旋挖钻机数字控制系统毕业设计2(甘按毕业设计纸打)

1、山东科技大学继续教育学生毕业论文用纸目 录第1章 绪论11.1 旋挖钻机的基本知识11.2 旋挖钻机的发展历史21.3 旋挖钻机的应用前景31.4本选题工作内容与任务 5第2章 计算机控制系统方案及技术指标62.1 控制系统方案62.2 主要技术指标6第3章 硬件部分的设计7 3.1 电源部分7 3.2 单片机选型10 3.3 模拟信号处理部分15 3.4 PWM功率放大器16 3.5 RS232接口16 3.6键盘及显示器接口17 3.7 数字输入输出接口及计数器接口18 3.8 CAN总线接口18第4章 控制系统软件设计324.1 主程序324.2中断控制324.3控制规律设计334.4

2、PID 控制算法34结束语35参考文献36致 谢37第 43 页山东科技大学继续教育学生毕业论文用纸第1章 绪论1.1 旋挖钻机的基本知识旋挖钻机是一种用于建筑基础工程中成孔作业的施工机械。它是以履带为支承的回转斗式旋挖钻孔机械，其工作装置由动力头、伸缩钻杆、加压装置和液压系统等组成。广泛应用于我国的公路、铁路、桥梁和大型建筑的基础桩施工。早期大部分所用的旋挖钻机都是由德国和意大利进口或者是日本二手旋挖钻机。近几年，随着青藏铁路、北京鸟巢等项目的推动，国外进口品牌不断涌入，我国同类产品也在逐步发展起来，未来几年正处于发展的关键时期，同时国内、国外的旋挖钻机产品将不可避免的出现竞争势头。旋挖钻机

3、的控制属于一般工业自动化应用领域,它要求一种廉价、节能、维护方便、适用于大功率控制及具有一定控制精度的控制技术,所以采用电液比例控制。它能够接受模拟信号和数字信号，使输出的流量或压力连续成比例地受到控制。电液比例控制系统有数字控制系统、脉宽调节(PWM)控制系统等。旋挖钻机钻桅的垂直度直接影响到所钻孔的质量,对于提高工程机械作业效率有着很重要的意义,保证其在要求的范围内是控制系统应完成的主要任务。所以旋挖钻机的控制方案为:根据操作员的指令,利用电液比例控制系统控制液压缸运动,实现钻具安全平稳起竖,进而保证旋挖钻机钻桅的垂直度在要求范围内。同时,精确的井深测量也能极大提高工作效率。所以,它也是控

4、制系统应完成的任务。旋挖钻机的特点在于：1、成孔速度快。与传统的循环钻机相比优势明显，这样就有效地保证了工程的进度。2 、环保特点突出。与传统的循环钻机相比，旋挖钻机区别在于可以循环使用泥浆，而传统循环钻机是不断地产生泥浆。旋挖钻机更可适用于干成孔作业。3、行走移位方便。旋挖钻机的履带机构可将钻机方便地移动到所要到达的位置，而不像传统循环钻机移位那么繁琐。4、桩孔对位方便准确。这是传统循环钻机根本达不到的，在对位过程中操作手在驾驶室内利用先进的电子设备就可以精确地实现对位，使钻机达到最佳钻进状态。5、还可配置其他辅助机构，以实现多功能用途。目前,国内外旋挖钻控制系统的特点是其控制器的所有控制规

5、律处理、输入/输出信号波形处理和功率放大等都由模拟电路进行,因此迫切需要改进。而旋挖钻机控制的数字化正是目前提高旋挖钻机工作性能的必然要求和发展趋势。数字控制系统在上个世纪七、八十年代占主导地位。它采用单片机、和微机作为控制器，控制器内部传输的是数字信号，因此克服了模拟信号在控制系统中的诸多缺点。数字式控制系统的优点是易于根据全局情况进行控制、计算和判断，在控制方式、控制时机的选择上可以统一调度和安排，缺点是对控制器本身的要求很高。1.2 旋挖钻机的发展历史旋挖钻机是在回转斗钻机和全套管钻机的基础上发展起来的。第二次世界大战前，美国CALWELD首先研制出回转斗、短螺旋钻机。二十世纪五十年代，

6、法国BENOTO将全套管钻机应用于桩基施工，而后由欧洲各国将其组合并不断完善，发展成为今天的多功能组合模式。意大利土力公司首先从美国将安装在载重汽车上和附着在履带起重机上的钻机引入欧洲。动力头为固定式，不能自行安装套管，难以适应硬质土层施工。1960年德国宝峨公司研制了配有伸缩钻杆的BG7 型钻机。该钻机直接从底盘提供动力，配置可锁式钻杆实现加压钻孔，钻孔扭矩增大，可实现在紧密砂砾层和岩层的钻孔。日本于1960年从美国引进CALWELD旋挖钻机。同年加藤制作所开发了15H型钻机，以后开发了可配套摇管装置和抓斗的钻机。1965年日立建机研制了利用挖掘机底盘装有液压加压装置的钻机；1974年开发了

