（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp和can总线的连续墙纠偏仪系统研究.pdf

英文摘要 t h er e s e a r c ho fc o n t i n u o u sc o n c r e t ew a l l sc o r r e c t i o ns y s t e mb a s e do n t h ed s pa n dc a n b u s a b s t r a c t t h ec o n t i n u o u sc o n c r e t ew a l lm a c h i n ei sv e r yn e c e s s a r ya n di ti sw i d e l yu s e di nt h e e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n b u tt h eo l d f a s h i o n e dm a c h i n e sd o n th a v et h ee l e c t r i c a ld e t e c t i n g s y s t e mo ft h ec o n c r e t ew a l l t h i s a r t i c l ew h i c hn a m e da s “t h er e s e a r c ho fc o n t i n u o u s c o n c r e t ew a l l sc o r r e c t i o ns y s t e mb a s e do nt h ed s pa n dc a n b u s r e s e a r c h e sf o rt h e s u b s t a n c e a p p l yt h ef a s h i o n e de l e c t r o n i c st ot h ee n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n i nt h i sw a y ，n o t o n l yi m p r o v e dt h es a f e t yd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o n s ，b u ta l s oi m p r o v e dt h ea c c u r a c y t h ea r t i c l e m a i n l yi n t r o d u c e st h r e ep a r t s f i r s ti t i n t r o d u c e st h ep r e s e n tt e c h n i c s s e c o n di td e t a i l e d d e s c r i b e st h ec a n b u s l a s t ，d e p e n do nt h et h e o r ya n dt h er e a l i t ym a c h i n e ，t h ea r t i c l eg i v e s t h ed e s i g no ft h ew h o l ee l e c t r i c a ls y s t e m i ta l s oi n t r o d u c e st h ec o m p o s i t i o no ft h ec o r r e c t i o n s y s t e mw h i c hi su s e df o rd e t e c t i n gt h ew o r k ss i t u a t i o n s t h es y s t e mi n c l u d e st h ea n g l e i n d u c t o rp a r t ，t h ep r e s si n d u c t o rp a r ta n dt h ed e p t hi n d u c t o rp a r t ，t h ec o n t r o l l e rc a l l e dr c 6 9 ， t h es c r e e nc a l l e dd 1 2 ，w h i c ha r ep r o d u c e db yr e x r o t h t h et h e s i si n t r o d u c e st h er e s e a r c ho fc o n t i n u o u sc o n c r e t ew a l l sc o r r e c t i o ns y s t e m b a s e do nt h ed s pa n dc a n b u s sp r i n c i p l eo ft h em a i nn o d ea n dt h ei n t e l l i g e n tn o d e t h e f o c a lp o i n ti st ot e l lt h ec o r r e c t i o ns y s t e m ，t h es y s t e mw h i c hi su s e dt ob es i n g l ei