毕业设计（论文）基于can总线的远程数据采集系统下位机部分

基于CAN总线的远程数据采集系统-下位机部分摘 要CAN总线作为一种有效支持分布式控制和实时控制的技术，以其稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强、通讯速率高、维护成本低及其独特的设计越来越受到人们的重视，并被公认为是最有前途的现场总线之一。基于CAN总线的远程数据采集系统分为上位机、CAN总线和下位机三个部分。上位机建立友好的人机交互界面；CAN总线采用总线型拓扑结构，通信电缆采用双绞线；下位机部分是两个传感器节点。本论文重点介绍了下位机传感器节点的设计。首先介绍了系统总体设计方案，然后对温度传感器节点使用的K型热电偶、温度传感器AD590和压力传感器节点使用的MPX53DP做简要介绍，并分析设计放大电路；接着介绍单片机AT89C52及其附属电路，特别对键盘做了重点分析介绍；分析软件算法，使用C51语言编程；最后介绍系统调试。本设计实现了下位机对现场温度信号和压力信号的采集，通过键盘在线更改测量范围、报警值等参数。关键词：CAN总线；数据采集；下位机；AT89C52单片机The Long-distance Data Collection Based on CAN Bus - The Lower ComputerAbstractCAN bus technology, which efficiently supports distributed real-time with a very high level of security, attract attention with a very high level of capability. CAN bus has some advantages such as high level of security, strong anti-interference, high communication speed and low of maintenance cost. It is a particular design, and it is regarded a field-bus with expansibility. The long-distance data collection based on CAN bus is divided into three parts: upper computer and CAN bus and lower computer. The upper computer is established friendly Human-Machine Interface.CAN bus uses bus topology structure, and use UTP cable communications. The lower computer uses two sensor nodes. This papers emphasis is to introduce the design of the lower computer sensor node.This design firstly introduced the system overall project design. It introduced briefly the K-thermocouple which uses temperature sensor node, and the MPX53DP which uses temperature sensor AD590 and pressure sensor node.It analyzed the design enlargement electric circuit. It also introduced AT89C52 MCU and its subsidiary circuit, especially focused on analyzing the keyboard.Then it analyzed software algorithm, and used the C51 language for its programming. It introduced the system debugging finally. This design has realized the lower computer to the scene temperature signal and pressure signal collection; through the keyboard it can change online measurement range and alarms and so on. Key words: CAN bus; data collection; lower computer; AT89C52 MCU目 录摘 要IAbstractII第一章 基于CAN总线的远程数据采集系统总体方案11.1 研究背景11.2 方案的选择1数据采集分析11.2.2 现场总线概述21.2.3 CAN总线3系统设计方案4第二章 温度传感器节点72.1 热电偶及其放大电路72.1.1 热电偶测温原理72.1.2 热电偶的种类及结构形成82.1.3 热电偶的选择及其放大电路92.2 热电偶的冷端温度补偿11热电偶的冷端温度补偿方法112.2.2 