【正文】 .30 結 論 .........................................................................................................................................32 致 謝 .........................................................................................................................................33 山東交通學院畢業(yè)論文（設計） V 參考文獻 .....................................................................................................................................34 山東交通學院畢業(yè)論文（設計） 1 前 言 路面加速加載試驗設備是試驗、檢測路面材料與結構的專用設備。試驗還能根據(jù)表征路面結構使用性能 指標的檢測。 為了降低施工和維護成本，延長路面使用周期，在道路設計施工初期就應充分考慮路面長期使用性能及路用材料性質(zhì)、道路的生命周期等。利用路面加速加載試驗系統(tǒng)快速模擬 車輛在不同道路上的實際運行狀況，對研究路面結構的使用性能、路面材料參數(shù)及路面結構評價具有重要的意義，然而路面加速加載試驗系統(tǒng)模擬成功與否關鍵在于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因此對數(shù)據(jù)采集信號的研究有較大的意義。 信 號 的 綜合采集， 應用目前已被很多大公司采用 的 CAN 總線技術，采用 PHILIPS 公司的 CAN 控制器 PCA82C250，將專用微處理器 PICl8F458 置入路面加速加載設備中，使其具有數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，采用可進行簡單連 接的雙絞線作為總線，把多個數(shù)據(jù)測量節(jié)點連接成網(wǎng)絡系統(tǒng)，按照公開、 規(guī)范的通信協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息輸出，直接顯示所需的試驗數(shù)據(jù)，使工作人員很好的讀取系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)。原有的按照傳統(tǒng)設計方法，以及經(jīng)驗推論設計的路面已不能 適應這些大交通量、重交通載載、新的軸組和胎壓的要求。因此，加速加載試驗做為一種嘗試，受到世界許多國家的青睞。于 1919 年開始到 1951 年結束的美國 WASHO試驗路使加速加載試驗達到了頂峰， WASHO 試驗在統(tǒng)計分析標準的確定和對路面結構與載荷 的認識方面做出了重要貢獻。 進入六十年代后，加速加載試驗作為一種先進的試驗手段被世界各國認可，相繼開發(fā)了一系列的加速加載裝置，這個時期的加載試驗裝置大部分為室內(nèi)靜載加載裝置和動載環(huán)道試驗設備。到八十年代中期，澳大利亞設計制造的可移動式、野外足尺加速加載試驗設備 (ALF)是一個突破，如圖 所示。 圖 ALF ALF 山東交通學院畢業(yè)論文（設計） 3 縱觀加速加載設備的發(fā)展史，可以將加速加載試驗的方式歸結為以下幾種 : (1)試驗路法 ； (2)室內(nèi)外環(huán)道試驗 ； (3)直線式加載設備 ； (4)動靜載脈沖試驗設備 ； (5)野外足尺加速 加載試驗設備 。到 1997 年底，全世界共有 15 個國家和組織擁有各種類型的加速加載試驗設備近 40 臺，其中應用于六十年代的有 6 臺，七十年代的有 14 臺，八十年代的有 7 臺，九十年代的有 13 臺，從以上各年代加速加載試驗設備的應用數(shù)量上看，七十年代和九十年代是加速加載試驗在公路研究中使用最多的時期。其中一些僅為自行研究和使用，如美國加州大學伯克利分校、普度大學和中國的長沙理工大學等。 圖 脈沖式路面加速加載設備 Pulse surface acceleration of loading equipment 我國在 1990 年從國外購買了一臺路面加速加載試驗設備，并首次在京深高速公路河北省正定縣道路試驗段進行了實驗，結果一致認為加速加載試驗設備應用性能好，結果可靠、準確。近幾年，隨著世界經(jīng)濟的迅速發(fā)展和公路建設的迫切需要，國際上路面加速加載試驗系統(tǒng)需求量劇增。