【正文】 .................. 24 參 考 文 獻(xiàn) .................................................................................................................. 25 致 謝 ........................................................................................................................ 26 附錄 1............................................................................................................................... 1 附錄 2............................................................................................................................. 13 附錄 3............................................................................................................................. 15 基于 NMEA2021 的羅經(jīng)復(fù)示器設(shè)計 1 基于 NMEA2021 的羅經(jīng)復(fù)示器設(shè)計 第 1 章 緒論 經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步促使社會中各行各業(yè)都在不斷地發(fā)展壯大，特別是各種高、新、尖、精的技術(shù)應(yīng)用，而所有的一切都離不開控制系統(tǒng) [1]。 CAN 通信就 是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生。 CAN[Control (Controller) Area Network]是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，最初由德國 Bosch 公司 80 年代用于汽車內(nèi)部測試和控制儀器之間的數(shù)據(jù)通信。目前 CAN 總線主要 用于汽車自動化領(lǐng)域，如發(fā)動機(jī)自動點(diǎn)火、注油、復(fù)雜的加速剎車控制（ ASC）、抗鎖定剎車系統(tǒng)（ ABS）和抗滑系統(tǒng)等。在工業(yè)過程控制領(lǐng)域， CAN 也得到了廣泛的應(yīng)用。帶 NMEA2021 選項(xiàng)的 CANoe 可以應(yīng)用在從設(shè)計到實(shí)現(xiàn)的整個開發(fā)過程中。 例如，可以利用模型校驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，隨后在最終測試階段作為功能測試。它可以顯著的提高開發(fā)進(jìn)程的質(zhì)量，提高數(shù)據(jù)分析的效率?，F(xiàn)在船舶控制仍然采用 DCS 系統(tǒng)。 課題研究的背景及意義 此設(shè)計題目是針對船舶的羅經(jīng)的模擬通信進(jìn)行 CAN 協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn) CAN 通信。 其次：進(jìn) 行 SJA1000 控制器和 82C250 收發(fā)器的整體設(shè)計， 實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與現(xiàn)場微處理器之間的數(shù)據(jù)通信。由于 ZLG7290 能夠承擔(dān)顯示部分的動態(tài)顯示程序，減輕了單片機(jī)工作的負(fù)擔(dān)，且使用簡單，電路可靠，因此本次設(shè)計使用 ZLG7290構(gòu)成的矩陣鍵盤和四數(shù)碼管集成的 7SEGMPX4CC 元件構(gòu)成顯示電路。所有的設(shè)計查閱資料是必不可少的，而資料的獲取應(yīng)以實(shí)際為準(zhǔn)，作為一名初次設(shè)計者，設(shè)計之前應(yīng)具備一定的設(shè)計能力，但是由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，知識體系的不夠完善等因素，在設(shè)計過程中也有缺陷。 