7、利用液压履带起重机底盘由液压马达驱动的钻机。1981年日立建机与土力公司合作开发了为提高单桩承载力的扩展钻头，使旋挖钻机进入了钻孔扩底灌注桩的施工领域。德国宝峨的加入和日立建机与住友建机的联盟进一步促进了旋挖钻机技术在日本的发展。日本的旋挖钻机扭矩比欧洲的同类产品小。目前国外的旋挖钻机主要厂家为：德国：BAUER、LIEBHERR、Delmag、WIRTH、MGF;意大利：SoilMec、MAIT、CMV、CASAGRANDE、IMT、ENTEGO;西班牙:LLAMADA;日本：日本车辆、HITACHI、住友、加藤；芬兰：JUNTTAN、TAMROCK;美国：APE、Ingersoll-Ran

8、d;英国：BSP等。1984年天津探矿机械厂首次从美国RDI公司引进车载式旋挖钻机。1988年北京城建工程机械厂仿制了土力公司1.5m直径的附着式旋挖钻机。1994年郑州勘察机械厂引进英国BSP公司附着式旋挖钻机。1998年上海金泰股份有限公司与宝峨合作组装BG15。1999年哈尔滨四海工程机械公司和徐州工程机械股份有限公司先后开发了附着式旋挖钻机和独立式旋挖钻机。2001年经纬巨力第一台旋挖钻机试制成功。2003年后三一、三河智能等多家生产厂家的旋挖钻机陆续下线，产销两旺。目前国内的旋挖钻机主要生产厂家为：湖南山河智能、湖南三一、徐工、中联重科、徐州东明、北京巨力、天津宝峨、石家庄煤机、连云

9、港黄海、哈尔滨四海、内蒙古北方重汽、宇通重工、南车时代、山东鑫国、郑州勘察等。1.3旋挖钻机的应用前景混凝土质量的改善，桩基础施工技术的完善，灌注桩承载能力的提高，以及城市环境法规的严格执行，混凝土灌注桩几乎取代了其他基础，成为应用最广泛的基础。国内外成孔作业中各种钻孔机（反循环、旋挖钻机、全套管）的比例迥然不同。在国外大直径混凝土灌注桩施工中，旋挖钻机一般占2/3以上，反循环钻机在欧洲城市中几乎不再使用。而国内钻孔机产品中反循环钻机的产量占90。旋挖钻机因其具有装机功率大、输出钮矩大、轴向压力大、机动灵活、施工效率高、环保等特点，配合不同钻具，适应我国大部分地区的地质条件，成为适合建筑基础工

10、程中成孔作业最理想的施工机械。近年来，北京地铁、环线路网建设，特别是青藏铁路、奥运场馆、首都机场新航站楼等大型工程的施工中，旋挖钻机高校、环保、效益高的优势得到公认。随着改革开发的逐步深化，国内市场经济的需求，使得铁路公路水路交通，城市公共设施和工业民用建筑，水利电力设施，港口码头机场的建设全面飞速发展桩基础施工机械潜在的巨大市场已经出现。仅铁路建设方面，2005年我国将再立项一批新项目，到2020年铁路建设总投资要超过2万亿元，平均每年投资在1000亿元以上。旋挖钻机及施工工艺在我国北方地区已经得到很快普及。在南方地区特别是东南沿海发达地区由于地层较软，桩一般较大较深，旋挖钻机成孔困难，目前

11、仍以正反循环钻机为主。实际上旋挖钻机配合一些其他设备也可在该地区施工。一种方法是旋挖钻机与套管式钻机联合施工；另一种方法是利用我国已广泛使用的振动桩锤沉拔钢护筒在软土地区成孔施工。通过浙江大塘乌沙山电厂、宁波金华兰溪电厂等施工证明完全是可行的。旋挖钻机的大量应用只是在近几年，我国缺乏相应的产品标准，尚未编制旋挖钻机的施工规范，没有系统的工法研究，缺少技术培训，基本理论的研究有待深入。旋挖钻机与土木工程及施工工艺结合的非常紧密。研制旋挖钻机的技术人员应熟悉桩基础施工，使用旋挖钻机的工程技术人员应了解其工作原理和作业性能。为此，中国工程机械工业协会将和有关科研单位、主机生产厂家及施工部门开展与旋挖

