基于触摸屏的舞台灯光布光控制系统设计 本科毕业论文

常州工学院学士学位论文 摘要 论文的选题来源于工业过程中的实际问题 本文首先论述了在系统原理基 础上研究了温度 压力 液位和流量的状态信息的获取方法 完成了温度 压 力 液位和流量检测系统的总体方案设计 对于在工业现场过程中检测到的温 度和压力等信号 在监测系统的软硬件实现上 以硬件设计为主 阐述了信息 采集 存储和传输的方案 就基于 CAN 总线的性能特点及通讯进行了详细的介 绍 给出了监测系统的总体功能结构 同时也阐述了本系统中采用的 P87C591 芯片和其它的主要芯片的性能 以检测系统的组建理论为依托 设计了符合本 论文要求的硬件电路设计 并完成了控制软件的实现 本设计的硬件电路运用 了传感器技术 数据处理 数据采集 数据存储等知识 初步设计出功能较完 备 检测精度符合要求的信号检测系统 设计了下位机数据采集模块 CAN 总 线通信模块及上位机数据存储模块 实现对系统中各温度 压力 液位和流量 的在线监控 本系统运用了具有 CAN 总线功能的 P87C591 对数据进行采集和传 送 通讯及存储等功能 从而完成在线监控的任务 系统具有良好的可扩展性 可靠性 应用前景广阔 关键词 CAN 总线 数据采集 存储卡 单片机 常州工学院学士学位论文 I Abstract Dissertations derived from the practical problems in industrial processes This paper discusses a method based on the principle of system including temperature pressure level and flow of state information acquisition method and complete the design of temperature pressure level and flow detection overall system For the temperature and pressure signals which detected in the industrial field and the monitoring system hardware and software implementations hardware based design describes the information collection storage and transmission of programs to the performance characteristics based on CAN bus and communication a detailed description The design not only gives the overall functional structure of the monitoring system but also describes the system performance which use P87C591 chip and other major chip Based on the theories of formation in detecting system I designed in line with the requirements of this paper hardware circuit and implementation of the control software The hardware design make use of sensor technology data processing data acquisition data storage and other knowledge I design a preliminary signal detection system which can meet the requirements The system designed a lower computer data acquisition module CAN bus communication modules and PC data storage module the system implement of the online Monitoring of the temperature pressure level and flow The system can implement of collection and transmission of data communication and storage and other functions by P87C591 which uses CAN bus system functions thus completing the task of on line monitoring System has good scalability reliability broad application prospects Keywords CAN bus Data collection Memory card