（控制理论与控制工程专业论文）基于现场总线can的嵌入式系统研究.pdf

摘要 近年来，嵌入式系统受到科学与工程各个领域研究者的密切关注，成为研究 的一个热点。而在嵌入式的开发中，嵌入式操作系统的应用是重要的一环，它与 模块化硬件相结合，共同构成一个可以重复利用的软硬件系统平台，不但可以提 高丌发效率，还可以提高系统的可靠性和实时性，满足r 益复杂的应用需求。 在国内监控领域中，大多采用了集散式监控系统，虽然克j i l t 集中式监控系 统的缺点，但还存在着效率较低、错误处理能力不强等缺点，而且设备的兼容性 不好，系统实时性、可靠性也不高。采用c a n 现场总线可很好的克服上述一些 缺点，并能显著增强系统的抗干扰能力。 基于以上这些考虑，本文选择了以s s t 的8 位单片机s s t 8 9 e 5 8 r d 为核心， 结合a ，d 采集、键盘、液晶显示器、微型打印机，设计一种基于c a n 总线和嵌 入式实时操作系统的智能电源监测系统作为学习和研究的平台，实现对电源的各 项运行参数的实时监测，及时对故障进行分许、报警和记录。c a n 总线是一种 抗干扰性强、传输距离远、接线简单、传输速率高、有效支持分布式控制和实时 控制的串行通信网络。采用c a n 总线作为通信网络构成自动化系统，实现对电 源的实时监控，提高系统安全性和可靠性。系统软件程序设计采用了c 语言与 m c s 5 1 汇编语言混合编程的开发方式，软件平台采用两种适用于5 1 单片机的 实时多任务操作系统一r t x s l 和u c o s i i ，并对它们在电源监测系统中的应用 分别进行研究，以比较其各自的特点。 本课题所设计的电源监测系统，实现了网络化的集中管理和控制，而且提高 了可靠性、安全性以及产品的通用性，在一定程度上消除了电源用电的安全隐患。 文中所使用的c a n 通信方案具有极大的灵活性，能方便的运用到各种测控系统 中，具有实际的应用价值。 关键词：c a n 总线，嵌入式系统，电源监测，r t x s l ，u c o s 1 1 a b s t r a c t e m b e d d e ds y s t e ma t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sf r o mv a r i o u sf i e l d so f s c i e n c ea n de n g i n e e r i n g , a n db e c o m e sah o tr e s e a r c h i n gf i e l di nr e c e n ty e a r s t h e u t i l i z a t i o no ft h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi sa ni m p o r t a n ts t e pi nt h ed e v e l o p m e n t o ft h ee m b e d d e ds y s t e m c o m b i n i n gt h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mw i t h t h e m o d u l a f i z e dh a r d w a r e ，as o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e mp l a t f o r mt h a t c a nb eu s e d r e p e a t e d l yw i l lb ef o r m e d t h i sp l a t f o r m c a nn o to n l yi n c r e a s et h ed e v e l o p i n g e f f i c i e n c y , b u ta l s oi m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n dr e a l - t i m ec h a r a c t e ro ft h es y s t e ma n d s a t i s f yt h ei n c r e a s i n g l yc o m p l i c a t e da p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s i nd o m e s t i cm o n i t o r i n gf i e l d ，d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m i sw i d e l ya d o p t e d a l t h o u g ht h ed i s a d v a n t a g e so fc e n t r a l i z e dc o n t r o ls y s t e mh a v eb e e na v o i d e d ，l o w e f f i c i e n c y , l a c ko fm i s t a k ed i s p o