nt h ep a s ti s c o m p o s e do f t h ea n g l ec o r r e c t i n gs y s t e m 、t h ed e p t hd e t e c t i n gs y s t e m 、t h es t r e s si n d u c t o ra n d s oo n i nt h i sw a yt h em a c h i n ec a nn o to n l yb ee a s i l yu s e da n dp r o t e c t e d ，b u ta l s om a ys a v e t h em a n u a ll a b o ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e s a n di ta l s oi n t r o d u c et h es o f t w a r ed e v e l o p i n g m e t h o d s ，i n c l u d i n gb o d a ss o f t w a r e ，i t e 6s o f t w a r e t h et w os o f t w a r ea r eb o t hd e v e l o p e d b y3 sc o r p o r a t i o n i nt h i sw a yt h es y s t e m sw h o l es o f t w a r ec a n b ed o n e a n di nf a c tt h ew h o l e s y s t e mh a sb i gm e a n i n g s t h i st h e s i si san e ws e a r c ha n dt r yo ft h ec o n c r e t ec o n t i n u o u sw a l l t h r o u g ht h ed e e p l y s e a r c hi tp r o v i d e san e wm e t h o df o rt h ec o n t r o lo ft h ed i g i t a lc o n c r e t ec o n t i n u o u sw a l l ，s oi t h a sb i gm e a n i n g sf o rt h et h e o r ya n dr e a l i t y k e yw o r d s ：d s p ；c o n t r o la r e an e t w o r kb u s ；c o r r e c t i o ns y s t e m 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成 硕士学位论文 ：基士旦望塑丛总线的连续墙纠倔丛丕蕴班 究 一一 ：。除论文中已经注明引用的内容外对论文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加 明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：孑弘迅矽7 年弓月幽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使 用管理办法”同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件 和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 论文作者躲彳鳓新繇礴缈、 同期：扩田1 年3 月知同 墓td s p 和ic a n 总线的地f 连续墙纠偏仪系统研究 第1 章绪论 本章简单介绍了地下连续墙技术及其在国内外发展的现状，地下连续墙控制系统中 用到的c a n 总线技术，以及本课题研究的目的和意义，最后给出了论文主要内容和作者 所做的工作。 1 1 地下连续墙技术及其发展现状 地下连续墙( c o n t i n u o u sc o n c r c t ew a l l ) 技术起源于欧洲，它是根据打井和石油钻井 使用泥浆和水下浇注混凝士的方法而发展起来的，1 9 5 0 年在意大利米兰首先采用了护壁 泥浆地下连续墙施工，2 0 世纪5 0 6 0 年代该项技术在西方发达国家及i j 苏联得到推广， 成为地下工程和深基础施工中有效的技术“1 。 目前挖槽机械发展很快，与之相适应的挖槽工法层出不穷，有不少新的工法。已经 不再使用膨润土泥浆，墙体材料也由过去以混凝土为主而向多样化发展。不再单纯用于 防渗或挡土支护，越束越多地作为建筑物的基础，所以很难给地下连续墙一个确切的定 义。一般地下连续墙可以定义为：利用各种挖槽机械，借助于泥浆的护壁作用，在地下 挖出窄而深的沟槽，并在其内浇注适当的材料而形成一道具有防渗( 水) 、挡土和承重 功能的连续的地下墙体。经过几十年的发展，地下连续墙技术已经相当成熟，其中以 同本在此技术上最为发达，已经累计建成了1 5 0 0 万m 2 以上，目前地下连续墙的最大丌 挖深度为1 4 0m ，最薄的地下连续墙厚度为2 0 c m 。1 9 5 8 年，我国引进了此项技术并应用 于北京密云水库的施工中。