畢業(yè)設計（論文）-基于CAN總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計（含電路圖）

1、山東交通學院2021屆畢業(yè)生畢業(yè)論文設計題目:基于CAN總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計外文翻譯，開題報告，總電路圖，聯(lián)系QQ153893706系 別 工程機械系 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化班 級 機械074 學 號 姓 名 指導教師 二一一 年 六 月摘 要對PICl8F458單片機以及其集成的CAN控制器進行了探究，并以它為處理器進行硬件、軟件設計，使CAN總線的通訊更加直觀。本系統(tǒng)所設計的信息采集系統(tǒng)，結構簡單，體積小，可靠性與穩(wěn)定性高，而且使用方便、應用靈活，實現(xiàn)了以最少的本錢出色完成任務的目的，大大地加速了其應用領域智能化、科學化與標準化的進程。介紹了路面加速加載試驗設備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和CAN

2、總線通信的實現(xiàn)過程。該控制系統(tǒng)自動化程度高、人機界面友好、穩(wěn)定性好，可以在線檢測工作溫度、環(huán)境溫度、壓力等參數(shù)，并能夠實時顯示。運行結果說明，系統(tǒng)安裝、維護方便、操作簡單，測量精度高，運行可靠。CAN控制局域網(wǎng)因其卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設計受到工業(yè)界的廣泛重視，并被認為是最有前途的現(xiàn)場總線之一。研究了CAN協(xié)議在所選內嵌CAN總線控制器的PICl8F458微處理器上的具體實現(xiàn)，設計出一點對三點的CAN總線的雙向通訊系統(tǒng)。關鍵詞：加速加載，數(shù)據(jù)采集，CAN總線AbstractWe make a design after studying deeply on MCUPIC18F458 w

3、hich integral CAN controllerThis system has many meritsThe system of smart instruments has simple structure，small size，high reliability and stabilityBesides, its easy to use，flexible application, lower cost, multifunction and it uses plenty limited space in smart instrumentsAll of these enhance the

4、smart instrumentsadvantages on market competition and greatly accelerate its application intelligent, scientific and standardized process.Focusing on self-developed highway accelerated loading testing facility, the data acquisition system and the communicating process of smart instruments with the C

5、AN bus are introduced in details. The system has the advantage of automation, friendly human-computer interface, and steady performance. It can measure the parameter of temperature, pressure in real time. The related parameter can be displayed on time. The experimental operation show that the system

6、 is characterized by easy fixing and maintaining, convenient operating, highly accurate measure, and reliable operation.CAN bus is known as one of the most famous field bus because its excellent characteristics High reliability and special designIt applies the CAN protocol to MCU(PICl8F458)which is

7、with the CAN module and design a bidirectional communication system which is from one node to three nodes.Key words: Accelerated loading, data acquisition, CAN bus目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc295082517 前 言 PAGEREF _Toc295082517 h 1 HYPERLINK l _Toc295082518 1 緒論 PAGEREF _Toc295082518 h 2 HYPE

8、RLINK l _Toc295082519 路面加速加載設備國內外開展概況 PAGEREF _Toc295082519 h 2 HYPERLINK l _Toc295082520 1.2 現(xiàn)場總線 PAGEREF _Toc295082520 h 4 HYPERLINK l _Toc295082521 基金會現(xiàn)場總線FF PAGEREF _Toc295082521 h 4 HYPERLINK l _Toc295082522 1.2.2 LonWorks PAGEREF _Toc295082522 h 4 HYPERLINK l _Toc295082523 1.2.3 PROFIBUS PAGER

9、EF _Toc295082523 h 4 HYPERLINK l _Toc295082524 1.2.4 HART PAGEREF _Toc295082524 h 4 HYPERLINK l _Toc295082525 1.2.5 CAN(Control Area Network) PAGEREF _Toc295082525 h 5 HYPERLINK l _Toc295082526 本文完成主要工作 PAGEREF _Toc295082526 h 5 HYPERLINK l _Toc295082527 1.4 研究意義 PAGEREF _Toc295082527 h 6 HYPERLINK

10、l _Toc295082528 2 基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計 PAGEREF _Toc295082528 h 7 HYPERLINK l _Toc295082529 2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體硬件電路設計 PAGEREF _Toc295082529 h 7 HYPERLINK l _Toc295082530 主要器件介紹 PAGEREF _Toc295082530 h 9 HYPERLINK l _Toc295082531 2.2.1 CAN控制器PCA82C250簡介 PAGEREF _Toc295082531 h 9 HYPERLINK l _Toc295082532 2.2.2

