【正文】 業(yè)控制器 PID 控制器簡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用最為廣泛的控制器3 相關技術簡介 31 CAN 總線簡介 CAN是由研發(fā)和生產汽車電子產品著稱的德 BOSCH公司開發(fā)的并最終成為國際標準 ISO1188 和 ISO11519 是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一在北美和西歐CAN 總線協(xié)議已經成為汽車計算機控制系統(tǒng)和 嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標準總線并且擁有以 CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機械車輛設計的 J1939協(xié)議近年來其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視被廣泛應用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境 CAN 總線 BOSCH CAN基本上沒有對物理層進行定義但基于 CAN 的 ISO標準對物理層進行了定義設計一個 CAN系統(tǒng)時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)總線競爭時具有較高優(yōu)先權的報文獲取總線競爭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)送顯性位時總線處于隱性狀態(tài)空閑時總線處于隱性狀態(tài)當有一個或多個節(jié)點發(fā)送顯性位顯性位覆蓋隱性位使總線處于顯性狀態(tài) 在此基礎上物理層主要取決于傳輸速度的要求在 CAN 中物理層從結構上可分為三層分別是物理信號層 Physical Layer SignalingPLS 物理介質附件 Physical Media AttachmentPMA 層 和 介 質 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際或國家或行業(yè)標準也可自行定義比較流行的是 ISOll898定義的高速 CAN 發(fā)送接收器標準 理論上 CAN 總線上的節(jié)點數(shù)幾乎不受限制可達到 2020 個實際上受電氣特性的限制最多只能接 100 多個節(jié)點 CAN 的數(shù)據(jù)鏈路層是其核心內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誤檢測錯誤信令應答串并轉換等功能這些功能都是圍繞信息幀傳送過程展開的 SC 體系結構的微處理器 ARM CPU 的關鍵優(yōu)點是能兼顧到高性能低功耗和低價格首先在低功耗 MIPSW百萬條指令每秒瓦 方面具有業(yè)界領先的性能 ARM 的高性能表現(xiàn)為其體系結構是基于 RISC 流水線架構它的指令系統(tǒng)和相關譯碼機制比那些采用微程序的復雜指令系統(tǒng)的計算機 CISC 簡單得多這個簡化帶來三個優(yōu)點指令的高吞吐率極其有效的實時中斷響應體積小性價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 內核工作頻率為 72MHz 高速率的嵌入式內存 FLASH Memory 達到 512KSRAM 達 64K． IO 接口豐富外圍有兩個 APB 總線所有的設備提供 3個 12比特的數(shù)模轉化器 4個常規(guī)模的 16比特的延時器乘兩個 PWM延時器具有標準先進的通信接口兩個 I2C 總線三個 SPI 接口兩個 I2S 總線一個 SDIO接口五個 USART 并且內部集成了 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)不同的設備選擇不同的外圍需要 STM32F103 的主要構成 1 嵌入 Flash 和 SDRAM 的 ARM CortexM332 比特 RISC 內核 ARM CortexM332比特 RISC 處理器是最新代的嵌入式處理器它已經發(fā)展成為以減少管腳數(shù)量和低功耗的低成本平臺來滿足 MCU 實現(xiàn)而卻有著出色的計算功能和先進的中斷響應機制可以兼容所有的 ARM 工具和軟件 2 嵌入式的 Flash 存儲器 32 字 節(jié)的存儲器可以有效地存儲程序和數(shù)據(jù) 3CRC 循環(huán)冗余檢查單元 CRC 檢查器用于從一個 32 比特數(shù)據(jù)字里得到一個CRC碼和一個外圍的發(fā)生器 CRC技術在其他的應用中用于不同的數(shù)據(jù)傳送和完整存儲在軟件運行過程中產生一個信號來跟連接時產生的參考信號比較并存儲在內存區(qū)域 4 內嵌的 SARM10 字節(jié)的空間可以保證不需要等待 CPU 時鐘而讀寫數(shù)據(jù) 5內部和外部中斷控制器內部中斷控制器可以解決 43路中斷擁有 16級的優(yōu)先權外部中斷控制器通過 19 路觸發(fā)器產生外部中斷請求每一路獨立的配置選擇觸發(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 可以處理存儲器之間和存儲器與外圍之間的轉換每一路通過軟件觸發(fā)來用于硬件的 DMA 請求 8具有日歷功能的 RTC時鐘 RTC提供時鐘日志功能報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模式下提供標準和快速模式 10CAN 控制器滿足 CAN20AB 協(xié)議可以接收發(fā)送 11 比特標識符的標準數(shù)據(jù)幀和 29 比特的擴展幀有三個傳送盒兩個用于接收 FIFO 11ADC 兩個 12 比特的數(shù)模轉化器自動轉化輸入的模擬信號可以用于 DMA 控制器和觸摸屏接口 12 串行線和 JATG 調試接口 SWJDP ARM 的 SWJDP 接口可以實現(xiàn)串行線和JATG 的調試 13GPIO通用輸入輸出口每一個 GPIO可以通過軟件實現(xiàn)作為輸出輸入和外圍的轉換功能大多的管腳都具有數(shù)模轉換功能 14 看門狗定時器 33 PID 