（电力电子与电力传动专业论文）磁浮列车通信信息网车厢总线的设计开发.pdf

西膏变量大学研究生学位论文页 a b s t r a c t t h em e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e mi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o n s t i t u t ep a r t so n m a g l e v t r a i n m a g l e v t r a i n c o m m u n i c a t i n gi n f o r m a t i o nn e t ，m a i n l y c o n s i s t e do f c o m p u t e ro nt r a i na n ds i n g l ec h i pc o n t r o l l e r ，m a k e su pt h eb l o o dv e s s e lo fa u t o m a t i c s y s t e mo fm a g l e vt r a i n c e n t e rc o n t r o la n dm o n i t o rw e r er e a l i z e dw i t ht h i sn e tw h i c h c o n n e c t e da l lt h ee q u i p m e n to nt r a i n t h em a i ns t r u c t u r eb l u ep r i n to ft h em a g l e vt r a i n c o m m u n i c a t i n gi n f o r m a t i o nn e tw a s d e s c r i b e da n dt h ec o n s t i t u t eo ft r a i nb u sa n dv e h i c l e b u s 、t h ee l e c t r i cc h a r a c t e ro fc a nb u sa n dr s - 4 8 5b u s 、t h ep r i n c i p l eo fm u l t i c o m m u n i c a t i o nw e r ee x p a t i a t e di nt h ep a p e r t h em a i nt a s ko f t h ep a p e ri st oi n v e s t i g a t e 、d e s i g na n de x p l o i tt h ev e h i c l eb u so f t h e n e t e q u i p m e n ti n t e r f a c eb o a r d ，w h i c hc o n n e c te q u i p m e n ta n dt h ev e h i c l eb u s ，w a s d e s i g n e da n dr e a l i z e d a n dt h es c h e m a t i c so ft h eb o a r dw a sg i v e n w i t ht h ed o u b l e c o m m u n i c a t i n gs y s t e m ，t h ep a p e r t e s t e da n d a n a l y z e d t h er s - 4 8 5i n t e r f a c e c h i p m a x l 4 8 0 a ba n dm a d et h eb e s ts e l e c t i o n t h ep a p e ra l s oc o m p l e t e dt h em a t c h i n gd e s i g n b e t w e e nt h e e q u i p m e n t i n t e r f a c eb o a r da n dd c d cc o n v e r t e r 、c u r r e n tc o n v e r t e ra n d s u s p e n dc o n t r o l l e r b a s e do nt h ec h a r a c t e r so ft h er s - 4 8 5v e h i c l eb u sa n dt h e s p e c i a lc o n d i t i o n o f m a g l e vt r a i n ，t h ep a p e rd e s i g n e das e to fc o m m u n i c a t i n gp r o t o c o la n da l s og a v et h ef l o w c h a r to ft h e p r o g r a m t h e 1 6b i tc c i t tt a b l ec r cw a