11、 PIC18F458單片機的特點 PAGEREF _Toc295082532 h 10 HYPERLINK l _Toc295082533 2.2.3 I/O端口模塊 PAGEREF _Toc295082533 h 12 HYPERLINK l _Toc295082534 2.2.4 定時器TMR0模塊 PAGEREF _Toc295082534 h 12 HYPERLINK l _Toc295082535 2.2.5 A/D轉換器模塊 PAGEREF _Toc295082535 h 13 HYPERLINK l _Toc295082536 2.2.6 CAN控制器模塊 PAGEREF _To

12、c295082536 h 13 HYPERLINK l _Toc295082537 2.3 數(shù)據(jù)采集 PAGEREF _Toc295082537 h 15 HYPERLINK l _Toc295082538 2.3.1 溫度數(shù)據(jù)的采集 PAGEREF _Toc295082538 h 15 HYPERLINK l _Toc295082539 2.3.2 壓力數(shù)據(jù)的采集 PAGEREF _Toc295082539 h 17 HYPERLINK l _Toc295082540 2.4 數(shù)據(jù)的顯示輸出 PAGEREF _Toc295082540 h 18 HYPERLINK l _Toc2950825

13、41 2.5 CAN通訊硬件電路設計 PAGEREF _Toc295082541 h 19 HYPERLINK l _Toc295082542 2.5.l 硬件系統(tǒng)組成原理及通信過程 PAGEREF _Toc295082542 h 19 HYPERLINK l _Toc295082543 2.5.2 CAN總線通信接口電路 PAGEREF _Toc295082543 h 20 HYPERLINK l _Toc295082544 2.6 硬件抗干擾措施 PAGEREF _Toc295082544 h 22 HYPERLINK l _Toc295082545 3 基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設

14、計 PAGEREF _Toc295082545 h 24 HYPERLINK l _Toc295082546 3.1 主節(jié)點數(shù)據(jù)顯示程序設計 PAGEREF _Toc295082546 h 24 HYPERLINK l _Toc295082547 3.2 從節(jié)點數(shù)據(jù)采集程序設計 PAGEREF _Toc295082547 h 25 HYPERLINK l _Toc295082548 3.2.1 模數(shù)轉換簡介 PAGEREF _Toc295082548 h 25 HYPERLINK l _Toc295082549 3.2.2 PIC18F458單片機ADC模塊 PAGEREF _Toc29508

15、2549 h 25 HYPERLINK l _Toc295082550 3.2.3 A/D轉換初始化子程序 PAGEREF _Toc295082550 h 27 HYPERLINK l _Toc295082551 3.2.4 從節(jié)點數(shù)據(jù)采集程序 PAGEREF _Toc295082551 h 27 HYPERLINK l _Toc295082552 3.3 主從節(jié)點CAN通訊軟件設計 PAGEREF _Toc295082552 h 28 HYPERLINK l _Toc295082553 3.3.1 CAN節(jié)點的初始化 PAGEREF _Toc295082553 h 29 HYPERLINK

16、l _Toc295082554 3.3.2 CAN節(jié)點信息的發(fā)送 PAGEREF _Toc295082554 h 29 HYPERLINK l _Toc295082555 3.3.3 CAN節(jié)點信息的接收 PAGEREF _Toc295082555 h 30 HYPERLINK l _Toc295082556 結 論 PAGEREF _Toc295082556 h 32 HYPERLINK l _Toc295082557 致 謝 PAGEREF _Toc295082557 h 33 HYPERLINK l _Toc295082558 參考文獻 PAGEREF _Toc295082558 h 3

17、4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。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。試驗還能根據(jù)表征路面結構使用性能指標的檢測。在較短的時間內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。為了降低施工和維護本錢，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、道路的生命周期等。采用路面加速加載設備通過對所試驗路段真實模擬路面上的運動狀態(tài)，在較短時間內加速道路損壞，找

18、出路面結構使用性能指標的變化規(guī)律，分析道路生命周期內的破壞機理，得出對路面結構長期使用性能的評價，從而為道路的設計、施工、養(yǎng)護、驗收以及新技術、新材料的應用提供依據(jù)。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。本文主要研究路面加速加載設備對試驗路面溫度信號、壓力信號并對采集數(shù)據(jù)進行處理、分析、輸出顯示。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PCA82C25

19、0，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、標準的通信協(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)。1 緒論國內外開展概況從五十年代起，經濟的快速開展促進了大多數(shù)工業(yè)國家交通運輸業(yè)的開展，表現(xiàn)在交通運輸車輛數(shù)量和載重量的持續(xù)快速增長，這樣，一方面導致新建和改建道路數(shù)量的增加，另一方面需要加強對現(xiàn)有路網(wǎng)的養(yǎng)護來滿足交通量增長的需求。原有的按照傳統(tǒng)設計方法，以及經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