SCM 常州工学院学士学位论文 II 目录 摘要 I ABSTRACT II 目录 III 第一章 绪论 1 1 1 概述 1 1 1 1 现场总线的起源及背景 1 1 1 2 现场总线的特点与优点 2 1 1 3 几种有影响的现场总线 3 1 1 4 CAN 总线 3 1 1 5 CAN 总线的基本工作原理 3 1 1 6 CAN 总线的特点 5 1 2 本课题研究的目的和研究意义 6 1 3 本章小结 6 第二章 系统的总体结构设计 7 2 1 信息采集方式的选择 7 2 2 系统总体方案设计 8 2 3 本章小结 9 第三章 传感器及系统主要器件组成 10 3 1 传感器 10 3 1 1 温度传感器的选择 10 3 1 2 压力传感器的选择 12 3 1 4 流量传感器的选择 13 3 2 放大器的选择 14 3 3 A D 转换器的选择 16 3 4 处理器的确定 18 3 5 CAN 总线收发器的确定 21 3 6 存储器件的选择 22 3 3 本章小结 23 第四章 系统的硬件电路及软件设计 24 4 1 前向通道电路设计 24 4 2 下位机数据采集电路设计 25 4 2 1 数据采集模块硬件设计 25 4 2 2 数据采集模块软件设计 27 4 3 上位机信息接收电路设计 30 4 3 1 数据接收电路硬件设计 30 4 3 2 数据存储软件的设计 32 4 4 上下位机件间通信电路设计 33 常州工学院学士学位论文 III 4 4 1 通讯模块硬件设计 33 4 4 2 通讯模块软件的设计 34 4 5 数据的接收 36 4 6 数据的发送 37 4 7 系统的报警及显示 39 4 8 本章小结 39 第五章 仿真测试 40 5 1 仿真工具的介绍 40 5 2 测试波形 40 5 3 本章小结 42 结束语 43 参考文献 44 致谢 46 附录 1 47 附录 2 49 常州工学院学士学位论文 0 第一章 绪论 1 1 概述 随着现代科学技术的进步 自动化技术的发展日新月异 并取得了傲人的 成绩 成为我国高科技的重要分支 过程控制在自动化技术占有极其重要的位 置 在工业领域应用极为广泛 从广义上讲 可把工业过程控制理解为从原料 的投入一直到成品产出的整个生产过程 所谓过程自动化 就是利用控制仪表 计算机 通信网络等技术工具 自动获取各过程变量值的信息 并对影响过程 状况变量进行自动控制或操作 以达到提高经济效益和劳动生产率 节约能源 减少污染和安全生产等目的 因此 工业过程自动化是通过自动化仪表 自动 化技术与生产工艺及设备的有机结合来实现的 随着过程控制技术应用范围的 扩大和应用层次的深入 以及控制理论与技术的进步和自动化仪表技术的发展 过程控制技术经历了一个由简单到复杂 从低级到高级并日趋完善的过程 过 程控制系统的发展大致经历了以下阶段 基地式仪表控制系统 单元组合式仪 表控制系统 计算机集中式数字控制系统 集散式控制系统 DCS 现场总线控 制系统 FCS 计算机综合自动化系统 CIPS 流程工业计算机集成制造系统 CIMS 在现代工业过程自动化中 过程控制技术正在为实现技术经济指标 提高 劳动胜率和效益 节约能源等方面起着越来越大的作用 而过程控制的实现必 然与其仪表分不开 当代过程控制仪表已向电子化 微型化 数字化和智能化 的方向发展 并且过程控制仪表在工业生产和日常生活中得到广泛的应用 而 为达到安全生产运营 参数监测在众多生产领域中至关重要 工业生产中需要 对温度 压力 流量 液位 成分和物性六大类参数进行控制 使其保持为一 定值或按一定规律变化 在保证质量和生产安全的前提下 使生产自动进行下 去 参数监控常常需要对多个节点进行 这些节点通常具有分散性的特点 为 便于集中监控 设计分布式过程参数测控系统不仅能满足降低生产成本 分散 风险以提高系统稳定性的需要 而且可方便的实现远程监测 控制现场重要过 程参数 具有重要实践意义 常州工学院学士学位论文 1 1 1 1 现场总线的起源及背景 信息技术的飞速发展 带来了自动化领域的深刻变革 并逐渐形成了自动 化领域系统互连信网络 形成了全分布式网络集成化自控系统 现场总线正是 这场深刻变革中的重要技术 现场总线控制系统 FCS Fieldbus Control System 是继基地式气动仪表控 制系统 电动单元组合式模拟仪表控制系统 集中式数字控制系统 集散控制 系统 DCS Distributed Control System 后的新一代控制系统 由于它适应了 工业控制系统向分散化 网 因而现场总线已经成为世界范围的自技术热点 被誉为跨世纪的自控新技术 现场总线是从 20 世纪 80 年代中期发展起来的 一方面 随着微处理器功 能的不断增强和价格的降低 计算机和计算机网络系统得到迅速发展 另一方 面 处于生产过程底层的测控自动化系统 采用一对一连线 用电压 电流信 号进行测量控制 或采用自封闭式的分散控制系统 难以实现设备之间以及系 统与外界之间的信息交换 使自动化系统成为一个个的 信息孤岛 这就要求 有一种能在工业现场环境运行的 性能可靠 造价低廉的通信系统以形成工厂 底层网络 完成现场自动化设备之间的多点数字通信 实现底层现场设备之间 以及生产现场与外界的信息交换 现场总线就是在这种实际需求的驱动下应运 而生的 典型的分散式控制系统由现场设备 接口与计算设备以及通信设备组成 