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(机械电子工程专业论文)仓库安全监控系统中的控制总线及其通讯体系研究.pdf.pdf 免费下载
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文档简介
武汉理工大学硕士学位论文 摘要 仓库安全是仓库能正常作业的前提。对仓库安全监控是保障仓库安全的重要 手段。隧着科学技术的发展和社会需求的提高,备式各样的监控和报警设备逐 步向模块化、智能化和网络化发展。这不仅提高了仓库的作业效率和水平t 更 使整个物流作业系统在现代科技的推动下日趋完善。 我星躁前仓库管理还存在诸多弱点,仓库监控也多采用人工监控方法,工作 效率较为低下。为提高仓库安全监控效率,结合现场总线、以太网和无线通信 技术,本文构建了一种仓库安全监控系统的构架,并简要介绍了各组成模块, 包括:e c a n 接口通信模块、基于c a n 总线的传感器数据采集模块、应急处理 模块。重点介绍基于c a n 总线的安全监控通讯系统的实现。论文主要研究内容 包括: ( 1 ) 深入研究仓库安全监控技术和相关理论,提出了基于现场总线技术的仓 库安全监控系统构架,并阐述系统各组成模块功能。 ( 2 ) 设计并完成传感器模块,采用传感器采集环境信息,通过n r f 9 0 5 无线 通信芯片将数据传输到挂接在c a n 总线上的无线接收终端。 渤详细探讨c a n 总线报文格式和t c p i p 协议,完成采用a t m e g a l 6 + r t l 8 0 1 9 a s + m c p 2 5 1 0 为主要芯片的e - c a n 接弱卡硬件设计,通过e - c a n 接 口卡实现c a n 总线和以太网双向通信。其中包括以太网控制芯片r t l 9 0 1 9 a s 驱动程序、u i pt c p i p 协议栈移植、m c p 2 51 0 驱动程序和基于c a n 总线的通信 协议制定。 最后,在总结全文工作的基础上,提出了进一步的研究建议和展望。 关键词:安全监控,c a n 总线,t c p 】擎协议 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w a r e h o u s es e c u r i t yi st h ep r e r e q u i s i t ef o rn o r m a lo p e r a t i o n so faw a r e h o u s e s e c u r i t ym o n i t o r i n go ft h ew a r e h o u s ei sa l li m p o r t a n tm e a n st op r o t e c tt h es t o r a g e s a f e t y w 珧s c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n ta n dt h ei m p r o v e m e n to fs o c i a l n e e d s ,aw i d ev a r i e t yo fs u r v e i l l a n c ea n da l a r me q u i p m e n t sg r a d u a n yb e c o m e m o d u l a f i z e a , i n t e l l i g e n ta n dn e t w o f g i n g n o to n l ya r et h eo p e r a t i o n a le f f i d e n c ya n d w a r e h o u s el e v e li m p r o v e d , b u ta l s ot h ee n t i r eo p e r a t i n gs y s t e mi nt h em o d e m l o g i s t i c sa n da d v a n c e dt e c h n o l o g i e sa r em a t u r i n ga n dp e r f e c t i n g c h i n a sc u r r e n tw a r e h o u s em a n a g e m e n ts t i l lh a sm a n yw e a k n e s s e s ,a n dt h e s t o r a g ei sm o n i t o r e dm a n u a l l yw i t hl o we f f i c i e n c y i no r d e rt oi m p r o v et h ew a r e h o u s e s a f e t ym o n i t o r i n ge f f i c i e n c y , aw a r e h o u s es a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e ma r c h i t e e t t n ei s c o n s t r u c t e dc o m b i n i n g 谢也t h ef i e l d b u s ,e t h e m e ta n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , a n dt h e nt h ev a r i o u sc o m p o n e n tm o d u l e si si n t r o d u c e di nd e t a i l ,s u c ha s c o m m u n i c a t i o nm o d u l eo fe c a ni n t e r f a c e , s e n s o rd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l eb a s e d o nc a nb u s ,a n de m e r g e n c yp r o c e s s i n gm o d u l e s p e c i a l l y , t h es a f e t ym o n i t o r i n g c o m m u n i c a t i o n ss y s t e mb a s e do n 渊b u si sf o c u s e do na n dr e a l i z e d m a i nc o n t e n t si n c l u d e : ( 1 ) t h ew a r e h o u s es a f e t ym o n i t o r i n gt e c h n o l o g ya n di t sr e l a t e dt h e o r ya r e s t u d i e d , a n dt h ew a r e h o u s es a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e ma r c h i t e c t u r eb a s e do nt h e f i e l d b u st e c h n o l o g yi s p u t f o r w a r dw h i l ee a c hs y s t e mc o m p o n e n tm o d u l ei s p r e s e n t e d ( 2 ) t h es e n s o rm o d u l ei sd e s i g n e da n dc o m p l e t e ds ot h a tt h ee n v i r o n m e n t a l i n f o r m a t i o ni sc o l l e c t e da n dt r a n s m i t t e dt ot h ew i r e l e s st e r m i n a l so nc a nb u s t h r o u g ht h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nc h i p ,i e n r f 9 0 5 ( 3 ) t h et e x tf o r m a to fc a nb u sa n dt c p i pp r o t o c o la r ed i s c u s s e d , a n dt h e h a r d w a r ed e s i g no fe c a ni n t e r f a c eu s i n ga t m e g a l6 + r t l 8 019 a s + m c p 2 5 loa s t h em a i nc a r di sd e s i g n e d , s ot h et w o - w a yc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc a nb u sa n d e t h e r n e ti sr g a l i z c db ye c a ni n t e r f a c ec a r d m a i nh a r d w a r ei sd e v e l o p e di n c l u d i n g 珏 武汉理王大学硕士学位论文 t h ed r i v e ro fe t h e m e tc o n t r o l l e rc h i pr t l 8 0 1 9 a s ,t h et r a n s p l a n t a t i o no fu i pt c p i pp r o t o c o ls t a c k , t h em c p 2 510d r i v e l , a n db u sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb a s e do n c a n a tt h ee n d , t h ef u r t h g rr e s e a r c hp r o p o s a l sa n dp r o s p e c t s 躺p u tf o r w a r da f t e r d e t a i ls 瑚卿 k e yw o r d s :s e c u r i t ym o n i t o r i n g , c a nb u s , t c p i pp r o t o c o l i i i 独创性声明 本人声明,所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果尽我所知,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,也不包含为获得武汉理工大学或其它教 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 研究生( 签名) :磁 e l 关于论文使用授权的说明 期:矽寥多照 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有 权保留、送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全 部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名,:盈l 虹导师( 签名) :辽量塑塾昌期:! 