制中的仪表：而m o t o r a l a 、i n t d 、p h i l i p s 均生产独立的c a n 芯片，主要 应用于汽车监控、开关量控制、制造业等【3 l 。 1 2 2 国内外现场总线现状 在国内，现场总线在不同领域得到应用，并且不断开发了新的应用领域。近年来， 现场总线技术也应用在纺织机械方面，例如郑州纺机厂和邵阳二纺机厂共同开发的第一 条年产万吨锦纶丝束生产线，采用了国际先进的过程现场总线p r o f i b u s 鸭由于c a n 总线适用于开关量控制，北京宝辰电源公司基于我们的要求提供了c a n 总线的接口， 郑州人学砸 ：研究生毕业论文 第一章0 i 言 以方便利用c a n 总线对电源进行实时监控。 1 2 3 现场总线发展 随着现场总线技术和工业控制以太网技术的发展，两者在控制领域产生了激烈的竞 争，人们可以通过以太网访问控制系统，进行远程诊断、维护和服务，出现了要取代现 场总线的趋势。但是不同类型的现场总线的组合有利于降低成本。应用在需要监控的电 源上，c a n 总线充分发挥了它的潜能。 1 3 超导磁体的电源控制系统 1 3 1 电源控制系统介绍 基于c a n 总线的超导磁体的电源控制系统包括本地控制和远端控制。 本地控制指可以在电源面板上进行开关机、升降电流以及电流电压的显示调整等 操作。本地带有w i n d 0 w s 系统的工控机与单片机p i c l 8 f 2 4 8 通过c a n 总线进行通讯， 读出电源状态并控制电源的开关及其它动作。 图1 _ 4 电源本地控制不意图 远端控制由中央控制系统通过前端控制器( p s c ) 和电源a d d a 转换接口( p s i ) 实现。p s i 机箱安装在电源机柜内，进行远控模式下电源开关操作、升降电流。读取电 源运行状念及读取电源输出电流值和电流设定值，如图所示。p s i 可以从电源接收回采 电流设定值、被测电压值、被测电流值等三个模拟量供回采。磁体电源送当前给定的电 流值和通过d c c t 测量的电流值等两个模拟量给p s i 。另外，磁体电源有数字输出控制 量和回采状态量，控制量包括开关主电回路，回采的状态量包括主电回路开关、本地控 制远端控制、就绪、正常报警等。 4 郑州人学硕i ：研究生毕业论文第一章0 l 言 1 3 2 电源温度检测系统介绍 电源控制系统同时与面板、c a n 总线、p s i 相连接，实现开机、关机、升流、降流， 并实现与低温系统、失超保护装置和真空装置之间的连锁。本文涉及的温度检测系统是 控制系统中的一部分，检测电源工作过程中的一些重要部件( 变压器、电抗器、i g b t 和肖特基二极管) 温度、电源与磁铁问连接母排的温度及超导磁体上液氮管的温度，同 时为了电源内部散热，在其顶部安装六个风机，系统对它们实现转速测量，以保证电源 正常工作。 1 4 本课题的主要研究工作 本课题的主要工作是基于c a n 总线的电源温度检测，提出并解决的问题如下： l 、各检测量的信号采集传感器( 一总线温度传感器、霍尔转速传感器、铂电阻温度 传感器等) 的选用、接口和性能分析； 2 、硬件系统的主处理模块、各传感器接口调理电路的分析与设计； 3 、c a n 总线的相关理论、应用及硬件电路实现； 4 、实时时钟芯片的选择与接口； 5 、温度传感器的驱动负载能力，及抗干扰问题； 6 、使用l a b v i e w 语言驱动c a n 卡，并设计界面进行实时显示。 在研发工作中，作者本人负责上述工作的实现，提出温度检测系统的方案设计和调 试工作。 郑州大学碳i ：研究生毕业论文 第三章i b 路分析与设计 第二章电源温度检测系统传感器的选择与性能分析 2 1 检测系统的组成嘲 检测系统应具有对被测对象的特征量进行测量、传输、处理及显示等功能。一个检 测系统是传感器、预处理电路和数据处理和其它数据通讯装置等的有机组合。一个典型 的检测系统如下图： 陶2 一l 检测系统框幽 传感器是感受被测对象( 物理量、化学量、生物量等) 的大小，并输出相对应的可 用输出信号( 一般多为电量) 的器件或装置。变送器将传感器输出的信号变换成便于传 输和处理的信号。