s i n ga b i l i t y , a n do t h e rd i s a d v a n t a g e sa r es t i l le x i s t e d l nt h em e a n t i m e ，c o m p a t i b i l i t yo fe q u i p m e n t si sb a d ，a n dr e a l - t i m ec h a r a c t e ra n d r e l i a b i l i t yo ft h es y s t e ma r el o w c a nf i e l db u sc a nw e l l o v e r c o m et h ea b o v e d i s a d v a n t a g e sa n d h a sp o w e r f u la n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y b a s e d 伽t h e s ec o n s i d e r a t i o n s ，c h o s e nt h e8 b i ts i n g l ec h i pc o m p u t e rs s t s s s t 8 9 e 5 8 r da st h ec p u ，c o m b i n gw i t ha d ，k e y b o a r d ，l c da n dm i n i 。p r i n t e r ，t o d e s i g l lap o w e rm o n i t o rs y s t e mb a s e do nc a n f i e l db u sa n dr t o sa ss t u d y i n ga n d r e s e a r c h i n gp l a t f o r m t h es y s t e mc a nm o n i t o rv a r i o u sr e a lt i m ep a r a m e t e r so ft h e p o w e rs u p p l ys y s t e m ，a n a l y z et h ea c c i d e n t s ，g i v e a na l a r mi nt i m e c a nb u si sak i n d o fs e r i a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw i t hg o o da n t i - j a m m i n g ，l o n gt r a n s f e r r i n gd i s t a n c e ， e a s yc o n n e c t i o n h i g ht r a n s f e r r i n gs p e e da n dc a ne f f e c t i v e l ys u p p o r t d i s t r i b u t e d c o n t r o l l i n ga n dr e a l t i m ec o n t r o l l i n g c a nb u si su s e dt of o r ma na u t o m a t i cs y s t e m a n df e a l i z er e a l t i m em o n i t o r i n go fp o w e r t h ep r o g r a mi sd e v e l o p e du s i n gb o t hc l a n g u a g ea n da s s e m b l yl a n g u a g e ，a n dt h er t o ss y s t e mr t x 5 1t i n ya n du c o s - i i a r ea d o p t e d ，b e s i d e st h e i ra p p l i c a t i o n si nt h i ss y s t e ma r er e s e a r c h e dr e s p e c t i v e l y t h ep o w e rm o n i t o rs y s t e md e s i g n e di n t h e p a p e ri s a d v a n c e di nn e t w o r k c o n t r o l l i n ga n di sm u c hm o r es a f e ，t r u s t y a n du n i v e r s a l t h ed e s i g ni m p r o v et h e s a f e t yo fp o w e rm o n i t o r i n gi nag r e a td e g r e e t h ec a n c o m m u n i c a t i o ns c h e m ep u t f o r w a r di nt h i st h e s i si so fg r e a tf l e x i b i l i t y ，a n d c a nb ec