【正文】 個(gè)下位機(jī)智能節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 22 所示 圖 22 下位機(jī)智能節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖 24 溫度控制算法 自動(dòng)控制主要是基于反饋概念提出的反饋理論主要包括測(cè)量比較和執(zhí)行在溫度控制中測(cè)量主要是針對(duì)變動(dòng)的溫度將測(cè)量的溫度與所需溫度值相比較通過這個(gè)差值來糾正控制系統(tǒng)的輸出 [3]PID 比例 積分 微分控制器作為最早實(shí)用化的控制器已有 70 多年歷史現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器 PID 控制器簡(jiǎn)單易懂使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器3 相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介 31 CAN 總線簡(jiǎn)介 CAN是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德 BOSCH公司開發(fā)的并最終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO1188 和 ISO11519 是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一在北美和西歐CAN 總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線并且擁有以 CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機(jī)械車輛設(shè)計(jì) 的 J1939協(xié)議近年來其所具有的高可靠性和良好的錯(cuò)誤檢測(cè)能力受到重視被廣泛應(yīng)用于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境 CAN 總線 BOSCH CAN基本上沒有對(duì)物理層進(jìn)行定義但基于 CAN 的 ISO標(biāo)準(zhǔn)對(duì)物理層進(jìn)行了定義設(shè)計(jì)一個(gè) CAN系統(tǒng)時(shí)物理層具有很大的選擇余地但必須保證 CAN協(xié)議中媒體訪問層非破壞性位仲裁的要求即出現(xiàn)總線競(jìng)爭(zhēng)時(shí)具有較高優(yōu)先權(quán)的報(bào)文獲取總線競(jìng)爭(zhēng)的原則所以要求物理層必須支持 CAN 總線中隱性位和顯性位的狀態(tài)特征在沒有發(fā)送顯性位時(shí)總線處于隱性狀態(tài)空閑時(shí)總線處于隱性狀態(tài)當(dāng)有一個(gè)或多 個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送顯性位顯性位覆蓋隱性位使總線處于顯性狀態(tài) 在此基礎(chǔ)上物理層主要取決于傳輸速度的要求在 CAN 中物理層從結(jié)構(gòu)上可分為三層分別是物理信號(hào)層 Physical Layer SignalingPLS 物理介質(zhì)附件 Physical Media AttachmentPMA 層 和 介 質(zhì) 從 屬 接 口 Media DependentInterfaceMDI 層其中 PLS 連同數(shù)據(jù)鏈路層功能由 CAN 控制器完成PMA 層功能由 CAN 收發(fā)器完成 MDI 層定義了電纜和連接器的特性目前也有支持CAN的微處理器內(nèi)部集成了 CAN控制器和收 發(fā)器電路如 MC68HC908GZl6PMA和 MDI兩層有很多不同的國(guó)際或國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也可自行定義比較流行的是 ISOll898定義的高速 CAN 發(fā)送接收器標(biāo)準(zhǔn) 理論上 CAN 總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)幾乎不受限制可達(dá)到 2020 個(gè)實(shí)際上受電氣特性的限制最多只能接 100 多個(gè)節(jié)點(diǎn) CAN 的數(shù)據(jù)鏈路層是其核心內(nèi)容其中邏輯鏈路控制 Logical Link controlLLC 完成過濾過載通知和管理恢復(fù)等功能媒體訪問控制 Medium Access controlMAC 子層完成數(shù)據(jù)打包解包幀編碼媒體訪問管理錯(cuò)誤檢測(cè)錯(cuò)誤信令應(yīng)答串 