基于CAN总线的智能压力变送器的设计研究
摘要
随着信息技术、网络技术和自动化技术的飞速发展，传统仪表易失控、可靠性和互换性等缺点和不足日益明显，越来越不能满足用户的需求。新的总线型仪表除了能够完成基本的测量功能外，还具有现场总线通信功能和控制功能。现场总线技术的发展改变了传统控制系统结构，在总线条件下与控制网络相结合，逐渐形成网络集成式全分布控制系统—现场总线控制系统。
课题研究针对总线型仪表的要求，选用TI公司MSP430系列微控制器和PC10系列压力传感器，开发了一种基于CAN总线的智能压力变送器。论文主要内容包括：1．对CAN总线技术特点、技术规范、器件及其应用的分析；2．硬件配置设计分析，包括微控制器模块、传感器模块、液晶显示模块、通信模块、电源模块以及仪表的抗干扰措施的设计；3．软件系统设计分析，包括初始化模块、数据采集模块、数据处理模块、LCD显示模块、控制模块、通信模块及系统测试模块的编写；4．仪表的测量和通信功能的试验和调试，并对试验数据加以分析，进一步确定仪表的基本性能指标，验证了该仪表能够满足总线型智能仪表的要求。
试验结果表明，现场总线技术实现了远程节点信息交换的新途径，增加了双向数字通信的功能；现场总线采用数字信号传输，切实解决了变送器的抗干扰问题。压力变送器的压力测量精度为0.25级，传感器线性度较高。结合MSP430单片机的低功耗特性和技术要求，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性，达到了智能化变送器的效果。
With the amazing development of communication, network and automation technology, the disadvantage of the traditional instrument in reliability and interchange ability is more and more obvious and thus it couldn't meet the users'requirements. The new generation of field bus instrument should not only have the fundamental measurement capability, but also possess the field bus communication function and control function. The development of field bus technology has changed the structure of traditional control system and combined with control network to bring forward an integrated full-distributed system,namely the field bus control system.
In order to meet with the requirements of field bus instruments, an intellectual pressure transmitter based on CAN field bus technology has been developed. It has exploited the TI products: MSP430 series microcontroller and PC10 series pressure sensor with CAN interface. The thesis includes the following parts: The first part is about CAN field bus, including its feature, technical specification, protocol, device and application. The second part is about the hardware design, including the microcontroller module, the sensor module, the LCD module, the communication module, the power module and the anti-interference measures. The third part is about the software design, including the initialization module, data acquisition, data processing, LCD communication, control, communication and system testing. The fourth part is about the instrument measuring, communication function debugging and data analyzing. It comes to the conclusion that the instrument conforms to the requirements of field bus intellectual applications.
The research indicates that the FCS technology achieves the information exchange among remote node in a new way which adds the function of bilateral digital communication. The rating of pressure measurement precision of the transmitter is 0.25 and the sensor is characteristic of high linearity. The field bus has solved the anti-interference problem of the transmitter through adopting the digital signals transmission and has improved the reliability, autonomy and agility of the system for combining the low wastage and the technologic requirements of the MSP430 SCM which achieving the effect of intellectual transmitter.
课题研究针对总线型仪表的要求，选用TI公司MSP430系列微控制器和PC10系列压力传感器，开发了一种基于CAN总线的智能压力变送器。论文主要内容包括：1．对CAN总线技术特点、技术规范、器件及其应用的分析；2．硬件配置设计分析，包括微控制器模块、传感器模块、液晶显示模块、通信模块、电源模块以及仪表的抗干扰措施的设计；3．软件系统设计分析，包括初始化模块、数据采集模块、数据处理模块、LCD显示模块、控制模块、通信模块及系统测试模块的编写；4．仪表的测量和通信功能的试验和调试，并对试验数据加以分析，进一步确定仪表的基本性能指标，验证了该仪表能够满足总线型智能仪表的要求。
试验结果表明，现场总线技术实现了远程节点信息交换的新途径，增加了双向数字通信的功能；现场总线采用数字信号传输，切实解决了变送器的抗干扰问题。压力变送器的压力测量精度为0.25级，传感器线性度较高。结合MSP430单片机的低功耗特性和技术要求，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性，达到了智能化变送器的效果。
With the amazing development of communication, network and automation technology, the disadvantage of the traditional instrument in reliability and interchange ability is more and more obvious and thus it couldn't meet the users'requirements. The new generation of field bus instrument should not only have the fundamental measurement capability, but also possess the field bus communication function and control function. The development of field bus technology has changed the structure of traditional control system and combined with control network to bring forward an integrated full-distributed system,namely the field bus control system.
In order to meet with the requirements of field bus instruments, an intellectual pressure transmitter based on CAN field bus technology has been developed. It has exploited the TI products: MSP430 series microcontroller and PC10 series pressure sensor with CAN interface. The thesis includes the following parts: The first part is about CAN field bus, including its feature, technical specification, protocol, device and application. The second part is about the hardware design, including the microcontroller module, the sensor module, the LCD module, the communication module, the power module and the anti-interference measures. The third part is about the software design, including the initialization module, data acquisition, data processing, LCD communication, control, communication and system testing. The fourth part is about the instrument measuring, communication function debugging and data analyzing. It comes to the conclusion that the instrument conforms to the requirements of field bus intellectual applications.
The research indicates that the FCS technology achieves the information exchange among remote node in a new way which adds the function of bilateral digital communication. The rating of pressure measurement precision of the transmitter is 0.25 and the sensor is characteristic of high linearity. The field bus has solved the anti-interference problem of the transmitter through adopting the digital signals transmission and has improved the reliability, autonomy and agility of the system for combining the low wastage and the technologic requirements of the MSP430 SCM which achieving the effect of intellectual transmitter.
