毕业设计说明书.docx
- 文档编号:9486384
- 上传时间:2023-02-04
- 格式:DOCX
- 页数:39
- 大小:728.46KB
毕业设计说明书.docx
《毕业设计说明书.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《毕业设计说明书.docx(39页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
毕业设计说明书
化工企业数据收集和显示系统设计
摘要
本文设计了无纺布生产车间内的一个CAN总线网络。
通过这个网络,可以将现场智能设备互联起来,形成一个简单的工控网络。
该网络包括一个主站和几个从站。
从站是几个智能测控节点,主要对生产线的启停状态、锅炉温度、布匹的移动速度、单卷长度、单卷重量和总产量等数据进行测量,在现场用LED数码管显示测得的各种数据,通过CAN总线将数据传送到主站,并根据现场数据控制布匹单卷产量和产生温度报警。
主站主要起到连接CAN总线与上位机的作用,主站与上位机之间通过RS232串行接口进行通信。
此外,还设计了掉电保护电路,可以在突然断电的情况下对现场数据进行保护。
关键词:
CAN总线,温度测量,重量测量,速度测量,RS232,掉电保护
Abstract
Inthisproject,aCAN(ControlAreaNetwork)busnetworkusedintheworkshopwhichproducesnonwovenfabrichasbeendesigned.WithControlAreaNetworkbus,fieldintelligentequipmentscouldbeconnectedintoasimpleindustrialcontrolnetwork.Thisnetworkincludesamasterstationandsomeslavestations.Slavestationsareseveralintelligentcontrolequipment,andtheyareusedtomeasuretheproductionlineisinstateofstartingorending、thetemperatureofBoiler、thespeedofmovingcloth、thelengthandweightofarollofclothandthetotaloutput,andshowthedatawith7-segmentLEDintheworksite,andsendthedatatothemasterstationwithCANbus,andcontrolthelengthofthecloth,andgivealarmswhenthetemperatureistoohighortoolow.ThemasterstationconnectsCANbusandPC.ThemasterstationcommunicateswithPCaccordingRS232serialinterface.Furthermore,Idesignedtheprotectingcircuit,thecircuitcanprotectthedatawhenthepowersuddenlylost.
Keywords:
keyword:
CANbus,temperaturemeasuring,weightmeasuring,
speedmeasuring,RS232,losingpowerprotecting
附录
电路原理图(见资料袋内)
Protel原理图及PCB图(见光盘)
1前言
随着计算机特别是微型计算机与网络技术的飞速发展,越来越多的智能设备被应用于生产中。
工程师们利用这些技术实现了车间的自动化或半自动化系统。
分布式控制系统DCS(DistributedControlSystem),又称集散控制系统,是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统,它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。
它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统,综合了计算机,通信、显示和控制等技术,其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。