兰:至! ! 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着世界经济的快速发展和现代科技的进步,物流产业正作为国民经济中 的一个新兴的服务部门,在全球范围内迅速发展。在加入世贸组织后,我国的 物流产业开始加速发展。仓库作为现代物流系统中各巧节麓结合部,是物流系 统中重要组成部分。在现代物流系统中,仓库的功能已不在局限于存储功能, 其功能得到很大的增强,如调节供需、衔接运输、流通加工和配送等功能。仓 储系统已成为货运枢纽和配送中心不可缺少的重要组成部分卿】。 在物流系统中,仓库担负着货物储备、配送分配、生产支持等多种职麓。 同时仓库安全是仓库工作的前提,产生仓库安全隐患的原因有多种。有存储物 资性质的因素,如物资易燃、易爆以及易腐蚀、有毒等不安全因素;也有外部 环境和管理因素,如环境的温湿度变化弓l 超库存物资质量变化,继焉弓| 起仓库 安全的不确定性,或管理松懈引起盗窃事件的发生等。因为仓储在维持销售商 品的稳定、维持生产稳定、平衡企业物流以及平衡企业流动资金的占用方面都 发挥着举足轻重的作用,因此,预防仓储安全事故发生,是仓储工作的重要妇 容阎。 随着生产技术的发展,大型工程不断问世,使得完成一项工程所需的人力、 物力资源大大增加,因此,生产中各环节的衔接将显得十分重要。物流系统中 任俺一环发生重大事故所造成的生命财产损失和环境破坏将是壅大的,不允许 通过重大事故来总结经验,这就有必要通过建立完整的安全理论和制定严格的 操作程序来预防事故发生,将安全管理上升到科学管理阶段 0 3 - 0 4 。 传统的仓储系统安全保障多是用人工监控的方法,这样既耗费了大量的人 力物力,效果也不好。舀前,仓储安全系统逐渐向智能纯、模块化和薅终化发 展,这不仅改进了仓储系统的工作效率与质量,更使得整个物流系统在现代科 技的推动下日臻完善。其中现场总线技术的飞速发展在仓储系统安全监控的全 面数字亿、网络纯中起了十分重要的作震。现场总线的开放性、互操作性、对 环境的高度适应性等特点能够很好地服务于仓库安全监控系统。同时现场总线 武汉理工大学硕士学位论文 能够灵活地组网,组成多种网络拓扑结构,有利于监控系统监控设备的扩展【0 5 1 。 仓储系统安全是保证仓库正常运作的前提。从广义上来讲仓库的安全包括 仓库设备设施安全、仓储物资安全和仓库人员安全三个方面。仓库设计建成后, 可以通过制定规范的操作流程、提高工作人员的素质和采用先进的安防设备来 保障仓储系统的安全。一般,仓库安全监控系统由入侵报警系统、防火防盗报 警监控系统、环境监控系统、视频监控系统、出入口控制系统、电子查询系统、 保安通讯系统、仓储网络安全监控系统等子系统模块中的一个或几个模块组合 而成 0 6 - 0 7 1 。 系统的特点主要有【吣】: ( 1 ) 被监控设备的正常运行与监控系统的操作使用互不干涉; ( 2 ) 系统主要设备采用结构、功能的冗余设计,不会出现瓶颈问题; ( 3 ) 系统具有自诊断功能,对各种程序出错、通道干扰等均可自动恢复,对 通信终端、软硬件故障等能够诊断并及时告警; ( 4 ) 系统具备应对多事件同时发生的处理能力; ( 5 ) 系统采用标准化、网络化、免维护的系统结构; ( 6 ) 系统具有灵活系统扩充和多级组网能力; ( 7 ) 基于网络的图像监控系统可满足远程监控的用户采用浏览的方式,对系 统进行操作及现场图像的查看。 1 2 本文研究的内容和主要工作 本文研究的主要工作为:一、根据仓库安全防范的要求,设计一个仓库安 全监控系统的基本构架;二、进行仓库安全监控系统的控制总线和通讯系统研 究。具体而言,本文研究的主要内容集中在以下三个方面: ( 1 ) 从防火和防盗两个方面,初步构建仓库安全监控模型; ( 2 ) 深入研究仓库安全监控中的控制总线和通信相关理论与技术,详细研究 c a n 总线通信和以太网通信。为了方便系统监控,将无线射频通信技术应用到 系统设计中,使系统功能更完善; ( 3 ) 重点解决总线通信及其平台设计,选取a t m e g a l 6 4 - m c p 2 5 1 0 为c a n 总线通信部分,a t m e g a l 6 - k r t l s 0 1 9 a s 为以太网通信平台,实现硬件设计和软 件设计,完成监控系统。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本文组织结构 本文共分5 章: 第1 章绪论:主要介绍仓库安全的重要性,课题的研究背景以及本课题的 主要研究内容和主要工作; 第2 章仓库安全监控系统及现场总线技术:初步构建仓库安全监控系统框 架,就现场总线技术及系统的各主要模块进行分析; 第3 章仓库监控系统硬件实现:主要讨论监控系统的环境监测、控制总线 硬件架构; 第4 章仓库监控系统控制总线和通信的软件实现:主要讨论仓库安全监控 系统的各模块的软件实现,并给出了软件实现的流程图; 第5 章总结及展望:对全文进行了总结,归纳了本文的工作和成果,以及 系统需要进一步改进和扩展之处。