20、壓的要求。由于利用野外長期路面觀測的方法來評價現(xiàn)有路面不具有普遍的適用性，數(shù)據(jù)采集不僅受時間的限制，而且受制于觀測路段通行交通量的多少和通行荷載的大小。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。1909年美國底特律的筑路材料測定儀(Ray 1964)和 1912年英國的鋼輪與橡膠輪加載設備可算是最初的環(huán)型軌道試驗的雛形。于1919年開始到1951年結束的美國WASHO試驗路使加速加載試驗到達了頂峰，WASHO試驗在統(tǒng)計分析標準確實定和對路面結構與載荷的認識方面做出了重要奉獻。19581960年進行的AASHO道路試驗是在專門修建的試驗路上，使用卡車對大量的不同路面結構進行加載，建

21、立了路面設計參數(shù)、軸載及軸載組合與重復荷載次數(shù)的關系，總結提出了路面性能評價指標即路面效勞能力指數(shù)(PSI)和當量標準軸載(ESAL)的概念，這兩個參數(shù)至今仍被世界各國公路設計者采用。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局部為室內靜載加載裝置和動載環(huán)道試驗設備。七十年代開發(fā)的主要設備為環(huán)道試驗設備和直線式加載裝置。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1.1所示。它將室內同定式的加載設備改良成野外可移動的，并能在足尺路面結構上施加實際汽車輪載的加載設備，

22、成為加速加載試驗一個新的代表。 圖1.1 ALFFig.1.1 ALF縱觀加速加載設備的開展史，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。公路路面加速加載試驗設備由20世紀80年代開始在澳大利亞和新西蘭投入應用。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。

23、國內外有許多單位都對路面加速加載實驗設備進行了研究和探索。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。而作為商品的設備世界范圍內只有少數(shù)國家生產，如南非、美國、澳大利亞。圖1.2 脈沖式路面加速加載設備Fig.1.2 Pulse surface acceleration of loading equipment我國在1990年從國外購置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。由于進口設備價格昂貴，供貨周期長等原因，至今全國共購置四臺類似設備，分別為1990

24、年交通部公路科學研究所購置的ALF型 HYPERLINK :/ sinohighway /Detail.Asp?id=15 t _blank 路面加速加載試驗設備；遼寧省交通科學研究院2021年購置的MLS66型路面加速加載試驗系統(tǒng)；同濟大學2021年購置的MLS型路面加速加載試驗系統(tǒng)；長安大學2021年購置的路面加速加載試驗系統(tǒng)HVS，其中局部還在安裝調試過程中。近幾年，隨著世界經濟的迅速開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。 現(xiàn)場總線現(xiàn)場總線開展至今，世界上約有40多種。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

25、其支持公司或者組織多年產品技術研發(fā)成果積累的根底上產生的，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。1.2.1基金會現(xiàn)場總線FFFF是現(xiàn)場總線基金會的縮寫，現(xiàn)場總線基金會是國際公認的、唯一不屬于某企業(yè)的、非商業(yè)化的國際標準化組織。其宗旨是制定單一的國際現(xiàn)場總線標準。FF協(xié)議的前身是以美國Fisher-roserount 公司為首，聯(lián)合ABB等80家公司制定的TSP協(xié)議，和以Honeywell公司為首、聯(lián)合歐洲等地的150家公司制定的WorldFIP協(xié)議，追于用戶的壓力，支持ISO和WorldFIP的兩大集團于1994年9月握手言和，成立了現(xiàn)場總線基金會FF。FF以ISO/OSI參

26、考模型為根底，取其物理層、鏈路層和應用層為FF通信模型的相應層次，并在此根底上增加了用戶層?；饡F(xiàn)場總線分為低速現(xiàn)場總線和高速現(xiàn)場總線兩種通信速率。低速現(xiàn)場總線HI的傳輸速率為31.25Kbps，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平安特性。最大通信距離為1900米(如果加中繼器可延長至9500米)，最多可直接連接32個節(jié)點(非總線供電)，13個節(jié)點(總線供電)，6個節(jié)點(本質平安要求)，如果加中繼器最多可連接240個節(jié)點，通信介質為雙絞線、光纜等。1.2.2 LonWorksLonWorks：是局部操作網(wǎng)絡的縮寫。它是由美國Echelon公司推出并由它和摩托

27、羅拉，東芝公司共同倡導，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型的全部7層通信協(xié)議，采用了面向對象的設計方法，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15Mbps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，并開發(fā)了相應的本質平安防爆產品，被譽為通信控制網(wǎng)絡。1.2.3 PROFIBUSPROFIBUS是德國國家標準DIN9245和歐洲標準EN50170的現(xiàn)場總線，PROFIBUSFMS和PROFIBUSPA組成了PROFLBUS系列。DP型用于分散外設問的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合于