sa l s or e a l i z e dw i t ha s s e m b l e l a n g u a g ei nt h ep a p e r t h et e s ts c h e m eo ft h ev e h i c l eb u sw a sd e t a i l e da n dt h em e a s u r ee r r o r 、s t a b i l i t y 、 u n t i - j a m m i n ga n dr e a l - t i m ec h a r a c t e rw e r et e s t e da n da n a l y z e d a tt h es a m et i m e ，a n i d e a ld e s i g nb l u ep r i n to fe q u i p m e n ti n t e r f a c eb o a r dw a sp u tf o r w a r da tt h ee n do ft h e p a p e r g e y w o r d s ：v e h i c l eb u s r s - 4 8 5 c o m m u n i c a t i n g i n f o r m a t i o nn e t m a g l e v t r a i n 佟班2 0 0 0 - 4 2 l ， 西南交鼍大学研究生学位论文簟1 页 第一章概论 高速铁路的发展不仅是国家国民经济发展的关键，也是国家科技发 展水平的标志。对我国这样一个面积辽阔、自然资源丰富、人口众多的国 家来说，如何提高铁路运营速度、运量及可靠性已成为目前铁路发展的重 点。和传统的轮轨铁路相比，磁浮高速铁路以其噪音低、震动小、速度快、 转弯半径小、爬坡能力强等优点为铁路交通开辟了新的发展空间，它在旅 行时间、经济性、与环境的兼容性、安全性及舒适性等方面都有良好的表 现和应用前景。 从1 9 6 9 年德国m b b 公司设计的第一台磁浮原理车辆开始，磁浮列车 经历了3 0 年的高速发展，速度从原来的l o o k m h 提升到现在的4 5 0 k m h ， 整车的稳定性和安全性都达到了较高的水平。日本、英国、前苏联等国家 都对磁浮列车的研究作了大量的投入，而且都有了自己的较为成型的产 品。图1 1 给出了英国、德国和日本的试验磁浮列车所能达到的最高速度 及其年份。 圈1 1 磁浮列车速度发展概况 西南交通大学从1 9 8 7 年开始进行磁浮列车的研制工作，已经成功地 实现了4 吨车的悬浮、慢速运行及转向功能，目前正进行更高层次的磁浮 列车的研制工作。本文设计开发的磁浮列车通信信息网车厢总线将应用到 ， 该所研制的新一代磁浮列车上。 磁浮列车通信信息网是磁浮列车的重要组成部分，计算机和微处理 器的快速发展为磁浮列车通信网的发展提供了强有力的技术支持。目前， 以车载微机和单片控制器为主的磁浮列车通信信息网已成为磁浮列车自动 化系统的血脉，它完成对列车的机车控制、车辆控制、运行控制、状态监 测以及故障诊断等主要功能。 参照国际电工委员会i e c 所制定的“列车通信网络”标准，铁道部科 技司一九九六年制定了高速试验列车控制、诊断信息通信网络规范， 对网络的基本任务、结构等提出了总体方案，用于指导高速列车通信网络 的设计。本文对规范进行了深入细致的研究，以遵循原则为基础，结 合现阶段磁浮列车在我国实际的发展情况，设计了一套适用于磁浮列车的 通讯、控制、检测网络系统，对下层车厢总线结构设计、设备接口卡制作 以及通信软件的开发进行了大量深入细致的工作，对车厢总线的实时性、 抗干扰性以及误差进行了系统的分析，并对整套系统的设计过程及现场应 用中需要注意的一些问题作了详细的说明，衷心希望本文能作为现场控 制、检测、通信信息网络研究人员的一份较为实用的参考材料。 佟强2 0 0 0 - 4 - 2 1 ， 3 页 第二章试验磁浮列车通信信息网总体设计 2 1 列车总线和车厢总线的一般规范 高速试验列车控制、诊断信息网络规范描述了高速试验列车车上 信息网的总体结构规范。网络分为上、下两层，分别称为列车总线和车厢 总线。列车总线是由各个车厢内固定安装的电缆通过车厢之间的互连而形 成的，每一节车厢设一个通信节点( n o d e ) ，列车总线通过通信节点与车 厢总线交换信息，因此通信节点是列车总线上的信息进出车厢的大门。机 车上的通信节点称为主节点，也称为主控制节点( m a i nc o n t r o n o d e ) ，车 厢上的节点称为从节点。主控制节点管理整个通信网络的操作。 车厢总线是用以连接通信节点和车厢内的各个设备。车厢总线可以在 车厢内固定安装，也可以灵活设置。设备是各种信息的发源地和目的地。 从节点或非控制的主节点将各设备送来的信息重新编排，按照主控节点的 命令，按顺序送往主控节点，同时将主控节点发送下来的信息传给设备。 按照高速试验列车控制、诊断信息网络规范，通信网络的一般规 范可归纳为如下三点： 列车总线上的车厢通信节点数最大为3 2 个；车厢总线上所接的设 备数最大为3 2 个。 