现场总线能同时满足过程控制和制造业自动化的需要 因而现场总线已成为工 业数据总线总线领域中最为活跃的一个领域 在制造业 流程工业 交通 楼 宇等方面的自动化系统中具有广阔的应用前景 络化 智能化发展的方向 给 自动化系统的最终用户带来更大实惠和更多方便 1 1 2 现场总线的特点与优点 现场总线系统打破了传统控制系统的结构形式 传统模拟控制系统采用一 对一的设备连先 按控制回路分别进行连接 现场总线系统由于采用智能现场 设备 使控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表 直接在现场完 成 实现了彻底的分散控制 由于采用数字信号替代模拟信号 因而可实现一 线传输多个信号 同时又为多个设备提供电源 现场设备以外不再需要模拟 数 常州工学院学士学位论文 2 字 A D 数字 模拟 D A 转换部件 1 现场总线系统的技术特点 1 系统的开放性 2 互操作性与互用性 3 现场设备的智能化与功能自治性 4 系统结构的高度分散性 5 对现场环境适应性 2 现场总线的优点 由于现场总线的以上优点 特别是现场总线系统结构的简化 使控制系统 从设计 安装 投运到正常生产运行及检修维护 都体现出优越性 1 节省硬件数量与投资 2 节省安装费用 3 节省维护开销 4 用户具有高度的系统集成主动权 5 提高了系统的准确性与可靠性 1 1 3 几种有影响的现场总线 由于涉及各个企业的商业利益 因此统一现场总线的标准十分困难 导致 目前有众多总线共存的局面 国际上几种有影响的现场总线有基金会现场总线 FF DeviceNet INTERBUS SwiftNet PROFIBUS LonWorks CAN 总线 以及 HART 总线等 1 1 4 CAN 总线 CAN 是控制器局域网络 Cnotrol Aera Netwokr 的简称 最早由德国 BOSHC 公司推出 用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信 其总线规范现已被 150 国际标准组织制定为国际标准 由于其设计合理 具有较强的实用性 因 此推出后不仅在汽车工业中广泛应用 还大量应用于工业自动化 智能建筑 医疗设备 自动测试设备等诸多领域 获得了长足的发展 一些大公司如 AB 公 司的 DvecieNet 及 Hnoyewell 公司的 SDS 系统都是应用 CAN 的产品 正是 CAN 技术与产品的可靠性与实用性 它的应用范围和用户正迅速扩大 常州工学院学士学位论文 3 1 1 5 CAN 总线的基本工作原理 CAN 总线的拓扑结构是一个典型的串行总线的结构形式 CAN 总线中一个节 点发送信息 多个节点接收信息 但 CAN 总线的信息存取方式既不同于令牌方式 的 Arcnet 也不同于主从方式的 Bithus 采用的是一种广播式的存取工作方式 与其他网络不同 在 CAN 总线的通信协议中 没有节点地址的概念 也没有任 何与节点地址相关的信息存在 它支持的是基于报文的工作方式 也就是说 CAN 总线面向的是数据而不是节点 因此加入或撤销节点设备都不会影响网络 的工作 十分适用于控制系统要求快速 可靠 简明的特点 以下将对 CAN 总 线的基本通信工作原理做一介绍 CAN 总线是一个基于报文而不是基于站点地 址的协议 也就是说报文不是按照地址从一个节点传送到另一个节点 CAN 总 线上报文所包含的内容只有优先级标志区和欲传送的数据内容 所有节点都会 接收到在总线上传送的报文 并在正确接收后发出应答确认 至于该报文是否 要做进一步的处理或被丢弃将完全取决于接收节点本身 由节点来进行报文过 滤 同一个报文可以发送给特定的站点或许多站点 就看你怎样去设计网络和 系统 基于报文的这种协议另外一个好处是新的节点可以随时方便地加入到现有 的系统中 而不需对所有节点进行重新编程以便它们能识别这一新节点 一旦 新节点加入到网络中 它就开始接收信息 判别信息标识 然后决定是否作处 理或直接丢弃 CAN 总线定义了四种不同的报文 或叫帧 用于总线通信 第一种也是最常 用的是数据帧 用于一个节点传送信息到其它任一或所有节点 第二种叫远程 帧 基本上是一个数据帧但其中的 RTR 位被置 1 表明这是一个远程发送请求 用于一个节点主动要求其它节点发送信息 另外两种用作差错处理 分别叫做错 误帧和过载帧 如果节点在接收过程中检测到任一在 CAN 总线协议中定义了的 错误信息 它就会发送个错误帧 当一个节点正忙于处理接收的信息 需要额 外的等待时间接收下一报文时 可以发送过载帧 通知其它节点暂缓发送新报 文 CAN 总线协议有套完整的差错定义 能够自动地检测出错误信息 由此保 证了被传信息的正确性和完整性 CAN 总线上的节点具有检测多种通信差错信 常州工学院学士学位论文 4 息的能力并采取相关的应对措施 发送错误可通过 CRC 出错 检测到 普通接 收错误可通过 应答出错 检测到 CAN 报文格式错误可通过 格式出错 检 测到 CAN 总线信号错误可通过 位出错 检测到 同步和定时错误可通过 阻塞出错 检测到 每个 CAN 总线上的节点都有一个出错计数器用以记录各 种错误发生的次数 通过这些计数器就可以确认这些节点是否应工作到降级模 式 总线上的节点可以从正常工作模式 正常收发数据和出错信息 降级到消极 工作模式 