28、加工自動化領域的應用。FMS意為現(xiàn)場信息標準，適用于紡織，樓宇自動化，可編程控制器，低壓開關等。而PA性那么是用于過程自動化的總線類型，它遵從IECll58-2標準。1.2.4 HARTHART是Highway Addressable Remote Transducer的縮寫。最早由Rosemount公司開發(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。這種被稱為可尋址遠程傳感器高速通道的開放通信協(xié)議，其特點是在現(xiàn)有模擬信號傳輸線上實現(xiàn)數(shù)字通信，屬于模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉變過程的過渡性產品，因而在當前的過渡時期具有較強的市場競爭力，得到了較快的開展。1.2.5 CAN(C

29、ontrol Area Network)20世紀80年代，由于歐洲汽車開展工業(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。比方：發(fā)動機管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備電子主干系統(tǒng)中均嵌入CAN控制裝置。Bosch公司于1986年正式公布了這一總線，其標準現(xiàn)已被國際標準化組織(ISO)制定為國際標準。很快得到了Motorola、Intel、Philips、SIEMENS、NEC等公司的支持，廣泛應用在離散控制領域。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)。目前，

30、一些在世界上舉足重輕的汽車制造商都在積極的將CAN總線用在新型汽車上，如奔馳、寶馬、保時捷、勞斯來斯和美洲豹等都已開始采用CAN總線來實現(xiàn)汽車內部控制系統(tǒng)與各見著和執(zhí)行結構間的數(shù)據(jù)通信。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。其應用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè)，而擴展到了過程工業(yè)，機械工業(yè)，紡織工業(yè)，農用機械，機器人，數(shù)控機床，醫(yī)療器械，家用電器及傳感器、建筑、環(huán)境控制等領域開展。如SIEMENS公司生產的CT斷層掃描儀采用了CAN總線，改善了設備的性能。CAN已經成為全球范圍內最主要的總線之一，甚至領導著串行總線的開展。在1999年，有近6000萬個CAN控制器投入

31、應用；2000年，市場銷售了超過l億個CAN器件。在各種總線的應用中，因具有卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設計而受到工業(yè)界的廣泛重視，CAN總線一直處于浪尖，并已被公認為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。完成主要工作目前，已經被許多大公司采用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)療器械等領域開展。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、標準的通信協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與

32、信息輸出，直接顯示所需的試驗數(shù)據(jù)。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。此外，路面加速加載設備采用目前較為流行的CAN總線接口來實現(xiàn)通訊功能，使得顯示系統(tǒng)的抗干擾能力得到提高。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公司的CAN控制器PCA82C250連接CAN總線。研究的內容包括路面加速加載設備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路設計，軟件設計，并能實時地顯示采集的數(shù)據(jù)。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PIC1

33、8F458單片機的片上ADC模塊采集LM35輸出的電壓值。2對路面加速加載設備對路面所加壓力的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計利用PIC18F458單片機的片上ADC模塊采集NS-W型壓力傳送器的電壓值。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。1.4 研究意義隨著世界經濟的迅速開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。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。試驗還能根據(jù)表征路面結

34、構使用性能指標進行檢測。在較短的時間內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。各國對路面的檢測、評價已逐步形成了自己的體系和制度。國內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。據(jù)了解，價格都很高，每臺設備都花費高昂。如果能夠自行開發(fā)研制成功該設備，將會節(jié)省大量的經費，滿足國內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。同時，這也會提高我國在這一研究領域的知名度?，F(xiàn)在此類設備在國內尚無自主產權的產品，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擬嚴重的技術缺陷。所以，本研究在形成具有競爭

35、力的產品方面具有重大意義。因此，現(xiàn)在國內外對道路加速加載設備的研制無論從經濟方面還是其他附帶的社會效益方面都十分必要。2 基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體硬件電路設計本文所述系統(tǒng)是一個典型的CAN總線在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用，針對CAN總線在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用進行了多方面的研究，除利用PICl8F458構成CAN總線的測控系統(tǒng)外，對PIC單片機的串、并聯(lián)通訊，LED顯示等方用都進行了成功的實踐，完成了實際硬件電路的設計、軟件編程和CAN總線在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應用?？偟碾娐房驁D如下圖：采集工作環(huán)境溫度CAN 總 線采集路面溫度采集液壓缸壓力主節(jié)點溫度傳感器LM35壓力

36、傳感器NS-W型傳送器顯示路面溫度顯示工作環(huán)境溫度顯示液壓缸壓力溫度傳感器LM35總的電路框圖Fig.2.1 The overall circuit diagram其總電路圖如圖2.2所示： 如圖2.2 總電路圖Fig.2.2 The overall circuit diagram把內嵌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、科學化與標準化的進程。所采用的PIC18F458單片機是美國微芯公司推出得高檔產品，采用16位的類RISC指令系統(tǒng)，指令周期短，處理