12、钻机相关的技术培训、施工经验的交流等活动，适时地制定旋挖钻机产品标准及相关标准，推动机械化施工和旋挖钻机产品地发展，尤其是数字控制的旋挖钻机，数字式是今后发展的必然趋势，需要专业人员深入研究。1.4 本选题工作内容与任务1.4.1 选题依据本论文的题目是"旋挖钻机的数字控制系统CAN总线接口设计”,是自选课题。之所以选CAN总线而不选其它类型的总线，主要基于以下几点原因:（1） CAN总线符合IS011898标准，目前已经形成国际标准的总线，并被公认为是 最有前途的现场总线之一;（2）CAN总线的硬件接口非常简单，编程方便;（3） CAN总线特别适合于微处理器之间的相互通信，而且Mo

13、torola, Intel, Philips等公司均生产独立的CAN芯片和带有CAN接口的89S51芯片，使CAN总线系统的构成比较容易且价格低廉，因此具有较高的性价比;（4）现有的有关CAN总线的技术资料比较详细;（5）CAN总线的采用短帧发送，因此信息的传输速度快，实时性好，适合应用在工业控制中。1.4.2 对此CAN总线的设计目标本选题的主要任务是旋挖钻机数字控制系统的CAN总线设计，掌握CAN总线技术及CAN总线控制系统的基本理论，并就所涉及的有关知识进行研究与说明，以巩固所学知识和查阅资料的能力。设计目标包括：（1）支持CAN的技术规范CAN2.0A。（2）对CAN总线节点进行硬件设

14、计。该节点以AT89S51为核心，采用CAN控制器SJA1000, CAN总线接口PCA82C250等器件形成具有光电隔离的CAN总线接口电路，可配备人机接口，具有现场编程和显示功能。（3）对CAN总线节点进行软件的初始化、发送及接收数据编程设计。（4）对于本课题其他部分做简要介绍。第2章 计算机控制系统方案及技术指标2.1 控制系统方案方案如图21所示。系统监测倾角传感器信号、比例阀反馈信号、液压缸位置传感器信号和操纵杆发来的指令,根据控制算法产生控制数据,控制数据经过转换算法产生控制量(PWM信号),并通过驱动电路控制电液比例阀,采用反馈控制技术实现两个液压通道的精确同步控制,克服了钻具起

15、竖过程中由于两个比例方向阀参数不一致而造成的歪斜。旋挖钻机的正常工作还需要许多辅助系统,在本控制系统中包含有井深测量控制系统、故障检测系统和保护控制系统。为满足不同旋挖钻机的控制需要,本系统还具有控制参数设置和旋挖钻机工作过程参数显示等功能。 控制手柄控制器电液比例阀液压缸旋瓦钻机电流反馈位置反馈 图21旋挖钻机控制系统结构图2.2主要技术指标·垂直度(圆周)误差<0.2°，也就是在两个正交轴上,倾角误差的平方和的平方根小于0.2°井深测量误差可控制在小于10cm的范围内。 ·提供稳定的±5V和±10V电压接口，以满足操纵杆和传

16、感器的用电要求。 ·提供八路开关量输出信号，用于系统保护、告警和状态指示。 ·可控制两个三位四通比例换向阀，驱动电流大于2A。 ·提供RS232接口，用于系统参数设定、故障检测,并提供CAN总线接口，用于系统组网。第3章 硬件部分的设计该控制系统主要由电源、传感器供电电源、模拟信号处理、单片机、RS232接口、CAN总线接口、PWM功率放大、数字输入输出、计数输入、液晶显示器接口、数字键盘接口等部分组成,其配置框图如图31所示。PWM功 率放 大RS23 接 口CAN 总 线接 口液晶显示器接 口单 片 机数 字 键 盘接 口数 字 输 入输 出计 数 输 入传

17、感 器 供电电源±5VDC±10VDC模拟信号处理+12V DC电 源车辆24V5V DC-12V DC电流信号电压信号图31 系统硬件配置3.1电源部分系统的传感器模块、显示模块、微控制器模块、通信模块都需要稳定可靠的电源供电，因此电源也是仪表系统中非常重要的部分之一，其可靠性、抗干扰能力、稳定性等性能指标将直接影响到系统控制的质量。CAN总线上各模块工作时使用+5V、+12V和10V直流电源，因此需要将总线提供的标准十24V转化为所需的电源。大家知道电源电路是引入强干扰的主要通道，瞬间干扰可以通过电源线窜入CPU系统，所以首先使用DC/DC隔离器进行电源隔离，再采用LM