o n v e n i e n t l ya n ds i m p l y a p p l i e di nv a r i o u st e s t - c o n t r o ls y s t e m s ，h a sp r a c t i c a lv a l u e k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，c a nb u s ，p o w e rm o n i t o r , r t x s l ，u c o s - i i 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼至些太堂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了谢意。 学位论文作者签名：尹幻钮 签字隅办严上月狮 | 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞整王些太堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位敝储躲阂银 签字r 期：沙彳年三月坪同 导师签名： 锣王，岛 、 签字同期：沙毋9 年2 j g 冲同 学位论文的主要创新点 一、采用c a n 总线作为通信网络构成电源监测系统，实现了对电源 系统网络化的集中管理和实时监控。根据c a n 技术规范2 0 a 和 i s o l l 8 9 8 标准，结合电源管理实际需要自行设计c a n 应用层协议。 二、系统上位机硬件扩展两路c a n 通信模块，该双c a n 模块兼具 连接两路c a n 总线的网桥作用，具有实现不同速率c a n 网段连接、 不同网段的c a n 报文过滤和转发的功能。 三、将嵌入式实时操作系统u c o s i i 应用于电源监测系统，并详细 讲述了u c o s i i 在s s t 8 9 e 5 8 r d 单片机上的移植过程和裁剪原则。 第一章前言 1 1 课题开发的背景 第一章前言 近年来，随着半导体技术的进步和发展，单芯片的集成度不断的提高，价格 也是不断的下降，因此电子产品在我们的r 常生活中应用越来越广阔，功能越来 越丰富。目前国内外大多数的电子产品开发都是基于一些小容量的单片机上进行 的。随着单片机应用的同益广泛，对它的软件开发效率要求越来越高，从经典的 汇编到高级c 语言，然后过渡到操作系统。针对单片机构成的嵌入式操作系统， 有r t x 5 1 和u c o s i i 等操作系统，这两种嵌入式操作系统虽然比较简单，但性 能完全能够满足以单片机为核心的嵌入式系统的应用要求。此外，在设计嵌入式 系统时，解决好系统各单元问可靠、有效的通信是系统设计的关键。常用的现场 总线有r s 2 3 2 4 8 5 串行总线、c a n 、p r o f i b u s 、f f 、w o r l d f i p 、l o n w o r k s 等。 其中，尽管。r s 4 8 5 串行总线协议性能不高，但由于其在硬件成本以及开发简便 性上的巨大优势，目前仍然是国内广泛的总线应用。随着嵌入式系统应用的发展， r s 4 8 5 性能上的不足逐渐显露出来，已经不能满足设计一个高性能、高实时性系 统的要求。 c a n 总线是现场总线的一种，它是德国b o s c h 公司在1 9 8 6 年为解决现代 汽车中众多的控制与测试仪器之问的数据交换而开发的一种串行数据通讯总线。 虽然c a n 总线最仞是为在汽车行业应用而丌发的，但由于其具有很强的纠错能 力，支持差分传送，因而适合高噪声环境，而且传输距离比较远，因而受到了广 泛的关注。1 9 9 3 年，国际标准化组织正式颁句了c a n 总线的国际标准i s 0 1 1 8 9 8 。 近几年，国内开发应用c a n 总线系统的人员也在逐渐增多，对。悄协议的研 究也在不断的加深。在很多领域，如研制电动汽车和混合动力汽车的8 6 3 重大课 题，已经将c a n 作为标准的车内通信协议确定下来。电力，航空航天等部门也 在c a n 总线应用方面取得了很大的成绩。 1 2 嵌入式系统的应用现状和发展趋势 1 2 1 嵌入式系统应用现状 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统获得广阔的发展空问。2 0 世纪9 0 年代，嵌入式技术的发展掀起了一股热潮；到如今已经广泛的应用于通 天津t 业人学硕1 ：学位论文 信、测控和消费类电子产品，并且不断的废旧立新、优化系统。在通信领域，数 字技术正全面取代模拟技术；在测控领域中，测控距离的不断扩大以及测控系统 复杂度的不断增加，单一的数据传输方式已经不能胜任，必须采取多种数据传输 方式相互配合使用；在消费类电子产品领域中，移动数据处理设备和移动通信设 备主要应用嵌入式系统。就嵌入式系统的技术和市场来说，国外发展速度极快， 技术r 趋成熟，市场格局基本形成；而国内发展也很快，市场潜力很大。在国外， 嵌入式系统硬件更新很快，特别是嵌入式的处理能力提升较快，由8 位、1 6 位 升级到3 2 位，甚至出现了“位。在国内，嵌入式系统关键硬件主要靠国外引进， 技术力量比较薄弱。 