了解整個設(shè)計的目的、內(nèi)容和基本要求進(jìn)行設(shè)計的資料準(zhǔn)備。此設(shè)計充分吸收專業(yè)理論知識，考慮自己畢業(yè)設(shè)計的選題方向，有目的、有計劃地查閱與選題方向有關(guān)的文獻(xiàn)資料，特別是在參加生產(chǎn)實(shí) 習(xí)的過程中有意識地搜集生產(chǎn)過程及新技術(shù)、新設(shè)備、改革新成果的應(yīng)用等方面資料，這也是為畢業(yè)設(shè)計課題收集資料的最重要的途徑。并對其進(jìn)行完善，對于一個完整的設(shè)計而言，文字與圖紙并存。 最后由于設(shè)計者的水平有限，以及對電氣技術(shù)日新月異的發(fā)展掌握不夠，加之國外電氣技術(shù)和產(chǎn)品的大量引進(jìn)，我國對電氣設(shè)計設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范還在不斷地改進(jìn)和完善，所以設(shè)計難免有不足，希望老師給予批評指正，使本設(shè)計更加完善 。對此題目的設(shè)計除了注重實(shí)際應(yīng)用外，還應(yīng)考慮可靠性、經(jīng)濟(jì)性和控制的穩(wěn)定性。 基于 NMEA2021 的羅經(jīng)復(fù)示器設(shè)計 3 第 2 章 總體方案 CAN[Control（ Controller） Area Network]是控制 (器 )局域網(wǎng)的簡稱 [4]。目前 CAN 總線規(guī)范已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO 制訂為國際標(biāo)準(zhǔn) ISO11898，并得到了 Motorola， Intel ， Philips 等大半導(dǎo)體器件生產(chǎn)廠家的支持，迅速推出各種集成有 CAN 協(xié)議的產(chǎn)品。 BENZ、 BMW 等著名汽車上已經(jīng)采用 CAN來滿足上述功能。 CAN 協(xié)議解析 CAN 協(xié)議可分為：目標(biāo)層、傳送層、 物理層。目標(biāo)層的功能包括：確認(rèn)要發(fā)送的信息；位應(yīng)用層提供接口。 CAN 總線以報文為單位進(jìn)行信息交換，報文中含有標(biāo)示符（ ID），它既描述了數(shù)據(jù)的含義又表明了報文的優(yōu)先權(quán)。當(dāng)同時有兩個或兩個以上的節(jié)點(diǎn)發(fā)送報文時， CAN 控制器采用 ID 進(jìn)行仲裁。發(fā)送具有最高優(yōu)先權(quán)報文的節(jié)點(diǎn)獲得總線的使用權(quán)，其他節(jié)點(diǎn)自動停止發(fā)送，總線 空閑后，這些節(jié)點(diǎn)將自動重發(fā)報文。 CAN 只需通過報文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門的 調(diào)度 。 CAN 上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要決定于總線驅(qū)動電路，目前可達(dá) 110 個；報文標(biāo)識符可達(dá) 2032 種（ ），而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)（ ）的報文標(biāo)識符幾乎不受限制。采用 Philips 公司生產(chǎn)的 SJA1000 控制器和與其配套的82C250CAN 收發(fā)器。雙絞屏蔽線可設(shè)兩套，在兩套介質(zhì)上同時進(jìn)行信息傳輸，接收方只用一個介質(zhì)。 硬件電路的設(shè)計主要是 CAN 通信控制器與微處理器之間和 CAN 總線收發(fā)器與物理總線之間的接口電路的設(shè)計?？撮T狗電路主要是實(shí)現(xiàn)對電路的監(jiān)控和復(fù)位作用。本課題 選取 PHILIPS 公司的 SJA1000 CAN 控制器以及 82C250 總線收發(fā)器，主要是考慮到 SJA1000 支持 CAN 約。在本次設(shè)計中， 總體設(shè)計 如下圖： 圖 總體設(shè)計圖 基于 NMEA2021 的羅經(jīng)復(fù)示器設(shè)計 5 本章小結(jié) 本章對 CAN 總線進(jìn)行了簡單的介紹，同時拋出了本次設(shè)計的總體思想，對以后的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。