18、2575HVT-5.0和LM2575HVT-12.0电源模块将+24V电源分别降为+5V和+12V。LM2575系列开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的集成稳压电路，是传统三端式稳压集成电路的理想替代产品。它内部集成了一个固定的振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路;大大减小了散热片的体积，或在大多数情况下不需散热片;内部有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等;芯片可提供外部控制引脚。（1）LM2575系列开关稳压集成电路芯片的主要参数如下:最大输出电流:1A；最大输入电压:45V； 输出电压:3.3V, 5V, 12V, 15V, ADJ(可调)；振荡频率:54kHz

19、 ；最大稳压误差:4%；转换效率:75%88%(不同的电压输出的效率不同)；工作温度范围:-40125。（2）LM2575的引脚功能如下：VIN：未稳压电压输入端；OUTPUT:开关电压输出，接电感及快恢复二极管；GND:公共接地端；FEADBACK:反馈输入端；ON/OFF:控制输入端，接公共接地端时，稳压电路工作，接高电平时，稳压电路停止。用LM2575模块将标准的+24V电源电压分别降为十5V和+12V电压的电路原理图如图32所示，电感的选择根据输出的电压档次、最大输入电压、最大负载电流等参数选择。输入电容应大于47uF，并要求尽量靠近电路。输出电容推荐使用的电容量为100uF470uF

20、，其耐压值应大于额定输出的1.52倍。二极管的额定电流值应大于最大负载电流的1.2倍，但考虑到负载短路的情况，二极管的额定电流值应大于LM2575最大电流限值。另外二极管的反向电压应大于最大输入电压的1.25倍.LM25755.0 (LM257512.0)VIN FEEDBACK ON/OFF OUTPUT GND+24V(+12V)+5V图32 24V到5V（12V）的转换电路LM-780824V2V10V图33 10V电压产生电路另外10V直流电源用LM7808稳压模块接一稳压管产生，如图33所接： Fu速熔保险、电源反接保护电路及滤波电路如图34：图34 3.2 单片机选型3.2.1单片

21、机简介在选用单片机之前，首先简要介绍一下它的概念及特点。单片机是单片微型机算计的简称，是微型计算机的一个重要分支，也是一个非常活跃和颇具生命力的机种。它特别适用于控制领域，故友称为微控制器（Microcontroller）。通常单片机单块集成电路芯片构成，内部包含有：中央处理器CPU（由运算器、控制器和中断电路等组成）、存储器（RAM和ROM）和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。单片机CPU进行算术运算和逻辑操作的字长由8位、16位、32位到64位不等，当然字长越长运算速度越快，数据处理能力也越强。单片机在工业控制中起着非常重要的作用

22、，它具有体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点，故可以广泛应用于国民经济的个领域，对各行各业的技术改造和产品更新换代起到了重要的推动作用。本设计系统中，单片机亦是核心控制器件。由于MCS-51单片机影响极深远，许多公司都推出了兼容系列单片机，就是说MCS-51内核实际上已经成为一个8位单片机的标准。MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，典型产品有 8031（内部没有程序存储器，实际使用方面已经被市场淘汰）、8051（芯片采用HMOS，功耗是630mW，是89C51的5倍，实际使用方面已经被市场淘汰）和8751等通用产品，一直到现在， MCS-51

23、内核系列兼容的单片机仍是应用的主流产品（比如目前流行的89S51、89C51等），8051是早期的最典型的代表作，其他的公司的51单片机产品都是和MCS-51内核兼容的产品而已。同样的一段程序，在各个单片机厂家的硬件上运行的结果都是一样的，如ATMEL的89C51（已经停产）、89S51， PHILIPS（菲利浦），和WINBOND（华邦）等，我们常说的已经停产的89C51指的是ATMEL公司的 AT89C51单片机，同时是在原基础上增强了许多特性，如时钟，更优秀的是由Flash（程序存储器的内容至少可以改写1000次）存储器取带了原来的ROM（一次性写入），AT89C51

24、的性能相对于8051已经算是非常优越的了。不过在市场化方面，89C51受到了PIC单片机阵营的挑战，89C51最致命的缺陷在于不支持ISP（在线更新程序）功能，必须加上ISP功能等新功能才能更好延续MCS-51的传奇。89S51就是在这样的背景下取代89C51的，现在，89S51目前已经成为了实际应用市场上新的宠儿，作为市场占有率第一的Atmel目前公司已经停产AT89C51，将用AT89S51代替。89S51在工艺上进行了改进，89S51采用0.35新工艺，成本降低,而且将功能提升,增加了竞争力。89SXX可以像下兼容89CXX等51系列芯片。同时，Atmel不再接受89CXX的定单，大家在

25、市场上见到的89C51实际都是Atmel前期生产的巨量库存而已。3.2.2 AT89S51单片机基于市场流行趋势和产品本身性能，本设计中选用ATMEL公司生产的 AT89S51单片机， AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4k BytesISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式