到目前为止，全国绝大多数省份都先后应用了此项技术，估 计已建成地下连续墙1 2 0 力j 1 4 0 力- m 2 。地下连续墙已经并且j 下在代替很多传统的施工 方法，而被用于基础工程的很多方面。在它的初期阶段，基本上都是用作防渗墙或临时 挡土墙。通过丌发使用许多新技术、新设备和新材料，现在已经越来越多地用作结构物 的一部分或用作主体结构，最近十年更被用于大型的深基坑工程中。 随着现代建筑要求的不断提高，对连续墙成槽要求也不断提高，这就要求连续墙本 身工作过程中，具有对成槽参数的检测及自动控制功能，所以未柬地下连续墙必须具备 先进的电子自动控制装置，以提高工程质量。而电子技术的快速发展使这种要求成为可 能。国外，如欧洲、r 本等已经将先进的控制系统应用于连续墙装置中，例如德国利渤 第1 章绪论 海尔( l i e b h e r r ) 、r 本真砂( m a z u n a ) 生产的具有纠偏系统的地下连续墙装胃。但我国 此种技术尚处于萌芽状态，本文即论述此项技术，具有一定的指导意义。 1 2 现场总线技术与c a n 总线特点 1 2 1 现场总线技术 现场总线( f i e l d b u s ) 技术是在8 0 年代后期迅速发展起柬的一种先进的现场工业 控制主要技术。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，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字模拟信号 控制的局限性。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。现场总线是连接智能现场设备和自动系统的数字式、双向传输、多分支结 构的通信网络，其基础是智能仪表，分散在各个工业现场的智能仪表通过数字现场总线 连为一体，并与控制室中的控制器和监视器一起共同构成现场总线控制系统( f i e l d b u s c o n t r o ls y s t e m 简称f c s ) 。现场总线具有以下突出特点“1 ： ( 1 ) 开放性：现场总线控制系统( f c s ) 采用公丌化的通信协议，遵守同一通信标 准的，不同厂商的设备之间可以互连及实现信息交换，用户可以灵活运用不同厂商的现 场总线产品束组成实际的控制系统，达到最佳的系统集成。 ( 2 ) 互操作性：互操作性是指不同厂商的控制设备不仅可以互相通信，而且可以 统一组态，实现同一的控制策略和“即插即用”，不同厂商的性能相同的设备可以互换。 ( 3 ) 灵活的网络拓扑结构：现场总线控制系统可以根掘复杂的现场情况组成不同 的网络拓扑结构，如树型、星型、总线型和层次化网络结构等。 ( 4 ) 系统结构的高度分散性：现场设备本身属于智能化设备，具有独特的自动控 制的基本功能。从而从根本上改变了d c s ( 分散型控制系统) 的集中与分散相结合的整 体结构，形成了一种全新的分御式控制系统，实现了控制功能的彻底分散，提高了控制 系统的可靠性。简化了控制系统的结构。现场总线与上级网络分丌后仍可维持底层设 备的独立证常运行，其智能程度大大加强。 ( 5 ) 现场设备的高度智能化：传统的i ) c s 使用相对集中的控制站。其主控制站由 c p u 单元和输入输出单元等组成。现场总线控制系统则将d c s 的控制站功能彻底分散到 基丁d s p 和c a n 总线的地f 连续墙纠偏仪系统研究 现场控制设备，仅靠现场总线设备就可以实现自动控制的基本功能，如数掘采集与补偿 p i d 运算和控制、设备自校验和自诊断等功能。系统的操作员可以在控制室实现远程监 控、设定或调整现场设备的运行参数，还能借助现场设备的自诊断功能对故障进行定位 和诊断。 ( 6 ) 双绞线同轴电缆、光缆、电力线和无线的方式来传送数据，具有很强的抗干扰 能力。常用的数掘传输线是廉价的双绞线，并允许现场设备利用数据通信线进行供电， 还能满足本质安全防爆要求。 现场总线发展迅速，在目前己丌发出的4 0 多种现场总线中，最具影响力的有6 种，分别是f f 、p r o f i t b u s 、d e v i c e n e t 、h a r t 、c a n 和l o n w o r k s 。其中本文所用到的 c a n 总线特点介绍如下： 1 2 2c a n 总线特点 c a n b u s 最初由德国b o s c h 公司于1 9 9 3 年推出，作为汽车环境中的微控制器如：发 动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入c a n 控制装置。c a n b u s 是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性， 而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到l o k m 时，c a n - b u s 仍可提供高达 5 k b p s 的数据传输速率。1 作为一种技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理的远程网络通讯控制方式， c a n b u s 已被广泛应用到各个自动化控制系统中。