【正文】 謝 .................................................................................................................................... 93 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 1 第一章 基于 CAN 總線的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體方案 研究 背景 隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)、控制、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在工業(yè)中各個具體行業(yè)的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了計(jì)算機(jī)、控制、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)這些技術(shù)又與各個行業(yè)中的其它技術(shù)融合，促進(jìn)了各個行業(yè)的飛速發(fā)展 [1]。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)已經(jīng)成為 工業(yè) 技術(shù)中最重要的核心技術(shù) [2]。 方案的選擇 數(shù)據(jù)采集分析 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 2 本文設(shè)計(jì)了 一個遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)的采集可以選用 FPGA、單片機(jī)、 FPGA 與單片機(jī)結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)，但是相對于單片機(jī)而言， FPGA 造價(jià)高，在一般的工業(yè)控制場合，單片機(jī)具有價(jià)格便宜，功能齊全等優(yōu)點(diǎn)，單片機(jī)就已經(jīng)能夠達(dá)到 本 設(shè)計(jì)的要求。 而 現(xiàn)場總線 由于 在通信能力、可靠性、實(shí)時(shí)性、靈活性、易用性、傳輸距離遠(yuǎn)、成本低等方面有著明顯的優(yōu)勢， 在工業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛，逐漸取代了 RS485 總線。 現(xiàn)場總線是用于過程控制 中 現(xiàn)場儀表與控制室之間的一個標(biāo)準(zhǔn)的、開放的、雙向的內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 3 多站數(shù)字通信系統(tǒng)。 現(xiàn)場總線的種類主要有：基金會現(xiàn)場總線 FF、 ProfiBus 總線 、 WorldFIP 總線 、ControlNet 總線 、 CAN 總線等 。 CAN總線通信接口中集成了 CAN 協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù) 的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級判別等 工作 [4]。 CAN 總線采用多主競爭的工作方式和非破壞性總線仲裁技術(shù)，總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信。 CAN 卓越的特性、極高的可靠性和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場總線之一。 系統(tǒng)框圖在 CAN 總線上掛接兩路傳感器節(jié)點(diǎn)和一路監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。 溫度傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。 圖 基于 CAN 總線的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)框圖 壓力傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。 在 CAN 總線中，系統(tǒng) 通過 CANRS232 轉(zhuǎn)接接口把數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。 熱電偶及其放大電路 熱電偶測溫原理 熱電偶傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢變化的傳感器。 ABE A B ( T , T 0 )T T 0 圖 熱電偶原理圖 由于不同的金屬材料內(nèi)部的自由電子密度不相同，當(dāng)兩種金屬材料 A 和 B 接觸時(shí)，自由電子就要從密度大的金屬材料擴(kuò)散到密度小的金屬材料中去，從而產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象，如圖 所示。所謂標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系 、 允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。其使用溫度 0～ 1300℃。 熱電偶的選擇及其放大電路 本設(shè)計(jì)選用 K 型熱電偶作為測溫元件。