现有的传感器和变送器有的已经合为一体。 预处理电路主要是对传感器输出信号进行调理和变换，如对信号进行放大、调制、 变换等处理。 数据处理缓解将预处理送来的信号进行a d 和d ，a 转换、运算、线性化，使其输 出信号便于显示、记录。这种信号处理环节可用于自动控制系统，也可用于计算机系统 连接，以便对信号进行处理。 数据通讯模块主要是建立通讯通道进行数据传输。 人机接口为检测系统提供数据输出和操作输入的手段。 2 2 传感器的相关概念川7 2 2 1 传感器的静态特性 传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出与输入的关系。如果被测 量是一个不随时间变化，或随时问变化缓慢的量，可以只考虑其静态特性，这时传感器 的输入量与输出量之间在数值上一般具有一定的对应关系，关系式中不含有时间变量。 6 郑州大学顿 研究生毕业论文帮三章t 乜路分折与设计 对静态特性而言，传感器的输入量x 与输出量y 之间的关系通常可用一个如下的多项式 表示： y 邗一口p n + + d l 传感器的静态特性可以用一组性能指标来描述，如灵敏度、迟滞、线性度、重复性 和漂移等。 2 2 2 传感器的动态特性 传感器的动态特性是指输入量随时间变化时传感器的响应特性。很多传感器要在动 态条件下检测，被测量可能以各种形式随时问变化。只要输入量是时问的函数，则其输 出量也将是时间的函数，其间的关系要用动态特性来说明。 一个动态特性好的传感器，其输出将再现输入量的变化规律，即具有相同的时间函 数。实际的传感器，输出信号将不会与输入信号具有相同的时问函数，这种输出与输入 问的差异就是所谓的动态误差。动态特性主要是反映传感器的快速性和稳定性。 2 2 3 传感器的对外接口及其它指标 传感器的对外接口主要是指：电源接口和信号的输出形式。 传感器的其它指标包括使用环境要求：温度、湿度、防腐等环境方面；电源要求： 电源电压的形式、等级及波动的范围：频率及高频干扰；可靠性要求：抗干扰、寿命、 无故障工作时间。 2 3 电源温度检测系统各传感器的接口与性能分析 一个自动检测系统的传感器选择非常关键，选择传感器的依据有：技术指标要求 ( 包括线性度、测量范围、灵敏度、分辨率、精确度和重复性) ；使用环境要求：电源 要求；可靠性要求等。 我们选择传感器的原则是在满足系统要求的情况下，综合考虑。传感器的特征性能 决定测量方法、接口电路的设计和软件的后续处理，因此首先把系统所选用的各传感器 的原理、对外接口和特性进行分析。 7 郑州大学碗士研究生毕业论文 第三章电路分析与设计 、 2 3 1 一总线温度传感器 我们选用的温度传感器为d a l l a s 半导体公司的数字化温度传感器d sl8 8 2 0 ，是世界 上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。测量温度范围为一5 5 。c + 1 2 5 。c ， 在一1 0 。c + 8 5 。c 范围内，精度为0 5 。c ：可以通过程序设定9 1 2 位的分辨率； 转换1 2 位温度数据所需最长时间为7 5 0 m s ；可存储用户自定义报警温度。1 。 当执行温度转换命令后，温度值存储在两个8 位的r a m ( t l 和t h ) 中，根据对应关系 ( 如图2 2 所示) 就可以求得十进制温度数值。 团丑正亚圆淤a m s b u n i t 一“c ) 1 。s h 曰丑王e 田脚 图2 2 温度转换对应关系图 d s l 8 8 2 0 对外接口就是三根引线，地线、数据线和电源线。通过数据线可实现d s l 8 8 2 0 与微处理器问的双向通讯，故称为“一总线”，使用于恶劣环境的现场温度测量。 2 3 2 转速测量传感器 为了便于电源内部散热，且主要部件工作在正常温度，我们选用转速传感器对安装 在电源顶部的六个风机进行转速测量。 转速的具体测量方法分为模拟式和数字式两种，模拟式采用测速发电机为检测元 件，得到的信号是电压量，而数字式通常采用光电编码器、圆光栅、霍尔元件等为检测 元件，得到的信号是脉冲信号，便于单片机直接接收。 