从高速的网络到低价位的多路接线都 可以使用c a n b u s 。例如，在汽车电子、自动控制、智能大厦、电力系统、安防监控等 各领域，c a n - b u s 都具有不可比拟的优越性。主要特点如下： ( 1 ) c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可以在任意时刻主动的向网络上其他节 点发送信息，而不分主从，通讯方式灵活，且无须站地址等节点信息； ( 2 ) c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的 数掘最多可在1 3 4 微秒内得到传输； ( 3 ) c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级 较低的节点会主动地退出发送，而岛优先级的节点不受影响地继续传输数据，从而大大 节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪现象； 第1 章绪论 ( 4 ) c a n 只需要通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式 传送接收数据，无须专门的“调度”等； ( 5 ) c a n 的直接通讯距离最远可达到l o k m ( 速度5 k b p s ) ，通讯速度最高可达 1 m b p s ( 此时最长距离为4 0 m ) ； ( 6 ) c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目i j 可达1 1 0 个，报文标识符可达 2 0 3 2 种( c a n 2 0 a ) ，而扩展标准( c a n 2 0 b ) 的报文标识符几乎不受限制； ( 7 ) 采用短帧结构，传输时f b j 短，受干扰概率低，具有极好的检错效果； ( 8 ) c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，保证了数掘出错率极低； ( 9 ) c a n 的通讯介质为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活； ( 1 0 ) c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点 的操作不受影响； ( 1 1 ) 低成本的现场总线，极高的总线利用率： ( 1 2 ) 可根掘报文的i d 决定接收或屏蔽该报文； ( 1 3 ) 发送的信息遭到破坏后，可自动重发。 本文所讨论的地下连续墙纠偏仪装置主要用于工业场合，工作环境相对恶劣，因此 要求具有很强的抗干扰能力。另外，虽然连续墙纠偏仪系统的传输距离并不远( 通常不 超过1 0 0 米) 。但却要求实时性好和外挂节点能力强，第三，在c a n 总线的各种协议( i s 0 1 1 8 9 8 、c a no p e n 、c a n 2 0 a ) 中，对工程机械装置( 柴油机装置、马达装置、力矩限 制器) 都有明确的i d 规定，使程序的编制规范统一，增强了功能部件的通用性，所 以本控制系统选择c a n 总线。 1 3 课题研究的目的和意义 连续墙是工程机械建设中的主要设备之一，在工程建设中应用相当广泛。因此，对 连续墙的技术要求也相当高。针对目前地下连续墙控制装詈存在的问题( 比如：整机采 用液压系统，导致机动性不高；没有精确的电子控制系统，导致施工精度远远达不到要 求等) ，本文结合现代电子技术和自动控制技术方面的最新成果，将d s p 技术和c a n 总 基丁d s p 和c a n 总线的地r 连续墙纠偏仪系统研究 线技术应用于地下连续墙系统的设计中，使地下连续墙机动性更强，安全性更好，工作 质量更高。本课题研究的意义在于： ( 1 ) 将c a n 总线技术与高精度数据采集技术结合起来，在保证测量精度的同时提高 了数掘的传输速度； ( 2 ) 根掘需要，灵活的设霄技术参数，可以适应不同精度的地下连续墙成槽要求： ( 3 ) 提高系统的可靠性和抗干扰能力，保证通信数据的可靠性，为生产、施工提供 可靠的测试结果： ( 4 ) 采用c a n 总线的系统，具有标准接口，针对不同应用，方便引入满足扩展功能： ( 5 ) 可根据需要接入监控计算机、智能显示终端和中心控制计算机组成备份系统。 1 4 论文主要内容以及作者所做的工作 本文研究的内容为地下连续墙成槽机的纠偏控制系统，研究对象为国内某工程机械 公司最新的地下连续墙成槽机。主要涉及到数掘采集，c a n 控制器、c a n 显示屏的技术 应用，以及通过合理的布线方案提高系统的电磁兼容性和稳定性， 第二章论述了地下连续墙纠偏系统的整体方案设计方法。第一，在介绍系统总体电 路原理的基础上，重点论述了纠偏系统核心组件r c 6 9 控制器及其功能。包括输入输出 端口，内部结构以及在本系统中的具体应用。第二，介绍了d 1 2 显示屏装置的接口以及 控制方式。第三，介绍了地下连续墙纠偏系统中角度传感器模块、深度传感器模块、压 力传感器模块的工作原理以及信号的采集和调理方法。 第三章主要介绍了c a n 总线的设计。首先详细介绍了c a n 总线原理，然后介绍了本 系统c a n 总线的各种参数，最后给出了c a n 总线节点的硬件设计。 