嵌入式系统的核心( 嵌入式实时操作系统) 是丌发嵌入式应用的关键环节， 因此，目前国内外相继推出了很多嵌入式操作系统。目前，实时嵌入式操作系统 的种类繁多，可分为两种一商用型和免费型。商用型的实时操作系统功能稳定、 可靠，有完善的技术服务和售后服务，但价格昂贵，其代表产品有w i n d o w sc e 、 v x w o r k s 和o s e 等。免费的实时操作系统初期投资低，主要有l i n u x 、u c o s 1 l 和s m a l l r t o s 等。 1 2 2 嵌入式系统发展趋势 信息时代、数字时代使嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，为嵌入式市场展 现了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战。从中可以看出未来 嵌入式系统的几大发展趋势： ( 1 ) 经济化、小型化、智能化、速度快和可靠性高。计算机要价格低廉， 便于普及；携带要方便；操作更简单、直观；能够迅速地完成数据处理或数据传 输能够在一般环境条件甚至苛刻的环境条件下可靠运行。 ( 2 ) 提供友好的多媒体人机界面。 ( 3 ) 网络互联成为必然趋势。未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求， 必然要求硬件上提供各种网络通信接口。如以太网接口，u s b 接口、c a n 总线 接口等等。 1 3 现场总线的发展 现场总线是当今自动化领域的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域 网。它的出现标志着工业控制技术领域跨进了一个新时代，并且将对该领域的发 展产生重大影响。现场总线是实现微机化测控设备之间双向串行、多节点数字通 信的生产现场系统，也被称为丌放式、数字化、多点通信的底层控制网络。 第一章前言 现场总线起源于上世纪7 0 年代，当时主要考虑将操作室的现场信号和到控 制仪器的控制信号由一组总线以数字信号的形式传送，不必每个信号都用一组信 号线。自从8 0 年代末以来，c a n 、h a r t 、l o n w o r k 、p r o f i b u s 这几种现 场总线技术逐渐形成，并在一些特定的应用领域显示自己的优势，他们具有各自 的特点，也显示了较强的生命力。 c a n 是控制器局域网的简称，最早是由德国b o s c h 公司推出的，用于汽 车内部测量与执行部件问的数据通信，其总线规范现已被i s o 制定为国际标准， 广泛的应用于离散控制系统。其信号传输介质为普通双绞线或光缆等，通信速率 最高可达1 m b p s 4 0 m ，传输距离最远可达1 0 k m 5 k b p s 。当节点发生严重错误时， 具有自动关闭的功能，以切断该节点与总线的联系，使通信线上的其他节点通信 不受影响，具有较强的抗干扰能力。 1 4 课题研究的目的和意义 随着计算机技术和网络通信的迅猛发展，嵌入式系统无处不在。实时数据处 理、网络互连功能、智能化的软件以及良好的功能扩展成了现代实时测控系统的 需求。由于经济水平的提高，人们对自动化的需求不断增加，导致了嵌入式系统 应用复杂化的不断增强，需要控制的外围设备越来越多且复杂。如果不采用嵌入 式操作系统，那么程序的丌发和软件的管理难度很大，所以引入嵌入式操作系统 是一个必然趋势。 在各种嵌入式操作系统中，u c o s i i 凭借其结构清晰、源代码丌放和实时性 好等方面的优势，成了基于监控系统、手持设备等嵌入式系统领域应用中的技术 热点。将嵌入式操作系统u c o s 1 1 与模块化硬件相结合，共同构成一个可以重 复利用的软硬件系统平台，不但可以提高开发的效率，还可以提高设备的性能， 满足只益复杂的应用需求。因此，在嵌入式系统中应用嵌入式操作系统是形势所 趋，有利于测控领域的发展。 在国内监控领域中，大多采用了集散式监控系统( d c s ) ，虽然克服了集中式 ( c c s ) 的缺点，但还存在着效率较低，错误处理能力不强等缺点，而且设备的兼 容性不好，系统实时性、可靠性也不高。采用现场总线可很好的克服了上述的一 些缺点，具有很强的抗干扰能力，系统的可靠性也很高。c a n 总线把所有挂接 在总线上的智能设备联接成网络，构成自动化系统，实现对现场设备的实时监控。 随着网络技术的发展及其在工业自动化领域的不断深入，对传统的控制系统结构 的改善和系统控制性能的提高提供了有效途径，广大专业人士看好c a n 现场总 线的优势，现场总线测控系统成为现代控制系统发展的主流。 因此基于以上考虑，本课题主要研究在用单片机开发产品时，软件开发应用 天津t 业人学硕1 ：学位论文 实时操作系统。较之传统的编程模式，这样就可以更为有效的利用单片机有限的 硬件资源，提高系统响应速度，满足现场总线通信的实时性，进而节约开发时间， 减少系统开发难度，降低系统开发的成本；对c a n 总线的研究，可以提高系统 通信的稳定性和安全性，便于系统的升级、维护，以及与其他c a n 总线设备相 连接的兼容性，提高国内c a n 总线应用水平。 1 5 课题主要研究内容和任务 使用标准c 语言编写r t x 5 1 应用程序。