并轉(zhuǎn)換等功能這些功能都是圍繞信息幀傳送過程展開的 SC 體系結(jié)構(gòu)的微處理器 ARM CPU 的關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是能兼顧到高性能低功耗和低價(jià)格首先在低功耗 MIPSW百萬條指令每秒瓦 方面具有業(yè)界領(lǐng)先的性能 ARM 的高性能表現(xiàn)為其體系結(jié)構(gòu)是基于 RISC 流水線架構(gòu)它的指令系統(tǒng)和相關(guān)譯碼機(jī)制比那些采用微程序的復(fù)雜指令系統(tǒng)的計(jì)算機(jī) CISC 簡(jiǎn)單得多這個(gè)簡(jiǎn)化帶來三個(gè)優(yōu)點(diǎn)指令的高吞吐率極其有效的實(shí)時(shí)中斷響應(yīng)體積小性價(jià)比高的處理器宏單元 STM32F103 處理器 本論文中選用 ARM 微處理器 STM32F103STM32F103 系列 的處理器集成了高性能的 ARM CortexM332 比特 RISC 內(nèi)核工作頻率為 72MHz 高速率的嵌入式內(nèi)存 FLASH Memory 達(dá)到 512KSRAM 達(dá) 64K． IO 接口豐富外圍有兩個(gè) APB 總線所有的設(shè)備提供 3個(gè) 12比特的數(shù)模轉(zhuǎn)化器 4個(gè)常規(guī)模的 16比特的延時(shí)器乘兩個(gè) PWM延時(shí)器具有標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)的通信接口兩個(gè) I2C 總線三個(gè) SPI 接口兩個(gè) I2S 總線一個(gè) SDIO接口五個(gè) USART 并且內(nèi)部集成了 USB 和 CAN 控制器它的工作溫度范圍在40105℃工作 可以工作在省電模式下的低電壓． STM32F103 系列的處理器的 封裝形式多樣從 64 引腳到 144 引腳可阻根據(jù)不同的設(shè)備選擇不同的外圍需要 STM32F103 的主要構(gòu)成 1 嵌入 Flash 和 SDRAM 的 ARM CortexM332 比特 RISC 內(nèi)核 ARM CortexM332比特 RISC 處理器是最新代的嵌入式處理器它已經(jīng)發(fā)展成為以減少管腳數(shù)量和低功耗的低成本平臺(tái)來滿足 MCU 實(shí)現(xiàn)而卻有著出色的計(jì)算功能和先進(jìn)的中斷響應(yīng)機(jī)制可以兼容所有的 ARM 工具和軟件 2 嵌入式的 Flash 存儲(chǔ)器 32 字節(jié)的存儲(chǔ)器可以有效地存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù) 3CRC 循環(huán)冗余檢查單元 CRC 檢查器用于從一個(gè) 32 比特?cái)?shù)據(jù)字里得到一個(gè)CRC碼和一個(gè)外圍的發(fā)生器 CRC技術(shù)在其他的應(yīng)用中用于不同的數(shù)據(jù)傳送和完整存儲(chǔ)在軟件運(yùn)行過程中產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)來跟連接時(shí)產(chǎn)生的參考信號(hào)比較并存儲(chǔ)在內(nèi)存區(qū)域 4 內(nèi)嵌的 SARM10 字節(jié)的空間可以保證不需要等待 CPU 時(shí)鐘而讀寫數(shù)據(jù) 5內(nèi)部和外部中斷控制器內(nèi)部中斷控制器可以解決 43路中斷擁有 16級(jí)的優(yōu)先權(quán)外部中斷控制器通過 19 路觸發(fā)器產(chǎn)生外部中斷請(qǐng)求每一路獨(dú)立的配置選擇觸發(fā)事件 6 電源提供策略正常模式 SLOW 模式空閑模式和掉電模式 7DMA 靈活的 7 路 DMA 可以處理存儲(chǔ)器之間和存儲(chǔ)器與外圍之間的轉(zhuǎn)換每 一路通過軟件觸發(fā)來用于硬件的 DMA 請(qǐng)求 8具有日歷功能的 RTC時(shí)鐘 RTC提供時(shí)鐘日志功能報(bào)警中斷和周期性的中斷 9I2C 總線 I2C 可以工作在多主模式和被動(dòng)模式下提供標(biāo)準(zhǔn)和快速模式 10CAN 控制器滿足 CAN20AB 協(xié)議可以接收發(fā)送 11 比特標(biāo)識(shí)符的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀和 29 比特的擴(kuò)展幀有三個(gè)傳送盒兩個(gè)用于接收 FIFO 11ADC 兩個(gè) 12 比特的數(shù)模轉(zhuǎn)化器自動(dòng)轉(zhuǎn)化輸入的模擬信號(hào)可以用于 