只有在总线空闲时才能取得控制权 或者到关断模式 和总线隔离 1 1 6 CAN 总线的特点 根据以上分析的 CAN 基本工作原理 如果用以 CAN 现场总线作为分布式监 测系统的通信网络的话 与其他现场总线比较有以下的优点 系统构造方便简 单 性能价格比高 传输速度快 可靠性高 扩展性强 总而言之是兼备了 CAN 现场总线和分布式控制系统的优点的一种强强组合 具有强劲的市场竞争 力 同时在国外和我国 CAN 总线在工业现场的测控系统方面的应用已十分成熟 因此本论文在子节点与上位机通讯方式的选择时选用 CAN 总线这一成熟的技术 作为分布式监测系统的通信方式 根据 CAN 总线的数据通信具有突出的可靠性 实时性和灵活性 其特点可 概括如下 1 CAN 为多主方式工作 网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上 其它节点发送信息 而不分主从 通信方式灵活 无需站地址等节点信息 2 CAN 网络上的节点分成不同的优先级 可满足不同的实时要求 优先级 高的数据最多可在 134us 内得到传输 3 CAN 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 优先级较低的节点主动退出发送 而最高优先级的节点可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情况 4 CAN 节点可实现点对点 一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数 据 只需通过报文滤波即可 无需专门的 调度 5 CAN 的直接通信距离最远可达 10km 速率 5kbps 通信速率最高可达 常州工学院学士学位论文 5 1Mbps 通信距离最长为 40m 6 CAN 上的节点数主要取决于总线驱动电路 目前可达 110 个 标准帧 CAN2 0A 报文标识符 11 位 可达 2032 种 而扩展帧 CAN2 0B 的报文标识符 29 位 个数几乎不受限制 7 报文采用短帧结构 每一帧有效字节数为 8 个 传输时间短 受干扰概 率低 保证了数据出错率极低 8 CAN 的每帧信息都有 CRC 校验及其它检错措施 具有极好的检错效果 9 CAN 的通信介质可为双绞线 同轴电缆或光纤 选择灵活 10 CAN 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 2 本课题研究的目的和研究意义 智能化 网络化是自动化仪表的发展趋势 数据采集技术是智能仪表完成过 程参数控制 监测等诸多功能的基础 应用现场总线技术及通讯技术 研究了基 于 CAN 总线的分布式数据采集系统的总体方案 在此基础上设计了下位机数据采 集模块 CAN 总线通信模块及上位机数据存储模块 以温度 压力 液位和流 量为采样目标 对系统进行了实验研究 结果表明系统能够准确 可靠的完成数 据采集 通讯及存储等功能 CAN 总线适用于工业控制系统 具有通信速率高 可靠性强 连接方便 性价比高等特点 系统具有良好的可扩展性 应用前景广 阔 因此研究基于 CAN 总线的数据采集系统具有重要意义 1 3 本章小结 本章介绍了过程控制技术的发展状况 重点阐述了 CAN 总线的相关概念以 及特点 基于这些特点 可选用 CAN 总线进行数据采集 通讯及存储等功能 下一章就其提出系统总体结构方案设计 常州工学院学士学位论文 6 第二章 系统的总体结构设计 2 1 信息采集方式的选择 在智能化测量控制仪表中 为了能够实现对外界各种模拟信号的测量 必须 通过数据采集系统将信号送入仪表之中 数据采集系统是外部信号进入仪表内 部的必经之路 外部的模拟信号经过前置放大器和采样保持器后进入模数转换 器 转换出数字量后通过缓冲器与仪表的总线连接 前置放大器的作用是将输 入信号放大到模数转换器可接受的范围之内 前置放大器一般采用集成电路运 算放大器 集成运放有通用型如 F07 DG741 和专用型两类 专用型有低漂移 型 高阻型 高速型 低功耗型等 使用时应根据实际需要来选择集成运放 择选的依据是其性能参数 差模输入电阻 输出电阻 输入失调电压 电流及 温漂 开环差模增益 共模抑制比和最大输出电压幅度等 在温度 压力流量和液位的检测方面 本系统要对多个温度 压力流量和 液位信号进行采集 对多路信号采集通常有两种方式 一种是每个通道使用一 个独立的采样单元 每个通道可独立地设定采样频率 采样启动和停止时间 采样数据的保存方式以及采样单元和数据处理计算机之间的数据传输方式 这 种方式一般用于较大的数据系统 每个通道的采样数据量较大 采样频率较高 另一种方式是多个通道采用共享 A D 转换器的方式 该方式下的各个通道共用 一个多路转换开关 按某一时间间隔 依次将各个通道的信号输入到采样保持 电路 再经 A D 转换器将模拟信号转换成计算机能够处理的数字信号 本系统 的监测对象是温度 压力流量和液位信号 而温度 压力流量和液位信号的变 化频率不会很高 因此不必每个通道都使用一个独立的采样单元 几路相同或 相似的信号共用一个数据采集模块就能实现数据的实时采集 因此本系统采用 多路信号共享 A D 转换器的方式进行数据采集 信号分布式采集处理模式是指一个数据采集处理模块 即一个监测节点只 对一路或几路信号进行数据采集处理 