现场总线研究.doc

微机原理与接口技术 课程设计设计题目：现场总线的研究具体方向： 基于CAN总线的温度与压力控制系统 目 录第1章 现场总线系统设计概述11.1背景意义11.2现场总线系统设计要求与目的1第2章 硬件设计22.1设计方案与原理22.2硬件设计及描述3第3章 软件分析设计103.1流程图103.2部分程序11第4章 课程设计总结13第5章 致谢13参考文献14第1章 现场总线系统设计概述1.1背景意义在实际生产、生活等各个领域中，温度、压力是环境因素的不可或缺的一部分，对温度及时精确的控制和检测显得尤为重要。在工业中，料桶里外上限温度要求不一，以及热处理中工件各个部位的温度对工件形成后的性能至关重要等等。现代电子工业的飞速发展对自动测试的要求越来越高。近年来，现场总线以其全开放、全分散、全数字化，集计算机、通信、控制技术于一体成为当今自动化技术发展的热点，在各种工业生产过程中得到越来越广泛的应用。它能对工业生产过程的各个参数进行测量、信号转换、控制和显示，把多个测量控制仪表或计算机作为网络节点，并通过双绞线、通讯电缆等传输媒介进行信息的高速双向传输，构成一个全数字化、全开放、多点测试和可靠通信的智能化控制网络。CAN总线作为有效支持分布式控制的多主串行现场总线之一，以其检错能力强、通讯硬件接口简单、通讯介质选择灵活、可靠性高、实时性高、价格低等特点而备受现场设备互连的青睐，广泛应用于汽车自动化、楼宇自控、工业控制等领域。设计一种基于CAN总线温度、压力测控系统，可以对多点位温度和压力进行灵活的测控，具有很高的应用价值。1.2现场总线系统设计要求与目的1、 生产现场与微机化测量控制设备之间多采用现场总线，当今有多种现场总线技术，例如CAN总线等等。系统地对各个现场总线技术进行分析研究其功能、原理及其优缺点，并配合各自电路图加以举例和解释。2、 本人做了基于CAN总线的温度与压力控制系统的设计，由此来对现场总线进行研究（整个系统由上位机和测控节点构成，上位机采用通用PC机或工控机IPC，各个测控节点与上位机间采用CAN总线相连。以SJA1000为CAN控制器，以PCA82C250为总线驱动器。）第2章 硬件设计2.1设计方案与原理温度、压力测控系统由上位机和测控节点构成，如图2.1所示。上位机采用通用计算机（PC）或工业控制计算机（IPC），在ISA扩展槽使用一块CAN总线通信适配卡，使上位机具有CAN总线通信功能。各个现场测控节点对工业现场的温度和压力等模拟量进行测量和控制。上位机通过CAN总线与测控节点相连。PC机CAN接口适配卡节点模块1节点模块N节点模块2图2.1温度与压力系统结构原理图设计的系统对温度和压力的控制采用两种方式。一种使上位机通过对接收到的数据进行计算，得到一个精确的控制量，再传送给测控节点去执行；一种是在现场测控节点进行设置。采用简单的算法对温度和压力进行控制。通常情况下采用第一种方式，这样可以利用上位机运算速度快的的优点，采用复杂的算法进行精确控制。在网络出现故障时，采用第二种方式，以使温度和压力不至于失控。智能测控节点的结构如图2.2所示，它由3部分组成：微控制器电路，传感器电路和现场监控电路。2.2硬件设计及描述2.2.1 CAN总线控制器SJAl000介绍1PHILIPS公司的PCA82C200是符合CAN2.0A协议的总线控制器，SJAl000是其替代产品，它是应用于汽车和一般工业环境的独立CAN总线控制器，具有完成CAN通信协议所要求的全部特性。经过简单总线连接的SJAl000可完成CAN总线的物理层和数据链路层的所有功能。其硬件与软件设计和PCA82C200的基本CAN模式（BasicCAN）兼容。同时，新增加的增强CAN模式（PeliCAN）还可支持CAN2.0B协议。SJAl000的主要特性如下：1）管脚及电气特性与独立CAN总线控制器PCA82C200兼容；2）扩展接收缓冲器（64字节FIFO）；3）支持CAN2.0B协议，同时支持ll位和29位标识符；4）位通讯速率最高可达lMbit/s；5）增强CAN模式（PeliCAN）；2SJAl000独立型CAN总线控制器由以下几部分构成：1）接口管理逻辑：它接收来自微处理器的命令，控制CAN寄存器的地址，并为微处理器提供中断和状态信息；2）发送缓冲器： 13字节长，位于CPU位流处理器（BSP）之间，能存储一条将在CAN总线上发送的完整的报文，报文由CPU写入，由BSP读出；3）接收缓冲（RXB，RXFIFO）：是CPU和接收滤波器之间的接口，用来存储从CAN总线接收并通过了滤波的报文。接收缓冲器RXB是提供给CPU可访问的13字节的窗口，这个窗口是属于接收FIFO（RXFIFO）的一部分，共有64字节长。