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　　 　　 　　 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 課題名稱：基于現(xiàn)場總線技術(shù)的氣象溫度傳感器 學(xué)院（系）： 自動化學(xué)院自動化系 年級專業(yè)： 自動化09級-1班（學(xué)號0912010108） 學(xué)生姓名： 王龍渠 指導(dǎo)教師： 呂寧 完成日期： 2013年3月29日 　　一、綜述本課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，說明選題的依據(jù)和意義 　　1．國內(nèi)外研究現(xiàn)狀： 　　（1）、國外研究現(xiàn)狀 　　 1984年美國一家公司提出一種計算機分布式控制系統(tǒng)-位總線（BITBUS），它主要是將低速的面向過程的輸入輸出通道與高速的計算機總線多（MULTIBUS）分離，形成了現(xiàn)場總線的最初概念。80年代中期，美國Rosemount 公司開發(fā)了一種可尋址的遠程傳感器（HART）通信協(xié)議。采用在4～20mA模擬量疊加了一種頻率信號，用雙絞線實現(xiàn)數(shù)字信號傳輸。HART協(xié)議已是現(xiàn)場總線的雛形。1985年由Honeywell和Bailey等大公司發(fā)起，成立了WorldFIP制定了FIP協(xié)議。1987年，以Siemens，Rosemount，橫河等幾家著名公司為首也成立了一個專門委員會互操作系統(tǒng)協(xié)議（ISP）并制定了PROFIBUS協(xié)議。后來美國儀器儀表學(xué)會也制定了現(xiàn)場總線標準IEC/ISA SP50。隨著時間的推移，世界逐漸形成了兩個針鋒相對的互相競爭的現(xiàn)場總線集團：一個是以Siemens、Rosemount,橫河為首的ISP集團；另一個是由Honeywell、Bailey等公司牽頭的WorldFIP集團。1994年，兩大集團宣布合并，融合成現(xiàn)場總線基金會（Fieldbus Foundation）簡稱FF。對于現(xiàn)場總線的技術(shù)發(fā)展和制定標準，基金委員會取得以下共識：共同制定遵循IEC/ISA SP50協(xié)議標準；商定現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展階段時間表。 　　 目前國際上有40多種現(xiàn)場總線，但沒有任何一種現(xiàn)場總線能覆蓋所有的應(yīng)用面，按其傳輸數(shù)據(jù)的大小可分為3類：傳感器總線（sensor bus)，屬于位傳輸；設(shè)備總線（device bus)，屬于字節(jié)傳輸；現(xiàn)場總線，屬于數(shù)據(jù)流傳輸。目前應(yīng)用比較多的有基金會現(xiàn)場總線（FF）、LonWorks、Profibus、WorldFIP及CAN等。圍繞著現(xiàn)場總線技術(shù)的標準化，世界上各大廠商展開了激烈競爭。 　　 目前現(xiàn)場總線產(chǎn)品主要是低速總線產(chǎn)品，應(yīng)用于運行速率較低的領(lǐng)域，對網(wǎng)絡(luò)的性能要求不是很高。從應(yīng)用狀況看，無論是FF和Profibus，還是其他一些現(xiàn)場總線，都能較好地實現(xiàn)速率要求較慢的過程控制。因此，在速率要求較低的控制領(lǐng)域，誰都很難統(tǒng)一整個世界市場。而現(xiàn)場總線的關(guān)鍵技術(shù)之一是互操作性，實現(xiàn)現(xiàn)場總線技術(shù)的統(tǒng)一是所有用戶的愿望。今后現(xiàn)場總線技術(shù)如何發(fā)展、如何統(tǒng)一，是所有生產(chǎn)廠商和用戶十分關(guān)心的問題。 　　 高速現(xiàn)場總線主要應(yīng)用于控制網(wǎng)內(nèi)的互連，連接控制計算機、PLC等智能程度較高、處理速度快的設(shè)備，以及實現(xiàn)低速現(xiàn)場總線網(wǎng)橋間的連接，它是充分實現(xiàn)系統(tǒng)的全分散控制結(jié)構(gòu)所必須的。目前這一領(lǐng)域還比較薄弱。