每个节点都包括一个 A D 转换器和一个 常州工学院学士学位论文 7 计算机单元 各节点通过现场总线将各自采集的数据传送到上位计算机进行处 理 这种模式下 由于一个数据采集模块只负责一路或较少的几路信号 对计 算机单元的性能要求不高 一般采用单片机就能实现较高速的数据采集 采用 这种模式时 可以将几个相同或相似类型的信号共享一个数据采集模块 不同 类型的信号只需要更改前向通路就可以了 这样就大大降低了设计难度 同时 也便于系统的扩展 用一个模块同时对很多路信号进行采集会造成采样实时性 和可靠性降低 所以本系统采用了分布式信息采集处理模式 2 2 系统总体方案设计 工业自动化仪表通常要对多个设备的过程参数进行控制 这些设备 参数 具有一定的分散性 如果对每个参数设置独立的采样单元 不仅会使仪表体积 庞大 成本增加 而且可能造成系统的布局混乱 无法保证系统的可靠运行 由于工业生产中的过程参数多为慢变过程 其变化频率不会很高 因而系统采 用分布式数据采集处理结构 非电量检测与信号调理电路是自动化仪表完成测 量 控制功能的基础 设计时要充分考虑传感器的性能 应尽量将传感器输出 信号调理到 A D 满量程范围 以减小量化误差 由于本系统测量的温度信号在 55 125 而压力信号是 0 1MPa 流速在流速 0 1m s 15m s 所以传 感器检测出来的压力 温度 液位和流量都为毫伏级信号 这样的弱信号需经 过放大调理处理后才能被数据采集部分接受和处理 因此后接一个前置放大器 放大器用来放大和缓冲输入信号 传感器的输出信号经放大调理后得到的输出 信号是电压信号 在传感器后接一个多路模拟开关 多路模拟开关的主要用途 是把多个模拟量分时地接通送入 A D 转换器 即完成多到一的转换 再将 A D 转换器传出的信号传送到数据采集模块 电压信号经过数据采集模块被送入 CAN 总线 再由 CAN 总线传送到上位机 上位机具有存储和通讯的功能 最后 进行数据显示及报警功能 系统总体设计方案如图 2 1 所示 常州工学院学士学位论文 8 图 2 1 系统总体设计方案 2 3 本章小结 本章主要对检测装置的总体结构进行研究 综合考虑下选择 分布式信息采 集处理模式做为本系统的信息采集方式 本设计采用传感器进行检测 再经过 信号放大处理送入多路模拟开关 再将 A D 转换器传出的信号传送到数据采集 模块 电压信号经过数据采集模块被送入 CAN 总线 再由 CAN 总线传送到上位 机 上位机具有存储和通讯的功能 最后进行数据显示及报警功能 常州工学院学士学位论文 9 第三章 传感器及系统主要器件组成 3 1 传感器 传感器是测量系统中的一种前置部件 它将输入变量转换成可供测量的信 号 它是被测量信号输入的第一道关口 其作用是信息收集 信息数据交换和 控制信息采集 本课题是以温度 压力 液位 流量为采样目标 因此首先要 完成对温度 压力 液位 流量传感器的选择 3 1 1 温度传感器的选择 本系统要对多个温度信号进行检测 对温度的测控方法多种多样 随着电 子技术和微型计算机的迅速发展 微机测量和控制技术也得到了迅速的发展和 广泛的应用 利用微机对温度进行测控的技术 也便随之而生 并得到日益发 展和完善 越来越显示出其优越性 1 常用传感器 1 热敏电阻式温度传感器 2 热电阻式温度传感器 3 热电偶式温度传感器 4 模拟集成温度传感器 5 智能温度传感器 智能温度传感器 亦称数字温度传感器 是微电子技术 计算机技术和自 动检测技术的结晶 也是集成温度传感器领域中最具活力和发展前途的一种新 产品 目前智能温度传感器具有以下三个特点 第一 能输出温度数据及相关 额温度控制量 适配各种微控制器 MCU 第二 能以最简方式构成高性价比 多功能的智能化温度测控系统 第三 它是在硬件的基础上通过软件来实现测 试功能的 其智能化程度也取决于软件的开发水平 2 DS18B20 传感器 在本系统中 我们可以选择数字 DS18B20 测温元件作为传感器 智能传感 器 DS18B20 的转换分辨率均可以由用户设定 并且可以长期保存 使用这种传 感器可以在现场采集温度数据 并直接将温度物理量转换成数字信号并以总线 方式传送到计算机进行数据处理 可以应用到各种领域 环境的自动化测试和 常州工学院学士学位论文 10 控制系统 使用灵活 测试精度高 DS18B20 是一种以 9 位数值方式读出温度 用户可定义 非易失性的温度告警装置 其引脚排列如图 3 1 所示 图 3 1 DS18B20 的引脚图 GND 地 DQ 数字输入输出 VDD 可选的 VDD NC 空引脚 DNC 不连接 DS18B20 与控制器的连接 DS18B20 支持寄生电源供电方式 如图 3 2 这种方式不需要专门提供电源 把芯片的电源和地都接地 只用一根单总线和主机通信和获取电源 单总线上 接大约为 5k 欧姆的上拉电阻 和 DS18B20 芯片的寄生电容形成充放电电路 DS18B20 在单总线为高电平时从单总线获得电荷 供应芯片电源 同时一部分 电荷也保存在芯片的寄生电容里 在单总线低电平时给予供电 当单总线上负 载多个 DS18B20 时 必须在总线上用一个 MOSFET 金属氧化物半导体场效应管 提供强上拉 当单总线需要强上拉时 由控制器通过 I O 口对场效应管的栅极 写 1 即需要加上一个 5V 的电压 使场效应管导通 其他时候对栅极写 0 