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章仓库安全监控系统及现场总线技术 在仓库安全监控系统中,各种现代技术应用其中,如计算机技术、多媒体 技术、网络技术等,使监控系统的功能更强大、内容更直观、运行更可靠。对 于安全监控系统,采用一种可靠、便于拓展的控制系统也是必要的,现场总线 由于其便于组态和修改,能够提高系统的精度和降低系统成本等优势被广泛应 用于工业控制和检测中。 2 1 仓库安全监控概述 为了保证仓库中的物资和设备安全,仓储安全系统要求准确、高效、无延 时地进行各仓库现场信息的采集、处理、管理及反馈,对突发事件做出及时的 反应。仓库的风险等级由所存储的物资的经济价值和社会重要性可分为一级风 险、二级风险和三级风险。对应的防护等级分别为一级防护、二级防护和三级 防护。 仓库安全系统可由防火防盗监控系统、视频监控系统、入侵报警系统、出 入口控制系统和保安通信系统等模块中的一个或几个组合而成。例如视频监控 系统用于对监控范围内的区域进行巡视或定点切换监视,能够存储监控的数据, 并记录时间、地点等信息,以便于查询。出入系统则用于对进出库区的控制, 能够记录、查询和打印库区的出入信息,显示出入的车辆和人员的信息等功能。 保安通信系统则是利用现代通信设备,及时通报警情,维护仓库安全,将探测 和反应结合起来【叫。 仓库安全监控也可以采用多种监控技术。在通信方式上,可以选择有线通 信或无线通信,有线通信可以采用通信电缆、双绞线、光纤、电话线等介质实 现。例如在保安通信中,可以采用数字程控交换机组成局域网,实现监控中心 与库房中各工作地点的通信联络功能。为方便值班人员与监控中心的联络,也 可以建立一套无线对讲系统,可在库区安装一个基站以增大无线通信范围以覆 盖整个库区。对于仓库环境监控,可采用多种传感器结合,如防火防烟探头、 气体探测器等,采用多传感器结合的方式可实现环境全面检测。视频监控设备 4 武汉理工大学硕士学位论文 选用上包括数字视频监控设备和模拟视频监控设备,例如采用矩阵切换器组成 的闭路监视系统,可以同时将多路视屏和音频信息传输给监控中心;多画面分 割监视系统能够实时对多画面进行处理,集视频多画面处理、视频动态报警探 测和多两面录像为一体 1 0 q 1 1 。随着科技的发展,基于g s m ( g l o b a ls y s t e mf o r m o b 诅ec o m m u n i c a t i o n s ,全球移动通讯系统) 的安全监控报警系统也应用于仓库 安全监控中,利用已有的g s m 网络,通过控制芯片对g s m 模块进行控制,可 将系统信息以短信或电话方式传送子管理员或监控中心拜2 1 。常用的g s m 模块有 西门子公司的t c 3 5 或华为的g s m 9 0 0 g s m l 8 0 0 。 2 2 现场总线技术 现场总线技术是在8 0 年代后期发展起来的一种先进的现场工业控制技术。 它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等 多种技术手段,构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多 接点的通信与控制系统。现场总线具有开放性、互操作性、系统结构的高度分 教性、现场设备的高度智能化、灵活的网络拓扑结构、对环境的高度适应性等 特点。通过采用智能仪器与现场总线结合而形成的现场总线控制系统将在未来 逐步取代现行的集散控制系统。 嚣前国际上较为流行的现场总线的种类主要有:基金会现场总线、p r o f i b u s 、 l o n w o r k s 、w o r l d f i p 和c a nb u s 等【1 3 4 1 。 ( 1 ) 基金会现场总线( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ,f f ) 。基金会现场总线是由美国仪 器协会( i s a ) 1 9 9 4 推出。释总线不附属予任何一个企业或国家。其总线体系结构 是参照i s o 的o s i 模型中物理层、数据链路层和瘦用层,著增加了用户层丽建 立起来的通信模型。f f 提供两种物理标准:h 1 和h 2 。h 1 为用于过程控制的低 速总线,速率为3 1 2 5 k b p s ,最大传输距离为1 9 0 0 m 种。h 2 的传输速率可为1 m b p s 和2 5 m b p s 两种,其透信距离分别为7 5 0 m 和5 0 0 m 。物理传输介质可支持双绞 线、同轴电缆和光纤,协议符合i e c l l 5 8 - 2 标准。h 1 支持总线供电和本质安全 特性,最多可直接连接3 2 个节点( 非总线供电) ,1 3 个节点( 总线供电) ,6 个节点 ( 本质安全要求) 1 1 5 1 。 主,一、? 至 7 “一7 4 ,一一 。燕i 2 j 潞现童i 各无焘f 。一 ! = = = = = = d 场传感设稀 现场垃各 艄“o ( z ) 传感器采集处理模块 该模块主要用于采集环境信号,并通过c a n 总线将数据上传。