其中較流行的現(xiàn)場總線主要有以下幾種，它們具有各自的組織、標準、芯片和特點，每一種現(xiàn)場總線都是在其支持公司或者組織多年產(chǎn)品 技術研發(fā)成果積累的基礎上產(chǎn)生的，已逐漸形成其影響并在一些特定的 應用領域顯示了自己的優(yōu)勢。其宗旨是制定單一的國際現(xiàn)場總線標準。 FF 以 ISO/OSI 參考模型為基礎，取其物理層、鏈路層和應用層為 FF 通信模型的相應層次，并在此基礎上增加了用戶層。低速現(xiàn)場總線 HI 的傳輸速率為 ，高速現(xiàn)場總線 HSE 的傳輸速率為 l00Mbps， H1 支持總線供電和本質(zhì)安全特性。 LonWorks LonWorks：是局部操作網(wǎng)絡的縮寫。它采用了 ISO/OSI 模型的全部 7層通信協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O計方法，通過網(wǎng)絡變量把網(wǎng)絡通信設計簡化為參數(shù)設置，其通信速率從 300bps 至 1． 5Mbps 不等，宜 接通信距離可達 2700m(78kbps 雙絞線 )；支持雙絞線，同軸電纜，光纖，射頻，紅外線，電力線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)了相應的本質(zhì)安全防爆產(chǎn)品，被譽為通信控制網(wǎng)絡。 DP 型用于分散外設問的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于加工自動化領域的應用。而 PA 性則是用于過程自 動化的總線類型，它遵從 IECll582標準。最早由 Rosemount 公司 山東交通學院畢業(yè)論文（設計） 5 開發(fā)并得到 80 多家著名儀表公司支持，與 1993 年成立了 HART 通信基金會。 CAN(Control Area Network) 20 世紀 80 年代，由于歐洲汽車發(fā)展工業(yè)的需要，最先由德國 Bosch 公司提出 CAN總線方案以解決汽車裝置間的通信問題，在車載各電子控制裝置 ECU 之間交換信息形成汽車電子控制網(wǎng)絡。 Bosch 公司于 1986 年正式公布了這一總線，其規(guī)范現(xiàn)已被國際標準化組織 (ISO)制定為國際標準。 CAN 總線控制局域網(wǎng)是為 汽車而開發(fā)的串行數(shù)據(jù)通信總線，因此其第一用戶當然是汽車工業(yè)。由于 CAN 具有通信速率高、可靠性強、連接方便、性能價格比高等特點。如 SIEMENS 公司生產(chǎn)的 CT 斷層掃 描儀采用了 CAN 總線，改善了設備的性能。在 1999 年，有近 6000 萬個 CAN 控制器投入應用； 2021 年，市場銷售了超過 l億個 CAN 器件。 本文 完成 主要工作 目前，已經(jīng)被許 多大公司采用 CAN 總線 技術，應用范圍已不再局限于汽車行業(yè)，而向工程控制、機械工業(yè)、機器人、數(shù)控機床、醫(yī)療器械等領域發(fā)展 。 本設計采用微處理器作為 路面加速加載設備 的核心，設計出的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 能完成數(shù)據(jù)采集的功能和 對 實時 數(shù)據(jù)的顯示等功能。 本 設計在硬件上采用了單片機 PICl8F458作為 設備 的 CAN總線的控制核心，成功地運用了 PHILIPS李龍：基于 CAN 總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計 6 公司 的 CAN 控制器 PCA82C250 連接 CAN 總線 。 本課題完成的主要工作如下： （ 1）試驗路段路面溫度和 加速加載設備工作環(huán)境溫度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計 利用 PIC18F458 單片機的片上 ADC 模塊采集 LM35 輸出的電壓值。 （ 3）對各節(jié)點的 PIC18F458 通過 CAN 總線與主節(jié)點的 PIC18F458 單片機通信并在主節(jié)點輸出顯示 。 運用這種設備進行試驗是目前國際上先進的路面現(xiàn)場試驗手段，通過可控的試驗軸載及溫度對路面結構進行連續(xù)加載，真實模擬汽車輪胎在路面上的運動狀態(tài)，研究各種路面的使用年限，更好的對路面進行設計研究。在較短的時間內(nèi)建立路面結構 使用性能指標的變化規(guī)律，從而得到對路面結構長期使用性能的評價。國內(nèi)的許多從事公路建設的單位如同濟大學、長安大學、遼寧公路研究所正在向國外訂購此類設備。