DMA 控制器和觸摸屏接口 12 串行線和 JATG 調(diào)試接口 SWJDP ARM 的 SWJDP 接口可以實(shí)現(xiàn)串行線和JATG 的調(diào)試 13GPIO通 用輸入輸出口每一個(gè) GPIO可以通過軟件實(shí)現(xiàn)作為輸出輸入和外圍的轉(zhuǎn)換功能大多的管腳都具有數(shù)模轉(zhuǎn)換功能 14 看門狗定時(shí)器 33 PID 控制簡(jiǎn)介 模擬 PID 控制 PID控制器由比例單元 P積分單元 I和微分單元 D組成其輸入 e t與輸出 u t的關(guān)系為 u t KP[e t 1 Ti∫ e t dtTdde t dt] 式中積分的上下限分別是 0 和t 因此它的傳遞函數(shù)為 G s U s E s [11 Tis Tds] 其中為比例系數(shù)為積分時(shí)間常數(shù)為微分時(shí)間常數(shù) pTiTd 三者都是可調(diào)的傳統(tǒng)的 PID 控制具有適應(yīng)性強(qiáng) 魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)但是它不能控制復(fù)雜的過程典型的PID 控制結(jié)構(gòu)如圖 32 所示 圖 32 PID 控制結(jié)構(gòu) 比例 P 積分 I 微分 D 控制 1 比例控制 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差在積分控制中控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系在微分控制中控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分即誤差的變化率成正比關(guān)系溫度傳感器是指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器溫度傳感器有四種主要類型熱電偶熱敏電阻電阻溫度檢測(cè)器 RTD 和IC溫度傳感器 IC溫度傳感 器又包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類型 DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便封裝成后可應(yīng)用于多種場(chǎng)合主要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同而改變其外觀封裝后的 DS18B20 可用于電纜溝測(cè)溫高爐水循環(huán)測(cè)溫鍋爐測(cè)溫機(jī)房測(cè)溫農(nóng)業(yè)大棚測(cè)溫潔凈室測(cè)溫彈藥庫(kù)測(cè)溫等各種非極限溫度場(chǎng)合耐磨耐碰使用方便封裝形式多樣適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域在外部電源供電方式下 DS18B20 工作電源由 V 引腳接入此時(shí) IO 線不需要強(qiáng)上拉不存在電源電流不足的問題可以保證轉(zhuǎn)換精度同時(shí)在總線上理論可以掛接任意多個(gè) DS18B20 傳感器組成多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)注意在外部供 電的方式下 DS18B20 的 GND 引腳不能懸空 否則不能轉(zhuǎn)換溫度讀取的溫度總是 85V 每一塊芯片上都有它的序列號(hào)這個(gè)是唯一的 [5]由于可以編程改變溫度的位數(shù)因此可以人為根據(jù)需要調(diào)節(jié)它的溫度分辨率每一個(gè) DS18B20 在出廠前就設(shè)置好了只讀存儲(chǔ)器中的序列號(hào) 64 位以此作為其地址序列碼此 64 位 ROM 的設(shè)置順序?yàn)樽钋懊娴?8 位 28H 是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)接下來48 位是溫度傳感器唯一的序列號(hào)最后 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼 CRC X8X5X4I設(shè)置 ROM的作用是使每一個(gè) DS18B20都各不相同因此就可以在一根總線上掛載不止一個(gè) DS18B20 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成 64 位光刻 ROM 溫度傳感器非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH和 TL配置寄存器暫存 RAM主要用來存放初始化數(shù)據(jù)和工作過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包括 