b 列车总线的通信由主控节点发起和控制。在运行状态下采用周期通 信的方式，由主控节点轮流与各从节点进行通信，周期时间不大 于5 0 m s c 车厢总线的通信由车厢上的节点发起和控制，采用周期通信的方 式，通信周期为5 0 m s 2 2 试l l 碓浮列车通信啊总体结构 考虑到试验磁浮列车的实际运行速度以及整体性能的要求，本文在 上述规范的基础上重新定义了列车总线和车厢总线的物理层标准，同 佟墨2 0 0 0 - 4 - 2 l 时合理地选择了主从节点的接入方式。图2 1 给出了试验磁浮列车通信 信息网的总体结构简图。 t t 田2 1磁浮列车通信信息网结构示意图 整个网络分为上、下两层总线：连接各节车厢的列车总线( t r a i nb u s ) 和连接车厢内各个设备的车厢总线( v e h i c l eb u s ) 。由处于上层网络的一 台主机负责对整个网络进行控制和监测。由多台工业控制机构成上、下两 层网络的智能节点，一面负责两层网络间的信息传递，另一面负责对下层 网络的管理。以单片机为主构成的设备接口卡处于整个网络的底层，负责 把各种类型的设备连接到网络上，同时完成数据采集、监测和一些必要的 控制功能。 2 3 列车总线螭构及h 总线通信机理 2 3 1 列车总线结构 列车总线实现了整列车各节车厢上的工控机的连接。图2 2 是列车 总线结构示意图，它主要由工控机、主机、主干电缆、分节点、终端器等 部分组成。这里列车总线采用了c a n 总线通信模式。 佟强2 0 0 0 - 4 - 2 l 两膏交蠢大拳研究生掌位论文 一5 页 田2 2 列车总线结构示意图 工控机工控机是列车总线和车厢总线的连接点，它一面负责对 车厢总线的管理，即组织车厢总线上的设备接口卡的正常运行，另面通 过c a n 总线同主机以及其它工控机通信。它通过c a n 总线接口卡接入列车 总线，通过r s - 4 8 5 卡接入车厢总线。 主机在c a n 总线上，主机和其它工控机处于平等的地位，大家 都是以平等的竞争方式获取总线的控制权。但在正常情况下，主机被设置 在机车中，由操作人员对其进行管理，故称之为主机。而其它工控机被设 置在各节车厢中，正常情况下无人值班，故称之为从机。主机是整个网络 的最高统率，负责实时监控整个网络的所有设备，包括信息收集、状态显 示、信息处理、给出控制命令等功能。 主干电缱主干电缆作为c a n 总线通信信号的载体把主机和各工 控机连成一体，贯穿了整个列车。这里选择3 类双绞线作为主干电缆。 分节点在分节点处主机和各工控机接入列车总线主干电缆。 终鳙终端器在双绞线回路中起到防止信号反射的作用。 2 3 2c m 总娩标准覆通信机曩 总缝标准 控制器局部网( c a n c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 属于现场总线的范 畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。c a n 总线 物理结构采用双线制，属半双工差分电平通信模式。c a n 中的总线数值为 两种互补逻辑数值之一：“显性”或“隐性”。“显性”数值表示逻辑“0 ”， 佟强2 0 0 0 - 4 - 2 1 西南交童大学研究生掌位论文 簟6 页 数值将为“显性”。利用这种特性构建的c a n 总线优先级仲裁能有效解决 总线上某些关键部件的实时性问题。两条线缆的差分电平v d i f f 代表总线 的状态。在“隐性”状态下，v c a n h 和v c a n l 被固定于平均电压电平，v d i f f 近似为0 。“显性”状态以大于最小阀值的差分电压表示，如图2 3 所示。 总线空闲时处于“隐性”状态。 电压电平u 平均电压 v o h r i v o a n h 圈2 3c a n 总线位的数值表示 优先级仲藏 优先级仲裁是c a n 总线最有价值的特点之一，故此处略加介绍。 c a n 总线上挂接许多带有c a n 接口模块的设备，每个设备都能时刻监 视总线的状态，并在总线一空闲时立即启动自身的传输任务。若有两个或 更多的设备同时开始发送，总线便利用仲裁处理方法予以解决。 c a n 总线以报文为单位进行信息传送。报文以一个起始帧( 只包含 个显性位) 开始，接下来便发送1 i 位的仲裁帧。报文以连续7 个“1 ” 结束。如下图： 矗 伸 在发送仲裁帧期间，每个发送报文的c a n 接口模块都能将其发送的 位电平与所监控到的总线电平进行比较。任何发送一个囊性位。1 ”而监 视到一个丑性位电平。o 。的c a n 模块将立即放弃本次的报文传送而转换 到接收状态，而并不破坏总线上的任何信息。例如：报文一和报文二都在 等待传输，+ 当它们监视到连续7 个“1 ”后，认为正在传输的报文已经结 束，便同时开始发送。假设报文一的仲裁帧为“1 1 1 1 1 ”，而报文二 西- i 变量大学研究生掌位论文 7 页 的仲裁帧为“0 1 1 ”1 1 ”，则当报文二在发送仲裁帧的第二位“1 ”时， 报文一在发送“0 ”，这时，报文二将监视到自己所本来发送的隐性位“1 ” 变成了显性位“0 ”，它将立即放弃本次的传输任务，等待总线再次空闲时 它将自动重新执行本报文的传输任务。