工程师站是对DCS进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护的网络节点,其主要功能是提供对DCS进行组态,配置工作的工具软件(即组态软件),并在DCS在线运行时实时地监视DCS网络上各个节点的运行情况,使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配置及一些系统参数的设定,使DCS随时处在最佳的工作状态之下。
与集中式控制系统不同,所有的DCS都要求有系统组态功能,可以说,没有系统组态功能的系统就不能称其为DCS。
本次的设计内容就是一个简单的DCS系统。
本系统设计的是一个化工企业的无纺布生产车间的自动数据采集控制系统。
纺织生产要求车间对成品单卷产量、总产量等进行数据自动采集和监控,每两条生产线旁安装一台计算机,通过RS232通信口与下位机连接,从下位机中取得车速、温度、启停状态、成品单卷产量、总产量等数据,并根据定单要求自动设置下位机中的参数。
控制系统中还要具有包括键盘输入、数据显示、温度信号和重量信号读取、串行通讯、继电器控制和掉电保护等功能。
对于这样的系统,采用廉价的单片机作为控制器是比较合适的。
在系统中设计一个主站和多个从站,从站完成各种数据采集、运动控制等功能,主站集中管理各个从站。
总线是系统实现各个站点互联的纽带,CAN总线是一种成熟、可靠、廉价的现场总线,适合用在本系统之中。
2总体方案设计
根据设计内容及要求,需要设计一个工控网络,对车间里成品单卷产量、总产量等进行数据自动采集和控制,并向ERP系统上传数据及接收来自上位机的数据和指令。
这就要求系统以总线为纽带,将分散的智能节点(单片机测量控制节点)互联起来,形成一个可以相互通信、共同完成测控任务的控制网络。
国际IEC1158标准定义:
现场总线是一种互联现场自动化设备及控制系统的双向数字化通信协议。
利用现场总线,可以将现场智能装置组建成为全数字化、多变量、双向、多节点网络。
1993年由德国Bosch公司推出的CAN(controllerareanetwork控制局域网),就是一种实用的现场总线,广泛应用于汽车监控、开关量控制、制造业。
1)RS232总线
RS232标准出现较早,具有的不足之处:
接口信号电平值较高,容易损坏接口电路芯片,与TTL电平不兼容,传输速率低,异步传输时,波特率为20kbps,采用共地传输,容易产生共模干扰,最大传输距离标准值仅为50英尺,实际只能用于50米左右。
2)RS485总线
RS485总线网络技术成熟结构简单,可靠性高,抗干扰能力强,传输速度也比RS232总线快得多,接口信号电平比RS232低,不易损坏接口芯片,与TTL电平兼容,最高传输速率可达到10Mbps,最长传输距离最长1200米。
RS485总线的不足:
RS485总线只存在一个简单的没有硬件通信协议的物理
层,其通信协议完全依赖软件的支持,增加了系统软件的负担,并且在没有可靠的总线竞争仲裁与帧重发机制的情况下,数据丢失率几乎正比于总线数据流通量。
RS485总线组成的测控网络如图2-1所示。
………...
图2-1RS485总线组成的测控网络
MAX1487
MAX1487
MAX1487
重量采集
速度位移
测量
温度测量
3)CAN总线
CAN总线数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。
支持多主方式,信息分级,高优先级先传输,非破坏性总线仲裁技术,通信方式有点对点、一点对多点、全局广播,通信距离最高可达到10km、速率最高为1000kbps。
节点数取决于总线驱动电路,可达110个,采用短帧结构的数据传输格式,CRC校验检错,出错严重时,节点自动关闭输出功能。
CAN总线相对其他现场总线而言,通信协议比较简单,开发技术成熟,软件工作量小易于实现。
由于CAN总线有这样的特点,在工控系统中得到广泛的应用。
基于CAN总线的数据收集和显示系统如图2-2所示。
…………
温度数据采集速度位移采集显示重量采集
显示切断布匹显示
1#生产线2#生产线
图2-2基于CAN总线的数据收集和显示系统
3通信设计
系统要求上位机通过RS232通信口与下位机连接,并且下位机与上位机可以进行数据交换,设计中选用CAN总线实现各智能现场设备互联,故通信设计主要是单片机通过RS232接口与PC机通信和单片机间的CAN总线通信
3.1基于RS232的单片机与PC机通信
RS232接口使用的是RS232电平,PC机的RS232C串口采用负逻辑,即逻辑“1”为-3V~-15V,逻辑“0”为+3V~+15V,不能与TTL电平兼容,要使单片机能够与PC机通信,必须使用电平转换电路使电平统一。