根据现有的硬件实验平台，即我 实验室的c a n 总线丌发实验板，该实验板上的核心器件采用美国s s t 公司的单 片机s s t 8 9 e 5 8 r d 2 ，s s t 8 9 e 5 8 r d 2 是一款8 0 c 5 1 微控制器，包含3 2 k b + 8 k b f l a s h 和2 5 6 + 7 6 8 b 的数据r a m 。s s t 8 9 e 5 8 r d 2 的典型特性是它的2 方式选 项，利用该特性，设计者可使应用程序以传统的8 0 c 5 1 时钟频率( 每个机器周 期包含1 2 个时钟) 或2 方式( 每个机器周期包含6 个时钟) 的时钟频率运行。 同时实验板上又有非常丰富的外围设备，4 x 4 键盘阵列、l c d 液晶显示接口、 打印机接口、a d 转换、d a 转换、4 8 5 总线、两路c a n 总线模块、丌关量输 入、报警输出等，可以模拟一个小型的功能十分齐全的工控系统，为研究提供了 较好的硬件环境。 将u c o s i i 嵌入式实时操作系统移植到s s t 8 9 e 5 8 r d 2 单片机上，并对 内核进行适当裁剪。 在研究嵌入式系统过程中，主要就以下几个方面：可移植性；基本操作 性能：综合操作性能；开发模式和开发的难度；对单片机硬件资源的要求和利用 等方面分别对两个不同的嵌入式实时操作系统进行比较研究。 根据现场总线c a n2 0 a 规范，设计应用层协议，使系统能够进行更为 安全、有效的传输信息。在软件程序丌发中编制c a n 报文解析程序，用于解析 节点所接收的来自c a n 总线的报文，并将解析结果存入相应存储区域，同时根 据报文的内容设置一些相应的标志，以进行下一步的处理。 第二章系统硬f ，f ：没计 第二章系统硬件设计 本课题任务的研究是基于硬件系统和软件系统两部分组成。根据c a n 总线 工作原理，结合嵌入式系统的特点，设计了一个通用智能型电源监测系统。该系 统的主要作用是：实时监测各节点的电力参数( 电压、电流、各次谐波值) ，以 判断电网的运行状态。当某个节点的电源发生故障时可以实时报警。主控室可以 对每个节点的电压电流值在l c d 上实时显示；紧急状态可以实行应急措施。 2 1 硬件系统总体概述 系统硬件整体结构框图如下图2 1 所示。硬件系统是由上位机、数个具有模 拟数据采集作用的下位机组成。采用c a n 总线为通信网络，系统拓扑结构采用 总线方式，数据传输介质采用双绞线来连接。系统的软件程序是在k e i lc 5 1 集 成开发环境下开发的，采用了c 语言与m c s 5 1 汇编语言混合编程的方法。 系统上位机的硬件环境采用双c a n 总线实验丌发板，该丌发板是本校实验 室自主丌发设计一款集众多功能于一身c a n 总线教学实验开发平台。主板上主 控m c u 为5 1 单片机，带有充足的存储资源，具有两个c a n 总线接口、r s 2 3 2 总线接口、r s 4 8 5 总线接口，外部扩展r a m 、8 个八段数码管显示模块、液晶 显示模块、4 x 4 键盘阵列、声光报警模块等。为了方便数据的综合管理，在监测 系统中安装了嵌入式微型打印机。以便于随时打印输出实时数据报表和故障数据 报表。上位机可以通过两路c a n 总线和模拟数据采集节点进行通讯，对接收到 的数据进行集中处理，并实现液晶显示、数据打印、故障报警等功能。 下位机的主要功能是节点的电压和电流实时检测，这主要是通过定时对节点 上的电压和电流信号进行采集实现；采集数据的计算、分析；计算结果通过c a n 总线上传至上位机。在硬件电路上，其主要是由单片机主控模块、c a n 总线接 口模块、各监测节点还包括电压变换模块、电流变换模块、滤波放大模块、a d 采集模块等。 本系统工作原理为：各检测节点定期采集现场的电压电流信号( 每周期采集 3 2 点) ，然后用傅立叶算法对采集来的数据进行分析处理，计算出电压、电流的 有效值和各次谐波分量值( 由于单片机的计算速度和对浮点数的处理能力有限， 因此谐波次数不可能计算太高) 。按总线协议规定的格式写入c a n 控制器 s j a l 0 0 0 的发送缓冲区，启动发送命令把数据发送到上位机。上位机依次接收各 节点单元发送过来的数据信息，并将数据按照特定的转换比例转换成相应的电 x j tr 业人学蛳i 学位论i 压、电流值在l c d 上显示，同时判断每个竹点采集的数据足否超过限定值，即 判断是否有故障产生。如果某个节点采集的值发生了故障，并目这一信号毓在连 续三次数据采集中都发生了故障，则认为酿仃点的i 乜源有故障发生并在f l a s h 中记录f 发生故障的节点号，故障发生的时i l i j 和敞障值，并进行声光报警，以通 知维护人员进行处理。 2 2 上位机各模块设计 幽2 - i 系统硬f l 粘体结构框幽 2 2 1 系统丰控模块及微控制器( m c u ) 的选择 l 忙机和各c a n 节点的微柠制器均选择s s t 8 9 e 5 8 r d 2 。s s t 8 9 f 5 8 r d 2 为 s s t 公司8 位f l a s hf l e x 5 l 系列单片机，山高级f l a s hc m o s 半导体工艺 设计和生产出永。器件有功能强大的指令系统，并且和8 x c 5 x 器什兼容。