最小系統(tǒng)雖然簡單，但是卻是大多數(shù)控制系統(tǒng)所必不可少的關(guān)鍵部分。下面對 51 單片機(jī)最小系統(tǒng)需要的時鐘電路和復(fù)位電路做一下 詳細(xì)的說明。 MCS51 單片機(jī)內(nèi)部有一個高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端，如果引腳 XTAL1 和 XTAL2 兩端跨接上晶體振蕩器（晶振）或陶瓷振蕩器就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩電路，該振蕩電路的輸出可直接送入內(nèi)部時序電路。 實(shí)際應(yīng)用中，并不是對 51 單片機(jī)外接晶振、電容和電阻 等元件，而是使用集成元件與 MCU 進(jìn)行連接，既節(jié)約空間又增加了電路的可靠性。 X5045 元件介紹 X5045P 把四種常用的功能：上電復(fù)位、看門狗定時器、電源電壓監(jiān)控和塊鎖（ Block Lock TM ）保護(hù)的串行 EEPROM 存儲器組成在一個封裝之內(nèi)。 其引腳及其功能如下： CS/WDI：片選輸入 /看門狗復(fù)位輸入； SO：串行輸出； WP：寫保護(hù)輸入； Vss： 地； Vcc：電源； RESET：復(fù)位輸出； SCK：同步時鐘輸入； 基于 NMEA2021 的羅經(jīng)復(fù)示器設(shè)計 7 SI：串行輸入。在對 X5045P 通電時， ERSET 引腳輸出有效的復(fù)位信號，并保持至少 200ms，使 CPU 有效復(fù)位。當(dāng)檢測到電源電壓低于內(nèi)部門檻電壓 VTRIP 時， RESET 輸出復(fù)位信號，直至電源電壓高于 VTRIP并保持至少 200ms，復(fù)位信號才被撤消。對于需要電源電壓精確監(jiān)控的應(yīng)用，用戶可以搭建 編程電路，對芯片內(nèi) VTRIP 電壓進(jìn)行微調(diào)。芯片內(nèi)部狀態(tài)寄存器的 WD WD0 是看門狗定時設(shè)置位，通過狀態(tài)寄存器寫指令 WRSR 修改這 2 個標(biāo)志位，就能在 3 種定時間隔中進(jìn)行選擇或關(guān)閉定時器。 （ 4）串行 E2PROM。 XICOR 設(shè)計了 3 種保護(hù)方式防止誤寫。顯然，在幾方面的保護(hù)之下，產(chǎn)生誤寫的可能性極小。 SCK 是外部輸入的同步時鐘信號。數(shù)據(jù)的輸入/輸出都是高位在先 。 對 X5045 的操作是通過 4 根口線 CS、 SCK、 SI 和 SO 進(jìn)行同步串行通信來完成的。在對芯片定改指令或數(shù)據(jù)時，時鐘前沿將 SI引腳信號輸入；在讀數(shù)據(jù)時，時鐘后沿將數(shù)據(jù)位輸出到 SO 引腳上。在設(shè)計中， /CS 腳和單片機(jī) 、 SI、 SCK、 SO、 /WP、 RST 分別與單片機(jī)的引腳 、 、 、 和 RST 連接。電路設(shè)計如下： 基于 NMEA2021 的羅經(jīng)復(fù)示器設(shè)計 8 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 基于 NMEA2021 的羅經(jīng)復(fù)示器設(shè)計 10 本章小結(jié) 本章介紹了單片機(jī)最小系統(tǒng)，用于監(jiān)測系統(tǒng)是否工作于正常狀態(tài)，及時對運(yùn)行出錯的狀態(tài)進(jìn)行 復(fù)位，保證系統(tǒng)平穩(wěn)有序地工作。它可采樣 64 個按鍵或傳感器，單片即可完成 LED 顯示、鍵盤接口的全部功能。 其特點(diǎn)如下： I2C 串行接口提供鍵盤中斷信號方便與處理器接口 可驅(qū)動 8 位共陰數(shù)碼管或 64 只獨(dú)立 LED 和 64 個按鍵 可控掃描位數(shù) 可控任一個數(shù)碼管閃爍 提供數(shù)據(jù)譯碼和循環(huán) 移位段尋址等控制 每個功能鍵可檢測任一鍵的 連擊次數(shù) 無需外接元件即直接驅(qū) LED 可擴(kuò)展驅(qū)動電流和驅(qū)動電壓 提供工業(yè)級器件 多種封裝形式 PDIP24 SO24 顯示電路 ZLG7290 提供兩種控制方式。