37、能力強，運算能力高，內部集成的可尋址的通用同步/異步收發(fā)器(USART)模塊和CAN控制模塊等，可以不用外擴存儲器就能很好地完成大量工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)通訊，滿足CAN總線通信協(xié)議的要求。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。使其各自具有數(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)采集系統(tǒng)連接成網(wǎng)絡系統(tǒng)，按照公開，標準的通信協(xié)議，在位于現(xiàn)場的多個微機化測量控制設備間以及現(xiàn)場節(jié)點之間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成適應于路面加速加載設備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，本設計采用PICl8F45

38、8單片機進行信號的采集、處理和CAN總線通信，采用有8個D鎖存器組成的集成芯片74LS373使數(shù)碼管顯示測量結果進行了成功地實踐。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。系統(tǒng)工作原理為：由節(jié)點一、節(jié)點二、節(jié)點三把所需的數(shù)據(jù)采集通過CAN總線通信傳送給主節(jié)點并顯示輸出。具體CAN通迅硬件模塊框圖如下圖：CA

39、N控制器PCA82C250CAN控制器PCA82C250CAN控制器PCA82C250CAN控制器PCA82C250PIC18F458節(jié)點一PIC18F458節(jié)點二PIC18F458節(jié)點三PIC18F458主節(jié)點 CAN BUS圖 系統(tǒng)硬件結構模塊框圖Fig.2.3 System hardware architecture block diagram2.2主要器件介紹.1 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IS0-11898標準。它的工作速率高達1Mb/s，支持1Mb/s的運行速率，滿足ISO-1

40、1898標準物理層要求,是全世界使用最廣泛的CAN控制器。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:-40C+125C。內部結構：1發(fā)送功能CAN線有兩個狀態(tài)：顯性狀態(tài)和隱性狀態(tài)。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。顯性狀態(tài)和隱性狀態(tài)分別對應于TXD輸入引腳的低電平和高電平，但是，一個由別的CAN節(jié)點觸發(fā)的顯性狀態(tài)將會改寫CAN總線上的隱性狀態(tài)。2接收器功能

41、RXD引腳反映的是CANH和CANL之間的差分總線電壓值。RXD輸出引腳的低狀態(tài)和高狀態(tài)分別對應于CAN總線的顯性和隱性狀態(tài)。3內部保護CANH和CANL可以免受CAN總線上電池短路和電氣瞬態(tài)的影響。這一特性可以防止發(fā)送器的輸出級在這樣的錯誤條件下受到破壞。熱關斷電路在結點溫度超過通常的標定值165C的時候使輸出控制器停止工作，這樣就進一步保護器件免受過多負載電流的影響。芯片其他局部仍然保持工作，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。4操作模式RS引腳可選擇三種操作模式：高速、斜率控制、待機。高速模式：高速模式可以通過把RS引腳與VS

42、S相連來實現(xiàn)。在這個模式下，發(fā)送器的輸出驅動具有快速的輸出上升和下降時間，可以滿足高速CAN總線的速率要求。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，也稱為轉換率(slew rate，SR)，受RS和VOL(通常接地)之間的外接電阻(Rext)控制。斜率與RS引腳的輸出電流成正比。由于電流主要取決于斜率控制電阻REXT阻值，所以可以選用不同的阻值來實現(xiàn)不同的轉換率。本設計采用此模式，RS電阻為300。待機模式：如果把RS與高電平相連，器件就被置為待機模式，即休眠模式。.2 PIC18F458單片機的特點PIC18Fxx8單片機是美國微芯公司

43、(Microchip)推出的高檔產品。主要有PICl8F248、PICl8F258、PICl8F448、PICl8F458這四款型號，采用雙列直插和外表封裝等3種封裝形式：PDIP40、PLCC44和QFP44。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單片機片內集成了A/D轉換器，內部EEPROM存儲器、比擬輸出、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口驅動能力強，設計電路

44、簡單可靠。其中單片機PIC18F458片內集成的可尋址的通用同步/異步收發(fā)器(USART)模塊和CAN控制模塊可以方便地實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)通訊功能，具有很好的應用前景，其主要功能包括：1536字節(jié)的RAM；32Kb的FLASH，其中l(wèi)Kb可專用于USB緩沖區(qū)；256字節(jié)EEPROM數(shù)據(jù)存儲器；10位模數(shù)轉換器，精確度高，配備多達13條輸入通道；兩個模擬比擬器；具備16位數(shù)據(jù)捕捉和分辨率的捕捉/比擬/PWM模塊；增強型捕捉，比擬/PWM模塊，有死區(qū)控制和故障保護輸入；4個定時器(3個16位，1個8位)；可編程欠壓復位及低電壓檢測電路；增強型在線調試功能，最多可參加三個硬件斷點。本文用到的是PDI