片内 具有4 0 k f l a s h e e p r o m 程序存储器，它利刚了s s t 的超级f l a s h 技术。超 级f l a s h 存储器被分成陌个独立的程序存储块基本f l a s hb l o c k 0 【o i 用3 2 k 字节片内程序存储空问，二红f l a s hb l o c k i 占用8 k 宁节的片内程序存储空m ： 8 k 字节的二级f l a s h 块能被映射到3 2 k 字节低地址空日j ，它也能从千【，! 序计数 器中被屏蔽掉而朋作一个独立的类似e e p r o m 的数据存储器。 第二章系统硬件设计 s s t 8 9 e 5 8 r d 2 主要特性： 兼容8 0 c 5 1 系列，内置超级f l a s h 存储器 1 k * 8 的内部r a m ( 2 5 6 b y t e s + 7 6 8 b y t e s ，可放心使用c 语言) 两块超级f l a s he e p r o m ：3 2 k 8 的基本存储块和8 k 8 的二级存储块 ( 扇区大小为1 2 8 字节) ，二级存储块可用于存放掉电后要保存的数据，放在内 部具有极强的抗干扰性；独立的块加密；l a p 下的并行操作；块地址重映射 最大片外程序数据地址空问为6 4 k 8 ( 也可以通过i o 口进行块切换，实 现超6 4 k 扩展) ；三个高电流驱动引脚( 每个1 6 m a ，可直接驱动l e d ) ；三个 1 6 位定时器计数器；全双工增强型u a r t ( 帧错误检测，自动地址识别) ；9 个 中断源，四个中断优先级 看门狗定时器( w a t c h d o g t i m e r ，缺省情况下不打开，不需要时可不使用) 可编程计数阵列( p c a ) ：标准为每个及其周期1 2 个时钟，器件可选择在 每个机器周期6 个时钟基础上加倍 掉电检测( b r o w - o u t 缺省为产生复位，也可设置为产生中断) 降低e m i 模式( 通过a u x rs f r 不允许a l e 输出时钟) ，确保了单片机 的高抗干扰 s p i 串行接口 扩展省电模式：i d l e 模式、由外部中断唤醒的省电模式、s t a n d b y 模式 而且s s t 单片机可实现的功能配置有：具有s o f t i c e 在片仿真功能和 e a s y i a p 工具软件实现的在线编程功能，开发工程师可以不需要仿真器和编程 器便可丌发调试产品，并弥补了专用仿真器的“不能仿真扩展功能、接触不良、 编程不能运行、价格昂贵”等缺陷；程序和数据存储器空问利用互补，用户程序 剩下的f l a s h 空间均可作为数据空问，超级灵活。 2 2 2 双c a n 总线通讯模块设计 由于考虑到在整个系统中某些节点对用电安全性的要求较其它节点高，对系 统实时性要求和通信的信息量都明显高于其它节点，因此需要两条c a n 总线( 高 速c a n 和低速c a n ) 来连接整个系统。下图2 2 为上位机的双c a n 总线模块 硬件原理图。上位机的双c a n 模块兼具连接两路c a n 的网桥作用，该网桥具 有实现不同速率c a n 网段连接、不同网段的c a n 报文过滤和转发的功能。在 上位机中使用c a n ，c a n 网桥主要有以下三个方面的优点： 过滤信息量。网桥接收一个子网的报文，只有当报文是发送给网桥所连接 的另一个子网时才转发，否则不转发； 各网段可以使用不同的通信速率，提高了系统可靠性。当网络出现故障的 天津t 业人学硕l 学位论文 时候一般只影响个别网段，因此整个网络的性能得到改善。 扩大了通信距离，提了通信的最大节点数。 当然，使用网桥也有一定的缺点，如： 由于网桥对接收的帧要先存储后转发，增加了延时； c a n 总线的m a c 子层并没有流量控制功能。当网络上的负荷很重时， 可能因网桥中的缓冲区的存储空间不够而发生溢出，产生帧丢失的现象； 网桥若出现故障，对相邻两个子网的工作都将产生影响。 耳inn i l l inn时canck 布h 匝彤釜萨巫书釜莎玉 图2 2 双c a n 总线模块埂f ，l ：电路原理图 从以上图中可以看出单个c a n 总线节点电路主要由三部分组成：单片机 s s t 8 9 e 5 8 r d 2 、独立的c a n 通信控制器s j a l 0 0 0 、c a n 总线驱动器p c a 8 2 c 2 5 0 。 单片机负责s j a l 0 0 0 的初始化；s j a l 0 0 0 是p h i l i p s 公司生产的一款独立的c a n 控制器，它具有b a s i c c a n 和p e l i c a n 两种工作方式，而且s j a l 0 0 0 完全兼容 c a n 2 0 a 和c a n 2 0 b 两种技术规范。s j a l 0 0 0 在系统的通讯模块中实现数据的接 收和发送等通信任务；驱动器p c a 8 2 c 2 5 0 是c a n 控制器与物理传输线路问的接 口元件，提供对总线的差动发送和接收能力，具有高速、抗瞬间干扰和保护总线 的能力，并可以通过管脚8 的接地电阻控制脉冲斜率、降低射频干扰。此外利用 p c a 8 2 c 2 5 0 还可以方便地在c a n 控制器与驱动器之问建立光电隔离，以实现 第二章系统硬件设计 c a n 总线上各节点问的电气隔离。