26、控制应用系统提供高性价比的解决方案。    （1）AT89S51具有如下特点：40个引脚；4k Bytes Flash片内程序存储器；128 bytes的随机存取数据存储器（RAM）；32个外部双向输入/输出（I/O）口；5个中断优先级2层中断嵌套中断；2个16位可编程定时计数器；2个全双工串行通信口；看门狗（WDT）电路；片内时钟振荡器。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器、串行口、外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件

27、复位。另外，仅针对89C51来说，89S51新增加很多功能，性能有了较大提升，价格基本不变，甚至比89C51更低！ 其增加的新功能包括： - ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能。不再像89C51只支持并行写入，同时需要VPP烧写高压。 - 最高工作频率为33MHz，大家都知道89C51的极限工作频率是24M，就是说S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。 - 具有双工UART串行通道。 - 内部集成看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电路。 -&

28、#160;双数据指示器。 - 电源关闭标识。 - 全新的加密算法，这使得对于89S51的*变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。 - 兼容性方面：向下完全兼容51全部子系列产品。比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容产品。也就是说所有教科书、网络教程上的程序（不论教科书上采用的单片机是8051还是89C51还是MCS-51等等），在89S51上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。（2）89S51的引脚配置见附录1中图35。（3）引脚说明如下：VCC:AT89S51 电源正极输入，接+5V电压。GND：电源接地端。XT

29、AL1：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，此引脚应接地。XTAL2：接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。RST：AT89S51的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片又时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。ALE/PROG：ALE 是英文“ADDRESS LATCH ENABLE”的缩写，表示允许地址锁存允许信号。

30、当访问外部存储器时，ALE信号负跳变来触发外部的8位锁存器 (如74LS373)，将端口P0的地址总线(A0-A7)锁存进入锁存器中。在非访问外部存储器期间，ALE 引脚的输出频率是系统工作频率的1/16，因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。当问外部存储器期间，将以1/12 振荡频率输出。/EA/VPP：该引脚为低电平时，则读取外部的程序代码 (存于外部EPROM 中)来执行程序。因此在8031中，EA引脚必须接低电位，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用AT89S51或其它内部有程序空间的单片机时，此引脚接成高电平使程序运行时访问内部程序存储器，当程序指针PC值超过片内程序存储器地址(

31、如8051/89C51/89S51的PC超过0FFFH)时，将自动转向外部程序存储器继续运行。/PSEN：此为“Program Store Enable”的缩写。访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次PSEN信号。在执行片内程序存储器指令时，不产生PSEN信号，在访问外部数据时，亦不产生PSEN信号。P0：P0口(P0.0P0.7)是一个8位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数据时，它是地址总线（低8位）和数据总线复用。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向IO口用。P0口每一个引脚可以推动8个LSTTL负载。P2：P2口(P2.0P2.

32、7)口是具有内部提升电路的双向I/0端口(准双向并行I/O口)，当访问外部程序存储器时，它是高8位地址。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向IO口用。每一个引脚可以推动4个LSTL负载。P1：P1口(P1.0P1.7)口是具有内部提升电路的双向I/O端口(准双向并行I/O口)，其输出可以推动4个LSTTL负载。仅供用户作为输入输出用的端口。P3：P3口(P3.0P3.7)口是具有内部提升电路的双向I/O端口(准双向并行I/O口)，它还提供特殊功能,包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。其特殊功能引脚分配如下：P3.0： RXD串行通信输入P3.1：

33、 TXD串行通信输出P3.2； INT0外部中断0 输入，低电平有效P3.3： INT1外部中断1 输入，低电平有效P3.4： T0计数器0外部事件计数输入端P3.5： T1计数器1外部事件计数输入端P3.6 ：WR外部随机存储器的写选通，低电平有效P3.7： RD外部随机存储器的读选通，低电平有效3.3 模拟信号处理部分 操纵杆信号滤波与处理比例阀反馈信号滤波及处理CD4053B模拟信号经本电路处理后,送入A/D转换器和单片机数字输入端。为提高单片机系统端口的使用效率,本系统采用模拟开关(CD4053B)对比例方向阀反馈信号和单片机PWM输出信号进行切换,A/D转换器采用ADC0809。CD

34、4053B是一个三组两触点模拟开关。ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式AD转换器，可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。具体组成框图见图36。来自操纵杆的信号操纵杆状态信号去A/D转换器来自比例阀的反馈信号来自倾角传感电流电压转换和滤波转换与滤波电路放大及故障检测去A/D转换器器的电流信号去A/D转换器的倾角信号故障状态与限位信号来自液压缸位置传比例阀反馈信号滤波及处理故障检测与限位状态信号传感器的信号器的差分信号整形与解码电路 来自霍耳传感 去A/D转换器的位置信号去单片机计数器信号图36 模拟信号处理部分功能框图3.4 PWM功率放大器PWM功