第四章在介绍了控制器r c 6 9 的软件处理环境b o d a s 的基础上，重点论述了连续墙 纠偏系统中主要模块的软件设计思路和方法，同时介绍了d 1 2 显示屏的软件处理环境 i t e 6 以及显示屏软件的丌发设计方法。 第五章主要分析了系统的抗干扰设计，包括数掘采集部分电路的抗干扰设计和系统 软件抗干扰设计方法。 论文的最后，对全文进行了总结，并给出了地下连续墙纠偏系统的下一步研究方向。 第2 章地h 近续墙纠偏仪系统帮体方案设计 第2 章地下连续墙纠偏仪系统整体方案设计 2 ，1 地下连续墙装置纠偏仪系统概述 地下连续墙纠偏仪装置是用于地下连续墙成槽机的电子控制装冒，地下连续墙在工 作成槽时，要求所成地下连续墙的垂直度偏差不大于1 5 和水平度偏差不大于0 5 0 ( 也可按实际现场绘制路线施工) ，因此对所成地下连续墙有垂直方向、水平方向的纠偏 要求，表示为x 轴方向和y 轴方向，由x 轴、y 轴所组成的平面即分为四个部分，因此 需要控制器能控制抓斗的左、右、前、后、回( 回到原位) 血种动作。另外纠偏仪还应 幺包括深度的测量系统以监控工程进展情况和抓斗的油压测量装置以了解系统液压情 况是否诈常。控制器实时接收传感器数据并通过c a n 总线和显示屏装詈实现数掘的实时 传送，操作人员通过显示屏进行实时监控。根据显示屏所显示情况，操纵人员可以进行 抓斗的控制，分为操纵人员的手动操纵部分和控制器的自动操纵部分。当抓斗偏离角度 大于3 。时，显示屏中显示错误信息并报警；当抓斗偏离角度为l 。3 。时，控制器不 起作用，操作人员利用操纵盘上按钮进行手动纠偏；抓斗偏离角度小于l 。，纠偏仪装 霄实现自动纠偏。 整个装胃有部分工作在水下而且为水下6 0 m ，工作情况及其恶劣，要求装詈能达到 很强的防水等级，以及防高压等级，对电缆的要求也非常高，因为电缆需要承受一定重 量，所以需要选用高强度抗拉抗拽电缆。 2 1 1 地下连续墙纠偏仪装置应达到的技术指标 深度：应使地下连续墙装冒能够达到地面以下6 0 m ； 垂直度：应使垂直方向角度偏离不超过1 5 ： 水平度：应使水平方向角度偏离不超过o 5 ： 压力：应能够实时检测1 5 0 b a r4 0 0 b a r 系统压力。 2 2 地下连续墙装置纠偏仪系统原理 2 2 1 纠偏仪装置系统原理图 纠偏仪装置系统原理如图2 1 所示： 基丁d s p 和c a n 总线的辽续墒纠偏仪系统研究 + 2 4 v 五簧e 舡 肘柚l 已 丘嗍1 3 缈雌制器r c 6 9 1 轴 2 7 w 4 1 4 2 埘 3 7 4 8 螂 2 9 坩 3 4 孵 4 5 阱 3 6 3 5 l 岬 3 8 i w 4 7 螂 4 6 蛘 4 9 ；晴 8 a 螂 1 9 现- 6 2 料 2 8 ” 2 聃 3 0 湘 3 l l 4 孵 1 6 5 坩 6 8 j 胂 6 9 i 2 6 伸 2 5 硼 4 0 御 3 9 聃 r = i 2 翻2 1 纠偏仪袈簧系统原理幽 f i g 2 1 t h ef i go fs y s l e mp r i n c i p l e + 2 4 v r tb n 6 n 5 e 显示屏装置 地下连续墙纠偏仪系统主要由r c 6 - 9 控制器装置、d 1 2 显示屏装置、角度传感器模 块，深度传感器模块，压力传感器模块等部分所组成。下面将详细介绍各部分功能。 2 2 ，2 控制器r c 6 - 9 简介 r c 系列控制器被专门用在工程机械设备中，它不仅能够在复杂的电气回路中驱动并 控制液压电磁阀等设备而且具有耐高温，抗压、防震以及电磁兼容性。 r c 6 9 控制器集成了一个1 6 位微控制器c c l 6 7 ( 东芝公司产品) 和输入、输出电路。 输入包括模拟电压信号：0 5 v ；模拟电流信号：0 2 0 m a ：输入频率信号：0 1 0 k h z ： 开关量信号。输入信号都有过电压保护，输入的电压信号还被监视是否短路或者断路。 。躺们 蝴竺型洲 垂鹫 墼呲 第2 章地r 迎续墙纠偏仪系统帮体方案设计 输出部分包括p w m 输出和开关量输出，其中p w m 输出用来对电磁阀进行精确的控制， 精度高，误差小；丌关量输出用来控制继电器、丌关等。 r c 6 9 电子控制器集成有c a n 总线接口，通过c a n 总线接口，所有的r c 系列控制器 可以相互传递信息，还可以将控制器数掘显示在显示屏上，c a n 总线接口可以运行在不 同的协议下。 控制器嵌入b o d a s 软件丌发环境，软件包中提供许多标准程序，方便用户开发自己 应用程序。控制器中还有r s 2 3 2 接口，用来对控制器下载控制程序。 将泵、马达、阀、传感器、r c 控制器和相应的软件应用起束，可以组成完整的控制 系统。控制器内部模块框图如图2 2 所示。 