45、P40封裝形式，如下圖：圖 PDIP封裝的PIC18F458的引腳圖Fig.2.4 PIC18F458 pin PDIP package diagram1各主要引腳功能如下：電源和接地引腳OSC1/CLKIN：為晶體振蕩器輸入/外部時鐘源輸入引腳；OSC1/CLKOUT：晶體振蕩器輸出/外部時鐘源輸出引腳。在晶體振蕩器方式下，接晶體或陶瓷振蕩器，在RC振蕩器方式，輸出l/4fose。時鐘復位引腳引腳號1為人工復位輸入(低電平有效)。I/O輸入輸出引腳RARE均為輸入輸出可編程雙向端口，大局部有第二功能，少數(shù)有第三功能。2內部結構和功能特點高達2MB的程序存儲器；高達4KB的數(shù)據(jù)存儲器；運行速度

46、：DC-40MHz時鐘輸入，DC-200ns指令周期；16位寬指令，8位寬數(shù)據(jù)通道；具有高性能RISC CPU。(3)各模塊特性Timer0：帶有預分頻器的16位定時器/計數(shù)器；Timerl：帶有預分頻器的16位定時器/計數(shù)器，使用外部晶體振蕩時鐘時，在sleep期間仍能工作；Timer2：帶有8位周期存放器，預分頻器和后分頻器的8位定時器/計數(shù)器；10位8信道模/數(shù)轉換模塊；符合國際標準ISOCAN，高達1兆的通信速率。(4)特殊的單片機特性8級深度的硬件堆棧；上電復位(P0R)；上電定時器(PWRT)和振蕩啟動定時器(OST)；看門狗定時器(WDT)，它帶有片內可靠運行的RC振蕩器； 可選

47、擇的振蕩器；低功耗，高速FLASH/EEPROM工藝；在線串行編程(ICSP)；單獨5V的內部電路串行編程能力；5.5V。.3 I/O端口模塊根據(jù)設計要求和現(xiàn)有的條件選用PIC系列單片機的中16位RISC指令集，F(xiàn)LASH程序存儲器的高級產品PICl8F458。由于PIC系列微控制器具有高度的兼容特性，所以PIC18F458具有高級系列微控制器的一切特性。由于該芯片內含32Kb自編程增強型閃存、10位A/D轉換模塊、內部EEPROM存儲器、比擬輸出、捕捉輸入、PWM輸出、定時/計數(shù)器、主同步串行端口、可尋址的通用同步，異步收發(fā)器、FLASH程序存儲器讀寫等許多功能，因此能夠滿足需求，能實現(xiàn)路面

48、加速加載設備系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集所需的各種功能。RARE是5組通用的I/O端口，其中多數(shù)管腳有第二甚至第三功能，這些多功能的外圍端口是PIC單片機實現(xiàn)強大的處理功能的重要根底和保證。本設計主要用到RB2(CANTX)、RB3(CANRX)作為CAN總線的發(fā)送和接收端，RA0作為模擬信號輸入端，RC0RC7、RD0RD7作為并行輸出端，RA1RA3、RB4RA7作為片選輸出端。.4 定時器TMR0模塊TMR0、TMR1、TMR2、TMR3是四個8位或16位定時(計數(shù))器，本系統(tǒng)的設計中用到的TMR0作為16位寬的定時器，用作延時用。具體分析：相同點：它們的核心局部都是一個由時鐘觸發(fā)的、按規(guī)律遞增工作的規(guī)

49、律循環(huán)計數(shù)器；都是從預先設定的某一初始值開始計起，累加到最大值時產生溢出，同時會建立一個相應的溢出標志即中斷溢出標志位，編程方法也大同小異。不同點：TMR0是8位寬，有一個可選的預分頻器，用于通用目的：TMR1是16位寬，附帶一個可編程的預分頻器，還附帶一個可選的低頻時基振蕩器，適合與CCP模塊配合使用來實現(xiàn)輸入捕捉或輸出比擬功能；TMR2為8位寬，同時附帶一個可編程的預分頻器和一個可編程的后分頻器，還附帶一個周期存放器和比擬器，適合于CCP模塊配合使用來實現(xiàn)PWM脈沖寬度調制信號的產生。在編寫定時器程序時，有對應的兩種方式：一種方式是使用查詢方式，讓CPU定時TMR0存放器存放器的溢出標志位