我们从上面的仲裁过程不难看出， c a n 总线仲裁帧的二进制数值最低的任务具有最高的优先权。 2 4 车厢总线的设计 车厢总线负责把一节车厢内的各智能、非智能设备连成一个网，实现 设备与主网之间的信息交换。它直接关系到整个信息网的可靠性、实时性 以及各类设备能否正常运作。 本文主要研究对象是车厢总线及设备接口卡，故下面各章主要针对车 厢总线、设备接口卡的设计和实现作详细讨论。 2 4 1车厢总线鞠理层设计及盼啪5 总线标准 2 4 1 1 车厢总线的钧秘设计 车厢总线采用r s - 4 8 5 总线标准，多点不平衡式的主从结构，见图2 4 。 它由一个主站和若干个( 根据实时性需要而定) 从站组成。主站，即上层 网络中的工控机，是车厢总线的主控者。从站以设备接口卡为核心构成， 独立地挂接在车厢总线上，可随时拆卸。总线两端有终端器，中间接有匹 配电阻。 圈2 4 车厢总线结构示意图 士控机既是列车总线上的从机，又是车厢总线上的主机，它 倍疆2 0 0 0 4 2 1 西膏交量大学研究生学位论文8 页 工控机既是列车总线上的从机，又是车厢总线上的主机，它 通过专用的r s 一4 8 5 接口卡接入车厢总线。 设鲁接口卡它是本文硬件部分研究的重点之一。设备接口卡主 要完成数据通讯、数据采集、参数给定、参数存储以及非智能设备的监控 制等功能。它是设备与整个网络之间的接口，是整个网络最底层智能化终 端，是实现设备自动化控制的关键。不同类型设备的接口卡完成的功能不 同，本文所设计的多通用接口卡经过适当的改动，便可用在不同的设备上。 传输线传输线采用3 类双绞线，以提高整个系统的抗干扰性 能。 匹配电阻匹配电阻用来改善传输线的性能，增加传输线的抗干 扰能力。 设鲁磁浮列车上的设备主要包括：变流器、d c d c 变换器、 悬浮控制器等。 2 - 4 1 2髓_ 4 艏总线标准 r s - 4 8 5 总线采用了平衡驱动差分接收方法，它有效地抑制了共模干 扰，从而大大提高了串行通信的正确率，更适合于在磁浮列车这样的高强 度电磁干扰的环境下应用。设定两条总线分别称为正线和负线，则正线与 负线的差分电平为2 0 0 m y 一+ 5 v 之间时代表逻辑“1 ”，为一2 0 0 m v 一一5 v 代表逻辑“0 ”。在一条总线上最多可同时连接3 2 台驱动器和3 2 台接收器。 图2 5 给出了波特率的设定与传输距离之间的关系。 b y t e $ 1 0 - i 1 i 1 21 枷 m 圈2 5r s - 4 8 5 总线信号传送距离与波特率关系 佟疆2 0 0 0 4 2 1 堕壹窭墨盔塑塞生堂笪丝苎苎! 墨 2 4 2串行多机通信机理及车厢总线数据链路层设计 串行主从式多机通信机理 圈2 6 串行主从多机通信示意图 图2 6 给出了主从式多机通信示意图。在该方式下，单片机串行口 工作方式设定为3 ，主机处于主控地位，从机被动。通信分两种方式：一 对一方式和广播方式。下面举例说明主从多机通信过程。 一对一方式中，我们假设主机正准备和0 1 号从机通信。首先我们令 主机发出地址号为0 1 的地址帧，即： 蹇霉茬茬 我们可以看到该帧的第9 位为1 ，这代表它是地址帧，而数据帧的第 9 位则设定为0 。在地址帧发出后，每台从机都会引起中断，在各单片机 的中断处理程序中，会把地址号“0 1 ”与本站的地址号进行比较，若不符 则不予理睬，若相符，则要做相应的处理。在本例中，0 1 号单片机会发 现主机发出的地址号与其地址号相符，则它将会把s m 2 位清零并退出中 断。而s m 2 = o ，则保证了0 1 号单片机会对接下来主机发来的数据帧( 第 九位为o ) 产生中断并进行相应的处理，从而建立起主机和0 1 号单片机 的一对一的通信。主机在发送数据帧时，由于其它地址号的从机的s m 2 = i ， 所以它们不会对数据帧产生中断。在广播方式中，主机会发出一个公共地 址号，使得每台单片机都确认为符合自己的地址号并作好接收数据的准 备。 西膏变量大掌研究生学位论文 簟1 0 页 车厢总线敷努麓路层总体设计 在磁浮列车实际的工作中，主机与设备之间所传输的数据量并不是 很大，因此，车厢总线采用了串行主从式异步通讯方式。单片机串行口设 定为模式3 ，波特率设定为1 9 2 kb p s ，差错控制采用了1 6 位c r c 循环 校验。根据试验磁浮列车所装配设备的具体特点，并充分考虑各类设备所 要求的实时性的特点，西南交通大学磁浮列车研究所自行设计了一套适合 于现阶段试验磁浮列车情况的通信协议，该通信协议的具体细节会在第五 章中予与详细论述。 佟l 2 0 0 0 4 2 1 西_ i 交通大学研究生学位论文 簟1 1 页 第三章磁浮列车通信信息网车厢总线硬件设计 设备接口卡是设备与通信网络的智能接口，它是智能设备和非智能 设备与网络进行数据交换的中转站，同时也完成对非智能设备的模数、 数模转换、开关量的检测与控制、定时脉冲发生以及运行状态监控、故 障保护等功能。 