i ! | 2 2r c 6 - 9 控制器内部模块框| ! i f i g 2 , 2b l o c kc i r c u i td i a g r a m 基丁，d s p 和c a n 总线的迕续墙纠偏仪系统研究 内部各个模块功能况明如下： p o w e rs u p p l yu n i t ：提供控制器电源： i n p u t s ：输入端口，包括模拟量电压输入，模拟量电流输入，开关量输入以及频率输 入： 1 6 一b i tm i c r o c o n t r o l l e r ：包括f l a s he p r o m 、e e p r o m 、r a m 、输入计数器、l o 位a d 转换器、数字输入、输出控制单元、接口控制器( r s 2 3 2 和c a n 接口) ： p o w e ro u t p u t s ：包括p w m 输出、丌关量输出； 信号输出：包括模拟量输出和外部电子控制单元； s e r i a li n t e r f a c er s 2 3 2 ：串行接口； c a nb u si n t e r f a c e ：c a n 总线接口。 控制器的技术数掘如下： 供电电压：d c 2 4 v ； 额定输出功率：4 3 2 w 模拟电压输入：0 5 v 模拟电流输入o 2 0 m a 丌关量输入：l o w 4 5 v ： 频率输入：0 l o k h z ： 接口形式：r s 2 3 2 和c a n 2 o b ( i s 0 1 1 8 9 8 ) 按控制器功能部件可以将r c 6 9 控制器划分为7 大部分。 一个1 6 位中央处理器c p u ，是r c 6 9 的核心部件。 存储器：同时具备f 1 a s h e p r o m ，e e p r o m ，r a m ，存放程序，数掘和表格。其数 据可保持l o 年之久，1 0 0 0 0 0 次擦写周期。 具备个1 0 位的a d 转换器用于将传感器的模拟量转换为数字量传递给c p u 。 在输入输出( i o ) 方面：具有八路电压输入，四路电流输入，八路丌关量输入 以及五路频率输入：输出方面：具有六路p w m 输出，九路开关量输出，一路模拟信号输 出。其中八路电压输入和八路开关量输入具有上拉电阻。 第2 章地f 迎续墙纠偏仪系统帮体方案设计 具有两路c a n 总线接口，支持c a n 2 o b 协议，通过i n t e r f a c ec o n t r o l l e r 控制 内部两路c a n 控制器，一路用于接d 1 2 显示屏装置，另一路用于接系统总线。 具有一个r s 2 3 2 串行接口，用于程序的下载或者与上位p c 机接通打印工作同志 等。 内部自带程序监视定时器w d t ( w a t c hd o gt i m e r ) ，通过对其编程可以实现程 序运行监视复位。当程序非j 下常运行( 如程序“飞逸”、“死机”时) ，能及时进入复 位状态。 控制器的终端连接方式如图2 3 所示： 在本系统中终端接线如下： 控制器的1 、2 7 、4 1 、4 2 引脚通过接保险丝接入电源j 下极提供系统工作电压，2 、 2 8 号引脚接地。 3 2 、3 3 引脚分别接深度传感器的的两个输入端。 2 9 引脚为角度传感器提供5 v 供电电压，2 4 、4 5 引脚分别接角度传感器的x 、y 轴信号。 系统需要三个压力传感器，分别用于测量系统总油压，以及x 轴，y 轴液压油缸 的油压，引脚3 5 ，3 6 、3 8 接4 0 0 b a r 压力传感器；4 6 、4 7 、4 9 和1 9 、6 2 、8 0 分别接1 5 0 b a r 压力传感器。 引脚4 ，5 、3 0 、3 1 、1 6 、6 8 、6 9 为p w m 输出，直接作用m 4 型比例控制电磁阀， 用于纠偏仪的自动纠偏。 引脚3 7 、4 8 、1 0 、1 1 、2 3 为丌关量输入，用于人工纠偏时接受按钮输入信号， 并转换为p w m 输出控制m 4 型比例控制电磁阀。 引脚2 4 5 0 、5 1 为r s 2 3 2 接口，用于程序的下载。 引脚3 9 、4 0 为控制器c a n i 接口用于接d 1 2 显示屏装置。 引脚2 5 、2 6 为控制器c a n 2 接口用于连接系统总线，实现与上位机装置互连。 控制器负责数据的接受处理：系统的工作状况：如成槽角度、系统压力、当前挖掘 深度等信息在d 1 2 显示屏上加以显示。 基3 - d s p 和c a n 总线的连续墙纠偏仪系统研究 1 - e m l i n a ic o n n e c tj o n sr c 6 9 t ， 图2 3 控制器r c 6 9 终端连接幽 f i g 2 3 t e n n i n a l c o n n e c t i o n s o f c o n t r o l l e r r c 6 9 1 1 第2 章地卜- 近续墒纠偏仪系统秽体方案设计 2 2 3 显示屏装置d 1 2 简介 显示屏实际照片如图2 4 所示 i 芏| 2 4 显示屏 f i g 2 4d i s p l a y 该显示器具有如下特点： ( 1 ) 显示屏象素2 4 0 1 2 8 ，黑白显示，可以调整对比度和亮度。 ( 2 ) 具有简单可编程应用的功能键， ( 3 ) 实时时钟 ( 4 ) i s 01 1 8 9 82 0 bc a n 总线接口 ( 5 ) r s 2 3 2 程序下载接口 此种显示器采用盒式峰固封装，能够抗高温、抗迸溅、抗挤压等，防护等级最高可 以达到i p 6 9 。本系统中显示屏放在驾驶室中，i p 等级有所降低，实际采用i p 等级为 i p 6 7 。 