使场效应管截止 DS18B20 可用数据线供电 电压范围 3 0 5 5 V 测温范 围 55 125 固有测温分辨率为 0 5 常州工学院学士学位论文 11 图 3 2 DS18B20 与控制器的连接 每片 DS18B20 与单总线间接一个 100 欧姆的电阻可以提高系统的稳定性 如图 3 2 由于每个 DS18B20 芯片都是通过漏极开路和数据线接口 加接电阻后 可以有效的限制电流 避免场效应管被击穿 损坏芯片 此外 当单总线有多 个 DS18B20 分支时 在分支点会引起阻抗失配 从支路末端返回的反射波会影 响总线的其他器件 在支路上串接电阻将会有效的降低阻抗失配 减少反射能 量 3 1 2 压力传感器的选择 扩散硅传感器的工作原理是利用单晶硅的压阻效应 采用 IC 工艺扩散四个 等值应变电 组成惠斯登电桥 不受压力作用时 电桥处于平衡状态 当受到 压力 或压差 作用阻时 电桥的一对桥壁电阻变大 另一对变小 电桥失去平 衡 若对电桥加一恒定的电压 便可检测到对应于所加压力的电压信号 从而 达到测量液体 气体压力大小的目的 其中 BYP300 小巧型压力变送器 采用进口原装扩散硅传感器 灵敏度高 精度高 抗过载能力强 结构简单不松动 重复性好 体积小巧 易安装 可 广泛应用于航空航天 科学试验 石油化工 制冷设备 污水处理 工程机械 等液压系统产品及所有压力测控领域 尽管本压力变送器内部集成了放大电路 但在系统中 为了使系统具有良好的可扩展性 在系统设计时仍需设计通用的 常州工学院学士学位论文 12 放大电路接口 BYP300 压力变送器选用进口压力芯片 敏感元件采用扩散或离子注入等 工艺形成电阻并连接成惠斯通电桥 用微机械加工技术在电桥下形成压力敏感 膜片 当压力作用在膜片上时 电阻值发生变化并且产生一个与作用压力成正 比的线性输出信号 在惠斯通电桥上加上直流电源 就会产生一个直流电压信 号的输出 经过二次转换线路 实现两线制 4 20mA 输出 0 1MPa 压力传感器 其功能特点 宽电压供电 表压 绝压 负压 抗冲击 耐震动 体积小 温 度补偿功能 高稳定性 高精度 宽的工作温度 综合考察下 本系统采用 BYP300 压力传感器 3 1 4 流量传感器的选择 正确选择流量传感器取决于六个因素 传感器技术参数 流体特性 流动 的状态 安装 环境 经济性 电磁流量计则是一款高精度 高可靠和使用 寿命长的流量传感器 其 工作原理是基于法拉第电磁感应定律 电磁流量 计有分体型电磁流量计和一体型电磁流量计这两种 而其中分体型电磁流量 计是一种根据法拉第电磁感应定律来测量管内导电介质体积流量的感应式仪 表 采用单片机嵌入式技术 实现数字励磁 同时在电磁流量计上电磁采用 CAN 现场总线 属国内首创 技术达到国内领先水平 分体型电磁流量计在满足现场显示的同时 还可以输出4 20mA 电流信 号供记录 调节和控制用 现已广泛地应用于化工 环保 冶金 医药 造 纸 给排水等工业技术和管理部门 综合考察下 本系统选择分体型电磁 流量计 ETFM200 型智能电磁供电型电磁流量计适用于测量封闭管道中流动的导电 性液体的体积流量 它广泛用于水处理 化工 造纸 医药 冶金 城市建设 等领域的计量控制系统 ETFM200 型智能电磁供电型电磁流量计主要特点 1 压力损失小 无阻挡件 寿命长 2 在测量导电液体介质时 只要合理选择内衬和电极材料 就能正常计量 并不受流体的密度 粘度 温度 压力和电导率变化的影响 故测量准确度高 精度可达 0 5 3 宽的流速范围 流速 0 1m s 15m s 常州工学院学士学位论文 13 4 采用了大屏幕点阵式带背光宽温型 LCD 液晶显示器 中英文菜单 操作 使用方便 能显示正反方向累积 瞬时流量 流量百分比 流速 报警信息等 5 失电保护 EEPROM 可保护设定参数和累计值 综合考虑下 本系统选择 ETFM200 型智能电磁供电型电磁流量计 3 2 放大器的选择 传感器的输出电压为毫伏级电压时 需经信号调理电路放大后才能送入 A D 转换器进行转换 为了使精度更加准确 本系统信号调理电路的核心 放大器选用的是 AD 公司的精密仪表放大器 AD522 对弱信号进行放大调理 AD522 集成数据采集放大器可以在环境恶劣的工作条件下进行高精度的数据采 集 它线性好 并具有高共模抑制比 低电压漂移和低噪声的优点 适用于大多 数 12 位数据采集系统 AD522 通常用于电阻传感器 电热调节器 应变仪等 构成的桥式传感器放大器以及过程控制 仪器仪表 信息处理和医疗仪器等方 面 图 3 3 AD522 引脚排列 AD522 具有如下特性 1 低漂移 2 0 V AD522B 2 非线性低 0 005 G 100 3 高共模抑制比 110dB G 1000 4 低噪声 1 5 Vp p 0 1 100Hz 常州工学院学士学位论文 14 5 单电阻可编程增益 1 G 1000 6 具有输出参考端及远程补偿端 7 可进行内部补偿 8 除增益电阻外 不需其它外围器件 9 可调整偏移 增益和共模抑制比 下面对各引脚进行详细说明 引 脚名 称功 能 1 INPUT 正输入端 2R GAIN 增益被偿端 3 INPUT 输入端 4NULL 空端 5V 负电源端 6NULL 空端 7OUTPUT 输出端 8V 正电源端 9GND 地参考端 10NC 不接 11REF 参考端 