3 1 设备接口卡的研制 3 1 1 通用设鲁接口卡的总体设计 通用设备接口卡集成了各种较为基本的接口设计，在通用设备接口 卡的基础上做适当的修改，便可各种不同类型设备的专用接口卡。 由于设备接口卡设计安装在设备插件箱中，故在总体上要求结构简 单规范、拆装方便、可靠性高并具有自我监控等功能。本文用当前的主 流芯片a t 8 9 c 5 2 作为核心芯片，采用了单层双面印制电路板设计方案。 图3 1 为接口卡的总体结构示意图。 圈3 1 通用设备接口卡总体结构示意图 佟强 2 0 0 0 4 2 西膏交遁大拳研究生掌位论文簟1 2 页 3 1 1 1 设计选型 c p o c p u 选用单片机a t 8 9 c 5 2 ，以其内部的8 l ( 字节的e e p r o m 作 为程序存储器，2 5 6 字节r a m 作为主数据缓存区。另外，将可编程i o 接口8 1 5 5 的2 5 6 字节r a m 作为附加数据缓存区。由于接口卡的程序量和 每次处理的数据量并不很大，故4 k 字节的e e p r o m 和5 1 2 字节的r a m 已 经能够满足系统的需求，这样也可以省去外接程序、数据存储芯片。 r s - 伯5 总线接口本文采用m a x i m 公司的m a x l 4 8 0 b 。m a x l 4 8 0 b 是 一个完整的、输入输出在电气上隔离的r s - 4 8 5 数据接口芯片，它将收发 器、高速光电耦合器、隔离型d c d c 变换器和变压器封装在一个标准的2 8 引脚双列直插芯片内。其限斜率传输功能使数据速率高达2 5 0 k b p s 时能作 到无误差的数据传送。在本章的第二节中对其进行了具体的介绍与实验分 析。 数字接口数字量交换接口采用可编程i 0 接口8 1 5 5 和双口r a m i d t 7 0 3 2 。i d t 7 0 3 2 具有4 k 字节数据缓存功能，并有两套独立a d c 线，允 许两侧同时对数据存储区进行访问。 模数转换接口模数转换采用了美国模拟器件公司的1 2 位逐次逼 近a d 转换器a d l 6 7 4 。a d l 6 7 4 内部自带采样保持电路，采样频率可达 i o o k h z ，其精度达0 0 5 。 数横转换接口选用了m a x i m 公司的m x 7 5 3 7 。它具有两路1 2 位d a 转换输出，且数据输入总线宽度为8 位，非常适合用作5 1 系列中高精度 的数模转换接口。 闪存、看门狗电路x i c r o 公司的可编程看门狗监控芯片x 2 5 0 4 5 将三种常用的功能：看门狗定时器、电压监视器和e e p r o m 组合在单个8p i n 的封装内。e e p r o m 用来存储本接口卡的一些参数设置信息。采用该芯片 后，大大节省了系统成本和电路板空间。 整块卡的结构设计尽可能的简洁，按功能进行合理布局，以减小各模 块之间的干扰，增加系统的稳定性。 3 1 1 叠接口卡工作过程的总体描述 接口卡的c p u 复位后，首先对整个系统进行初始化，然后进入模拟 量、开关量的循环采样期，把循环采样结果放到内存相应的数据区，并不 断地更新。同时对设备的某些状态量进行监控，实现故障保护。 主机要与从机通信时，先用地址呼叫的方法中断从机当前的工作，并 与从机建立通讯链路。然后把命令字发给从机，从机接到命令字后，根据 不同的命令调用不同的子程序，完成相应的功能。包括： ) 系统复位。 b ) 接收主机命令将本机状态参数、a d 结果、开关状态及设备数据封 装成帧并上发。 c ) 接收主机下传的数据存入相应的数据缓存区，并完成向设备的数 据传送、d a 转换、e e p r o m 参数写入等功能。 d ) 故障状态汇报与故障处理。 在执行完主机的命令后，单片机退出中断，继续进行数据采样与故障 监控。 3 1 2 通用设鲁接口卡的电路设计 3 1 2 1 通用设鲁接口卡的整体电路设计 整体电路设计如图3 2 。 倍疆2 0 0 0 4 2 1 ；，o o o n 氍出， 盈剐隧汝掣皿口鲆雉魁fh冒匾 西膏变遗大学研究生掌位论文 一1 6 页 设备接口卡是整个磁浮列车通讯网络的关键部件，它应用在强电磁 干扰的环境下，故要求在设计上把可靠性与抗干扰性摆在首位。本文在电 路设计上注意了以下各点： 布线层次清晰，信号线有一定的宽度，尽可能地加大电源线和地线 面积，并在电源线和地线之间加去耦、滤波电容。另外，在电源系统末端 加去耦电路。 在元件方面，尽可能选择比较成熟的标准器件，以增加系统的可靠 性。 在受到强烈干扰导致系统死机时，具有自复位功能。 为了避免模拟电路引入的噪声通过地线对数字电路产生影响，数字 地和模拟地应分开布线，单点连接。同时为了避免模拟电路和数字电路内 部器件互相之间的干扰，二者都应该实现单点接地。 单片机最敏感的是时钟信号，电磁噪声侵入到这些信号中，最容易 干扰c p u 的正常工作。所以在设计时晶振与c p u 的连线做到尽可能短而粗， 并用地线包围震荡电路，晶振外壳接地，引脚对地去耦。 a d 电路的参考电压直接取自自由电源，而不是由数字电压和数字 地提供。 3 1 3 主选芯片介绍与接口设计 由于本文选用了一些较为先进的多功能芯片，故在这里对这些芯片作 详细讨论。