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 10 熱 電 勢/ m v051 51 0溫 度 / ℃1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 02 01 6 . 3 9 54 8 8 圖 K型 熱電偶溫度 輸出熱電勢關(guān)系圖 放大電路如圖 所示： 圖 K熱電偶放大電路 如圖所示， INP+接熱電偶 的正極， INP接熱電偶的負(fù)極， R22 起上拉電阻的作用，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 11 電容起到濾波抗干擾的作用。由圖可求出放大電路的放大倍數(shù) 30010*5 ?? WRH （ ） 式中 RW5 為接入電阻，單位為 kΩ。 這就是熱電偶的冷端處理和補(bǔ)償 [5]。 3． 冷端補(bǔ)償電橋法：這種方法是利用直流不平衡 電橋 產(chǎn)生的電勢來補(bǔ)償熱電偶冷端溫度變化而引起的熱電勢的變化值。 本設(shè)計(jì)采用軟件計(jì)算修正的方法來實(shí)現(xiàn)熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償。 AD590 的外部形狀及管腳如圖 所示。精度高。 1KR823647185U1A+1212R1410KR1920KR201KRW3R1510KRW1D1ALM3361KR9VCC1KR11R1310KRW223647185U2A10KR1820KR21J3CON1J4CON1J5CON1+12+121212R1723647185 U3ACH1_AD590+5+ 圖 AD590 放大電路 如圖 所示， AD590 的放大電路采用三運(yùn)放差分放大電路。 U1A、 U2A 提高了差模信號與共模信號之比，即提高了信噪比 。這樣對于 U1A 和 U2A 的漂移要求就會降低。 通過 R8 的取壓，在放大器 U1A 的正輸入端產(chǎn)生對應(yīng)的電壓。從而實(shí)現(xiàn)線性放大的目的。 壓力傳感器及其測溫原理 本設(shè)計(jì)采用的是 美國 MOTOROLA 公司的 MPX53DP 擴(kuò)散型壓阻式 壓力傳感器， 輸入信號為差壓信號，正端接待測壓力，負(fù)端與大氣相通。膜片的四周用圓環(huán)（硅杯）固定，膜片的兩邊有兩個壓力腔，一 個是與被測系統(tǒng)相連接的高壓腔，另一個是低壓腔，一般與大氣相通。這樣測得不平衡電橋的輸出電壓，就測出了膜片受到的壓力差的大小。 在一定范圍內(nèi)不用進(jìn)行補(bǔ)償。從而放大電路總的放大倍數(shù) )1(*)(*))()2(( 834621121 RRRRRRRWRRA v d WW ????? （ ） 代入阻值，可得 )1001(*))(20xx( 31 WW RRA v d ???? （ ） 為使差動放大電路的參數(shù)保持對稱，應(yīng)使兩個差分對基極對地的電阻一致，以免靜態(tài)基流流過這兩個電阻時(shí)，在運(yùn)放輸入端產(chǎn)生附加的偏差電壓，所以 A4 的正極接的電阻應(yīng)等于 RW3 和 R8 的并聯(lián)電阻。 溫度節(jié)點(diǎn)和壓力節(jié)點(diǎn)中的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊的硬件部分基本是 一樣的，所以本章一起介紹 。 A/D 芯片的選擇 本設(shè)計(jì)采集的溫度范圍為 0℃ ~400℃，壓力范圍為 0 ~30KPa，若使用分辨率為 8 位的 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 TLC0832，最大不可調(diào)誤差為 177。軟件看門狗不需外接硬件電路，但系統(tǒng)需要出讓一個定時(shí)器資源，這在許多系統(tǒng)中很難辦到，而且若系統(tǒng)軟件運(yùn)行不正常，可能導(dǎo)致看門狗 復(fù)位 系統(tǒng)也癱瘓。該信號可避免系統(tǒng)微處理器在電壓不足或振蕩器未穩(wěn)定的情況下工作 。 TLC0832 的 CH0 和 CH1 分別和 K 型熱電偶和 AD590 的放大電路連接。 接串口顯示的輸入端， 作為顯示的時(shí)鐘輸入。其它電路連接如圖所示。 LED數(shù)碼管由若干個發(fā)光二極管組成，能顯示出各種字符，常用的器件有 7段或“米”字型數(shù)碼管。但由于人的視覺有暫留現(xiàn)象，所以，仍感覺所有的器件都在顯示。 靜態(tài)顯示就是在單片機(jī)一次輸出模型后，就能保持顯示結(jié)果，直到下次發(fā)送新的顯內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 21 示模型為止。 根據(jù)顯示的需要，使用 5 位 LED 數(shù)碼管串口靜態(tài)顯示電路，數(shù)碼管使用共陰極接法 ，電路 如圖 所示。它使用方便，接口簡單，響應(yīng)速度快，但需要專用的硬件電路。 在鍵數(shù)較 少時(shí) ，可以 使用獨(dú)立式鍵盤，即每個按鍵接一根輸入線，各鍵的工作狀態(tài)互不影響。定時(shí)掃描方式是 CPU 每隔一定時(shí)間（如10ms）對鍵盤掃描一遍。 鍵盤設(shè)置 本設(shè)計(jì)中由于用到的鍵數(shù)較多，所以使用 4*4 的矩陣鍵盤，使用軟件去抖。 KeyLock 鍵是鎖鍵盤的，由于鍵盤不是經(jīng)常使用，而使用時(shí)必須占用數(shù)碼管顯示按下的鍵，同時(shí)也能防止鍵盤誤操作，有必要設(shè)定鎖鍵盤鍵。 