因此，高速現(xiàn)場總線的設(shè)計、開發(fā)將是競爭十分激烈的領(lǐng)域，這也將是現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)統(tǒng)一的重要機會。而選擇什么樣的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為高速現(xiàn)場總線的整體框架將是其首要內(nèi)容。 　?。?）、國內(nèi)研究現(xiàn)狀 　　總體來看，現(xiàn)場總線技術(shù)在中國已經(jīng)度過了啟蒙宣傳期，現(xiàn)在正進入推廣應(yīng)用期。國內(nèi)對現(xiàn)場總線技術(shù)的研發(fā)，已經(jīng)有了一段時間的積累，獲得了許多寶貴的經(jīng)驗。但由于國內(nèi)外在發(fā)展情況和研發(fā)特點上的差異，國內(nèi)針對現(xiàn)場總線展開研發(fā)時，同樣面臨著一些問題。這些問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 　 一、總線的選擇，近些年來，存在許多現(xiàn)場總線在國內(nèi)展開激烈競爭，這些種類的現(xiàn)場總線側(cè)重點各有不同。如何根據(jù)自身特點及實際需求選擇適合研發(fā)的現(xiàn)場總線，對于國內(nèi)的研發(fā)力量來說，是首先要解決的問題。 　　 二、進入門檻較高。要針對現(xiàn)場總線進行研發(fā)，對國內(nèi)的企業(yè)和研究機構(gòu)來說，是存在一定高度的門檻的。這些企業(yè)和機構(gòu)既要承擔(dān)加入及注冊的費用，又要具備能確保提供后期支持及維持的能力。另外，對現(xiàn)場總線技術(shù)的認證及測試，也需要研發(fā)機構(gòu)具備一定的資金實力和級數(shù)實力。 　　 三、技術(shù)的難易以及對發(fā)展趨勢的把握?，F(xiàn)場總線的開發(fā)、工具包的獲得，以及技術(shù)實現(xiàn)上的難易，都是國內(nèi)研發(fā)機構(gòu)需要面對的實際問題，另外，目前各種現(xiàn)場總線爭相把中國作為實驗及應(yīng)用的場地。如何把握技術(shù)的發(fā)展趨勢和前景，以研發(fā)出順應(yīng)市場潮流的現(xiàn)場總線產(chǎn)品，也是研發(fā)企業(yè)最為關(guān)注的方面，可見，現(xiàn)場總線技術(shù)在國內(nèi)的研發(fā)和應(yīng)用，要達到完全成熟的程度尚需時日。但可以預(yù)見的是，通過國內(nèi)研究力量的不懈努力，現(xiàn)場總線技術(shù)必將在中國得到更加廣泛的應(yīng)用和長足的發(fā)展。 　　 2.選題依據(jù) 　　 針對目前工業(yè)現(xiàn)場普遍采用的自動控制系統(tǒng)如DCS（Distribute Control System）集散式控制系統(tǒng)來說，它在控制現(xiàn)場需要大量的傳感器、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)器等相關(guān)設(shè)備，他們相對分散且分布在較廣泛的范圍內(nèi)，連線過多不便于安裝和維護，而且遠距離傳輸導(dǎo)致信號衰減，局域通訊網(wǎng)絡(luò)采用RS485方式，使系統(tǒng)開放性差，組態(tài)比較繁瑣，不具備在線調(diào)試功能，抗干擾能力差，給安全平穩(wěn)運行帶來隱患。針對這一系列弊端，本設(shè)計提出了應(yīng)用可靠性強、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、通信速率快、造價低、維護成本低的CAN總線控制系統(tǒng)。本課題“基于現(xiàn)場總線技術(shù)的氣象溫度傳感器”就是針對這一問題提出的。它的提出對戶外氣象站的溫度數(shù)據(jù)實時采集和傳輸，保證氣象中心隨時掌握戶外天氣的一手數(shù)據(jù)有重要意義。 3．研究的目的與意義 　?。?）、研究的目的 　 本課題研究的目的就是尋求一個切實可行的途徑，將現(xiàn)場總線中的CAN總線與戶外氣象站的溫度傳感器結(jié)合起來，滿足氣象中心對戶外氣象數(shù)據(jù)的實時采集和傳輸?shù)囊螅ＷC數(shù)據(jù)的實時性和可靠性。　 　?。?）、研究的意義 現(xiàn)代社會，氣溫作為一個物理量，與人們的生活環(huán)境，生產(chǎn)活動，科學(xué)研究等密切相關(guān)。