同时能够接 收上位机发送的命令,并执行相应动作,如传感器校正等工作。对于不方便布 线的情况,可以采用无线传感器模块,将采集的数据通过无线的方式发送给挂 接在c a n 总线上的无线数据采集模块。 ( 3 ) 应急处理模块 应急处理模块包括防火门或防火隔离墙等设备,当发生火灾等险情时,可 用来隔离灾区,减少损失。 峪 一 磐星_ 队 器i 曝鳜无 , 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章仓库监控系统硬件实现 根据系统模块设计要求,本系统硬件主要包括传感器节点和e - c a n 接翻卡 两部分。 3 1 传感器数据采集模块设计 为了方便传感器布置和环境信息采集,仓库传感器采集模块可以分力有线 模块( c a n 总线接口) 和无线模块。基本结构分别如图3 1 ( a ) 、图3 - 1 ( b ) 所示。 扩 匦匾口 匮垭圆三圈 无线数据采集模块 护臣匾夏口 艇詈圈 图3 - 1 传感器数据采集模块 3 1 1a t m e g a l 6 芯片简介 ( b ) c a n 总线数据采集模块 黄感器数据采集模块的圭控芯片为a t m e l 公司的a v r 单片机。a v r 的主 要特性有以下4 点f l s - 2 0 : ( 1 ) 高速运行 a v r 单片机是增强型内置f l a s h 的r i s c 承c d u c c di n s t r u c t i o ns e tc p u ) 精简 指令集高速8 位单片机。采用精简指令集,以字作为指令长度单位,将操作数 与操作码安排在一字之中,使指令集中大多数指令为单周期指令,取指周期短, 又可预取指令,实现流水作业,故可高速执行指令。同时a v r 单片机硬件结构 帮采用局部寄存器存堆( 3 2 个寄存器) 和单体高速输入芦输出的方案( 即输入捕获寄 存器、输出比较匹配寄存器及相应控制逻辑) ,提高了指令执行速度( 1 m i p s m h z ) 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 丰富的片内资源 a v r 单片机内嵌长寿命的e e p r o m 可长期保存关键数据,避免断电丢失。 片内大容量的r a m 不仅能满足一般场合的使用,同时也更有效地支持使用高级 语言开发系统程序。 同时,a v r 单片机除了拥有单片机常用的定时器、串口通信模块外,还具 有面向字节的高速硬件串行接口”、s p i 。t m 与1 2 c 接口兼容,具备a c k 信号硬件发送与识别、地址识别、总线仲裁等功能,能实现主从机的收发全部 4 种组合的多机通信。s p l 支持主从机等4 种组合的多机通信。 ( 3 ) 高可靠性 a v r 单片机有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电路 b o d ,多个复位源( 自动上厂f 电复位、外部复位、看门狗复位、b o d 复位) ,可 设置的启动后延时运行程序,增强了嵌入式系统的可靠性。 ( 4 ) 方便高效的开发环境 a v r 单片机内嵌高质量的f l a s h 程序存储器,擦写方便,支持i s p 和l a p , 部分产品支持j t a g ,便于产品的调试、开发、生产、更新。 由于a v r 单片机有充足的片内r a m ,可以采用高级语言对单片机编程, 大大降低了开发难度,同时也增加了系统的可维护性和可移植性。a v r 的开发 工具不仅包括a t m e l 公司提供的a v rs t u d i o ,还包括多种编译软件。如: g c c a v r 、i c ca v r 、i a ra v r 、c o d ev i s i o na v r 、a t m a na v r 、b a s c o m - a v r ( 以 b a s i c 语言为基础的a v r 开发平台) 。 同时,a v r 单片机具有多种省电休眠模式,且可宽电压运行( 5 2 邢,使得 使用者在使用时可以更方便地组成控制系统。 考虑到开发的一致性,本设计都采用a t m e g a l 6 芯片。该芯片有1 6 k 字节 的系统内可编程f l a s h ( 具有同时读写的能力) ,5 1 2 字节e e p r o m ,1 k 字节 s r a m ,3 2 个通用i o 口线,3 2 个通用工作寄存器,用于边界扫描的j t a g 接 口,支持片内调试与编程,三个具有比较模式的灵活的定时器计数器( t c ) ,片 内外中断,可编程串行u s a r t ,8 路1 0 位具有可选差分输入级可编程增益( t q f p 封装) 的a d c ,具有片内振荡器的可编程看门狗定时器,一个s p i 串行端口, 以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。 在省电模式下,异步定时器继续运行,允许用户保持一个时间基准,而其 余功能模块处于休眠状态;a d c 噪声抑制模式时终止c p u 和除了异步定时器 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 与a d c 以外所有i o 模块的工作,以降低a d c 转换时的开关噪声:s t a n d b y 模 式下只有晶体或谐振振荡器运行,其余功能模块处于休眠状态,使得器件只消 耗极少的电流,同时具有快速启动能力;扩展s t a n d b y 模式下则允许振荡器和 异步定时器继续工作口1 1 。 