控制簡介 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)為積分時間常數(shù)為微分時間常數(shù) pTiTd 三者都是可調的傳統(tǒng)的 PID 控制具有適應性強魯棒性強等優(yōu)點但是它不能控制復雜的過程典型的PID 控制結構如圖 32 所示 圖 32 PID 控制結構 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單的控制方式其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系當僅有比例控制時系統(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的積分成正比關系在微分控制中控制器的輸出與輸入誤差信號的微分即誤差的變化率成正比關系溫度傳感器是指能感受溫度并轉換成可用輸出信號的傳感器 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用于多種場合主要根據(jù)應用場合的不同而改變其外觀封裝后的 DS18B20 可用于電纜溝測溫高爐水循環(huán)測溫鍋爐測溫機房測溫農業(yè)大棚測溫潔凈室測溫彈藥庫測溫等各種非極限溫度場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備數(shù)字測溫和控制領域在外部電源供電方式下 DS18B20 工作電源由 V 引腳接入此時 IO 線不需要強上拉不存在電源電流不足的問題可以保證轉 換精度同時在總線上理論可以掛接任意多個 DS18B20 傳感器組成多點測溫系統(tǒng)注意在外部供電的方式下 DS18B20 的 GND 引腳不能懸空 否則不能轉換溫度讀取的溫度總是 85V 每一塊芯片上都有它的序列號這個是唯一的 [5]由于可以編程改變溫度的位數(shù)因此可以人為根據(jù)需要調節(jié)它的溫度分辨率每一個 DS18B20 在出廠前就設置好了只讀存儲器中的序列號 64 位以此作為其地址序列碼此 64 位 ROM 的設置順序為最前面的 8 位 28H 是產品類型標號接下來48 位是溫度傳感器唯一的序列號最后 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗碼 CRC X8X5X4I設置 ROM的作用是使每一個 DS18B20都各不相同因此就可以在一根總線上掛載不止一個 DS18B20 DS18B20 內部結構主要由四部分組成 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)和工作過程中所產生的數(shù)據(jù)包括 8 個字節(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警主要通過 E2RAM 實現(xiàn)的系統(tǒng)掉電后數(shù)據(jù)依然存在該裝置信號線高的時候內部電容器儲存能量經由內部 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高電平的到來重新充電 溫度傳感器 DS18B20 內部結構框圖如圖 38 所示 圖 38 溫度傳感器內部結構框圖 由于 DS18B20 是通過一條 IO 總線讀寫數(shù)據(jù)的因此務必要遵循其工作時序通信協(xié)議可以保證 DS18B20 數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性協(xié)議定義了信號的時序初始化時序讀時序寫時序所有時序都規(guī)定了把主機設置為主要單元單總線器件設置為次要單元溫度采集時的所需要的指令和溫度值的傳輸都是從主機自動啟動并開始寫時序作為起點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就要啟動讀時序來接收數(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溫度 的測量以 12位轉化為例用 16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供以 00625℃ LSB 形式表達其中 S 為符號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 8 位的 RAM 會存儲轉化而來的 12 位數(shù)據(jù)開始的五位是符號位將測到的數(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 也就是說當溫度為 100℃時輸出值應為 0640H50℃時輸出值應為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現(xiàn)算法的計算本文采用積分分離的 PID 控制算法下載進 ARM 處理器中積分分離的PID 需要 PID 和 PD 控制 PID 控制的計算部分如下 PD 控制則需要取消積分項 35 小結 本章對課題涉及的相關技術 CAN 總線 ARMPID 控制和溫度傳感器等技術做了簡單介紹為下文的連接設計做了鋪墊 4 系統(tǒng)硬件設計 41 下位機的硬件設計 下位機是直接控制設備獲取設備狀況的的計算機 由于 STM32F103微處理器罩集成了 CAN控制器所以不需要外圍擴展這給設計帶來了很大方便但是 CAN 總線驅動能力有限傳輸數(shù)據(jù)時需要有驅動芯片收發(fā)器為了保證在控制器與外圍 CAN 總線之間實現(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 1Mbits 的差分信號同時還兼容現(xiàn)有的信號體系本系統(tǒng)的設計 CAN 接線圖 [6]如圖 41 所示 圖 41 智能節(jié)點 CAN 連接電路圖 CANRXDCANTXD 分別接微處理器的 44 號管腳 PA11CTS1CANRX 和 45 號管腳PA12RTS1CANTXCAN 報文收發(fā)時 CPU 將數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)然后設置寄存器將其發(fā)送命令數(shù)據(jù)要打包成報文形式通過 45 腳發(fā)