35、率放大器是驱动电液比例方向阀的重要部件,为保障其可靠工作,又具备完善的保护措施,在设计中采用一种专用的PWM功率放大模块BTS707。该模块不仅具有两路PWM输出来驱动两个三位四通比例换向阀,而且具有完善的保护功能和断路检测功能,可以及时发现电磁阀线圈故障,以便及时采取紧急处理措施。取样电阻引回的反馈信号用于构成串联负反馈回路,以稳定通过电磁阀线圈的电流,避免线圈温度变化造成的驱动电流波动。3.5 RS232接口 RS232接口是计算机内部各部分之间通信的标准技术。通常是以一个带有25插针或插孔的D型连接头的形式呈现的，称之为DB-25接头。RS-232接口某些计算机在使用这个接头时不使用所有

36、的25个插针，只是使用一部分，在调制解调器计算机的通讯中根本不需要使用所有的25个插针。在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。该接口的用途主要是提供人机接口,实现参数设定、故障检测等功能。可直接利用单片机的UART口,配以RS232电平转换芯片,方便地构成RS232接口。RS232电平转换电路采用MAX232A芯片。RS-232标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。RS-232标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电

37、容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。3.6 键盘及显示器接口数字键盘接口用于控制系统进入不同工作状态,为简化设计,同时充分利用单片机提供的I2C兼容接口,该数字键盘及数码显示采用ZLG7290芯片进行设计,各功能键及状态指示均在该芯片控制下。利用好ZLG7290提供的中断信号,可提高系统响应速度,降低编程难度。ZLG7290B是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的数码管显示驱动及键盘扫描管理芯片。能够直接驱动8位共阴式数码管

38、（或64只独立的LED），同时还可以扫描管理多达64只按键。其中有8只按键还可以作为功能键使用，就像电脑键盘上的Ctrl、Shift、Alt键一样。另外ZLG7290B内部还设置有连击计数器，能够使某键按下后不松手而连续有效。与微控制器之间采用I2C 串行总线接口，只需两根信号线，节省I/O 资源；该芯片为工业级芯片，抗干扰能力强，在工业测控中已有大量应用。3.7 数字输入输出接口及计数器接口数字输入输出接口直接利用单片机的I/O口实现,计数器接口接收安装在随钻细钢丝绳滑轮上的霍耳传感器的脉冲信号，根据该信号利用滑轮的转数来计算井深,这里直接利用单片机的计数功能。3.8 CAN总线接口目前集成

39、有CAN总线接口的单片机很多,一般均集成有14个CAN控制器,但这些芯片成本太高,本系统采用独立的CAN控制器SJA1000并配合PCA82C250实现CAN2.0接口功能,其电路原理图见图见附录1。具体设计在第 四部分中详细介绍。3.8.1 CAN总线的基本知识CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。最初，CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比如：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CAN控制装置。 一个由CAN 总线构成的

40、单一网络中，理论上可以挂接无数个节点。实际应用中，节点数目受网络硬件的电气特性所限制。例如，当使用Philips P82C250作为CAN收发器时，同一网络中允许挂接110个节点。CAN 可提供高达1Mbit/s的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。另外，硬件的错误检定特性也增强了CAN的抗电磁干扰能力。 CAN最初出现在80年代末的汽车工业中，由德国Bosch公司最先提出。当时，由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。提出CAN总线的最初动机就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之

41、间的通讯，减少不断增加的信号线。于是，他们设计了一个单一的网络总线，所有的外围器件可以被挂接在该总线上。1993年，CAN 已成为国际标准ISO11898(高速应用)和ISO11519（低速应用）。 CAN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10Km时，CAN 仍可提供高达50Kbit/s的数据传输速率。 由于CAN总线具有很高的实时性能，因此，CAN已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。 CAN通讯协议主要描述设备之间的信息传递方式。CAN层的定义与开放系统互连模型（OSI）

42、一致。每一层与另一设备上相同的那一层通讯。实际的通讯发生在每一设备上相邻的两层，而设备只通过模型物理层的物理介质互连。CAN的规范定义了模型的最下面两层：数据链路层和物理层。应用层协议可以由CAN用户定义成适合特别工业领域的任何方案。CAN具有十分优越的特点，使人们乐于选择。这些特性包括：（1） 低成本 （2） 极高的总线利用率 （3） 很远的数据传输距离(长达10Km)（4） 高速的数据传输速率（高达1Mbit/s）（5） 可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文（6） 可靠的错误处理和检错机制 （7） 发送的信息遭到破坏后，可自动重发（8） 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能 （9）