如果能夠自行開發(fā)研制成功該設備，將會節(jié)省大量的經(jīng)費， 滿足國內(nèi)有關單位對加速加載設備的需求，為國家節(jié)約大量的外匯?，F(xiàn)在此類設備在國內(nèi)尚無自主產(chǎn)權的產(chǎn)品，為數(shù)不多的幾家作過這方面研究工作的單位均為自行使用，且其成果都存在著比較嚴 重的技術缺陷。因此，現(xiàn)在國內(nèi)外對道路加速加載設備的研制無論從經(jīng)濟方面還是其他附帶的社會效益方面都十分必要?？偟碾娐房驁D如圖 所示 ： 圖 總的電路框圖 The overall circuit diagram 李龍：基于 CAN 總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計 8 其總 電路圖如圖 所示： 如圖 總 電路圖 The overall circuit diagram 把內(nèi)嵌 CAN 控 制 器的 PICl8F458 微處理器用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，使所設計的系統(tǒng)結構簡單，可靠性與穩(wěn)定性提高，而且使用方便、應用靈活， 并 出色完成任務的 目的，大大地加速了其應用領域智能化、科學化與規(guī)范化的進程。具體原理是采用 PHILIPS 公司的 CAN 控制器 PCA82C250 作為 CAN 總線的控制器 ，將專用微處理器 PIC18F458 置入 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中 。 硬件組成主要有帶 CAN 控制器的 PIC18F458 主節(jié)點、 四 個 CAN 控制器 PCA82C250 和帶 CAN 控制器的PICl8F458 節(jié)點一 (采集試驗路段路面的溫度 )、帶 CAN 控制器的 PICl8F458 節(jié)點二 (采集路面加速加載設備顯示系統(tǒng)的工作環(huán)境溫度 )、 帶 CAN 控制器的 PICl8F458 節(jié)點三（采集路面加速加載設備對試驗路段所加的壓力） 組成。 具體 CAN 通迅硬件模塊框圖如圖 所示 ： CAN BUS 圖 系統(tǒng)硬件結構模塊框圖 System hardware architecture block diagram 主要器件介紹 CAN 控制器 PCA82C250 簡介 PHILIPS 公司的 CAN 控制器 PCA82C250 可為 CAN 協(xié)議控制器提供差分收發(fā)能力，它完全符合 IS011898 標準。上電復位和電壓事件欠壓保護，未上電節(jié)點或欠壓不會影響 CAN 總線，低電流待機操作，短路保護，高壓瞬態(tài)保 護，自動熱關斷保護，可連接節(jié)點高達 112 個，采用差分總 線，具有很強的抗噪特性，工作溫度范圍 :40176。C 。顯性狀態(tài)發(fā)生在 CANH 和 CANL 之間的差分電壓高于定義值 的時候， 隱性狀態(tài)發(fā)生在該差分電壓低于某個定義值 (典型值為 0V)的時候。 （ 2） 接收器功能 RXD 引腳反映的是 CANH 和 CANL 之間的差分 總線電壓值。 （ 3） 內(nèi)部保護 CANH 和 CANL 可以免受 CAN總線上電池短路和電氣瞬態(tài)的影響。熱關斷電路在結點溫度超過通常的標定值 165176。芯片其他部分仍 然保持工作，但是由于發(fā)送器輸出的功耗降低，芯片的溫度也隨之降低， 這一保護措施對于由短路引起的總線損壞是必需的。 高速模式：高速模式可以通過把 RS 引腳與 VSS 相連來實現(xiàn)。 斜率控制模式 :斜率控制模式可以通過限制 CANH 和 CANL 的上升下降時間來進一步減少 EMI。斜率與 RS 引腳的輸出電流成正比。本設計采用此模式， RS電阻 為 300Ω 。 PIC18F458 單片機的特點 PIC18Fxx8單片機是美國微芯公司 (Microchip)推出的高檔產(chǎn)品。 采用 16 位的類 RISC 指令系統(tǒng)，指令周期短、處理能力強、運算能力高，可以不用外擴存儲器就能很好地完成大量的數(shù)據(jù)通訊和滿足通信協(xié)議的要求 ， PICl8F458 單片機片內(nèi)集成了 A/D 轉(zhuǎn)換器 ，內(nèi)部 EEPROM 存儲器、比較輸出、捕捉輸入、 PWM 輸出、 SPI 接口、異步串行通信 (USART)接口電路、 CAN 總線接口電路、FLAH 程序存儲器讀 /寫等強大的功能，芯片功能強大， I/O 口驅(qū)動能力強，設計電路簡單可靠。 本文用到的是 PDIP40 封裝形式，如圖 所示 ： 圖 PD