在實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場中，熱電偶由于各種原因造成損壞，必須更換熱 電 偶，同時(shí)也有可能在同一個測溫點(diǎn)要測量的溫度范圍也有可能發(fā)生變化，需要更換不同類型的熱電偶，所以在本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中 可以在線更改熱電偶的線性化轉(zhuǎn)折點(diǎn)坐標(biāo)值， 在更改熱 電 偶的兩端折點(diǎn)時(shí)也就更改了熱電偶的測溫范圍，這樣，在要更換不同類型的熱電偶或更改熱電偶的測溫范圍時(shí)，就可以不用更換系統(tǒng)其它的部分，只要通過鍵盤更改折點(diǎn)就可以內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 24 了。 本設(shè)計(jì)通過 4*4 矩陣鍵盤的 8 個輸出口與 89C52 的 P2 口的 8 個輸入 /輸出口相接， 4根列線與 、 、 、 相連接， 4 位行線與 、 、 、 相連接 。 wd1＝ 0， wd0=0，預(yù)置時(shí)間為 。 X5045 在讀寫操作之前，需要先向它發(fā)出指令，指令名及指令格式如表 所示。 V C CS O/ C S/ W PV S SR S TS C KS IA T 8 9 5 2P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7R S T+ 5+ 57 4 l s 3 2x 5 0 4 5+R 1R 2R 31 K1 0 K1 0 KC 12 2 μ FC 20 . 1 μ FS 圖 看門狗及復(fù)位電路 圖 電路中，復(fù)位信號共有 3個：上電復(fù)位 (C R2)，人工復(fù)位 (S、 R R2)和watchdog 復(fù)位 (C R3)，通過或門綜合后加到 單片機(jī) RST 端。 軟件設(shè)計(jì)的 主要 功能 是鍵盤、通信和信號采集的編程及程序的調(diào)試。通過編寫 各功能子 程序，實(shí)行模塊化編程，這樣能提高編程效率，便于閱讀和修改 ，本設(shè)計(jì)實(shí)行模塊化設(shè)計(jì)。在鍵盤鎖開鎖后，只采樣兩路信號后不顯示出來，因?yàn)榇藭r(shí)鍵盤已經(jīng)占據(jù)數(shù)碼管顯示。 圖中 CAN 控制器的復(fù)位，初始化，以及定時(shí)器 T0、中斷的初始化都是為溫度傳感器節(jié)點(diǎn)與上位機(jī) 節(jié)點(diǎn)通信做準(zhǔn)備。當(dāng)鎖鍵盤標(biāo)志位和鍵標(biāo)志位都為 1 時(shí)，判斷是否是小數(shù)點(diǎn)鍵按下，若是則設(shè)置小數(shù)點(diǎn)標(biāo)志位并送顯示，否則判斷是否是數(shù)字鍵，要是則調(diào)用數(shù)字鍵處理子程序，要不是則判斷是否是其它功能鍵按下，若是則進(jìn)入相對應(yīng)的功能鍵處理子程序，處理完后退出鍵盤處理子程序。若小數(shù)點(diǎn)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 29 標(biāo)志位不為 0，則原數(shù)值乘 10 和新輸入的數(shù)字相加得到處理后的數(shù)值，最后送顯示。 如圖 所示，當(dāng)按下 HL 鍵時(shí)，更改報(bào)警值，首先判斷更改標(biāo)志位的值，若為 0，則使 High_Flag=1，當(dāng)按下數(shù)值并按下確認(rèn)鍵后就能更改上限報(bào)警值，使 flag1=1，準(zhǔn)備內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 30 下一次按下 HL 鍵能切換到更改下限報(bào)警值，使 Low_Flag=0。 如圖 所示，首先進(jìn)行初始化，判斷是否折點(diǎn)標(biāo)志位是否為 1，若是，再判斷折點(diǎn)更改標(biāo)志位是否為 0，為 0 說明輸入的數(shù)值是溫度標(biāo)度變換折線化的折點(diǎn)對應(yīng)的溫度，把它存于折點(diǎn)溫度數(shù)組，若為 1 則把它存于折點(diǎn)毫伏電壓數(shù)組。 f a g 1 = 0 ，H i g h _ F l a g = 0 ，下 限 標(biāo) 志 位L o w _ F l a g = 1f a g 1 = 1 ， 上 限 標(biāo) 志位 H i g h _ F l a g = 1 ，L o w _ F l a g = 0更 改 報(bào) 警 值 標(biāo) 志f l a g 1 = 0 ？更 改 報(bào) 警 值 處 理 子 程 序返 回顯 示 上 限 報(bào) 警 值顯 示 下 限 報(bào) 警 值YN更 改 報(bào) 警 值 標(biāo) 志f l a g 1 = 0 ？NY 鍵盤輸入數(shù)值清0取消鍵處理子程序報(bào)警相關(guān)標(biāo)志位清0顯示0表取消成功返回 小數(shù)點(diǎn)標(biāo)志清0移位 圖 更改報(bào)警值處理子程序流程圖 圖 取消鍵處理子程序流程圖 如圖 所示，當(dāng)按下 Delete 鍵時(shí)，對鍵盤的輸入的數(shù)值清零，報(bào)警相關(guān)標(biāo)志位、小數(shù)點(diǎn)相關(guān)標(biāo)志位清零，只是在改變折點(diǎn)時(shí)只對數(shù)值清零，而不對標(biāo)志位清零，以免造成輸入的混亂。 如圖 所示，當(dāng)按下 TSpot 鍵時(shí)，首先循環(huán)顯示已有的折點(diǎn)的溫度和對應(yīng)的毫伏電壓。 初 始 化鍵 盤 掃 描 處 理 子 程 序鍵 釋 放了 嗎 ？讀 取 鍵 值 并 設(shè) 置鍵 標(biāo) 志 位延 時(shí) 1 0 m s有 鍵 按 下嗎 ？鍵 標(biāo) 志 位為 1 ？鍵 鎖 標(biāo) 志 位為 1 ？是 鎖 鍵 盤按 下 嗎 ？有 鍵 按 下 嗎 ？鍵 鎖 標(biāo) 志 位 取 反進(jìn) 入 數(shù) 字 鍵 處 理子 程 序YNY是 數(shù) 字 鍵