12SENSE 补偿端 13DATA GUARD 数据保护端 14R GAIN 增益补偿端 AD522 的主要特性 AD522 可以提供高精度的信号调理 它的输出失调电压 漂移小于 1V 输入失调电压漂移低于 2 0 V 共模抑制比高于 80dB 在 G 1000 时 110dB G 1 时的最大非线性增益为 0 001 典型输入阻抗为 10 9 AD522 使用了自动激光调整的薄膜电阻 因而公差小 损耗低 体积小 性能可靠 同时 AD522 还具有单片电路和标准组件放大器的最好特性 是一种 高性价比的放大器 AD522 可以提供四种漂移选择 输出失调电压的最大漂移 随着增益的增加而增加 失调电流漂移所引起的电压误差等于失调电流漂移和 不对称源电阻的乘积另外 AD522 的非线性增益将随关闭环增益的降低而增加 AD522 放大器的共模抑制比的测量环境条件为 10V 使用阻值为 1k 的不对称 电阻 在低增益情况下 共模抑制比主要取决于薄膜电阻的稳定性 但由于增益 带宽的响 AD522 在 60Hz 以下频率时相对比较恒定 但在有限的带宽中 AD522 的相移将随着直流共模抑制比的升高而增加 在动态性能方面 AD522 的稳定时 间 单位增益带宽和增益成正比 常州工学院学士学位论文 15 对于 AD522 的误差调整 AD522 所提供的 0 1V 输出电压无静差变频器是一 个 1k 的不平衡源 当对绝对精度的影响不超过 0 2 时 允许使用 8 位校准 操作 在计算机或微处理器控制的数据采样系统中 自动再调整操作可使增益和 失调漂移产生的噪声值为零 此时 失真和共模抑制比是仅有的误差源 在这种 情况下 使用 12 位操作可达到预期目的 下面对 AD522 的三种常见误差进行说明 1 增益误差 2 失调漂移和引线电流误差 3 共模抑制比和噪声误差 综上所述 本设计使用 AD522 能保证系统在高精度的测量环境下对系统的 信号进行放大 3 3 A D 转换器的选择 在系统中 由于传统的传感器信号是模拟信号 所以必须通过 A D 转换器 将其变换为数字信号后才能被计算机使用 本系统选用的是 12 位 A D 转换器 ADS774JP 作为模拟量输入通道的转换核心 ADS774JP 芯片采用 28 脚 DIP 封装 采用单 5V 电源供电 片内含有采样保持 电 压基准和时钟等电路 该芯片所需外围电路少 接口方便 运算速度快 因此 对缩短系统开发周期 增强系统可靠性极为有利 ADS774JP 采用 CMOS 工艺制造和电荷重新分配技术进行逐次逼近来实现 A D 转换 该芯片转换速度快 最大转换时间不超过 8 5us 功耗低 最大功耗小 于 120Mw 模拟输入范围可以是 0 10V 0 20V V 和10V 5 当输入电压 0 10V 时 模拟量应从引脚 10输入 此时 其数字 N V1 N V1 输出量 D 为无符号二进制码 计算公式为 D 4096 N V1 FS V 式中 为输入模拟量 是满量程 模拟量若从引脚输入 则 N V1 FS V N V110 10V 若从引脚 20输入 则 20V 其中 1LSB 4096 当信号从 FS V N V1 FS V FS V 引脚 10输入 且 10V 时 1LSB 24mV 当信号从引脚 20输入 20V N V1 FS V N V1 FS V 常州工学院学士学位论文 16 时 1LSB 49mV 当输入电压在 5 5V 之间时 模拟量应从引脚 10输 N V1 N V1 入 当输入电压在 10 10V 之间时 则应从引脚 20输入 N V1 N V1 采用双极性输入时 其输出数字量 D 与输入模拟电压之间的关系如下 N V1 D 2048 1 2 N V1 FS V 如果信号从 20脚输入 那么 信号将从 19 9951V 变到 0 0000V 对单极 N V1 性输入 或从 19 9951V 变到 10 0000V 对双极性输入 数字量的变化为 4095 因此分辨率为 19 9951V 4095 4 88mV 如果信号从 10引脚输入 则分辨率 N V1 为 9 9976V 4095 2 44mV ADS774JP 是 ADC574 ADC674 和 ADC774 的代换产品 其引脚可分为如下三类 1 电源类 2 模数信号类 3 控制信号类 启动转换和读取转换结果的时序 ADS774JP 启动转换和读取转换结果的时序如图 2 5 所示 需要说明的是 在 CE 和有效之前 R 必须为低电平 如果 R 为高电平 则读操作立即CSCC 进行 而这将导致总线冲突 图 a 为 CE 启动转换时序 如果用于触发转换或规定的建立时间没CS 有满足 则需要适当加宽脉冲 当 R CE 和都有效时 至少要为 200ns CCS 一旦转换开始 STS 即进入高电平 此时再有转换命令将被忽略 直至转换结 束 转换期间数据缓冲器是不能接通的 图 b 为读周期时序 在数据读操作期间 取数时间将从 CE 和 R 都为C 高电平时算起 假设已经为低电平 而如果已启动器件 则取数时间CSCS 将延长 100ns 对于 8 位总线接口模式 12 8 端接数字地 当 CE 进入高电平 之前 A0 至少应稳定 150ns 而在整个读周期内 A0 都必须稳定 如果 A0 改 变 芯片输出缓冲器就有可能损坏 常州工学院学士学位论文 17 图 3 4 ADS774JP 