許多時候掌握實時有效的氣溫狀況對生產(chǎn)生活，科學(xué)研究等各方面非常重要。 　　 　　二、主要研究內(nèi)容，擬解決的主要問題 　　1．研究內(nèi)容 （1） CAN現(xiàn)場總線的特性和開發(fā)應(yīng)用。 （2） CAN控制器的初始化 （3） CAN總線報文的接收 （4） CAN總線報文的發(fā)送 （5） 介紹幾種常用溫度傳感器，如鉑電阻、PN結(jié)溫度傳感器、集成溫度傳感器、熱敏電阻傳感器等。 （6） 鉑電阻的特性和開發(fā)應(yīng)用 （7） 鉑電阻兩端電壓的計算 （8） 電壓信號的放大 （9） 電壓信號的A/D轉(zhuǎn)換 （10） MC9S12XS128單片機的基本工作原理分析及應(yīng)用電路設(shè)計 （11） 信號的處理與傳輸 （12） 上位機節(jié)點電路設(shè)計 （13） C++語言介紹及軟件設(shè)計 （14） 對系統(tǒng)進行調(diào)試 2.擬解決的問題 （1） 溫度傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理 （2） 信號的過濾、抗干擾、防電磁輻射 （3） CAN 總線通訊模塊的初始化 （4） CAN總線報文的發(fā)送與接收 （5） USB-CAN轉(zhuǎn)換模塊接口電路 　　 　　三、研究步驟及方法 　　1．研究步驟 （1）.閱讀相關(guān)文獻和書籍，了解相關(guān)設(shè)計方法，吸取有關(guān)經(jīng)驗。 （2）.了解各環(huán)節(jié)基本原理，畫出系統(tǒng)框圖，進行方案論證，完成整體方案設(shè)計。 （3）.畫出程序流程圖，實現(xiàn)對戶外溫度監(jiān)測。 （4）.根據(jù)掌握的相關(guān)知識要求，編寫相應(yīng)程序。 （5）.整理資料，撰寫畢業(yè)論文，使論文符合學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計要求。 　 2．研究方法 　　系統(tǒng)由溫度傳感器模塊、通信協(xié)議模塊、上位機模塊三部分組成 　　溫度傳感器模塊負責(zé)采集數(shù)據(jù)，通信協(xié)議模塊負責(zé)吧處理好的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C上，上位機負責(zé)顯示，保存數(shù)據(jù)，其中通信模塊采用CAN總線?！　? 　　溫度傳感器采用鉑電阻，鉑電阻在不同溫度下阻值不同，采用恒流源裝置進行供電，因此在電流保持恒定的條件下，監(jiān)測到的電壓發(fā)生變化，電壓信號再通過放大電路及A/D轉(zhuǎn)換傳輸?shù)絾纹瑱C中，實現(xiàn)溫度信號的采集。 　　通信協(xié)議模塊采用CAN總線，它主要包括三個部分，第一部分是獨立CAN協(xié)議控制器。在網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層是保證通信質(zhì)量至關(guān)重要、不可缺少的部分，也是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中最復(fù)雜的部分，CAN控制器就是扮演這個角色，對外它提供了與微處理器的物理線路的接口。第二部分是CAN總線收發(fā)器，CAN總線收發(fā)器提供了CAN控制器與物理總線的接口，是影響網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全性、可靠性和電磁兼容性的主要因素。第三部分USB—CAN轉(zhuǎn)換器，CAN總線雖然可連接設(shè)備多，傳輸距離遠，抗干擾能力強等諸多優(yōu)點，但是它不能直接與計算機相連，必須把CAN總線轉(zhuǎn)換為能與計算機相連的串行總線，能把CAN總線上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，本系統(tǒng)采用是使用較多的USB總線。 　　抗干擾設(shè)計 　　單片機通過程序控制將數(shù)據(jù)傳輸給CAN總線控制器。然后，CAN總線控制器再把數(shù)據(jù)進行一定的處理后發(fā)送給CAN總線收發(fā)器。