43、 报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息3.8.2 CAN总线控制系统的网络构建原理CAN总线是一种串行总线式的通信网络。与其他串行式网络所不同的是，CAN总线采用了带优先级的CSMA/CD协议对总线进行仲裁，所以，CAN总线构建的网络允许网络上的节点同时发送信息，这样，CAN总线既可以构成多主结构的系统，保证了系统设计的可靠性，也能保证信息处理的实时性。此外，CAN总线采用短帧结构，且它的每帧信息都有CRC校验，这样就能够保证很低数据传输出错率。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余

44、检测、优先级判别等工作。 系统的工作过程如下:系统上电复位后，CAN通信接口卡接收到PC机的数据后，便向总线上的各个节点传播。CAN总线上的节点与被控对象相连，当它接收到PC机的数据后，则对被控对象作相应的操作。当CAN总线节点有数据向总线发送时，便通过收发器把数据发到物理总线，或传送到其它节点，或经CAN通信板卡传送到上位机。如图3-7所示。3.8.3 主要器件介绍 目前市场上比较流行的CAN总线器件有两大类:一是独立的CAN总线通信控制器，如SJA1000;二是集成了CAN总线通信控制器的微处理器，如P87C591等。本文选取了PHILIPS公司的SJA1000CAN总线通信控制器和PCA

45、82C250总线收发器，主要是考虑到SJA1000支持CAN2.0规范，而且82C250则可支持多达110个节点，且这两种器件价格适宜。 （1）SJA1000简介 SJA 1000是Philips生产的一种独立的CAN控制器，是一种总线接口芯片，实现从上位机PCCAN接口到现场微处理器之间的数据通信，用于移动目标和一般工业环境中的局域网络控制(CAN)，是一种比较先进的控制器。它是PHILIPS公司的PCA82C200 CAN控制器的替代产品，SJA1000具有BasicCAN和PeliCAN两种工作方式 ，PeliCAN工作方式支持具有很多新特性的CAN2.0B协议。SJA1000在软件和引

46、脚上都是与它的前一款PCA82C200独立CAN控制器兼容的(SJA1000引脚功能如表41所示)，在此基础上增加了很多新的功能。为了实现软件兼容，SJA1000采用了两种工作方式： BasicCAN方式（PCA82C200兼容方式）、PeliCAN方式（扩展特性方式工作方式）。通过时钟分频寄存器中的CAN方式位来选择上电复位。默认工作方式是BasicCAN方式。BasicCAN和PeliCAN方式的区别是：在PeliCAN方式下，SJA1000有一个重新设计的含很多新功能的寄存器组。SJA1000包含PCA82C200中的所有位同时增加了一些新的功能位。PeliCAN方式支持CAN2.0B协

47、议规定的所有功能（29位的标识符）。SJA1000 的主要新功能如下： 标准结构和扩展结构报文的接收和发送 64字节的接收FIFO 标准和扩展帧格式都具有单/双接收滤波器含接收屏蔽和接收码寄存器 可进行读/写访问的错误计数器 可编程的错误报警限制 最近一次的错误代码寄存器 每一个CAN总线错误都可以产生错误中断 具有丢失仲裁定位功能的丢失仲裁中断 单发方式（当发生错误或丢失仲裁时不重发） 只听方式（监听CAN总线无应答无错误标志） 支持热插拔（无干扰软件驱动位速率检测）硬件禁止CLKOUT输出a.SJA1000的封装及引脚功能:(a).SJA1000控制器的外部封装形式是DIP28，其引脚见附

48、录1中图38。(b).各个引脚的功能如表3-1所述。表 3-1 SJA1000 引脚功能符 号引 脚功 能AD0 AD72,1,28 23多路地址/数据复用总线ALE3ALE（信号INTEL）方式或AS（信号Motorola方式）/CS4片选输入，低电平允许访问SJA1000/RD5微控制器的读信号（Intel 方式）或E 信号（Motorola 式）/WR6微控制器的写信号（Intel 方式）或读写信号（Motorola 方式）CLKOUT7SJA1000 产生的提供给微控制器的时钟输出信号，此信号由内部振荡器经可编程分频器得到。可编程禁止该引脚VSS18逻辑电路地XTAL19振荡放大器输入