对a t 8 9 c 5 2 、8 1 5 5 等常用芯片便不作过多的介绍。 3 1 3 1 腻1 棚旧佃 r s 一4 8 5 是一种改进的串行通信总线标准。该总线定义了差分平衡电 气接口，采用半双工结构，具有接线简单、传输信号距离长、抗干扰能力 强，且可带多个负载的特点。是实现现场双机、多机通信的理想的总线标 准。而h i a x l 4 8 0 a b 正是针对该总线标准而设计的功能强大的接口芯片。 b a x l 4 8 0 a b 的功麓硬特点 m a x l 4 8 0 a b 是由美国m a x i m 公司生产的完整的带光电隔离的r s 一4 8 5 数据通讯接口芯片。装在2 8 脚双列直插式封装( d i p ) 内的收发器、光耦 佟5 2 0 0 0 - 4 - 2 1 西膏变量大学研究生学位论文 一1 8 页 合器和d c d c 转换器提供了一个完整的接口。逻辑电路一侧的单+ 5 v 电源 给接口两侧供电。m a x l 4 8 0 b 的特点是具有限斜率驱动器，即驱动器发送 的数字信号，其边沿斜率是受限制的，以使电磁干扰减到最小，且能减小 由于电缆终端不匹配而引起的反射，在数据速率高达2 5 0 k b p s 时能做到无 误差的数据传送。m a x l 4 8 0 a 的驱动器是不限斜率的，允许发送速率高达 2 5 m b p s 。m a x l 4 8 0 a b 在典型情况下耐压1 6 0 0 v ( 均方根值，l m i n ) 或2 0 0 0 v ( 均方根值，l s ) 。此外，驱动器具有限制短路电流、热关闭过载保护功 能。m a x l 4 8 0 a b 在高阻关闭方式下的功耗只有1 “w 。其主要引脚功能如 下： v c c l 、2 ：逻辑侧( 非隔离侧) + 5 v 电源电压端 g n d ： 逻辑侧地，正常工作 两个必须连在一起 d l ：驱动器输入端 r o ： 驱动器输出反相端 a ：隔离侧非反相驱动器输出 端和非反相接受器输入端 b ： 隔离侧反相驱动器输出端 和反相接受器输入端 貔茎 f s ： 开关频率控制端f s = v c c 或悬空，电源 的开关频率- 3 5 0 m z ：f s = o v , 开关频率= 2 0 0 k h z d e ： 驱动器使能端d e = v c c 驱动器允许输出d e - - o v ，驱动器处于接收高阻状态 簟片机系统中双机通信电路设计 电路如图3 4 所示。该系统采用3 类双绞线作传输线，线路长度为3 0 米。两端采用姒x 1 4 8 0 a b 和a t 8 9 c 5 1 构成的小型单片机系统。t x d 是 a t 8 9 c 5 1 的串行数据输出端，它通过7 4 h c 8 6 的或非门和m a x l 4 8 0 的d i 端 相连。r x d 和r o 端相连。驱动器使能端通过a t 8 9 c 5 1 的p 1 4 口来控制。在 每次发送数据之前，先将p i 4 置一，然后送数据到串行口。在接收数据 之前，须将p 1 4 置为0 ，方能接收。在软件设计上，为使该系统能模拟 多机通信，将a t 8 9 c 5 1 的串行口设置为工作方式3 ，即利用定时器t l 作 波特率发生器。在晶振频率为1 1 0 5 9 2 m h z 时，t 1 的初值为f d h ，波特率 西南变量大掌研究生学位论文 簟1 7 页 为1 9 2 k b p s 。t 1 初值为f f h ，波特率为5 7 6 k h z 。 测试结果与分析 豳3 4m a x l 4 8 0 芯片螬杓 1 9 2 k b p s 无匹配电阻 6 2 5 k b p s 无匹配电阻 1 9 2 k b p s 加1 2 0 q 匹配电阻 日随f l 既= i 融狂i 三三 习：丽：窿霉：口裁l 二二：翻尊哟 e d a eh l m 畸阻j - k i 竹 叫 圈3 5m a x l 4 8 0 a 通讯测试波形图 佟强2 0 0 0 4 2 1 8 页 2 、圈3 6 为m a x l 4 8 0 b 的测试 1 9 2 k b p s 无匹配电阻 5 7 6 k b p s 无匹配电阻 圈3 6 m a x l 4 9 0 b 通讯测试波形图 3 、结果分析 从图3 5 、图3 6 可以看出，在如上所述的实验条件下，m a x l 4 8 0 a 通 讯波形在1 9 2k b p s 和6 2 5 k b p s 时都有一定的尖峰产生，而m a x l 4 8 0 b 则 几乎没有尖峰产生。在m a x l 4 8 0 a 的通讯线路两端加两个1 2 0o 的匹配电 阻后，波形有所改善，部分尖峰被抑制，但同时也可以看到这是以牺牲波 形的幅值为代价的。 图3 7 是放大后的】i i a x l 4 8 0 a 和m a x l 4 8 0 b 传输波形的上升沿部分。可 以清楚地看到限斜率m a x l 4 8 0 b 的波形的上升沿具有一定的斜率，从而大 大减少了高频谐波分量，有效地抑制了波形尖峰，使得数据速率高达 2 5 0 k b p s 时能做到无误差的数据传递。 