d 1 2 显示器内部框图如图2 5 所示： 基丁d s p 和c a n 总线的近续墙纠偏仪系统研究 b l o c kc i r c u i td i a g r a m i o n d i o nl o c k o p e r a t i n gv o l l a g e s u p 陆 c o n t m u o u sv o l t a g e s 0 1 ) 嘶 图2 5 显示屏内部电路幽 f i g 2 5b l o c kc i r c u i td i a g r a mo fd i s p l a y c a n b u s m l e d a c e 结合图2 5 ，并按显示屏装冒功能部件划分，d 1 2 显示屏装置由8 大部分组成： 一个1 6 位中央处理器c p u ，是d 1 2 显示屏装置的核心部件。 存储器：同时具备f l a s h e p r o m ( 5 1 2 k b ) ，e e p r o m ( 8 k b ) ，r a m ( 2 5 6 k b ) ， 存放程序，数据和表格。 具有一组功能键输入，功能键为功能可定义型，根据程序编制的不同，同一功 能键可完成不同的功能。 显示屏对比度调整：按照用户的习惯，调整显示屏的对比度。 具有一路c a n 总线接口，完成两部分任务。第一用于程序的下载，在应用前， 将写好的程序利用c a n 总线下载到# 1 2 显示屏装晋中：第二用于与r c 6 9 控制器相连接， 第2 章地r 近续墙纠偏仪系统罄体方案设计 在使用中，利用总线与l t c 6 9 控制器相连接，一方面接受控制器数据，以完成工作过程 中各种参数的实时显示功能，另一方面，将功能键信息传递给摔制器，实现实时控制。 内部自带程序监视定时器w d t ( w a t c hd o gt i m e r ) ，通过对其编程可以实现程 序运行监视复位。当程序非正常运行( 如程序“飞逸”、“死机”时) ，能及时进入复 位状态。 显示屏利用i t e 6 软件进行编程丌发，独立性强。 可进行翻屏显示造作：实际工作过程中，要显示大量的数掘，但是显示屏大小 有限，可将数掘分页显示，利用显示屏的功能键，可完成翻页的操作。 2 2 4 角度传感器模块 本系统需要实时检测连续墙装置抓斗的角度即x 轴、y 轴的实时角度数据并传递给 控制器装置。如何选择角度传感器是系统能否达到施工精度要求的第一保证。 电容式角度传感器具有结构简单、体积小、输出线性好、灵敏度高、转动惯量小、抗 恶劣环境性能好、适于动态测量等一系列特点，在红外成像、激光标识、激光雷达、军 事瞄准及大气监测等系统中得到广泛应用，特别适合于高精度实时角度数掘的检测，是 现代工程机械的优选位置传感器，所以本系统中选用了博世力世乐公司的n v 2 0 1 b 型电容 式角度传感器，如图2 6 所示： 固 0 图2 6n v 2 0 1 b 刑电容式角度传感器 f i 9 2 6t h ea n g l es e l l s o r 基丁d s p 和c a n 总线的迎续墙纠偏仪系统研究 该传感器技术参数为：输出电流：4 m a 2 0 m a ；温度漂移：0 0 1 。k ：测量最小角 度：0 0 5 。：完全满足系统对x 轴。y 轴测量的精度要求。电容式角度传感器的原理介绍 如下： a ) 电容式传感器的基本原理： 电容传感器的基本工作原理是基于物体日j 的电容量与其结构参数之l 丑j 的关系。电 容器的电容是构成电容器的两电极形状、大小、相互位置及电介质介电常数的函数。对 于最简单的平板电容器，如图2 7 所示：不考虑边缘电场影响时，其电容量为： c = s 6 = f ( e ，6 ，s ) 式中： e 介质的介电常数 s 极板的面积 6 极板i 日j 的距离 向 十t s i i | iii jil ll 一王t 幽2 7 平扳电容器 因此，只要有任何物理量变化，不管是直接的还是间接的，都能使电容器的任一参 数产生相应改变，从而引起电容器变化，即可通过一定的测量线路将其转换为有用的信 号输出，据此判定物理量的变化，这就是电容传感器的基本工作原理。电容传感器的输 出是电容的变化量。根据工作原理，传感器可分为变日j 隙式、变面积式及变介电常数式 三种。变间隙式：一般用来测量微小的线位移( 小至百分之一微米到零点几毫米) ，如材 第2 章地r 近续墙纠偏仪系统第体方案设计 料膨胀及大地震动等。变面积式：一般用束测角位移( 1 ”至几十度) 或较大的线位移。变 介电常数式：常用于固体或液体的物位测量，也用于测定各种介质的湿度、密度等状态 参数。显然，其他物理量，如压力、速度、加速度、力、应力等，只要能转换为机械位 移变化的，均可制成相应的电容式传感器。因此，电容传感器具有极为宽广的应用领域。 电容式角度传感器原理：电容式角度传感器通常采用变面积方式，图2 8 为平板 型电容式角度传感器的结构原理图。 图2 8 电容式角度传感器 f i g2 8f l a tc a p a c i t i va n g l es e i l s o r s 当传感器动极枚与定檄枚有角位移e 时，两檄板的相互覆盖向积随e 的爻化向燹 化，传感器的电容值随之发生相应变化，变化量为： c = c c 。 若不考虑边缘电场影响，对扇形极板： c - 西6 5 i 1 r 2 ( a 一日) a c o t s a | 6 1 1 2 r 2 a | 6 基丁d s p 和c a n 总线的近续墒纠偏仪系统研究 a c 。