8 個(gè)字節(jié)從而確保了單總線數(shù)據(jù)傳送過程中的完整性溫度報(bào)警主要通過 E2RAM 實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)掉電后數(shù)據(jù)依然存在該裝置信號(hào)線高的時(shí)候內(nèi)部電容器儲(chǔ)存能量經(jīng)由內(nèi)部 VDD 線路給片子供電而且在低電平期間為片子供電直至下一個(gè)高電平的到來重新充電 溫度傳感器 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 38 所示 圖 38 溫度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 由于 DS18B20 是通過一 條 IO 總線讀寫數(shù)據(jù)的因此務(wù)必要遵循其工作時(shí)序通信協(xié)議可以保證 DS18B20 數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性協(xié)議定義了信號(hào)的時(shí)序初始化時(shí)序讀時(shí)序?qū)憰r(shí)序所有時(shí)序都規(guī)定了把主機(jī)設(shè)置為主要單元單總線器件設(shè)置為次要單元溫度采集時(shí)的所需要的指令和溫度值的傳輸都是從主機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)并開始寫時(shí)序作為起點(diǎn)如果要求溫度采集的次要單元反饋數(shù)據(jù)那么在寫完指令后主機(jī)就要啟動(dòng)讀時(shí)序來接收數(shù)據(jù)溫度值和指令的傳輸都是低位在先 DS18B20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量以 12位轉(zhuǎn)化為例用 16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供以 00625℃ LSB 形式 表達(dá)其中 S 為符號(hào)位其溫度格式表如表 31 所示 表 31 DS18B20 的溫度值格式表 bit 7 bit 6 bit 5 bit 4 bit 3 bit 2 bit 1 bit 0 LS Byte 23 22 21 20 21 22 23 24 bit 15 bit 14 bit 13 bit 12 bit 11 bit 10 bit 9 bit 8 MS Byte S S S S S 26 25 24 該溫度傳感器的兩個(gè) 8 位的 RAM 會(huì)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)化而來的 12 位數(shù)據(jù)開始的五位是符號(hào)位將測(cè)到的數(shù)值與 00625 相乘就可以得到溫度值如果溫度為零下則這五位為 1 也就是說當(dāng)溫度為 100℃時(shí)輸出值應(yīng)為 0640H50℃時(shí)輸出值應(yīng)為FFEOH 本系統(tǒng)中溫度傳感器工作流程如圖 39 所示 圖 39 DS18B20 工作流程圖 它作為溫度采集部件完成外界溫度的讀取并將數(shù)字量傳送給微處理器實(shí)現(xiàn)算法的計(jì)算本文采用積分分離的 PID 控制算法下載進(jìn) ARM 處理器中積分分離的PID 需要 PID 和 PD 控制 PID 控制的計(jì)算部分如下 PD 控制則需要取消積分項(xiàng) 35 小結(jié) 本章對(duì)課題涉及的相關(guān)技術(shù) CAN 總線 ARMPID 控制和溫度傳感器等技術(shù)做了簡(jiǎn)單介 紹為下文的連接設(shè)計(jì)做了鋪墊 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 41 下位機(jī)的硬件設(shè)計(jì) 下位機(jī)是直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的的計(jì)算機(jī) 由于 STM32F103微處理器罩集成了 CAN控制器所以不需要外圍擴(kuò)展這給設(shè)計(jì)帶來了很大方便但是 CAN 總線驅(qū)動(dòng)能力有限傳輸數(shù)據(jù)時(shí)需要有驅(qū)動(dòng)芯片收發(fā)器為了保證在控制器與外圍 CAN 總線之間實(shí)現(xiàn)可靠而有效的雙向數(shù)據(jù)傳輸需要在ARM 芯片上外接 CAN 的收發(fā)器 SN65HVD23X 該器件支持傳輸速率高達(dá) 1Mbits 的差分信號(hào)同時(shí)還兼容現(xiàn)有的信號(hào)體系本系統(tǒng)的設(shè)計(jì) CAN 接線圖 [6]如圖