u ，栅 u 1 帅 r 一 “”r 。 r 一 凭 ； 圈3 7 放大的m a x l 4 9 0 a 与m a x l 4 8 0 b 的上升沿 佟强2 0 0 0 - 4 2 1 西- i 交量大学研究生学位论文簟1 9 页 测试程序清簟 主机程序l 0 r g0 0 0 0 h s j m pm i n h i n ： m o vr 4 # o f f h 舯vr 5 # o f f i t 舯v1 t 6 # o o i t ：w r o n gn u m b e r - 1 0 vr o # 2 0 1 t ：s e n tn u m b e r * 0 v0 1 t 0 # 0 d d h 帅vr 1 # 2 i h c l r e c l r e s 帅v8 7 1 t # 8 0 h m o vs c o x # o d o h 舯vn 1 0 d # 2 0 1 t 1 1 0 71 1 t 1 # o f d h 舢vt l i # o f d i t s e t bt r l g l h ： s e t bp l 4 s e t bt 1 1 8 帅vs b l f # 0 l i t i i j t i 。w i i c l rt i c l rr l c l rt b 8 帅vs b l f q r o 0 0 0 0 0 1 t d d r e a l0 1 1 1 o i t g0 0 2 3 h u h p l 、t s m i ：c l rp 1 4 籼8 7 h 1 1 8 0 1 1 附vs 酬# o f o i l m o vt 籼# 2 0 h 1 1 0 v 下h 1 # o f n t 帅vt l f 嗍 s mt r l s e t b e s e t b e s w a i t ：a j 口m - a i t i t c r s ：c l re 8 c l re s c l rr i 附v s b u f x r l # d d r j n zl o p c l rs 肥 o vr 7 # l o h - ：d j n zr 7 一 c l rp l4 a i t ： j n br i 8 i t s e t hp 14 c l rr i i i o v 。s b i j f 舯v 帅1 h s i j b b 1 1 1 0 j n zw r o n g i h c 帅0 r 7 # o f f h - - ：d j n zr 7 d j n zr 4 。 g i 、 d j n zr 5 g i n j 盱o k r c 屺： i n co r o 舯v 1 1 6 a d d # o 川 舯vl i 6 c j 忧r 6 # 0 洲 g a l n b d ： r e t o k ： r e t e n ) - i ：j n br i - i d vas b u f mr 7 a s e 仆p l4 c l rt 明 r l o vr i _ # o i f i t l i t ：d j n zr lr r m 0 vs 叫f r 7 l i d ：j n bt i d d c l rt i c l rr i 帕vr 7 # o a h - n ：d j n zr 7 c l rp 1 4 s e 仆s 啦 s e 仆e s me s r e t i 1 0 p ：e l rp 14 e n d 结论 通过实验及结果分析，可以得出如下结论： 在数据传输速率低于2 5 0 k b p s 的情况下，最佳选择是m a x l 4 8 0 b 作为 4 8 5 通讯接口芯片，这时即使不加匹配电阻也能有效地抑制线路终端反 西膏交置大掌研究生学位论文簟2 0 曩 射和波形尖峰。若选择m a x l 4 8 0 a 芯片则必须加适当的终端匹配电阻， 以减小反射和波形尖峰，匹配电阻的阻值应等于传输线的特性阻抗。 由于m a x l 4 8 0 b 的限斜率的特性，使其在数据传输速率高于2 5 0 k b p s 时无法应用，这时只能选择m a x l 4 8 0 a ，同时也要选择适当的终端匹 配电阻，典型阻值是1 2 0 q 。 3 1 3 2 可缩程看门狗监控芯片妲牾的功能分析及应用 x 2 5 0 4 5 是x i c r o 公司的集成多功能芯片，集成了看门狗定时器、电 压监视器和e e p r o m 存储器三种功能。 看门狗定时器对c p u 提供了安全运行的保护，一旦系统出现死机，可 在超时周期之后发复位信号，强迫c p u 重新启动。 x 2 5 0 4 5 的电压监视器可保证系统免受掉电的影响，一旦v c c 降到2 7 v 以下时，系统复位，防止c p u 误动作。 x 2 5 0 4 5 的存储器为c m o s 的4 0 9 6 位串行e e p r o m ，遵循三线总线的串 行接口协议，提供至少1 0 万次的使用次数和最小1 0 0 年的数据保存期。 引脚说明 x 2 5 0 4 5 是8 引脚双列直插d i p 封装，引脚排列如图3 8 。