数字式测速传感器中的霍尔器件是一种磁传感器，可以检测磁场及其变化，以霍尔 效应为工作基础，当风机转动时，带动传感器，产生对应频率的脉冲信号，经过信号处 理后输出到计数器或者其他的脉冲计数装置，进行转速的测量；光电编码器是利用光电 效应，随着风机的旋转，光电管接收从光源发出的光，不断导通和截止，从而产生系 列的“0 l ”信号，这些信号通过加l 口传输给单片机；利用圆光栅测速的方法和使 用光电编码器的原理类似，不过它的精度更高，可以作为位置和角度测量的传感器使用。 根据实际要求以及各传感器的性能特点，我们选择霍尔器件。宣分为线性器件和开 关器件两种，前者输出模拟量，后者输出数字量。我们利用单片机系统进行检测，故选 郑州大学硕l 研究生毕业论文第三章电路分析与设计 用开关器件d n 6 8 3 7 ，其抗噪声干扰性能好且输出脉冲信号。 d n 6 8 3 7 对外接口是三根引线，电源线、地线和输出线。在单位时间内对输出信号 进行脉冲计数，就可测得风机转速。 2 3 4 铂电阻温度传感器1 9 l 超导磁体运行在低温状态下，为了监测液氮低温管道的温度( 约为7 7 k ) ，在管道 的外壁上安装铂电阻温度传感器p t - l o o 。 铂电阻温度传感器p t - 1 0 0 是利用其电阻与温度成一定函数关系而制成的，是测量 低温的首选传感器，范围在3 0 k 8 7 3 k ，即2 4 3 6 0 0 ，这个范围内铂电阻传感器可 靠性高，灵敏度稳定，并且它适用于工作在磁场环境下。其输出经过调理后的输出为 扯2 0 i l 俄的电流信号，为便于单片机处理，需要将电流信号转换成电压信号，将在后续 文章中介绍完成的电流电压转换功能。 9 郑州= 学顶卜研究生毕业论文第三章i 乜路分析与殴计 第三章超导磁体电源温度检测的电路分析与设计 3 1 电源温度检测具体设计要求 电源温度检测共包括电源内部温度、母排温度、液氮管温度及六个风机的转速。 电源内部温度点共分为四组十二个点，四组分别表示为t 1 、t 2 、t 3 、t 4 ，分别安装在 四个i g b t 散热片、两个电抗器、四个变压器和两个肖特基二极管散热片上：母排温度 分为两组十六个点，两组分别以t 5 、t 6 表示；铂电阻共三组三个点，表示为t 7 、t 8 、 t 9 ；风机转速单点构成一组，共六组( 依次表示位f 1 f 6 ) 。 电源正常工作时，实时正确检测内部各点温度、风机转速，通过c a n 总线将获得 的数据传送至上位机，利用l a b v i e w 编程驱动c a n 卡、设计界面显示。 3 2 电源温度检测系统组成框图 经过第二章对传感器性能和接口分析，系统设计要求的介绍，电源温度检测组成 框图如图4 2 所示： 预 一总线温度传感器t l 川 i 0微 处 一总线温度传感器t 5 卅6 i o 处l ，o ，j 实时时钟 理 铂i b 阻溢度传感 | t 7 川 l ，o理 电 一堞曩 鞲尔转速传感器f i 廿6 路i 0 器c a n h ，l 图3 1检测系统框图 主要包括：主处理器模块p i c 单片机；一总线温度传感器、霍尔转速传感器接 口电路以及预处理电路；需要实时存取数据，故接入实对时钟芯片：人机接口显示 模块，数据通过c a n 卡传送至上位机进行显示检测。 3 3 微处理器最小系统 根据系统设计要求和功能分析，选择微处理器应满足如下要求： ( 1 ) 、微处理器与各个传感器有良好的接口，并且有足够的接口满足需要( 至少l l 1 0 郑州大学颂 1 研究生毕业论文 第三章电路分析与殴计 个接口) ： ( 2 ) 、足够短的指令周期，较快的处理速度满足软件功能的实现 ( 3 ) 、定时器工作严格准确； ( 4 ) 、微处理器与c a n 总线通信良好； 3 3 1 微处理器的比较和选用 目前市场上微处理器种类较多，产品性能各异，例如i n t e l 8 0 5 1 系列、m o t o r o l a 系列、a t m e l 的a t 8 9 系列，还有m i c r o c h i p 公司的p i c 系列、z i l o g 的z 8 6 系列、a t m e l 的a t 9 0 s 系列等等。