氣象溫度傳感器設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告.doc

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　　 　　 　　 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告 課題名稱：基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的氣象溫度傳感器 學(xué)院（系）： 自動(dòng)化學(xué)院自動(dòng)化系 年級(jí)專業(yè)： 自動(dòng)化09級(jí)-1班（學(xué)號(hào)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，說(shuō)明選題的依據(jù)和意義 　　1．國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀： 　　（1）、國(guó)外研究現(xiàn)狀 　　 1984年美國(guó)一家公司提出一種計(jì)算機(jī)分布式控制系統(tǒng)-位總線（BITBUS），它主要是將低速的面向過(guò)程的輸入輸出通道與高速的計(jì)算機(jī)總線多（MULTIBUS）分離，形成了現(xiàn)場(chǎng)總線的最初概念。80年代中期，美國(guó)Rosemount 公司開(kāi)發(fā)了一種可尋址的遠(yuǎn)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(hào)，用雙絞線實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)傳輸。HART協(xié)議已是現(xiàn)場(chǎng)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(gè)專門委員會(huì)互操作系統(tǒng)協(xié)議（ISP）并制定了PROFIBUS協(xié)議。后來(lái)美國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)也制定了現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)IEC/ISA SP50。隨著時(shí)間的推移，世界逐漸形成了兩個(gè)針?shù)h相對(duì)的互相競(jìng)爭(zhēng)的現(xiàn)場(chǎng)總線集團(tuán)：一個(gè)是以Siemens、Rosemount,橫河為首的ISP集團(tuán)；另一個(gè)是由Honeywell、Bailey等公司牽頭的WorldFIP集團(tuán)。1994年，兩大集團(tuán)宣布合并，融合成現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)（Fieldbus Foundation）簡(jiǎn)稱FF。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)發(fā)展和制定標(biāo)準(zhǔn)，基金委員會(huì)取得以下共識(shí)：共同制定遵循IEC/ISA SP50協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；商定現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)發(fā)展階段時(shí)間表。 　　 目前國(guó)際上有40多種現(xiàn)場(chǎng)總線，但沒(méi)有任何一種現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線，屬于數(shù)據(jù)流傳輸。目前應(yīng)用比較多的有基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線（FF）、LonWorks、Profibus、WorldFIP及CAN等。圍繞著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，世界上各大廠商展開(kāi)了激烈競(jìng)爭(zhēng)。 　　 目前現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品主要是低速總線產(chǎn)品，應(yīng)用于運(yùn)行速率較低的領(lǐng)域，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能要求不是很高。從應(yīng)用狀況看，無(wú)論是FF和Profibus，還是其他一些現(xiàn)場(chǎng)總線，都能較好地實(shí)現(xiàn)速率要求較慢的過(guò)程控制。因此，在速率要求較低的控制領(lǐng)域，誰(shuí)都很難統(tǒng)一整個(gè)世界市場(chǎng)。而現(xiàn)場(chǎng)總線的關(guān)鍵技術(shù)之一是互操作性，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的統(tǒng)一是所有用戶的愿望。今后現(xiàn)場(chǎng)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(wèn)題。 　　 高速現(xiàn)場(chǎng)總線主要應(yīng)用于控制網(wǎng)內(nèi)的互連，連接控制計(jì)算機(jī)、PLC等智能程度較高、處理速度快的設(shè)備，以及實(shí)現(xiàn)低速現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)橋間的連接，它是充分實(shí)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(chǎng)總線的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)將是競(jìng)爭(zhēng)十分激烈的領(lǐng)域，這也將是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的重要機(jī)會(huì)。而選擇什么樣的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為高速現(xiàn)場(chǎng)總線的整體框架將是其首要內(nèi)容。 　?。?）、國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 　　總體來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在中國(guó)已經(jīng)度過(guò)了啟蒙宣傳期，現(xiàn)在正進(jìn)入推廣應(yīng)用期。國(guó)內(nèi)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的研發(fā)，已經(jīng)有了一段時(shí)間的積累，獲得了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。但由于國(guó)內(nèi)外在發(fā)展情況和研發(fā)特點(diǎn)上的差異，國(guó)內(nèi)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線展開(kāi)研發(fā)時(shí)，同樣面臨著一些問(wèn)題。