s j a l 0 0 0 的a d o a d 7 连接到单片机 s s t 8 9 e 5 8 r d 2 的p 0 口，s j a l 0 0 0 的面、丽、a l e 、丽分别与s s t 8 9 e 5 8 r d 2 的面、一w r 、a l e 、i 而相连就构成了一个简单的c a n 总线智能节点，单片机 通过读、写外部数据存储器的方式来访问s j a l 0 0 0 。但是此设计与传统常见的 c a n 智能节点相比，还有3 点明显的独特之处： 两模块的晶振设计。在此设计中引入一个跳线c o n 3 ，由此可以选择模块 时钟晶振的应用方式：不用跳线帽两模块分别使用一个各自的晶振电路，即两个 c a n 控制器可以使用不同的晶振频率；用跳线帽连接“o 州c k o ”和“c a n c k 两端，即两个。埘控制器使用同一个晶振电路，有相同的晶振频率；用跳线帽 连接“c a n c k ”和“c k o u t ”，其中一个c a n 模块的g 悄控制器s j a l 0 0 0 ( u 2 0 0 3 ) 从其“c l k o u t 引脚产生的时钟输出信号作为另一个c a n 模块的时钟信号。 这样就可以非常灵活的配置两个c a n 模块的时钟使用方案了。 复位信号的使用。s j a l 0 0 0 的复位信号r s t a 为低电平有效，而单片机的 复位信号是高电平有效，所以在设计时把单片机从复位引脚出来的复位信号 r s t o 经过一个t 乍r - j 后再给s j a l 0 0 0 ，这样就解决了二者复位信号电平的矛盾。 使用二极管的“线与操作实现中断扩展和中断资源的共享。两个c a n 控制器都可以产生中断输出，但是单片机的外部中断资源有限，因此设计两个 c a n 控制器复用一个外部中断端口。在上图中可以看出，当i n t 2 和i n t 3 的某个 扩展中断源有中断请求时，因二极管的“线与”功能，使i n t l 为低电平，从而 引起系统中断。进入中断后，通过查询两中断控制器s j a l 0 0 0 的中断寄存器便可 知道应该执行哪一部分中断服务程序。 2 2 3 液晶模块 为满足现场的条件，需要选择一款抗干扰能力强、运行稳定可靠的液晶显示 屏，本系统选用的是基于s e d l 3 3 0 控制器的c a 3 2 0 2 4 0 b 系列的3 2 0 2 4 0 点阵 图形液晶显示模块。s e d l 3 3 0 具有功能较强的i o 缓冲器、丰富的指令集，操作 灵活，应用广泛。 s e d l 3 3 0 的基本特点： 支持文本、图形和图文混排显示方式 呵在图形方式下三层混合显示 最多可控制6 4 0 x2 5 6 像素 l 可编程控制光标 可整屏或部分在水平和垂直方向平滑移动 占空比从1 2 到1 2 5 6 9 天津- t 业人学硕l ：学位论文 1 6 0 个5 7 点阵内建字符 可在随机字符发生器( c g r a m ) 建立“个8 1 6 的字符 可在固定字符发生器( c g r o m ) 建立2 5 6 个8 1 6 的字符 低功耗 m c u 可以利用两种方式对s e d l 3 3 0 进行访问。一种是直接访问方式：m c u 通过数据总线和控制信号采用i o 访问形式控制s e d l 3 3 0 ；另一种是间接访问方 式：m c u 通过并行口间接实现对s e d l 3 3 0 控制。本系统采用的是第一种连接方 式。液晶显示模块的接口电路如图2 3 所示。 图2 - 3 液品显示模块的接口电路 其中，d o d 7 为s e d l 3 3 0 与m c u 接口的数据总线；y 2 作为片选信号，低 电平有效；l w r 为写信号，低电平有效；l r d 为读信号，低电平有效；a 0 为寄 存器选择信号，a 0 与l w r 和l r d 组合为0 0 1 、0 1 0 、1 0 1 、1 1 0 分别实现写显示 数据和参数、读状念标志、写命令、读显示数据和光标地址功能；r e s 为复位 信号，低电平有效。 基于s e d l 3 3 0 控制器的液晶显示模块具有强大的显示功能，能够满足系统 中对数据显示的需求。s e d l 3 3 0 价格便宜，但是不带字库，为了提高灵活性， 使显示数据方便，在f l a s h 存储器内建立了所需要的字库，其中包括a s c i i 码字 库和汉字字库。系统中a s c i i 码使用8 x 1 6 点阵显示，汉字使用1 6 x 1 6 点阵显示。 2 2 4 微型打印机 为了方便数据的综合管理，更好的分析实时数据和故障数据，要求监测系统 可以打印实时数据报表和故障数据报表。为了减小应用系统的体积，系统采用了 新荣达电子有限公司研制、生产的m p 系列微型打印机。此系列打印机是一种前 换纸面板嵌入式微型打印机，自带全部字符集及1 6 x 1 6 点阵与1 2 x 1 2 点阵国标 第二章系统硬件设计 一、二级字库，打印机内部设有大容量输入缓冲区。此系列打印机采用的是串、 并口一体的打印机接口，本系统中采用的是并行接口方式。接口连接器为2 6 线 针型扁平电缆插座，可直接由单片机控制。打印机的接口电路如图2 4 所示。 