图4.1就是一种常用的电平转换电路,RS232C电平与TTL电平可以通过max232芯片转换得到统一。
图3-1232串口通信电路
3.2单片机CAN总线通信
3.2.1CAN协议简介
CAN报文的四种帧类型
a.数据帧:
数据帧携带数据从发送器至接收器。
数据帧由7个不同的位场组成,即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场、帧结束。
b.远程帧:
总线单元发出远程帧,请求发送具有同一识别符的数据帧。
远程帧由6个不同的位场组成,即帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场、帧结束。
c.错误帧:
任何单元检测到一总线错误时就发送错误帧。
错误帧由两个不同的场组成。
第一个场是错误标志,用做为不同站提供错误标志的叠加;第二个场是错误界定符。
d.超载帧:
用来在先行的和后续的数据帧(或远程帧)之间提供一附加的延时。
超载帧包括两个位场:
超载标志和超载界定符
CAN数据帧格式
图3-2CAN总线数据帧结构
a.帧起始
帧起始标志数据帧和远程帧的起始,由一个单独的“0”位组成。
b.仲裁场
图3-3CAN2.0A的仲裁场的组成
仲裁场包括标识符ID和远程发送请求位(RTR)。
对于CAN2.0A标准,标识符的长度为11位。
RTR位在数据帧中必须是显性位,而在远程帧必须为隐性位。
对于CAN2.0,标准格式和扩展格式的仲裁场不同。
在标准格式中,仲裁场由11位标识符和远程发送请求位组成。
在扩展格式中,仲裁场由29位标识符和替代远程请求位(SRR)、标志位(IDE)和远程发送请求位组成。
仲裁场的作用之一是说明数据帧或远程帧发送目的地;之二是指明数据帧或远程帧。
c.控制场
控制场由6个位组成,其结构如图9.7所示。
标准格式和扩展格式的控制场格式不同。
标准格式里的帧包括数据长度代码、IDE位(为显性位,见上文)及保留位r0。
扩展格式里的帧包括数据长度代码和两个保留位:
r1和r0。
其保留位必须发送为显性,但是接收器认可“显性”和“隐性”位的任何组合。
数据长度代码(标准格式以及扩展格式)DLC(datalengthcode),如表3-1所示。
图3-4控制场结构
表3-1数据帧长度代码DLC
数据字节的数目
数据长度代码
DLC3
DLC2
DLC1
DLC0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
d
d
d
d
d
d
d
d
r
d
d
d
d
r
r
r
r
d
d
d
r
r
d
d
r
r
d
d
r
d
r
d
r
d
r
d
d.数据场
数据场为0~8个字节的有效数据,如果需要一次发送的数据大于8个字节,则要用多个数据帧,各数据帧按照一定的顺序进行分组发送,在接收端再重新组合成一个整体的信息数据。
e.CRC场
CRC场包括15位的CRC序列和一位CRC定界符。
f.应答场
应答场是两个位时间的长度,包括一个应答间隙和一个应答定界符。
g.帧结束
每一个数据帧和远程帧均由一标志序列界定,这个标志序列由7个“1”组成。
3.2.2CAN通信协议的实现
CAN通信协议的实现由CAN控制器完成。
下面介绍一种应用最为广泛的独立CAN控制器SJA1000。
CAN控制器SJA1000的结构如图3-5所示,主控制器上的8位的数据被传送到SJA1000之后,SJA1000将数据打包,形成符合CAN通信协议的数据结构,通过收发器传送到CAN总线上,发送到其他智能节点。
接收的节点再以相反的方式,将接收到的CAN数据帧转换为8位二进制数,传给单片机,从而实现了智能节点之间的有效通信。
有CAN总线协议的支持,智能节点之间就可以实现最快1000kbps,最远10km的通信。
图3-5 SJA1000的结构图
SJA1000的重要寄存器设置
SJA1000的两个工作模式(Basic和Peli)所使用的寄存器数目不同,功能也不尽相同。
BasicCAN有从0-31共32个寄存器可用,PeliCAN有从0-127共128个寄存器可用。
要实现CAN通讯,主要就是配置这些寄存器。
1)控制寄存器(CR)
控制寄存器位于SJA1000寄存器区的0地址,用来设置CAN总线的模式和各种中断。
在硬启动或总线状态位设置为1(总线关闭)时,复位请求位被置为1.在外部复位期间,微控制器不能把复位请求位置为0。
如果要把复位请求位置为0,微控制器必须先检查这一位,以确定外部复位引脚不为低电平。