根据它们执行指令结构类型的不同，可以分为集中指令集( c i s c ) 和精简指令集( r i s c ) 。采用c i s c 结构的单片机数据线和指令线分时复用，这样指令丰 富功能较强，但取指令和取数据不能同时进行，速度受限，上面的前三种单片机就属于 这种类型：采用r i s c 结构的单片机数据线和指令线分离，这使得取指令和取数据可同 时进行，执行效率更高，速度更快，后面四种采用的就是这种结构，符合我们的要求。 另外根据实验室开发工具情况，我们选用了美国m c r o c h i p 公司的p i c 系列单片机 p i c l 8 f 2 4 8 。 郑州大学硕l 研究生毕业论文 第三章电路分析b 设计 3 3 2 p i c l 8 f 2 4 8 介绍1 1 0 l p i c l 8 f 2 4 8 是功能强大的微处理器，其结构框图如图3 2 所示。 图3 2p i c l 8 f 2 4 8 框图 从图中可以看出，它有高达2 m b 的程序存储器f l a s h ，电可擦除可重新编程非 易失性闪存；高达4 k b 的数据存储器；有内部看门狗定时器和上电、掉电复位功能。 具体来说，能满足系统需要的特点有： ( 1 ) 、可以通过锁相环来设定时钟频率为引入的晶振频率的4 倍，我们输入的时钟频 率为4 m h z ，则内部时钟频率将达到1 6m h z ，执行指令周期足以通过查询端口电平变 化进行计数； 郑州大学颂l 研究生毕业论文 第三章屯路分析弓设计 ( 2 ) 、多个i 0 接口满足检测系统的需要： ( 3 ) 、8 位或1 6 位的定时器，计数器t m r o ，带有8 位可编程前分频器，可以对信号 进行严格的时间定时； ( 4 ) 、具有串行外围芯片接口( s p i ) ，能同时同步发送和接收8 位数据，通过串行数 据输入接口( r c 4 ，s d a ) 和串行时钟( r c 3 s c k ) 完成与实时时钟芯片的通信任务； ( 5 ) 、内部带有符合国际标准的i s oo 州总线模块，其c a n 协议与c a n2 o b 版本 相一致，这样单片机的外围电路不必加c a n 控制器芯片，只需加驱动芯片，硬件电路 实现简单； ( 6 ) 、内部有5 个通道的1 0 位a 仍转换模块，便于电压采样： ( 7 ) 、软件指令少，使用方便； 它的封装结构如图3 3 所示： 、_ 一2 b 2打 32 6 4 为 ： 苦善翟 毛l 萎荔 1 b 惶1 7 z 31 e 1 41 5 图3 3p i c l 8 f 2 4 8 封装豳 3 3 3 微处理器的最小系统 主处理器模块采用p i c l 8 f 2 4 8 单片机，片内有上电复位电路( p o r ) 且带有片内 r c 振荡器的监视定时器( w d t ) ，具有可编程代码保护功能。处理器是通过c a n 总线 将数据发送至上位机，只要加上c a n 总线的隔离电路就构成了最小电路，如图3 4 所 不： 堑塑查兰竺! 塑茎兰望些笙苎 塑兰翌 ! ! 堕坌堑兰堡生 图3 - 4最小系统电路图 3 4 一总线功能介绍1 1 2 1 1 1 3 目前，常用的微机与外设之间进行数据传输的串行总线主要有1 2 c 总线、s p i 总线， 其中1 2 c 总线以同步串行2 线方式进行通信( 一条时钟线，一条数据线) ，s p i 总线则以 同步串行3 线方式进行通信( 一条时钟线，一条输入线，一条输出线) 。这些总线至少 需要两条或两条以上信号线，而d a l l 嬲公司的1 w i r c 总线技术，既可传输时钟，又能 郑州 学倾 ：研究生毕业论文 第三章电路分析与设计 传输数据( 双向) ，这样线路简单，硬件丌销少，便于总线扩展和维护”。同时根据测 温要求，我们选用d q l l a s 公司的总线温度传感器d s l 8 8 2 0 。它将地址线、数据线和控 制线合为根信号线，允许在这根信号线r 挂接多个总线器件，便于分布式测温。 