50、，根據(jù)其狀態(tài)做出不同的響應。如果溢出標志被置位那么代表定時時間到，相反那么表示定時時間未到。在程序中可以根據(jù)這個標志做出不同的響應。另一種方式是使用中斷。當定時到達后中斷標志被置位，產生中斷，系統(tǒng)進入中斷響應。在定時結束后的響應寫到中斷在程序中，即可完成特定的功能。2.2.5 A/D轉換器PICl8F458具有12個通道10位分辨率的模數(shù)轉換器，其作用是將外部的各種模擬物理量變換為便于單片機內部處理的數(shù)字量。本設計用到一個模數(shù)轉換器。模擬輸入采集是任何數(shù)字系統(tǒng)必不可少的組成局部，是對模擬信號進行數(shù)字信號處理的第一步，其采集精度直接影響到系統(tǒng)的精度。ADC和DAC這樣的模擬接口類器件常常是以獨立

51、形態(tài)出現(xiàn)的，隨著這類器件生成技術的不斷進步，越來越多的單片機生產廠家把這項功能集成到了單片機的內部。這類技術的廣泛應用適應了單片機朝著普及化、專業(yè)化、系統(tǒng)化的開展潮流。ADC模塊的操作中占用的時間主要包括兩個局部：采樣/保持電容的充電時間和A/D轉換電路的轉換時間。在模擬輸入通道被選中和切換之后，必須在進行轉換之前保存一段足夠的時間完成采樣。為了使ADC滿足一定的精度要求，就必須讓采樣電路中的電荷保持電容有足夠的充電時間，使其近似到達被采樣的信號源電壓值。對于使用ADC模塊有以下考前須知：1參考基準電壓VREF對于采樣時間沒有任何影響；2在每次轉換完畢之后，電荷保持電容并沒有放電；3信號源的最

52、大阻抗建議不超過10K，以便滿足由引腳上的漏電流引起的最大誤差不會超過所允許的范圍；4在轉換完成之后，下一次采樣重新開始之前，必須參加2TAD的等待時間。2.2.6 CAN控制器模塊PICl8F458的CAN模塊是本設計使用的最重要的模塊，它用來存儲和轉發(fā)CAN總線之間的數(shù)據(jù)，完成點對多CAN模塊之間的高速通信。PIC18系列單片機中，有些型號包括有CAN總線功能模塊，如PIC18F248、258、448等。這些型號的CAN控制模塊具有如下特點：1支持、CAN和協(xié)議；2標準和擴展的數(shù)據(jù)幀；3數(shù)據(jù)長度從08字節(jié)；4可編程位速率達每秒1兆位；5支持遠程幀；6帶有2個優(yōu)先級的接收信息存儲接收緩沖器；

53、76個接收過濾器，其中2個與高優(yōu)先級接收緩沖器相關，另外4個與低優(yōu)先級接收緩沖器相關；82個接收屏蔽器，分別與高、低優(yōu)先級接收緩沖器相關；93個可以指定優(yōu)先級，并具有中等能力的發(fā)送緩沖器；10具有可編程喚醒功能的集成低通過濾器；11支持自測試操作的可編程自檢方式；12當所有CAN接收器及發(fā)送器出現(xiàn)錯誤狀態(tài)時，可以發(fā)出信號以產生中斷；13具有可編程的時鐘源；14按時間發(fā)送和網(wǎng)絡同步的可編程定時器模塊；15低功耗的休眠工作方式。為了支持CAN總線操作，PIC18系列單片機中專門為CAN總線增添了多個存放器：1控制與狀態(tài)存放器；2發(fā)送緩沖存放器；3接收緩沖存放器；4波特率控制存放器；5I/O控制存放

54、器；6中斷狀態(tài)與控制存放器。PIC18系列單片機中，CAN模塊工作方式有初始化方式、正常方式、關閉方式、監(jiān)聽方式、自檢方式和錯誤識別方式6種。除了錯誤識別方式用配置接收緩沖器的RXM位來實現(xiàn)外，其余各種方式都是通過設置CANCON存放器的第5第7位REQOP2：OPMODE0對所選的工作方式作出應答。初始化方式：使用CAN模塊之前必須初始化。在初始化方式下，模塊不能進行發(fā)送和接收，同時，錯誤計數(shù)器被清0，中斷標志保持不變。此時可以訪問在其他方式下受限制的配置存放器。關閉方式：CANCON存放器的REQOP2：REQOP0位配置為001，模擬將進入關閉方式，此時會使模塊的內部時鐘停止，除非模塊被