49、，外部振荡放大器信号经此引脚输入XTAL210振荡放大器输出，使用外部振荡信号时此引脚必须开路MODE11方式选择输入端：1=Intel方式，0=Motorola方式VDD312输出驱动器5V电源TX013由输出驱动器0至物理总线的输出端TX114由输出驱动器1至物理总线的输出端VSS315输出驱动器地/INT16中断输出端，用于向微控制器提供中断信号/RST17复位输入端，用于重新启动CAN接口（低电平有效）VDD218输入比较器5V电源RX0， RX119，20由物理总线至SJA1000输入比较器的输入端。显性电平将唤醒处于睡眠方式的SJA1000。当RX0高于RX1时，读出为隐性电平，否

50、则为显性电平VSS221输入比较器地VDD122逻辑电路5V电源b.SJA1000的特性 引脚及电气特性和PCA82C200独立CAN控制器兼容 PCA82C200模式即默认的BasicCAN模式 扩展的接收缓冲器64字节先进先出FIFO和CAN2.OB协议兼容PCA82C200兼容模式中的无源扩展帧 同时支持11位和29位识别码 位速率可达1 Mbits/s PeIiCAN模式扩展功能:一可读/写访问的错误计数器一可编程的错误报警限制一最近一次错误代码寄存器一对每一个CAN总线错误的中断一具体控制位控制的仲裁丢失中断一单次发送无重发一只听模式无确认无活动的出错标志一支持热插拔软件位速率检测一

51、验收滤波器扩展4字节代码4字节屏蔽一自身信息接收自接收请求24MHz时钟频率 对不同微处理器的接口 可编程的CAN输出驱动器配置 增强的温度适应(-40+ 125) c. SJA1000控制器中的各个控制块的功能(a).接口管理逻辑(IML)接口管理逻辑负责解释来自CPU的命令，控制CAN寄存器的寻址，向主控制器提供中断信息和状态信息。(b).发送缓冲器(TXB) 发送缓冲器是CPU和位流处理器BSP（位流处理器）之间的接口，能够存储发送到CAN网络上的完整信息，缓冲器长13个字节，由CPU写入、BSP读出。(c).接收缓冲器(RXB, RXFIFO)接收缓冲器是验收滤波器和CPU之间的接口，

52、用来储存从CAN总线上接收到的信息，接收缓冲器(RXB， 13个字节)作为接收FIFO (RXFIFO长64字节)的一个窗口可被CPU访问，CPU在此FIFO的支持下可以在处理信息的时候接收其它信息。 (d).验收滤波器(ACF) 验收滤波器把它其中的数据和接收的识别码的内容相比较，以决定是否接收信息，在纯粹的接收测试中所有的信息都保存在RXFIFO中。 (e).位流处理器(BSP) 位流处理器是一个在发送缓冲器、RXFIFO和CAN总线之间控制数据流的程序装置，它还在CAN总线上执行错误检测、仲裁、总线填充和错误处理。 (f).位时序逻辑(BTL) 位时序逻辑监视串口的CAN总线和处理与总线

53、有关的位时序，它在信息开关“弱势一支配”的总线传输时同步CAN总线位流(硬同步)，接收信息时再次同步下一次传送(软同步)。BTL还提供了可编程的时间段来补偿传播延迟时间、相位转换（如由于振荡漂移）和定义采样点及每一位的采样次数。 (g).错误管理逻辑(EML) EML负责传送层模块的错误管制。它接收BSP的出错报告，通知BSP和IML进行错误统计。通常情况下，错误计数器计数达到255时，将关闭总线，并自动转入复位状态，并产生错误中断。经过128个周期的总线空闲后，重新开启总线。当错误计数器计数达到96时（警告限制），将产生错误中断。关于SJA 1000的封装形式及引脚功能见附录1，其具体应用将

54、在后面的章节中作相应的介绍。（2）PCA82C250简介PCA82C250是CAN协议控制器和物理总线间的接口，它主要是为汽车中高速通讯(高达1Mbps)应用而设计。该器件对总线提供差动发送能力，对CAN控制器提供差动接收能力，完全符合“IS011898”标准。硬件电路中使用PCA82C250的目的是为了增大通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力，保护总线，降低射频干扰，实现热防护等。a.PCA82C250的特性PCA82C250的主要特性有: 完全符合“IS011898”标准 高速率(最高达1 Mbps) 具有抗汽车环境中的瞬间干扰，保护总线能力 斜率控制，降低射频干扰(RFI) 差分接收器，抗宽范围的共模干扰，抗电磁干扰(EMI) 热保护 防止电池和地之间的发生短路 低电流待机模式 未上电的节点对总线无影响 可连接110个节点b.PCA82C250的引脚配置及其功能 PCA82C250的封装及引脚配置如下图所示，封装形式为DIP8。表中列出了其各引脚的功能。(a).引脚图见附录1中图39所示。表3282C250的引脚配置符号管脚 功能描述TXD1发送数据输入GND2地Vcc3电源电压RXD4接收数据输出Vref5参