寄存器映象控制是指直接訪問底層寄存器，除通信緩沖區(qū)外的寄存器實(shí)現(xiàn)基本控制功能，請參考寄存器詳解部分命令解釋控制是指通過解釋命令緩沖區(qū) CmdBuf0 CmdBuf1 中的指令間接訪問底層寄存器實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展控制功能如實(shí)現(xiàn)寄存器的位操作對顯示緩存循環(huán)移位對操作數(shù)譯碼等操作。電路設(shè)計如下： 基于 NMEA2021 的羅經(jīng)復(fù)示器設(shè)計 11 圖 顯 示電路 基于 NMEA2021 的羅經(jīng)復(fù)示器設(shè)計 12 圖 四位一體數(shù)碼管電路部分 本章小結(jié) 本章對顯示部分的電路進(jìn)行了設(shè)計，使用了 ZLG7290 對四位一體數(shù)碼管進(jìn)行顯示控制，減輕了單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。它是 PHILIPS 半導(dǎo)體 PCA82C200 CAN 控制器（ BasicCAN）的替代產(chǎn)品。 特點(diǎn) . 和 PCA82C200 獨(dú)立 CAN 控制器引腳兼容 . 和 PCA82C200 獨(dú)立 CAN 控制器電氣兼容 . PCA82C200 模式（即默認(rèn)的 BasicCAN 模式） . 擴(kuò)展的接收緩沖器（ 64 字節(jié)、先進(jìn)先出 FIFO） . 和 協(xié)議兼容（ PCA82C200 模式中的無源擴(kuò)展 幀） . 同時支持 11 位和 29 位識別碼 . 位速率可達(dá) 1Mbits/s . PeliCAN 模式擴(kuò)展功能： . 可讀 /寫訪問的錯誤計數(shù)器 . 可編程的錯誤報警限制 . 最近一次錯誤代碼寄存器 . 對每一個 CAN 總線錯誤的中斷 . 具體控制位控制的仲裁丟失中斷 . 單次發(fā)送（無重發(fā)） . 只聽模式（無確認(rèn)、無活動的出錯標(biāo)志） . 支持熱插拔（軟件位速率檢測） . 驗(yàn)收濾波器擴(kuò)展（ 4 字節(jié)代碼， 4 字節(jié)屏蔽） . 自身信息接收（自接收請求） . 24MHz 時鐘頻率 . 對不同微處理器的接口 . 可編程的 CAN 輸出驅(qū)動器配置 控制電路 設(shè)計 SJA1000 是 PHILIP 公司生產(chǎn)的獨(dú)立 CAN 控制器，是用于實(shí)現(xiàn) CAN 信號對數(shù)字信號轉(zhuǎn)換、 CAN 信號的收發(fā)、 CAN 信號的接收、校驗(yàn)和重發(fā)等功能的控制器件。 SJA1000 的調(diào)用是通過微機(jī)訪問其內(nèi)部寄存器，操作寄存器標(biāo)志位實(shí)現(xiàn)的。 SJA1000 與微機(jī)的電路圖如下所示： 圖 四位一體數(shù)碼管電路部分 本章小結(jié) 本章介紹 CAN 控制電路，這部分是 CAN 通信的核心部分，是本次設(shè)計的重點(diǎn)所在，對本次設(shè)計的成敗與否起到關(guān)鍵作用。它主要用于汽車?yán)锏母咚賾?yīng)用 (高達(dá)1Mbaud) 。限定的電流值保護(hù)接收器輸出級，避免陽極和陰極的短路，盡管在默認(rèn)的條件下功率消耗是增加的，這個特征值將防止發(fā)送器輸出級的毀壞。因?yàn)榘l(fā)送器占去大部分的功率消耗，這將導(dǎo)致降額功耗和較低的片內(nèi)溫度。 CANH和 CANL 線也被保護(hù)，防止在自動運(yùn)作過程中電流的瞬變。譬如基于 CAN 的系統(tǒng) DeviceNetTM 這種模式的總線輸出信號。例如汽車無線電裝置對總線信號的擾動。高速模式中收發(fā)器有效的循環(huán)延遲時間可以低至最大 145ns。 斜率控制模式 在一些應(yīng)用中，由于考慮到系統(tǒng)的成本等問題，而使用非屏蔽的總線電纜。如果使用非屏蔽總線電纜 PCA82C250/251 的總線，信號轉(zhuǎn)換速度應(yīng)被特意降低。根據(jù) CAN 的位定時要求轉(zhuǎn) 換速度下降，將增加總線節(jié)點(diǎn)的循環(huán)延遲。如果斜率控制電阻 Rext 連接到地則 的值是 0V。當(dāng) VRs Vcc 時進(jìn)入準(zhǔn)備模式。這個模式基本上用于電池供電的應(yīng)用。準(zhǔn)備模式中發(fā)送器的功能和接收器的輸入偏置網(wǎng)絡(luò)