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院驼鎸嵭裕贑AN控制器和CAN收發(fā)器之間加入了高速的光電耦合器件來完成抗干擾的功能 　　微處理器的選擇及其電路設(shè)計 　　 在溫度傳感器模塊中，微處理器是核心，因此，在硬件設(shè)計時首先要考慮的是微處理器的選擇，然后再確定與之配套的外圍設(shè)備電路。 　　 單片機的出現(xiàn)，引起了儀器儀表結(jié)構(gòu)的根本性變革。以單片機為主體取代傳統(tǒng)儀器儀表的常規(guī)電子線路，可以容易地將計算機技術(shù)與測量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成新一代的“智能儀器”。在測量控制儀表中采用單片機技術(shù)使之成為智能儀器后，能解決許多傳統(tǒng)儀表不能或不易解決的難題，同時還能簡化儀表電路，提高儀表可靠性，降低儀表成本以及加快新產(chǎn)品的開發(fā)速度。本設(shè)計中，數(shù)據(jù)采集電路采用單片機作為微處理器。 　　 微處理器原則上只要能夠滿足實時控制調(diào)節(jié)需要的處理器都可以使用，CAN控制器需要16位尋址，應(yīng)選用ROM足夠大，且性能強大的處理器，本設(shè)計采用MC9S12XS128微控制器 　　CAN 控制器模塊 　　 CAN總線節(jié)點的軟件設(shè)計主要包括三個方面：CAN控制器初始化、報文發(fā)送和報文接受、錯誤處理函數(shù)和溢出處理函數(shù) 　　 初始化主要包括工作方式的設(shè)置、驗收濾波的設(shè)置、波特率參數(shù)的設(shè)置等等 　　 CAN接收函數(shù)，該函數(shù)讀取接收緩沖區(qū)的有效數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)，接收報文完畢后，釋放緩沖區(qū)。 　　 CAN發(fā)送函數(shù)。該函數(shù)首先檢驗是否還在處理上一幀報文，如果已經(jīng)完成，則像緩沖區(qū)中寫入待發(fā)送的報文，并向控制器啟動發(fā)送報文的命令，將報文發(fā)送出去。 USB-CAN轉(zhuǎn)換模塊接口電路 由于上位機沒有專用的CAN總線接口，因此CAN總線發(fā)送過來的報文必須先經(jīng)過轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)為上位機可以讀取的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)在上位機的分析處理。該模塊就是解決上述問題。 　　 　　四、進度安排和預(yù)期成果 　　1、進度安排 　　第一階段（3.30-4.5）查找相關(guān)資料，并做出單片機接口電路設(shè)計 　　第二階段（4.6-4.13）溫度信號采集電路設(shè)計 　　第三階段（4.14-4.20）接口通信電路和開關(guān)電源電路設(shè)計 　　第四階段(4.21-4.28）溫度值計算程序設(shè)計和CAN現(xiàn)場總線模塊程序設(shè)計 　　第五階段（4.29-5.5）完成畢業(yè)設(shè)計初稿，交給老師審閱 　　第六階段(5.6-5.10)反復(fù)修改，最終寫出有自己獨立見解的畢業(yè)論文。 　　2、預(yù)期結(jié)果 　?。?）提出并實現(xiàn)控制系統(tǒng)各性能指標，設(shè)計出的電路和程序，實現(xiàn)了控制要求。 　?。?）設(shè)計出基于現(xiàn)場總線技術(shù)的氣象溫度傳感器系統(tǒng)，最后進行硬件調(diào)試、軟件調(diào)試、聯(lián)合調(diào)試達到預(yù)期結(jié)果。 　　五、主要參考文獻 　　1.李全利 單片機原理及接口技術(shù) 第二版.高等教育出版社 2010.11 　　2.譚浩強 C++程序設(shè)計 清華大學(xué)出版社 2004.6 　　3.劉曙光. 現(xiàn)場總線技術(shù)的進展與展望[J]. 自動化與儀表，2002，（3）：23~26 　　4.饒運濤, 鄒繼軍, 鄭勇蕓. 現(xiàn)場總線CAN 原理與應(yīng)用技術(shù)[D]. 北京航空航天大學(xué)出版社，2003 　　5.鄔寬明. 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