3 4 1 d s l 8 8 2 0 引脚、功能及供电方式 6 、i l 却v f ， 如图 5 所示t 0 n d ：地 d q i 数据输入牖出端( 单城揍口，可作寄生电源) v 叻= 电漳电压 阁3 5 d s l 8 8 2 0 封装圈 供r u 方式包括数据线供电( 寄生供电) 和外部电源供电两种。 3 4 2d s l 8 8 2 0 的硬件组成 主要有四部分组成： ( 1 ) 、6 4 位激光r o m ，从高位到低位依次由8 位c r c 、4 8 位序列号和8 位家族代 码( 2 8 h ) 组成： 8 盥傩g 捡验玛蛆使序列号啦末族代码( 2 鲫 s hl * i s hl s b s bl s h 图3 6 激光r o m 虮成 ( 2 ) 、温度传感器：完成对温度的测量，输出1 6 位二进制数据； ( 3 ) 、用于存放中间数据的高速暂存器，包括便携式r a m 和非易失性电擦写 e 2 r a m 。数据先写入r a m ，经校验后再传给e 2 r a m ； ( 4 ) 、非易失性温度报警触发器t h 和t l ，可通过软件写入用户报警上下限值： ( 5 ) 、配置寄存器，为中间结果暂存器中的字节4 ，可以设置温度转换的精度( 9 位 1 2 位不等) ，上电缺省的分辨率为1 2 位精度，用户可以根据需要改写配置寄存器以获得 合适的分辨率。 郑州人学硕士研究生毕业论文 第三章电路分析0 改计 3 4 3d s l 8 8 2 0 的测温原理 幽3 7d s l 8 8 2 0 测温原理图 d s l 8 8 2 0 的测温原理如图3 7 所示。图中低温度系数晶振频率受温度的影响很小， 用于产生固定频率f 。的脉冲信号送给减法计数器l ，高温度系数晶振频率随温度变化明 显，相当于t f 转换器，能将被测温度t 转换成频率信号f ，它所产生的信号作为减法 计数器2 的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，d s l 8 8 2 0 就对低温度系 数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系 数振荡器来决定，每次测量前，首先将一5 5 ( 温度量程下限值) 所对应的基数分别置 入减法计数器1 和温度寄存器中，它们就被预置在一5 5 所对应的一个基数值。减法计 数器1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1 的预置值减到 0 时温度寄存器的值将加1 ，减法计数器l 的预置将重新被装入，减法计数器l 重新开 始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2 汁数到0 时， 停止温度寄存器值的增加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图中的斜率累加器 用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数 门仍末关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。 3 4 4d s l 8 磁o 的操作命令 l 、r o m 操作命令 一旦主机检测到从属器件的存在，就可以发出r o m 操作命令，这种命令均为8 位字节 长，基有以下五种： 读r o m ( 3 3 h ) ：在单点情况下，用此命令可读出序列号 匹配r o m ( 5 5 h ) ：多个d s l 8 8 2 0 在线上时，可用这个命令匹配一个给定序号的 郑州人学硕i ：研究生毕业论文第三章电路分析与设计 d s l 8 8 2 0 ，此后的命令就针对该d s l 8 8 2 0 跳过r o m ( c c h ) ：执行这个命令后的存储器操作将针对在线的所有d s l 8 8 2 0 搜索r o m ( f o h ) ：用于读出在线d s l 8 8 2 0 的序列号 报警r o m ( e c h ) ：当温度高于t h 或低于t l 中的数值时，此命令可读出报警的d s l 8 8 2 0 2 、r a m 操作命令d s l 8 抛0 功能命令 在主机用完一个r