复位请求位被设为0后,SJA1000将会等待:
1个总线空闲信号(11个弱势位),如果前一次复位请求是硬件复位或CPU初始复位;等待128个总线空闲,如果前一次复位请求是CAN控制器在重新进入总线开启模式前初始化总线造成的。
2)命令寄存器(CMR)
命令寄存器对微控制来说是只写存储器。
在复位模式和工作模式下都可对此寄存器进行访问,但是读这个地址返回值是“11111111”。
将睡眠模式位置为1,SJA1000进入睡眠模式,此时没有总线活动,没有中断等待。
CMR.3位是用来清除由数据溢出状态位指出的数据溢出。
如果数据溢出位被置位,就不会产生数据溢出中断了。
在释放接收缓冲器命令的同时,可以发出清除数据溢出命令。
读接收缓冲器之后,微控制器可以通过设置释放接收缓冲器为1,来释放接收队列当前信息的内存空间。
3)状态寄存器(SR)
状态寄存器对微控制器来说是只读存储器,当传输错误计数器超过限制(255)(总线状态位置1,即总线关闭),CAN控制器就会将复位请求位置1,在错误中断允许的情况下,会产生一个错误中断。
这种状态会持续到CPU清除复位请求位。
对于错误状态位,当至少有一个错误计数器满或超出CPU警告限制(96)时,错误状态位被置位。
在中断使能的情况下,会产生错误中断。
4)中断寄存器(IR)
通过中断寄存器可识别中断源。
当寄存器的1位或多位被置位时,INT(低电平有效)引脚被激活。
寄存器被微控制器读过之后,所有会导致INT引脚上的电平变化的位被复位。
中断寄存器对微控制而言是只读存储器。
中断寄存器各位的功能说明如表4所列。
5)验收代码寄存器(ACR)
表3-2ACR的位分配CAN地址4
BIT7
BIT6
BIT5
BIT4
BIT3
BIT2
BIT1
BIT0
AC.7
AC.6
AC.5
AC.4
AC.3
AC.2
AC.1
AC.0
验收代码位AC.7-AC.0和信息识别码的高8位ID.10-ID.3相等且与验收屏蔽位AM.7-AM.0的相应位相或为1,即如果满足以下方程的描述则被接收。
[IDxnorACR]or(AMR)=1 (3-1)
6)验收屏蔽寄存器(AMR)
表3-3AMR位配置CAN地址5
BIT7
BIT6
BIT5
BIT4
BIT3
BIT2
BIT1
BIT0
AM.7
AM.6
AM.5
AM.4
AM.3
AM.2
AM.1
AM.0
7)总线定时寄存器0(BTR0)
总线定时寄存器0定义了波特率预设值BRP和同步跳转宽度SJW的值复位模式有效时这个寄存器是可以被访问读/写的。
如果选择的是PeliCAN模式此寄存器在工作模式中是只读的在BasicCAN模式中总是FFH
表3-4总线定时寄存器0BTR0的位功能说明CAN地址6
BIT7
BIT6
BIT5
BIT4
BIT3
BIT2
BIT1
BIT0
SJW.1
SJW.0
BRP.5
BRP.4
BRP.3
BRP.2
BRP.1
BRP.0
波特率预设值BRP
CAN系统时钟tSCL周期是可编程的而且决定了相应的位时序CAN系统时钟,由如下公式计算。
tSCL=2tCLK(32BRP.5+16BRP.4+8BRP.3+4BRP.2+2BRP.1+BRP.0+1) (3-2)
这里tCLK等于晶振的频率周期1/fXTAL。
同步跳转宽度(SJW)
为了补偿在不同总线控制器的时钟振荡器之间的相位偏移任何总线控制器必须在当前传送的相关信号边沿重新同步跳转宽度定义了每一位周期可以被重新同步缩短或延长的时钟周期的最大数目
tSJW=tSCL(2SJW.1+SJW.0+1) (3-3)
8)总线定时寄存器BTR1
总线定时寄存器1定义了每个位周期的长度采样点的位置和在每个采样点的采样数目。
在复位模式中这个寄存器可以被读/写访问在PeliCAN模式的工作模式中这个寄存器是只读的在BasicCAN模式中总是FFH
表3-5总线定时寄存器1BTR1的各位功能说明CAN地址7
BIT7
BIT6
BIT5
BIT4
BIT3
BIT2
BIT1
BIT0
SAM
TSEG2.2
TSEG2.1
TSEG2.0
TSEG1.3
TSEG1.2
TSEG1.1
TSEG1.0
SAM=1三倍;总线采样三次;建议在低/中速总线(A和B级)上使用,这对过滤总线上的毛刺波是有益的
SAM=0单倍;总线采样一次;建议使用在高速总线上(SAEC级)
时间段1TSEG1和时间段2TSEG2决定了每一位的时钟数目和采样点的位置这里
tSYNCSEG=1tSCL (3-4)