55、激活，如果模塊被激活，模塊經等待CAN總線上的11個隱性位，檢測總線空閑的條件，然后接受模塊關閉命令。在關閉方式下，模塊同懸掛的中斷將保存，出錯計數(shù)器也將保存原來的值，WAKIE位被置為1，那么無論何時當CAN總線檢測到幀開始SOF時，處理器都會接收一個中斷。另外，當模塊處于關閉方式時，模塊被禁止，輸入/輸出引腳將被用作一般的輸入/輸出功能。正常方式：CANCON存放器的REQOP2：REQOP0=000，模塊進入正常工作方式。此時，模塊被激活，I/O應繳用作CAN總線功能，模塊將發(fā)送和接收CAN總線上的信息。監(jiān)聽方式：監(jiān)聽方式和自檢方式是正常方式的一種特殊情況，它提供了所有接收信息，包括錯誤

56、信息的方法，往往用在系統(tǒng)卡法測試過程中。監(jiān)聽方式也可以用來測試CAN總線的波特率。為此，必須至少有兩個相互聯(lián)系的節(jié)點存在，以便能相互通信。自檢方式：如果激活自檢方式，模塊將不發(fā)送信息到CAN總線，而使把內部的發(fā)送信息界面聯(lián)接到接收信號界面，信息在內部進行發(fā)送和接收。這種方式也可以用在系統(tǒng)的開發(fā)和調試中。錯誤識別方式：CAN模塊能夠被配置為忽略所有錯誤、接收任何信息的方式。錯誤識別方式是通過把RXBnCON存放器的RXM1:RXM0位設置成11來激活的。在這種方式下，包括有效息和無效息的所有信息都被接收并復制到接收緩沖器中。 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集是數(shù)字系統(tǒng)中不可缺少的局部，同時也是單片機系統(tǒng)的重要功

57、能之一。數(shù)字系統(tǒng)只能處理數(shù)字信號，而且輸出的也是數(shù)字信號。在工業(yè)領域中的許多物理量都是連續(xù)變化的模擬量，這些物理量必須通過傳感器將其變換成與之對應的連續(xù)變化的電壓或電流等，再經過模數(shù)轉換才能被數(shù)字系統(tǒng)處理。.1 溫度數(shù)據(jù)的采集本課題所做的數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)中的加速加載設備采集試驗路段路面溫度和設備工作環(huán)境溫度的設計思路根本相同，都是應用目前市場上常用的一種傳感器LM35，選取不同的封裝形式。這種傳感器使用簡單、價格低廉而且性能穩(wěn)定，它直接將溫度值轉換為電壓值輸出。用戶可以根據(jù)需要選擇不同的LM35的封裝形式。本課題選用RO-46金屬封裝和塑料封裝形式，LM35直接將溫度轉換為電壓輸出。硬件電路原

58、理圖如圖：圖溫度采集硬件電路Fig.2.5 Temperature acquisition hardwareLM35的主要技術指標如下：比例因子：10Mv/；精 度：；測量范圍：-55150；工作電壓：430V；非線性度：。在溫度數(shù)據(jù)采集過程中，采集一路PIC18F458單片機上的片上ADC模塊采集LM35輸出的電壓值。這里選用AN0即RA0引腳對輸入模擬信號進行信號采集。由于溫度信號屬于緩變信號，信號的變化慢，因此，PIC單片機的A/D可以滿足采樣率的要求。單片機復位后，每隔一段時間對LM35的電壓輸出端采樣一次, 上電復位電路和時鐘電路如下圖：圖2.6上電復位電路和時鐘電路Fig.2.6

59、Power-on reset circuit and clock circuit.2 壓力數(shù)據(jù)的采集本小節(jié)為路面加速加載設備對試驗路段路面所加壓力數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)，采用NS-W型無腔壓力傳感器如圖2.7所示： 圖 NS-W型無腔壓力傳感器Fig. 2.6 NS-W-type without cavity pressure sensorNS-W型無腔壓力傳感器技術參數(shù)如下：壓力范圍：00.5kPa 10kPa 100kPa 10Mpa 30Mpa 60Mpa；過載能力：2倍；測量介質：對不銹鋼不腐蝕的氣、液體；工作方式：絕壓、表壓、差壓；工作電壓：10VDC(24V)；輸 出：100mV或05V、

60、420mA。 數(shù)據(jù)的顯示輸出本系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示輸出對PIC18F458單片機功能引腳除復位引腳、時鐘引腳外都進行了合理地配置。把RB3、RB2設置為CAN總線接口，將RC、RD各8位的引腳作為數(shù)據(jù)輸出接口與74LS373連接，RA1RA3引腳作為路面加速加載設備對試驗路段路面所加壓力數(shù)據(jù)顯示輸出端RC引腳的片選與74LS373片選引腳相連，RB4RB7引腳作為路面加速加載設備工作環(huán)境溫度和試驗路面溫度數(shù)據(jù)顯示輸出端RD引腳的片選與74LS373片選引腳相連。PIC18F458單片機引腳配置如表所示： Pin Configuration符號引腳說明Vdd Vss11 32 12 31電源 接地OSC