有了这个FIF0，可以在CPU处理一个报文的同时继续接收其他到来的报文；4）接收滤波器：它把报文头中的标识符和接收滤波寄存器中的内容进行比较，以判断该报文是否被接收。如果被接收，报文存入RXFIFO；5）位流处理器：它是一个控制发送缓冲器、RXFIF0并行数据和CAN总线 （串行数据）之间数据的序列发生器，同时它也执行错误检测、仲裁、位填充和CAN总线错误处理功能；6）位定时逻辑：将SJAl000同步于CAN总线上的位流；7）错误管理逻辑：按照CAN协议完成错误界定。3SJA1000的内部结构框图参见图2.2所示。VDD1SJA1000XTAL2XTAL18 VD VSS3ALE/AS,/E, CLKOUTMODE, AD7 to AD0信息缓冲器发送缓冲器RXFI器采用82C250。PCA82C250收发器是CAN协议控制器和物理传输线路之间的接口，并对总线提供差动发送能力和对CAN控制器提供差动接收能力。其主要特点如下：1）完全符合“IS011898”标准；2）高速率（最高可达1Mbit/s）；3）具有抗汽车环境下的瞬间干扰，保护总线能力；4）采用斜率控制（Slope Control），降低射频干扰（RFI）；5）差分收发器具有宽范围的抗共膜干扰能力，有很强的抗电磁干扰（EMI）的能力；6）过热保护；FO接收缓冲器位流处理器位时序逻辑验流滤波器错误管理逻辑复位接口管理逻辑振荡器88 VD VSS18 VD TX08 VD TX11215131419202118179103 to 7,11,162,1,28 to 237 控制8 地址/数据8 VD VSS2VDD2RX1RX0VDD322内部总线图2.2 SJA1000内部结构框图2.2.2总线驱动器PCA82C250介绍1引脚介绍PCA82C250为8引脚芯片，有DIP和SO两种封装，引脚如图2.3所示，引脚介绍见表2-1所示。图2.3 PCA82C250引脚图 表2-1 PCA82C250引脚及功能表符号引脚号描述TXD1发送数据输入GND2地VCC3电源电压RXD4接收数据输出Vref5参考电压输出CANL6输入/输出低电平CAN电压CANH7输入/输出高电平CAN电压RS8斜率电阻输入2功能说明PCA82C250驱动电路内部具有限流电路，可防止发送输出级对电源、地或负载短路。虽然短路出现时功耗增加，但不致使输出级损坏。PCA82C250采用双线差分驱动，有助于抑制汽车等恶劣电气环境下的瞬间干扰。引脚8（Rs）用于选定PCA82C250的工作模式。有三种不同的工作模式可供选择：高速、斜率控制和待机。2.2.4 CAN 总线接口电路硬件连接SJ1000硬件接口原理如图2.4所示。图中，CAN总线控制器SJA1000的AD0-AD7连接到AT89C51的P0口。片选端CS取反后连接到AT89C51的P2.7。当P2.7为1时，CPU片外存储器地址可选中SJA1000。CPU通过这些地址可对SJA1000执行相应的读/写操作。SJA1000的RD、WR、ALE分别与AT89C51的对应引脚相连。由于SJA1000使低电平复位，而AT89C51是高电平复位，所以两者的复位端接法不同。另外，当SJA1000的11脚MODE接高电平时，可选择Intel二分频模式。SJA1000的16脚（INT）是中断信号输出端，在中断允许的情况下，有中断发生时，16脚会输出由高电平到低电平的跳变，因此将AT89C51的外部中断输入脚（INTO）与该脚相连接，即可通过中断方式来访问SJA1000。为了增强CAN总线节点的抗干扰能力，本设计采用SJA1000的具有光电隔离的CAN总线接口。SJA1000的发送端TX0与接收端RX0,RX1分别经高速集成电耦合器6N137隔离后，与CAN总线接口驱动芯片82C250的TXD和RXD相连，82C250直接与CAN物理总线相连。CAN总线驱动器PCA82C250是CAN控制器与CAJ物理总线之间的接口，具有可向总线的差动发送数据和CAN控制器的差动接收数据的功能。图2.4 SJA1000与单片机驱动电路连接电路图2.2.3检测与执行电路测温电路如图2.5所示。微控制器采用ATMEL公司的单片机AT89C51,它具有4K内部可擦写程序存储器和32个输入/输出端口,满足本系统中温度测量、数据显示、数据通讯、复位电路的需要。AT89C51没有SPI接口。因此,采用I/O口线模拟SPI串行口读取MAX6675输出的数据。PI口的P15-P17引脚接74LS138译码器,用于控制5位LED的数字显示;P14用于报警信号输出,当热电偶开路时或温度超过一定范围就给P14输出一个高电平,经三极管放大后驱动蜂鸣器:P2口的P20 P23作为16键盘的行输出;P24P28作为16键盘的列输入。