tTSEG1=tSCL(8TSEG1.3+4TSEG1.2+2TSEG1.1+TSEG1.0+1) (3-5)
tTSEG2=tSCL(4TSEG2.2+2TSEG2.1+TSEG2.1+1) (3-6)
TBIT=Tsync+tSEG1+TSEG2 (3-7)
波特率=1/TBIT (3-8)
设置好BTR0和BTR1参数后,实际传输的有效波特率范围为:
最大波特率=1/(tBIT-tSJW) ,最小波特率=1(tBIT+tSJW)
3.2.3CAN通信电路设计
图3-6CAN通信电路设计
如图所示,电路主要有四部分组成:
主控制器89C51单片机、独立CAN控制器SJA1000、高速光耦6N137、CAN总线驱动器82C250。
SJA1000的AD0~AD7与单片机的P0口相连,RD、WR分别于单片机的对应引脚相连,为增强CAN节点的抗干扰能力,SJA1000的TX0和RX0引脚不直接连接CAN总线驱动器82C250的TXD与RXD,而是通过高速光耦连接,这样就很好的实现了电气隔离。
82C250与CAN总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施,82C250的CANH和CANL引脚各自通过一个5Ω的电阻与CAN总线相连,电阻的限流作用可以保护82C250免受过流冲击。
CANH和CANL与地之间并联了两个30pF的电容可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。
另外在两CAN总线输入端与地之间分别接一个防雷击管,当两输入端与地之间出现瞬变干扰时,通过二极管放电可以起到一定的保护作用。
82C250上的Rs脚上皆有一个斜率电阻。
其取值一般在16~140KΩ之间。
表3-6RS选择的三种工作方式:
条件
方式
Rs上的电压或电流
VRS>0.75Vcc
10μA<-IRS<200μA
VRS<0.3VCC
待机方式
斜率方式
高速方式
IRS<10μA
0.4VCC -IRS<500μA 在高速工作方式下,发送器输出晶体管简单地以尽可能快的速度启闭。 在这种方式下,不采取任何措施限制上升和下降斜率。 建议使用屏蔽电缆以避免射频干扰问题。 通过将引脚8接地,可选择高速方式。 对于较低速度或较短总线长度,可用非屏蔽双绞线或平行线作总线。 为降低射频干扰,应限制上升和下降斜率。 上升和下降斜率可通过由引脚8至地连接的电阻进行控制。 斜率正比于引脚8上的电流输出。 若引脚8加有高电平,则电路进入低电流待机方式。 在这种方式下,发送器被关掉,而接收器转至低电流。 由于在待机方式下,接收器是慢速的,因此,第一个报文将被丢失。 为了提高网络节点的拓扑能力,CAN总线两端需要接有抑制反射的终端电阻,它对匹配总线阻抗起着非常重要的作用,如果忽略此电阻,会使数字通信的抗干扰性和可靠性大大降低,甚至无法通信.。 终端电阻是为了消除在通信电缆中的信号反射在通信过程中,有两种信号因导致信号反射: 阻抗不连续和阻抗不匹配。 终端电阻的大小由CAN节点的多少和距离决定,最小值为118Ω,本次设计节点少且距离短,可以取120Ω。 4数据采集显示控制系统设计 4.1温度采集显示系统设计 常用的温度传感器有: 热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)、IC温度传感器、声学温度传感器、红外传感器和微波传感器等。 从成本、量程等方面考虑,最终选择热电阻传感器。 金属热电阻的感温元件有石英套管十字骨架结构,麻花骨架结构得杆式结构等。 金属热电阻常用的感温材料种类较多,最常用的是铂丝。 工业测量用金属热电阻材料除铂丝外,还有铜、镍、铁、铁-镍、钨、银等。 Pt100就是最常用的热电阻传感器之一。 PT100的量程为-200~650℃,0℃时其电阻值为100欧姆。 温度测量方案 PT100的电阻值随温度的变化而变化,温度为-200℃时,电阻为18.5Ω,温度为0℃时,电阻为100Ω,温度为650℃时,电阻为332.79Ω。 其阻值与温度之间的关系是非线性关系,具体对应关系见PT100的分度表。 阻值大小能体现温度高低,测量温度的实质就是测量PT100的电阻值。 温度采集显示系统框图 图4-1温度采集显示系统框图 4.1.1温度测量方案 常用的电阻测量的方法一般有两种,即电桥法和利用恒流源测电阻的方法。 如图4-2所示,PT100的电阻值变化导致输出电压Uo的变化,测量U
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 毕业设计 说明书