o 刚2 6 图2 _ 4 打印机的接口电路 其中，s t b 为数据选通触发脉冲，上升沿时读入数据；d a t a l d a t a7 为 数据信号，这些信号分别代表并行数据的第一位至第八位信号，每个信号当其逻 辑为“1 ”时为高电平，逻辑为“o ”时为低电平；泵趸为回答脉冲，“低”电平 表示数据己被接受；b u s y 为忙信号，“高”电平表示打印机正“忙，不能接收 数据；z 丽为出错信号，经电阻上拉“高”电平，表示无故障；s e l 和p e 用于 自检；g n d 接地；n c 为空引脚。数据打印是通过中断完成的，数据打印过程中 不影响其他程序的正常运行。 2 3 下位机设计 下位机主要实现以下三个功能t 节点上的电压和电流采实时检测，由定时对节点上的电压和电流信号进行 采集实现； 运用傅立叶算法对采集的数据进行处理分析，计算节点电压、电流的有效 值和8 次谐波值( 由于单片机的计算速度和对浮点数的处理能力有限，因此谐波 次数不可能计算太高) ； 按规定的c a n 总线协议往上位机发送处理好的数据。 除c a n 接口模块外，各监测节点还包括m c u 控制模块、电压变换模块、 天津t 业人学硕i 二学位论文 电流变换模块、a d 采集模块等。 2 3 1 电源变换模块 本设计中电压互感器采用星格公司的s p t 2 0 4 a 。s p t 2 0 4 a 是毫安级电流型精 密电压互感器，其线性度优于0 1 ，相移小于5 度，额定输入电流和额定输出电 流均为2m a ，具有精度高、小巧轻便等特点。采用s p t 2 0 4 a 进行电压变换后图2 是s p t 2 0 4 a 的基本电路，其中，输入电压经限流电阻r s ，流过s p t 2 0 4 a 的原边 产生一个2m a 的额定电流，副边此时也会产生一个相同的电流o 副边电路是电 流电压变换电路，当需要电压输出时采用，调整图中反馈电阻r 和w 的值可得到 所需要的电压输出。电容c 及可调电阻r 是用来补偿相移的，2 个反接的二极管d 1 和d 2 起保护运算放大器作用，具体电路如下图2 5 所示。 电流变换部分采用精密电流互感器s c t 2 5 4 f k 来将电流信号转化为电压信 号。其额定输入电流为5 a ，额定输出电流为2 5 m a 。具体电路如下图2 8 所示， 电路原理与图2 6 相同。 图2 - 5 电压互感器电路图图2 - 6 电流互感器电路 2 3 2 信号放大电路 出 经过电压互感器和电流互感器变换后的电源信号幅值都非常小，若想单片机 能够对其进行有效的采集，必须经过放大器放大以后，达到a d 转换器的采集 范围彳可以。本设计采用的运算放大器是l m 3 2 4 ，l m 3 2 4 是四通用运算放大器 集成电路。该芯片具有内含相位校正回路、外围元器件少；即可用双电源工作， 也可用单电源工作，工作电源电压范围宽；输入电压范围几乎可低至零电平：输 出电压范围宽，可从0 v v c c 1 5 v ；消耗电流小等特点。由于选用的a d 转换芯 片t l c 2 5 4 3 只能采集正电压，所以经互感器变换后的信号经运算放大器放大到 输出电压范围一2 5 v + 2 5 v 后，必须经过电压偏置变成0 巧v 的萨电压，方可 送d 转换芯片进行采样。下图2 7 是放大电路，放大过程用到了两路放大器。 第二章系统硬件设计 2 3 3 模拟量采集模块 幽2 7 电压采集信号放人电路 系统采用t l c 2 5 4 3 作a d 转换器，把电压和电流模拟值转换成数字信号。 t l c 2 5 4 3 是t l 公司的1 2 位串行输出模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完 成a d 转换过程，片内转换器有高速、高精度和低噪音的特点。t l c 2 5 4 3 片内 带有一个1 4 通道多路器可以选择1 1 路模拟输入或3 个内部自测试电压中的任何 一个进行采样，并具有采样保持功能。同时它具有单双极性输出、可编程的m s b 或l s b 前导、可编程输出数据长度等特点。 因为s s t 8 9 e 5 8 r d 2 1 拘p 1 4 p i 7 i ；j i 脚都具有第二功能，那就是s p i 串行接口 的西、m o s i 、m i s o 、s c k 。s c k i j l 脚是主从模式下的时钟输入输出，在向主 机的s p i 数据寄存器写数后，s p i 时钟发生器启动，这样被写入的数据就从主机的 m o s i 输出，进入从机的m o s i 。在完成字节的数据传送后，s p i 时钟发送器停 止、s p i f 标志位置位。s p i 中断请求将产生，如果s p i 中断允许位( s p i e ) 和串行 中断允许位( e s ) 都被置位的话。外部主机驱动从机选择输入脚露p 【4 】为低来 选择s p i 模块为从机。如果西e q 4 没有置为低，从机s p i 单元将不被激活， m o s l p i s 仍可用作普通输入引脚。由于它和s s t 8 9 e 5 8 r d 2 都带有s p i 接1 2 1 ，因 而可将这两个器件连接到同一s p l 线，连接简单，而且数据传输速度快。下图2 8 是模拟量采集模块原理图。 图中t l c 2 5 4 3 的西