一二r 2 0 6 2 兰壁口。k 口 2 6 可见，传感器的输出特性为线性特性，其灵敏度： k。丛型一壁1 d o 2 6 为常数。这样实现了角度变化转化到电容变化。将含有可变电容的有源桥式检测电 路安装在角度传感器之中，控制器第2 9 引脚为角度传感器提供5 v 恒定电压，当可变电容 器电容值改变之后，通过对输出端信号变化进行检测，可以计算出电容的改变值，进而 得出角度的变化值。其电路原理图如2 9 所示： 酗2 9 有源电桥式检测电路原理图 f i 9 2 9p o w e r e d b r i d g e dd e t e c t i n gc i r c u i t 图中的两个电容器，c r 是固定电容器，放在一个桥臂，c x 是可变电容器( 电容传感 器) ，放在相邻的另一个桥臂上。c r 所在桥臂通过运算放大电路和c x 所在桥臂分别接到 频率相同、幅值相同的信号源上，同时调整运算放大器倍数使桥路平衡，即使输出端电 第2 章地r 近续墙纠偏仪系统粘体方案设计 压v 。为零。如果c x 有变化，则输出的电压信号就有变化，v 。变化量和c x 变化量成正比。 由此可见，电桥电路可以将电容的变化转化为电压的变化，便于分析和处理。 具体分析过程如下： 输入电压经反向放大器得到输出电压： 一嗉 因为r ，一端接地，所以测试点i 为虚地点，电压值为0 ： 则经过c r 的电流： ，- - 一y , j m c ，鲁 j i ，c ? 经过c x 的电流： 由于i = i 。+ 1 2 。旱一e j o - c x i ( i ) c 。 i 叫懈x _ c r 惫 分析得到的电流i 的值，可以看出，当e z c ，鱼r 1 时，输出电流i 为零，当c x 发生变 化时，输出电流i 和c x 的变化量成正比。 因为r 3 的一端接地，另外一端虚地，所以通过r 3 的电流为零，得到输出电压的值v 0 ： 。i r r 也就是由电流电压转换电路把电流转化为了电压值： 一怕( c _ c ，鲁冰， 电路设计中r 。的作用是，使电路能够形成回路的同时减少干扰因素：电容c 的作用 是，消除高频干扰。 由转换后的电压值，可以得出，输出电压的变化量和被测电容的变化量成币比，实 现了将电容变化转换成电压变化的目的。此电压信号进行o 5 v 4 2 0 i i l a 转换，转换电 基td s p 和c a n 总线的迎续墒纠偏仪系统研究 路如2 1 0 所示： 幽2 1 00 5 v 4 2 0 m a 的转换电路 f i 9 2 1 00 5 v 4 2 0 m ac o n v e r t i n gc i r c u i t 图中t 。n 组成功放级并采用深度电流负反馈，以便提供恒定的大电流。图中r = r 。= 1 0 0 kq ，r ，= r 。= 2 0 kq ，r o - - 6 5q ，r = 1 2 kq ，r ，和r 。瀚为3kq 电位计，r 。在0 5 0 0q 范围内变化，掘推导，输出电流i 。为： i 。= ( o i + u z ) k ： 式中，k 为转换系数，其值为： k = ( r 1 0 + r 1 l + r w 2 ) 5 r l o ( r 1 1 + r w 2 ) ； u ，为偏冒电压，由电源经仉，和d ：稳压后产生。作用是保证在输入为0 时，有一定的 电流( 本系统中为4 m a ) 输出。调节r 使i u ，| = 1 2 5 v ，调节r 。使转换系数为3 2 m a v ，则 第2 章地r i i 续墒纠偏仪系统粘体方窠设计 当输入信号u 。= o 5 v 时，对应的输出电流为i 。- - - - - 4 2 0 m a 。满足控制器r c 6 9 的输入要求。 u i 转换后输入至控制器中1 0 位的a d 转换器，将模拟信号转化为数字信号传递给控制 器。总体的过程如图2 1 l 所示： n e l g u n g s - v e r s t a r k e r s p a n n u n g s t s e n s o rs t r e w n - w a d d l e r 塑瑚l 。 | 璺1 2 11 角度传感器信号采集调理 f i 9 2 1 1a n g l es e n s o r sw o r k i n gc o u r s e 本系统角度传感器实际工作中特性曲线如图2 1 2 所示： l o 前，m a 一 。2 g , c i i 叫c ： j ? c 甚2 ci 0 5 i 1 ： k ； i i 8 。i l i i d i i ，g r a d ；_ 一 。# l i n e a , e rm 鲥e r d c h 幽2 1 2 角度传感器l ：作特性曲线 f i 9 2 1 2a n g l es e n s o r sw o r k i n gc h a r a c t e r 从工作特性曲线可以看出，当角度偏移量在一1 0 。1 0 。时，传感器线性度良好。 基td s p 和c a n 总线的辽续墙纠偏仪系统研究 由于本系统抓斗要求角度偏移在一3 。+ 3 。之问，所以完全满足要求。 2 2 5 压力传感器模块 本系统需要采集并显示液压系统中的压力信号，通过压力传感器将系统液压油压力