o m 命令后，就可以开始使用功能命令，包括： 写暂存器( 4 e h ) ：写两个字节的数据到温度寄存器 读暂存器( b e h ) ：读取温度寄存器的温度值 复制暂存器( 4 8 h ) ：将温度寄存器的数值拷贝到e 2 r a m 中，保证温度值不丢失 温度转换( 伽) ：启动在线d s l 8 8 2 0 做d 转换 取回e 2 r a m ( b 8 h ) ：将e 2 r a m 中的数值拷贝到温度寄存器中 读电源( b 4 h ) ：送到d s l 8 8 2 0 之后的每一个读数据间隙，指出电源模式( 寄生电源 或外部电源) 3 4 5d s l 8 8 2 0 与单片机的硬件接口 硬件电路采用p i c 系列单片机，它内部含有可重复编程的存储器，可进行多次的擦 写编程，所以在开发过程中便于程序的修改。我们采用3 脚封装形式，使用外加电源工 作方式，这样可以增强d s l8 8 2 0 的抗干扰能力，保证工作的稳定性。同时，由于p i c 微 处理器有高达2 5 i i i a 输出电流，而d s l 8 8 2 0 的操作电流最高为1 5 m a ，因此可直接使用i 0 口驱动负载。数据线要求外接一个定值的上拉电阻这样，当总线闲置时，其状态为 高电平。为了匹配输入输出电阻，在输入端加一个5 0 欧姆的匹配电阻。我们以多点为例， 单片机采用r b 4 口和d s l 8 8 2 0 通信，硬件接口如图3 8 所示： 髓i型稚崎 c l m y s s旦宝： 。8 c 2 上 p i c l 孵强8 图3 8d s l 8 8 2 0 与单片机硬什接口 1 7 郑州大学顾e 研究生毕业论文 第三章电路分析与设计 3 4 6d s l 鞠晓0 的通信协议及实现程序 d s l 8 8 2 0 将得到的温度信号直接转化成数字信号，然后通过串行通信的方式将其输 出，为了保证各位数据传输的正确性和完整性，d s l 8 8 2 0 在测温中要有严格的通信协议。 这些协议包括复位脉冲、应答脉冲、写o 、写1 、读o 和读l 几种信号的时序。除了应 答脉冲，其余信号都由c p u 来控制。主c p u 通过时序来写入和读出d s l 8 8 2 0 中的数 据。时序用于传输数据位和指定进行何种操作的命令。 1 、初始化时序 v p u 1 w i r e 总 g n d k 一主机t k 复位脉冲 h 一 主帆r x最小4 8 0 u s 叫 j最小4 8 0 雌 芒掩啪巴筇脉冲6 0 - 2 轴 i d s l 8 8 2 0 等特1 5 - 6 暖i 戋 i厂， 图3 91 w i r e 协议的初始化时序 对d s l 8 8 2 0 进行r o m 和r a m 操作之前，主机首先发出一个复位脉冲( 最小脉冲宽度 为4 8 0 u s 的低电平信号) ，然后主机释放一总线i o 线，使之处于接收状态。一总线经 过上拉电阻被拉至高电平。当d s l 8 8 2 0 检测到i o 端的上升沿时，就等待1 5 6 0 u s ，再 向主机发出应答信号( 6 0 一2 4 0 u s 的低电平信号) ，主机进行接收的最小时间是4 8 0 u s 。 初始化过程波形如图3 9 所示，初始化程序段( 硬件连接如图3 9 所示) ： i n t t t a l 1 8 r 2 0 ： l l b c ft r i s b 4 b s fp o r t b 4 n o p b c fp o r t b 4 m o v l wd 2 0 0 m o v w fc o l j n t l n o p d e c f s zc o u n t l 1 g o t 0l 0 m o v i 。臀d4 2 0 0 f0 0 u n t l n o p d e c f s zc o n t t l 1 g o t ol l m o v l w d 2 0 0 m o v w fc o u n t l n o p ：置r b 4 为输出方式 ：拉高数据线 ：降低数据线 ：将常量2 0 0 存放在c o u n t l 寄存器中 ：延时约2 0 0 u s 。