各引脚功 能如下： 当c s 为高电平时，x 2 5 0 4 5 不被选择，s o 输出引脚处于高阻状态，除 非内部写操作正在进行，否则x 2 5 0 4 5 将处于备用电源方式( $ t a n d b yp o w e rm o d e ) 。 c s 为低电平使x 2 5 0 4 5 能工作，把它置于工作电源方式( a c t i v ep o w e rm o d e ) 。应当 注意，在上电之后在任何操作之前需要c s 从高电平至低电平的跳变。 串行输出，由s c k 下降沿同步输出 s l 串行输入，由s c k 上升沿锁存 s 俅串行时钟输入，控 x 2 5 0 4 5 3 8x 2 5 0 4 5 引脚说明 制数据的输入和输出。出现在s i 引脚上的操作码( 地址或数据) 在s c k 的上升沿 被芯片锁存，而s o 引脚上的数据在时钟的下降沿后被芯片更新 静写保护输入，为低时写操作被禁止，其它功能正常 佟强 2 0 0 0 - 4 2 1 西- i 空量大拳研究生拳位论文 2 1 曩 r 既复位端开漏输出端。x 2 5 0 4 5 的复位是高电平有效，这样可直接和5 l 系 列单片机配合使用。 使用方法 片内e e p 舳一的使用方法 片内e e p r o y 的读写通过s o 、s i 、s c k 三个引脚实现。例如向片内写 数据。首先应告诉芯片你将要向e e p r o m 写数据，即将“写使能”命令字 送入芯片。方法是让命令字字节按位从高到低出现在s i 引脚，同时通过 s c k 引脚的电平跳变，将“写使能”信息逐位送入到芯片内。然后用同样 的方法将“写数据”命令字及数据要存放的地址送入芯片，最后便可以将 数据( 每次最多四个字节) 送入芯片。 看门狗的使用方法 先用同上面一样的方法将“状态寄存器”的参数写入芯片，该参数 定义了看门狗的等待时间，例如定义为6 0 0 m s 。则在6 0 0 m s 期间检测不到 c s 的一次跳变信号，芯片将在r e s 引脚自动输出高电平复位信号，使c p u 复位。同样，当v c c 降至看门狗的门限电压时，它也会发出复位信号，使 c p u 复位。 命令字及状态数格式 表3 1 给出了x 2 5 0 4 5 的指令格式。可以看出“读写指令”的位3 包 含了地址位a 。，从而使得e e p r o t 的存储容量达到5 1 2 字节。 指令名指令格式曩作 硼l e i i0 0 0 00 l l o 设置写使能镇存器( 允许写操作) w r d i0 0 0 0 0 1 0 0 复位写使能镇存器( 禁止写操作) r d s r0 0 0 00 1 0 l 读状态寄存器 w r s r0 0 0 00 0 0 1 写状态寄存器 r e d 0 0 0 0 。0 1 1 从所选地址的存储器阵列开始读数据 霄r i t e 0 0 0 0 - 0 1 0把数据写入所选的存储器阵列( 卜4 字节) 寰3 1x 2 5 0 4 5 指令表 表3 2 给出了状态寄存器的参数配置格式。 西交叠大学研究生掌位论文 2 2 页 囊3 2x 2 5 0 4 5 指令表 当进行w r e n 、w r d i 和r d s r 操作时，不必发送字节地址或数据。只读 位w l p ( w r j t ej np r o c e s s 正在写) 表示芯片是否忙于写操作，为“1 ” 表示在进行写操作，为“0 ”则没有；只读位w e l ( w r i t ee n a b l el a t c h 写 使能锁存) 为“1 ”表示锁存器置位，为“0 ”则使其复位，它由w r e n 指令 置位，w r d i 指令复位；位b l i 、b l o ( b l o c kp r o t e c t 块保护) 由指令w r s r 设置，表示使用的保护范围，x 2 5 0 4 5 分为四个1 0 2 4 位的段，通过b l i 、b l o 得到如表3 3 所示的划分；位w d i 、w d o ( w a t c h d o gt i m e r 看门狗定时) 通过指令来得到表3 4 设置的看门狗定时功能。 状态膏存保护的 b l lb l o 阵射地址 00n o n e 01s 1 8 0 - $ 1 f f 101 1 0 0 一$ l f f 1 1 $ 0 0 0 一s i f f 状奄膏存看门狗定时 w d lw d 0 ( 典型值) o 01 4 s 0l 6 0 0 m s 1o2 0 0 m s 11d i s a b l e 囊3 3 位l 1 、b l o 说明 寰3 4 位y d 1 、w d o 说明 数据读写时序说明 图3 8 、图3 9 分别给出读和写e e p r o m 数据的操作时序。 (：5；。、一ol234s67l9静121 31 4i s1 61 71 81 9 s c k兀兀兀几兀兀几兀兀几兀几兀几兀兀兀兀几几 s i 爿竺! 厂弋芯燮冶o ；匕= = s 。! 竺! 丝丝苎! 垡豢 啊3 9e e p r o m 读操作的时序 佟强2 0 0 0 - 4 - 2 l 亘! 窭燮塑丝兰竺堕塞! 垫墨 s c k几兀几兀兀兀兀几兀八兀八八兀兀兀八几几几 s j