AD590及其放大电路12第三章 压力传感器节点15压力传感器及其测温原理153.2 放大电路16第四章 单片机数据处理模块184.1 芯片选择18单片机的选择184.1.2 A/D芯片的选择18看门狗选择18硬件电路连接194.3 显示方式204.4 键盘224.4.1 键盘接口技术224.4.2 键盘设置22看门狗及复位电路24第五章 软件编程265.1 软件编程概述265.2 温度传感器节点软件设计265.3 压力传感器节点软件设计365.4 编程心得42第六章 系统调试44下位机节点调试446.1.1 模拟放大电路调试446.1.2 显示电路调试456.1.3 单片机模块调试456.1.4 键盘调试466.2 综合调试466.3 设计结果47参考文献48附录A 基于CAN总线的远程数据采集系统硬件原理图49附录B 温度传感器节点硬件原理图50附录C 压力传感器节点硬件原理图51附录D 下位机C51程序清单52致 谢93第一章 基于CAN总线的远程数据采集系统总体方案1.1 研究背景随着现代工业技术的发展，特别是计算机、控制、网络通信技术在工业中各个具体行业的广泛应用，促进了计算机、控制、网络通讯技术的发展，同时这些技术又与各个行业中的其它技术融合，促进了各个行业的飞速发展1。自从微处理器问世以来，其微型化、低成本的特点使计算机控制技术深入到工业技术最核心、最基本的环节，并逐步形成了单片机、可编程控制器、工业控制计算机三大主流系列，实现了多层次、全过程的计算机控制。单片机作为内嵌式控制器构成了各种智能测试系统或智能仪表，实现了计算机控制的底层化；可编程控制器作为各种工控机的主控模块，实现了计算机控制的单机化；而以工业控制计算机作为上位机，以单片机、可编程控制器作为下位机的分布式控制系统则实现了计算机控制的网络化。特别是单片机的出现，使计算机控制可以达到元件级，因而出现了越来越多的新型自控元件，甚至出现了集成有单片机的智能元件。计算机控制技术已经成为工业技术中最重要的核心技术2。在工业生产中，数据采集、数据传输、数据处理、数据存储都是保证设备正常运行的关键技术。数据采集是保证设备正常运行的第一步，数据的准确快速采集就显得尤为重要。在数据采集领域，各种数据采集仪器都向智能化、集成化、高精度的方向发展，而且要求数据能传输到远离现场的控制中心，所以有必要设计一种智能化的、集成化的远程数据采集系统。1.2 方案的选择数据采集分析本文设计了一个远程数据采集系统。采集的信号为两个温度信号和两个压力信号，经过微处理器处理后在下位机上显示，并且要把采样信号送到远程上位机的工控机上集中显示。由于传感器输出的信号一般是毫伏电压或毫安电流信号，而工业标准的电压和电流信号是05V和420mV，所以必须把传感器输出的信号放大成05伏的标准电压信号或420mV的标准电流信号，以便信号的传输和做进一步处理。所以本设计使用了模拟放大电路。数据的采集可以选用FPGA、单片机、FPGA与单片机结合的方法来实现，但是相对于单片机而言，FPGA造价高，在一般的工业控制场合，单片机具有价格便宜，功能齐全等优点，单片机就已经能够达到本设计的要求。本设计选用单片机作为下位机传感器节点的智能芯片。由于数据要进行远距离的传输，所以远距离的数据传输是一个必须考虑的问题。1.2.2 现场总线概述RS-485总线在过程控制中应用广泛，但随着科技的发展，RS-485的总线效率低、系统的实时性差、通讯的可靠性低、后期维护成本高、网络工程调试复杂、传输距离不理想、单总线可挂接的节点少、应用不灵活等缺点慢慢暴露出来，面临着被市场所淘汰的局面。而现场总线由于在通信能力、可靠性、实时性、灵活性、易用性、传输距离远、成本低等方面有着明显的优势，在工业中应用越来越广泛，逐渐取代了RS-485总线。在传统的工业控制中，现场的传感器与控制器之间总是以420mA的直流电流或1-5V的直流电压来传递信息的1。随着工业控制技术的不断发展，工业控制系统正向着数字化、智能化、网络化和开放化的方向发展，模拟传输渐渐被数字传输所取代。而现场总线则可以很好地适应工业控制技术发展的趋势，是对成熟控制系统结构的根本变革。现场总线是用于过程控制中现场仪表与控制室之间的一个标准的、开放的、双向的多站数字通信系统。随着计算机技术、通讯技术、集成电路技术的发展，现场总线正在迅速发展。现场总线技术将各种智能芯片置入传统的测量控制仪表，使它们各自具有数字计算和通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等作为总线，把多个测量控制仪表连接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微型计算机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统3。现场总线的种类主要有：基金会现场总线FF、ProfiBus总线、WorldFIP总线、ControlNet总线、CAN总线等 。1.2.3 CAN总线CAN总线是德国BOSCH公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率可达1MBPS。由于其卓越性能现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等工作4。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据块的标识码