3 i 2n r f 9 0 5 无线通信芯片 无线通信技术自发明到现在的一个多世纪以来,给人们的生产及生活产生 了重大影响。从无线通信方式上看,可以分为无线数字通信和模拟无线通信, 由于数字通信较模拟通信有抗干扰、抗噪声性能号,差错可控制,易加密等特 点而被广泛应用圈。 在本设计中采用n o r d i c 公司的n r f 9 0 5 射频芯片。该芯片单片即可实现收发, 工作在4 3 3 8 6 8 9 1 5m h z 的i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n c ea n dm e d i c a l ,工业、科研和医 疗1 频段,可实现多频道通信。工作电压为1 9 3 6 v ,在发送状态,输出功率为 1 0 d b m 时典型值为l l m a ,在接收状态,典型电流为1 2 5 m a ,芯片功耗低。芯 片外围电路要求原件少,可降低成本和开发难度。芯片最大发射功率达到+ 1 0 d b m ,典型灵敏度1 0 0 d b m 。芯片内置了电源管理、晶体振荡器、频率合成器、 功率放大器等模块,同时通过内部硬件实现g f s k 调制解调、载波检测、地址 匹配、自动产生前导码和c r c 校验。当侦测接收到数据包后,能通过引脚电平 变换,发出数据准备好信号。芯片可通过s p i 口与单片机( m i c r o e o n t r o l l e ru n i t , m c 相连通信团】。芯片结构图见图3 2 。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 2 n r f 9 0 5 结构图 n r f 9 0 5 有四个工作模式,分别为掉电模式、待机和s p i 编程模式、s h o c kb u r s t 发射模式、s h o c kb u r s t 接收模式。芯片的工作模式由t r x c e 、t x c e 、p w r 组合配置。见表3 1 。 表3 - 1n r f 9 0 5 工作模式控制 p w rt r xc et xe n 工作模式 oxx 掉电和s p i 编程模式 10x 待机和s p i 编程模式 ll0s h o c kb u r s t 接收 llls h o c kb u r s t 发送 在掉电模式中,芯片的电流消耗最小,典型值低于2 5 u a 。此时n r f 9 0 5 不 处于活动状态,并且配置字的内容保持不变。 当芯片处于待机模式时,芯片能保证切换到s h o c kb u r s t 发送和s h o c kb u r s t 接收的时间最短同时保持电流消耗最小。在此模式下,芯片部分晶振是活动的, 电流消耗由晶振的频率决定,晶振频率越高,消耗电流越大。在此模式下,芯 片的配置字内容同样保持不变。如果芯片的频率输出引脚u p c l k 被使能,电流 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 消耗将增加。故在设计中,调试时使能u p c l k ,以观察芯片是否正常工作,当 芯片处于实际工作环境中时,禁止u p c l k ,减少功耗。 采用s h o c kb u r s t 模式收发是该系列芯片的特色。s h o c kb u r s t 技术使n r f 9 0 5 能够提供高速的数据传输而不需要昂贵的高速单片机来进行数据处理或时钟覆 盖。通过将与r f 协议有关的高速信号处理放到芯片内,n r f 9 0 5 提供给m c u 一 个s p i 接口,n r f 9 0 5 和m c u 的通信速率由m c u 决定,n r f 9 0 5 通过s h o c k b u r s t 工作模式,使r f 以最大速率进行连接时降低数字应用部分的速度来降低在应用 中的平均电流消耗。在s h o c kb u r s t 接收模式下,地址匹配( a d d r e s sm a t c h ,a m ) 和数据就绪( d a t ar e a d y ,d 鼬信号通知m c u 一个有效的地址和数据包已经接收 完成。在s h o c kb u r s t 发送模式下,n r f 9 0 5 自动产生前导码和c r c 校验码,数 据就绪( d r ) 信号通知m c u 数据传输完成。这降低m c u 的要求和缩短了软件开 发的难度与时间。 n r f 9 0 5 与m c u 的所有通信都是通过s p i 接口完成。芯片内部包括5 组寄 存器,分别为:状态寄存器( s t a t u s r e g i s t e r ) 、r f 配置寄存器c o n f i g u r a t i o n r e g i s t e r ) 、发送地址( t x a d d r e s s ) 、发送数据缓冲区( t x p a y l o a d ) 、接收数据缓冲 区限x p a y l o a d ) 。内部寄存器组织结构见图3 3 。 图3 3n r f 9 0 5 内部寄存器 武汉理工大学硕士学位论文 r l r f 9 0 5 共有l o 个引脚引出来与外部控制芯片连接,如图3 - 4 所示。无线通 信模块实物见图3 - 5 。n r f 9 0 5 通信电路板如图3 6 所示。 图3 4n r f 9 0 5 硬件接口图 图3 - 5n r f 9 0 5 通信模块图3 q 5n r f 9 0 5 通信电路板 3 1 3 环境监控传感器 仓库监控中环境信息的采集主要通过防火和防盗两种类型的传感器来完 成。