的时序图 A D 转换器从起动到完成转换需要一定的时间 确定 A D 转换器的转换速 率必须考虑数据采集模块的采样速率 由采样定理可知 采样频率fs和被采 样信号的截止频率fc之间应满足下式的关系 否则会产生混叠现象 cs ff2 而在进行系统总体方案设计时采用多路模拟信号通过多路开关的切换 共 用一个 A D 转换器的方式进行数据采集 因此虽然被测量压力信号为低频信号 A D 转换器的转换速率仍宜选的高些 这样不仅能够提高采样数据的可靠性 而且为以后的扩展留有余地 另外 由于机车制动系统在不同工况下 各个压 力变化速度很快 这就要求数据采集系统应具备采样保持功能 为简化电路设 计 本系统选择的 A D 转换器应自带采样保持功能 结合前面的分析内容 本系统选用具有采样 保持功能的 12 位 ADS774 逐次 逼近式 A D 转换器 外形采用 28 脚的 DIP 封装结构 其模拟输入范围可以从 0 10V 0 20V 5V 10V 特点如下 可与 ADC574 ADC674 等互换 具 有采样 保持电路 具有内部基准 时钟和微机接口 最大转换时间不超过 8 5us 采用 5V 单电源供电 功耗小于 120mW ADS774JP 不仅分辨率高 转换 速度快 而且接口方便 电路简单 应用灵活 因而具有广泛的应用前景 3 4 处理器的确定 在进行系统总体方案设计时已经讨论了各监测模块采集到的压力信息要通 过 CAN 总线传送到上位机 因此选择下位机及上位机的处理器时必需考虑 CAN 通讯功能的实现问题 目前 CAN 总线接口电路的设计方法有如下两种 一种是 常州工学院学士学位论文 18 处理器与独立的 CAN 控制器 另一种是带片内 CAN 控制器的处理器 选用带片 内 CAN 控制器的处理器 设计时的灵活性虽不如使用独立的 CAN 控制器 但外 部电路的复杂性也降低了 提高了系统的可靠性 此外根据本系统的要求 CAN 站点控制电路在提供 CAN 总线接口的同时还要提供大量的 I O 口 因此选 用了 PHILIPS 公司的带片内 CAN 控制器的 P87C591 单片机作为各被控过程的信 息参数及上位机的核心控制芯片 P87C591 是 8 位高性能微处理器 具有片内 CAN 控制器 从 80C51 微控制 器家族派生而来 它采用了强大的 80C51 指令集并成功地包含了 PHILIPS 半导 体 SJA1000 CAN 控制器强大的 PeliCAN 功能 P87C591 组合了 87C554 微控制 器 和 SJA1000 独立的 CAN 控制器 的功能 并在 SJA1000 的基础上增加了以 下 CAN 的特点 增强的 CAN 接收中断 扩展的验收滤波器 验收滤波器可 在 运行中改变 图 3 5 P87C591 内部结构方框图 P87C591 的特性主要有 1 全静态 80C51 中央处理单元 可提供 OTP ROM 和无 ROM 型 2 16KB 内部程序存储器 可外部扩展到 64KB 3 512B 片内数据 RAM 可外部扩展到 64KB 4 3 个 16bit 定时 计数器 T0 T1 标准 80C51 和附加的 T2 捕获和 比较 常州工学院学士学位论文 19 5 带 6 路模拟输入的 10bitADC 可选择快速 8bitADC 6 2 个 8bit 分辨率的脉宽调制 PWM 输出 7 作为标准 80C51 引脚时有 32 个 I O 口 8 带字节方式主和从功能的 I2 C 总线 9 片内看门狗定时器 T3 10 保密位 32B 标识符加密陈列 11 4 个中断优先级 15 个中断源 12 CAN2 0 控制器 支持 11bit 标准标识符和 29bit 扩展标识符 13 8MHz 时钟可实现 1Mbit sCAN 总线速率 14 电源控制模式 包括时钟可停止和恢复模式 空闲模式 掉电模式 三种 15 空闲模式中 ADC 有效 16 双 DPTR 17 可禁止 ALE 实现低 EMI 18 软件复位 AUXR1 5 19 上电检测复位 20 ONCE On Circuit Emulation 模式 增强的温度范围 40 85 提供 PLCC44 QFP44 封装 本系统选用 PLCC44 型封装的 P87C591 芯片 PLCC44 型封装的 P87C591 芯片特点为 1 存储器系统 P87C591 总共有三个存储空间 即 16KB 内部程序存储器 可外部扩展到 64KB 512 内部数据存储器 主和辅助 RAM 最大 64KB 外部数据 存储器 2 I O 结构 P87C591 包含 32 条 I O 口线 部分具有复用的功能 I O 在 复位时保持高电平 P0 P3 具有下列可选的功能 P0 与 80C51 相同 复位后 P0 口特殊功能寄存器为 FFH P0 还提供 复用的低位地址和数据总线 用于扩展 P87C591 的标准存储器和外围设备 P1 支持几种可选的功能 因此其具有不同的 I O 状态 注意 在复位后 P1 0 和 P1 1 为高电平 而 P1 2 P1 7 为高组态 三态 常州工学院学士学位论文 20 P2 与 80C51 相同 复位后 P1 口特殊功能寄存器为 FFH P2 还提供 复用的高位地址和数据总线 用于扩展 P87C591 的外部存储器和 或外部数据 存储器 P3 与与 80C51 相同 复位后 P2 口特殊功能寄存