MAX6675从I/O口线输出数据的具体过程如下:P12端口输出的低电平将CS变低,并提供时钟信号给SCK,由SO口读取测量结果。CS变低,将停止任何转换过程,CS变高将启动一个新的转换过程。一个完整串行接口读操作需16个时钟周期,在时钟的下降沿读16个输出位。第15位是伪标志位,并总为0;第14位到第3位为以MSB到LSB顺序排列的转换温度值;第2位平时为低,当热电偶输入开放时为高,开放热电偶检测电路完全由MAX6675实现,为开放热电偶检测器操作,T-必须接地,并使能地点尽可能接近GND脚;第1位为低以提供MAX6675器件身份码,第0位为三态标志位 。图2.5温度检测电路压力检测电路由MAX1460和硅压力传感器构成压力检测系统。系统采用+5V电源供电，晶振频率为2MHz。由R1和R2组成电源分压器，模拟地(AGND)就接在电源的中点上。C为电源退耦电容。主机可采用PC，由主机首先对MAX1460进行测试并接收MAX1460输出的12位并行数据，然后把测试系统移出，MAX1460就与被测试后的传感器 构成一个高精度智能化压力检测系统，其转换速率为15次/秒，测量误差小于01。压力与温度控制系统总体电路图如图2.7所示。图2.6压力检测电路 图2.7总体电路图第3章 软件设计3.1流程图3.1.1检测流程图总线消息检查程序中，总线有一个补充的逻辑值：“显性”或“隐性”。 “显性”位与“隐性”位同时传送时，总线的结果值为“显性”，如图3.1所示。计算缓冲区位置接收数据读MC2510寄存器到W寄存器计算目标缓冲区地址，将数据存入寄存器清除接收缓冲器数据返回CAN消息检查程序接收新的消息？返回取消息ID值取数据字节数仍有数据？YNY图3.1 检测程序流程图3.1.2通信流程图PIC微控制器工作于主模式下，数据的接收发送采用软件缓冲区。发送数据时，软件缓冲区装入所发数据，同时发出SPI中断。CAN总线废除了站地址编码，对通讯的数据进行编码，如图3.2所示。 CAN通讯主程序发送CAN总线消息装载计数器发送结束？检测总线上的消息接受新的消息读取端口水位状态和地址值数据写入发送缓冲区等待总线空闲状态向总线发送消息分析消息返回图3.2 CAN通信程序流程图3.2部分程序SJA1000的初始化程序如下：MOV DPTR , #CR; /控制器CR的地址送DPTRMOV A, #01HMOVX DPTR, A; /进入复位模式MOV DPTR, #CDRMOV A, #00HMOVX DPTR, A; /选择BASIC CAN 模式、时钟不输出MOV A, #NODECODEMOVX DPTR, A; /节点号NODECODE写入ACRMOVX DPTR , #AMR; MOV A, #00HMOV DPTR, A; /AMR置0，当且仅当RXIDO=ACR时接收数据MOV DPTR, #BTO0; /设定总线时序寄存器BTO0,系统采用12MHz晶振MOV A, #85H; /分频后总线始终频率为2MHzMOVX DPTR ,A; /同步跳转宽度为3tsclMOV DPTR, #BTR1; /设定总线时序寄存器BTR1MOV A, #0B4H; /位同步时间为1个tscl，采样开始位置TSEG1=5tsclMOVX DPTR, A; /TSEG2=4tscl，每一位时间10tsl（200kHz），每位采样3次MOV DPTR,#0CR; /设置输出控制寄存器MOV A,#1AH; /数据从TX0按正常输出模式同极性输出MOV DPTR, A; /TX1不用MOV DPTR, #CR; /初始化完成，使控制器推出复位模式，进入工作模式工作。MOV A, #06HMOV DPTR, A第4章 课程设计总结微机原理与接口技术课程设计是自动化课程当中一个重要环节。通过了2周多的课程设计，使我从各个方面都受到了一定程度上的训练，对计算机系统尤其对计算机硬件系统有更深层次的理解，将CAN总线通信系统的相关各部件有机的结合在一起，得到了深刻的认识。 通过2周的课程设计，让我在原有的知识的基础上，又有了进一步的提高和拓展，教会了我怎样把在微机原理与接口技术以及计算机网络方面所学的理论知识有机的结合在一起，将两门学科进行了结合，应用到系统的设计当中。从中知道了，学习计算机知识是需要从多方面进行的，并不断从中探索和总结。但在实际设计过程中遇到了不少困难，让我认识到自己所学的知识的局限性，完全的局限与书本知识。这导致了我在选择器件标准上出现误差，在程序的操作上不够准确，会出现程序不能正常显示等。在设计过程中我通过图书馆的资源、网络资源，在学习微机原理和计算机网络这两门课程之外，又查阅了不少资料，让我学到了很多以前从未涉及的知识，开阔了我的眼界。在设计的过程中，培养了我综合应用微机原理与接扩技术和计算机网络设计课程及其他课程的理论知识