防火信息主要通过温度、烟雾、火焰等传感设备采集。防盗报警探测器可 由超声波传感器、热释电红外传感器和微波传感器等组成2 4 】。 目前为止,人们还无法找到一个标准的火灾发展模型,对于火灾参数的变 化也只是一个大体上的感知,测得的火灾信号都是随机信号。它们的特征随时 问或环境的变化而变化,被监测信号的背景噪声很强,其特征有时与被探测的 武汉理工大学硕士学位论文 信号极其相似。根据燃烧理论,火焰的燃烧过程,大致可分为四个阶段:起始 阶段、闷烧阶段、火焰阶段和高热阶段1 2 5 1 。在起始阶段,燃料开始气化,并产 生极细的微粒,受布朗运动、扩散、附近空气流动的影响。在闷烧阶段,火开 始起燃,进行氧化还原的作用。对流运动温和。在火焰阶段,产生明显的火焰, 氧化还原急剧进行。火焰放射出可见光、紫外线、红外线、及辐射热。在高热 阶段,释放出大量的热量。报警系统中对火灾信号的检测采用多传感器多判据 的技术,将探测到的多元信息经微处理器综合判断后才判定是否存在火灾危险。 例如起始阶段与闷热阶段时间一般很短,有的会直接到达火焰阶段,感光式探 测器可尽快采集到信息。而进入高热阶段,宜选用温度传感器。本文着重介绍 用于环境温度数据采集的温度传感器d s l 8 8 2 0 。 3 1 3 1 温度传感器d s l 8 8 2 0 介绍 在传统的模拟信号远距离温度测量系统中,需要很好地解决引线误差补偿 问题、多点测量切换误差问题和放大电路零点漂移误差问题等技术问题,才能 够达到较高的测量精度。另外,一般监控现场的电磁环境都非常恶劣,各种干 扰信号较强,模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差,影响测量精度。因 此,在温度测量系统中,采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些 问题的最有效方案。d s l 8 8 2 0 是由d a l l a s 公司生产的单线数字化温度传感器。 其特点是运用“一线总线”( o n e w i r e ) 技术,实现传感器轻松组网,方便测量系统 构建【2 6 1 。 d s l8 8 2 0 的主要特性有【2 。7 】: ( 1 ) 适应宽电压范围。电压范围:3 o 5 5 v ,在寄生电源方式下可由数据线 供电; ( 2 ) 独特的单线接口方式。d s l 8 8 2 0 在与微处理器连接时仅需要一条线即可 实现微处理器与d s l8 8 2 0 的双向通讯; ( 3 ) d s l 8 8 2 0 支持多点组网功能。多个d s l 8 8 2 0 可以并联在唯一的单线上, 实现组网多点测温; ( 4 ) d s l 8 8 2 0 在使用中不需要任何外围元件,全部传感元件及转换电路集成 在集成电路内; ( 5 ) 温范围5 5 , - - , + 1 2 5 ,在1 0 + 8 5 范围内,精度为士o 5 ; ( 6 ) 可编程的分辨率为9 - - - 1 2 位,对应的可分辨温度分别为0 5 、0 2 5 1 2 、 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 0 1 2 5 和0 0 6 2 5 ,可实现高精度测温; ( 7 ) 在9 位分辨率时最多在9 3 7 5 m s 内把温度转换为数字,1 2 位分辨率时最 多在7 5 0 m s 内把温度值转换为数字; ( 8 ) 测量结果直接输出数字温度信号。以“一线总线”串行传送给c p u ,同时 可传送c r c 校验码,具有极强的抗干扰纠错能力;、 ( 9 ) 负压特性。电源极性接反时,芯片不会因发热而烧毁,但不能正常工作。 3 1 3 2d s l 8 8 2 0 应用电路 d s l 8 8 2 0 的供电方式有寄生电源供电和单独供电两种方式。 采用寄生电源供电时,d s l 8 8 2 0 从单线信号线上汲取能量:在信号线d q 处于高电平期间把能量储存在内部电容里,在信号线处于低电平期间消耗电容 上的电能工作,直到高电平到来再给寄生电源( 电容) 充电。独特的寄生电源方式 有三个好处:( 1 ) 进行远距离测温时,无需本地电源;( 2 ) 可以在没有常规电源 的条件下读取r o m ;( 3 ) 电路更加简洁,仅用一个i o 口实现测温。 要想使d s l 8 8 2 0 进行精确的温度转换,i o 线必须保证在温度转换期间提 供足够的能量,由于每个d s l 8 8 2 0 在温度转换期间工作电流达到l m a ,当几个 温度传感器挂在同一根i o 线上进行多点测温时,只靠4 7 k 上拉电阻就无法提 供足够的能量,会造成无法转换温度或温度误差极大。图3 - 7 ( a ) 的电路只适应于 单一温度传感器测温情况下使用,不适宜采用电池供电系统中。并且工作电源 v c c 必须保证在5 v ,当电源电压下降时,寄生电源能够汲取的能量也降低,会 使温度误差变大。图3 - 7 ( b ) 的电路为改进的寄生电源供电方式。为了使d s l 8 8 2 0 在动态转换周期中获得足够的电流供应,当进行温度转换或进行e 2 r a m 存储器 操作时,用m o s f e t 把i o 线直接拉到v c c 就可提供足够的电流,在发出任何 涉及到拷贝到e 2 存储器或启动温度转换的指令后,必须在最多1 0 p s 内把i o 线 转换到强上拉状态。