该系统采用外部4 删z 的晶振，由丁四倍 ：频，故内部晶振为1 6 蛐z ，时钟周期为l 1 6 u s 。p i c 单 ：片机的1 个指令周期= 4 个时钟周期，螂执行单字悔指 ：令所用的时间为；4 1 1 6 = l 4 u s ，其中d e c f s z 、n o p ：为单字节指令( 1 4 u s ) ，g o t o 为双字节指令( 1 2 u s ) ：延时约2 0 0 u s 郑州大学颇i ：研究生毕业论文 笫三章i b 路分析_ 设汁 d e c f s z g 啪 b s f b s f n o p m o v l m o w f l 3n o p d e c f s z g o t o b t 弼c g o t o b s f g ( ) t o l 4b c f g 0 1 _ o l 5m 0 v l - m o v - f l 6n o p d e c f s z g 叽d l 7 b s f r e t u r n 2 、写时序 v p u 1 w i r e 总 g n d c 0 盯1 1 l 2 t r i s b 4 p o r t b 4 d 1 0 0 c o u n t l 延时约2 0 0 u s 置r b 4 为输入状态 拉高数据线r b 4 延时约2 0 0 u s 判断r b 4 口是否为0 ，当为l 时间跳 r b 瞳= l 时 置标志位为l ，表示存在 置标志位为o ，表示不存在 延时约2 0 0 u s 拉至高电平 控制器弓“1 ”时f 一m “社m1 + - l u s c 1 u s 戋 砰 盟小标准塌人 + 1 5 。+ 卜1 5 。s 卜3 0 u 。+ | 图3 1 01 一w i r e 协议的写初始化时序 当主机把i o 线从高电平拉至低电平时，作为一个周期的开始。写时序包括两种类 型：写l 时序和写o 时序，两者必须保持至少6 0 u s ，在两个写周期之间至少有l u s 的恢 复期。d s l 8 8 2 0 在i o 线变低电平后的1 5 6 0 u s 的时闽内进行采样。若i 0 线为高电平， 即认为写入了一位1 ：反之，则认为写入了一位0 。主机在开始写l 周期时，必须将i 0 线拉至低电平，然后释放，1 5 u s 内将i o 线拉至高电平。主机在开始写0 时，也将i o 拉至低电平，并保持6 0 u s 的时间。写时序波形如图3 1 0 所示。 写时序程序段( 连接至r b 4 ，外部晶振为4 m h z ) ： 1 9 4 0 0 ， 1 ， ， ， 0 l t b 1 1 0 t n t g g 2 n u r a a u吲舳m凡凡肼o l 4 t ， 吣 他6 眦 l p 、 郑州大学硕i ：研究生毕业论文第三章i b 路分析设计 w r l 8 8 2 0r b 4 ： i o v l 霄 f w r 0 r b 4b c f b s f n o p n o p b c f 帕v l w 啪v w f w r l r b 4n o p d b c f s z g 0 1 d b c f b t f s c b s f n o p n o p n o p n o p b t f s c b s f b c f r r n c f m o v l w m o v l r f w r 2 r b 4n o p d e c f s z g o t o b s f b s f d e c f s z g o t 0 r e l 啪n 3 、读时序 v p u 1 w i r e 总 g n d 8 c 0 u n l 陀 t r i s b 4 p o r l 歌4 p o i 玎b 4 c 叫n t l 一个字节8 位，赋常量8 到c o u n t 2 置r b 4 为输出 拉高数据线 置r b 4 为低电平 赋值，定时保持低电平时间 c o u n t l 1 w r l _ r b 4 ：保持处于逻辑低电平约为2 u s t r i s b 4：置为输出 c o m d ，0 ：判断c 伽d 0 位( 当前位) 是否为0 为0 则跳过 p o r t b ，4：当c o l l d o 位为