這些問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 　 一、總線的選擇，近些年來(lái)，存在許多現(xiàn)場(chǎng)總線在國(guó)內(nèi)展開(kāi)激烈競(jìng)爭(zhēng)，這些種類的現(xiàn)場(chǎng)總線側(cè)重點(diǎn)各有不同。如何根據(jù)自身特點(diǎn)及實(shí)際需求選擇適合研發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)總線，對(duì)于國(guó)內(nèi)的研發(fā)力量來(lái)說(shuō)，是首先要解決的問(wèn)題。 　　 二、進(jìn)入門檻較高。要針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行研發(fā)，對(duì)國(guó)內(nèi)的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，是存在一定高度的門檻的。這些企業(yè)和機(jī)構(gòu)既要承擔(dān)加入及注冊(cè)的費(fèi)用，又要具備能確保提供后期支持及維持的能力。另外，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的認(rèn)證及測(cè)試，也需要研發(fā)機(jī)構(gòu)具備一定的資金實(shí)力和級(jí)數(shù)實(shí)力。 　　 三、技術(shù)的難易以及對(duì)發(fā)展趨勢(shì)的把握?，F(xiàn)場(chǎng)總線的開(kāi)發(fā)、工具包的獲得，以及技術(shù)實(shí)現(xiàn)上的難易，都是國(guó)內(nèi)研發(fā)機(jī)構(gòu)需要面對(duì)的實(shí)際問(wèn)題，另外，目前各種現(xiàn)場(chǎng)總線爭(zhēng)相把中國(guó)作為實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用的場(chǎng)地。如何把握技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和前景，以研發(fā)出順應(yīng)市場(chǎng)潮流的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，也是研發(fā)企業(yè)最為關(guān)注的方面，可見(jiàn)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研發(fā)和應(yīng)用，要達(dá)到完全成熟的程度尚需時(shí)日。但可以預(yù)見(jiàn)的是，通過(guò)國(guó)內(nèi)研究力量的不懈努力，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)必將在中國(guó)得到更加廣泛的應(yīng)用和長(zhǎng)足的發(fā)展。 　　 2.選題依據(jù) 　　 針對(duì)目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)普遍采用的自動(dòng)控制系統(tǒng)如DCS（Distribute Control System）集散式控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它在控制現(xiàn)場(chǎng)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(duì)分散且分布在較廣泛的范圍內(nèi)，連線過(guò)多不便于安裝和維護(hù)，而且遠(yuǎn)距離傳輸導(dǎo)致信號(hào)衰減，局域通訊網(wǎng)絡(luò)采用RS485方式，使系統(tǒng)開(kāi)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(yùn)行帶來(lái)隱患。針對(duì)這一系列弊端，本設(shè)計(jì)提出了應(yīng)用可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、通信速率快、造價(jià)低、維護(hù)成本低的CAN總線控制系統(tǒng)。本課題“基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的氣象溫度傳感器”就是針對(duì)這一問(wèn)題提出的。它的提出對(duì)戶外氣象站的溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和傳輸，保證氣象中心隨時(shí)掌握戶外天氣的一手?jǐn)?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(gè)切實(shí)可行的途徑，將現(xiàn)場(chǎng)總線中的CAN總線與戶外氣象站的溫度傳感器結(jié)合起來(lái)，滿足氣象中心對(duì)戶外氣象數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸?shù)囊?，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和可靠性?！? 　?。?）、研究的意義 現(xiàn)代社會(huì)，氣溫作為一個(gè)物理量，與人們的生活環(huán)境，生產(chǎn)活動(dòng)，科學(xué)研究等密切相關(guān)。許多時(shí)候掌握實(shí)時(shí)有效的氣溫狀況對(duì)生產(chǎn)生活，科學(xué)研究等各方面非常重要。 　　 　　二、主要研究?jī)?nèi)容，擬解決的主要問(wèn)題 　　1．研究?jī)?nèi)容 （1） CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的特性和開(kāi)發(fā)應(yīng)用。 （2） CAN控制器的初始化 （3） CAN總線報(bào)文的接收 （4） CAN總線報(bào)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(kāi)發(fā)應(yīng)用 （7） 鉑電阻兩端電壓的計(jì)算 （8） 電壓信號(hào)的放大 （9） 電壓信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換 （10） MC9S12XS128單片機(jī)的基本工作原理分析及應(yīng)用電路設(shè)計(jì) （11） 信號(hào)的處理與傳輸 （12） 上位機(jī)節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì) （13） C++語(yǔ)言介紹及軟件設(shè)計(jì) （14） 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試 2.擬解決的問(wèn)題 （1） 溫度傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理 （2） 信號(hào)的過(guò)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(bào)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(xiàn)和書籍，了解相關(guān)設(shè)計(jì)方法，吸取有關(guān)經(jīng)驗(yàn)。 （2）.了解各環(huán)節(jié)基本原理，畫出系統(tǒng)框圖，進(jìn)行方案論證，完成整體方案設(shè)計(jì)。 （3）.畫出程序流程圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)戶外溫度監(jiān)測(cè)。 （4）.根據(jù)掌握的相關(guān)知識(shí)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(jì)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(jī)模塊三部分組成 　　溫度傳感器模塊負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，通信協(xié)議模塊負(fù)責(zé)吧處理好的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上，上位機(jī)負(fù)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(jìn)行供電，因此在電流保持恒定的條件下，監(jiān)測(cè)到的電壓發(fā)生變化，電壓信號(hào)再通過(guò)放大電路及A/D轉(zhuǎn)換傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的采集。 　　通信協(xié)議模塊采用CAN總線，它主要包括三個(gè)部分，第一部分是獨(dú)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(gè)角色，對(duì)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(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是它不能直接與計(jì)算機(jī)相連，必須把CAN總線轉(zhuǎn)換為能與計(jì)算機(jī)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(jī)，本系統(tǒng)采用是使用較多的USB總線。 　　抗干擾設(shè)計(jì) 　　單片機(jī)通過(guò)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(jìn)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?shí)性，在CAN控制器和CAN收發(fā)器之間加入了高速的光電耦合器件來(lái)完成抗干擾的功能 　　微處理器的選擇及其電路設(shè)計(jì) 　　 在溫度傳感器模塊中，微處理器是核心，因此，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)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(jī)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(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成新一代的“智能儀器”。在測(cè)量控制儀表中采用單片機(jī)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(shí)還能簡(jiǎn)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(kāi)發(fā)速度。本設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)采集電路采用單片機(jī)作為微處理器。 　　 微處理器原則上只要能夠滿足實(shí)時(shí)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(qiáng)大的處理器，本設(shè)計(jì)采用MC9S12XS128微控制器 　　CAN 控制器模塊 　　 CAN總線節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)方面：CAN控制器初始化、報(bào)文發(fā)送和報(bào)文接受、錯(cuò)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(yàn)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?qǐng)?bào)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(yàn)是否還在處理上一幀報(bào)文，如果已經(jīng)完成，則像緩沖區(qū)中寫入待發(fā)送的報(bào)文，并向控制器啟動(dòng)發(fā)送報(bào)文的命令，將報(bào)文發(fā)送出去。 USB-CAN轉(zhuǎn)換模塊接口電路 由于上位機(jī)沒(méi)有專用的CAN總線接口，因此CAN總線發(fā)送過(guò)來(lái)的報(bào)文必須先經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)為上位機(jī)可以讀取的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在上位機(jī)的分析處理。該模塊就是解決上述問(wèn)題。 　　 　　四、進(jìn)度安排和預(yù)期成果 　　1、進(jìn)度安排 　　第一階段（3.30-4.5）查找相關(guān)資料，并做出單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì) 　　第二階段（4.6-4.13）溫度信號(hào)采集電路設(shè)計(jì) 　　第三階段（4.14-4.20）接口通信電路和開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì) 　　第四階段(4.21-4.28）溫度值計(jì)算程序設(shè)計(jì)和CAN現(xiàn)場(chǎng)總線模塊程序設(shè)計(jì) 　　第五階段（4.29-5.5）完成畢業(yè)設(shè)計(jì)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(dú)立見(jiàn)解的畢業(yè)論文。 　　2、預(yù)期結(jié)果 　?。?）提出并實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)各性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)出的電路和程序，實(shí)現(xiàn)了控制要求。 　?。?）設(shè)計(jì)出基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的氣象溫度傳感器系統(tǒng)，最后進(jìn)行硬件調(diào)試、軟件調(diào)試、聯(lián)合調(diào)試達(dá)到預(yù)期結(jié)果。 　　五、主要參考文獻(xiàn) 　　1.李全利 單片機(jī)原理及接口技術(shù) 第二版.高等教育出版社 2010.11 　　2.譚浩強(qiáng) C++程序設(shè)計(jì) 清華大學(xué)出版社 2004.6 　　3.劉曙光. 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的進(jìn)展與展望[J]. 自動(dòng)化與儀表，2002，（3）：23~26 　　4.饒運(yùn)濤, 鄒繼軍, 鄭勇蕓. 現(xiàn)場(chǎng)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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