在强上拉方式下可以解决电流供应不足的问题,因此也适 合于多点测温应用,缺点就是要多占用一根i o 口线进行强上拉切换。 由于采用寄生供电可能存在供电不足,导致温度转换不能正常进行;或是 由于采用强上拉寄生供电,将使控制复杂和占用系统i o 资源,故单独供电是最 好选择。d s l 8 8 2 0 外部供电方式的多点测温见图3 8 。采用单独供电可以提高系 统的稳定性,充分发挥芯片在3 5 v 时都能够工作的宽电压特性,同时,电路 也比较简单易行。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 d s l 8 8 2 0 c o ) 图3 7d s l 8 8 2 0 寄生供电测温原理图 d s l 8 8 2 0d s l 8 8 2 0 v c c v c c一 图3 8d s i8 8 2 0 外部供电方式的多点测温原理图 3 1 4c a n 总线通信 与其他现场总线相比,c a n 总线得到较多芯片厂商的支持。目前生产c a n 器件的知名厂商有:i n t e l 、p h i l i p s 、m o t o r o l a 、t i 、s i e m e n s 、m i c r o c h i p 等。这些器件既有独立的c a n 控制器,也有包含c a n 内核的微控制器,还有 c a n 收发器、c a n 远程i o 等。器件的工作电压也从传统的5 v 拓展到3 v 3 3 v 。 目前,我国工业上应用最广泛的独立c a n 控制器芯片是p h i l i p s 公司的 s j a l 0 0 0 。它具有低成本、高可靠性、支持远距离通信等特点,但在应用中具有 一些缺点,比如:地址总线和数据总线的分时复用,常导致接口效率低下;接 收和发送缓冲器的个数太少,导致数据吞吐率低下;帧屏蔽器和过滤器的设置 不够灵活,不能满足同时需要更多屏蔽和过滤条件的要求等。 为了简化c a n 总线接口应用设计,同时提高c a n 总线通信的稳定性和效 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 率,本文采用m i c r o c h i p 公司生产的一种独立的可编程c a n 控制器芯片 m c p 2 5 1 0 。该芯片完全支持c a n 总线v 2 0 a 和v 2 0 b 技术规范,能够发 送和接收标准和扩展报文。它同时具备验收过滤以及报文管理功能,芯片包含 三个发送缓冲器和两个接收缓冲器,同时还具有灵活的中断管理能力,减少了 m c u 的管理负担。m c u 与m c p 2 5 1 0 的通讯是通过s p i 来实现的,其数据传输 速率高达5 m b p s 。 3 1 4 1m c p 2 5 1 0 的结构及工作原理 m c p 2 5 1 0 有p d i p 、s o i c 和t s s o p 三种封装形式。图3 - 9 为m c p 2 5 1 0 的 引脚排列图拐- 2 9 】。 t x c a n r x c a n c l k o u t 厂i x o i u s 厂l x l r t s 厂i x 2 r t s o s c 2 o s c l v s s v d d 瓜s t c s s o s i s c k i n t r x o b f r x l b f 图3 - 9m c p 2 5 1 0 d i p 封装引脚排列图 m c p 2 5 1 0 的内部包括c a n 协议引擎、s p i 协议模块和用来为器件及其运行 进行配置的控制逻辑和s r a m 寄存器。芯片内部结构如图3 1 0 所示。m c u 通 过s p i 接口与器件进行通信。通过使用标准s p i 读写命令对所有寄存器进行读 写操作。 c a n 协议引擎的功能是处理所有总线上的报文发送和接收。m c p 2 5 1 0 的发 送操作通过3 个发送缓冲器来实现。这3 个发送缓冲器各占据1 4 字节的s r a m 。 第1 字节是控制寄存器t x b n c t r l ,该寄存器用来设定信息发送的条件,且给 出了信息的发送状态;第2 6 字节用来存放标准的和扩展的标识符以及仲裁信 息;最后8 字节则用来存放待发送的数据信息。发送数据是通过s p i 接口调用发 送请求命令( r e q u e s tt os e n d ,r t s ) 或使用发送使能引脚以启动发送操作。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 鞭 - _ _ t x c a nl 引擎 3 个t x 缓冲器 6 个接收 滤波器 2 个r x 缓冲器 报文集合 缓冲器 控制逻辑 s p i 卜厩 i c s 接口阿 逻辑卜万 腻 r x o b f r x l b f 厂i x 0 i u s ,1 7 x i r t s 厂r x 2 r t s 图3 1 0m c p 2 5 1 0 内部结构框图 m c p 2 5 1 0 在c a n 总线上的数据接收是通过两个接收缓冲器、两个接收屏蔽 器、六个接收过滤器的组合来实现的。c a n 总线上的帧只有同时满足至少任意 一个接收屏蔽器和一个接收过滤器的条件才可以进入两个接收缓冲器之一。单 片机通过s p i 接口可以读取接收缓存器数据。 系统的中断
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