引文
[1] 张奇智．基于WorldFIP现场总线的智能压力变送器的开发[D]．北京：华北电力大学，2003
[2] 白焰，吴鸿．分散控制系统与现场总线控制系统[M]．中国电力出版社，2001
[3] 邬宽明．现场总线技术应用选编(上)[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1996
[4] 林德秋．基金会现场总线(FF)概述[J]．电子质量，2002(4)：8～18
[5] 谢凌广．LonWorks技术在楼宇自动化领域的应用[D]．广州：广东工业大学自动化学院，2004
[6] 阳宪惠．现场总线技术及其应用[M]．北京：清华大学出版社，1999
[7] 于红岩，庞彦斌．基金会现场总线(FF)压力变送器中功能块的研究与开发[D]．北京：北京化工大学，2004
[8] 陈青松，戴保平．HART协议智能压力变送器的研究与开发[D]．北京：北京航空航天大学，2004
[9] 张大波．WorldFIP现场总线技术[C]．现场总线论坛，2004
[10] 石力强，王力民．数字信号远距离传输的抗干扰技术[J]．光电对抗与无源干扰，2002(4)：18～31
[11] 谢莉．电子控制元件的故障自诊断功能应用分析[J]．内蒙古科技与经济，2005(2)：25～36
[12] 何希才．传感器及其应用电路[M]．北京：电子工业出版社，2001
[13] 胡大可．MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2001
[14] 凌振宝，王君，邱春玲．基于MSP430单片机的智能变送器设计仪表技术与传感器[D]．北京：北京航空航天大学，2003
[15] Lutz Bierl.MSP430 Family Mixed-Signal Microcontroller Application Reports[M].USA:TI,2000
[16] 杨欣荣．智能仪器原理、设计与发展[M]．长沙：中南大学出版社，2003
[17] 魏小龙．MSP430系列单片机接口技术与系统设计实例[M]．北京：北京肮空航天大学出版社，2002
[18] 杨振江等．智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用[M]．西安：西安电子科技大学出版，2002
[19] 韩启纲．智能化仪表原理与使用维修[J]．中国计量出版社，2002(3)：102～130
[20] 肖慧荣，朱泉水．数字式半导体激光驱动电源控制系统设计[J]．激光与红外，2004(6)：51～78
[21] DALLAS. DS18B20 Programmable Resolutionl-Wire[M]. Digital Thermometer
[22] 周月霞，孙传友．DS18B20硬件连接及软件编程[J]．传感器世界，2001(3)：25～29
[23] 李维諟，郭强．液晶显示应用技术[M]．北京：电子工业出版社，2000
[24] HOLTEK.HT1625[M].data book, 2000
[25] 车杰．摩托罗拉MPX系列压力传感器简介[J]．国外电子元器件，1995(3)：56～75
[26] BB.16-Bit Low Power Digital-To-Analog Converter[M].USA: TI,1999
[27] Joselito Parguian.lnterfacing the DAC7731 to the MSP430F149[M].USA: TI,2002
[28] 乔宗标．用3V/5VDAC设计智能型电流环[M]．UsA：MAXIM，2001
[29] 赵玮，许全科．数码压力开关的研制[J]．兰州石化职业技术学院学报，2004(2)：102～123
[30] MICROCHIP.Smart Sensor CAN Node using the mcp2510 and PIC16F876[M]. MICROCHIP, 2002
[31] 邹继军，饶运涛．CAN总线系统智能节点设计[M]．广州：广州周立功单片机发展有限公司，2002
[32] 阳宪惠．现场总线技术及其应用[M]，北京：清华大学出版社，1999
[33] MICROCHIP.mcp2510Stand-Alone CAN Controller with SPI Interface[M]. MICROCHIP,2002
[34] MICROCHIP. Understanding Microchip's CAN Module Bit Timing[M]. MICROCHIP, 2002
[35] PHILIPS. PCA82C250/251 CAN Transceiver[M]. PHILIPS, 2002
[36] PHILIPS. PCA82C250 CAN controller interface[M].PHILIPS, 2002
[37] 武翠琴，杨金岩．CANt控制器mcp2510及其应用[J]．国外电子元器件，2001(5)：48～50
[38] 李艾华．SJA1000独立CAN控制器[M]．德国：PHILIPS．1999
[39] 周立功．增强型89C51单片机应用速成与实战[M]．广州：广州周立功单片机发展有限公司，2002
[40] 李正军．计算机测控系统设计及应用[M]．济南：山东大学，2001
[41] 邹益仁，马增良，蒲维．现场总线控制系统的设计和开发[D]．北京：国防工业出版社，2003
[42] Motorola,Inc.MC33388 Advance Information[J],Rev.2.2,2000.11
[43] 陈志亮，潘显峰，董亮．刘旭红数控电火花机床电源柜抗干扰措施[J]．机床与液压，2001(6)：23～35
[44] 施维颖，张玉冰，赵祥模．汽车速度表及排放指标测控系统设计与实现[J]．现代电子技术，2003(18)：53～65
[45] 周铁成，张帆，别至，李超．电气设备上地线的处理方法[J]．电子工业专用设备，2002(2)：23～35
[46] 顾正昌．数据采集系统与软件抗干扰措施[J]．四川水泥，2001(1)：77～86
[47] 葛长虹．工业测控系统的抗干扰技术[J]．冶金工业出版社，2006(1)：177～186
[48] 刘光斌，刘冬，姚志成．单片机系统实用抗干扰技术[M]．北京：人民邮电出版社，2003
[49] Hagan M T, Menhaj M B.Training feedforward networks with the marquardt algorithm[J] .IEEE Trans Neral Net, 1994,5(6): 989～993
[50] 王庆华，屈玉贵，赵保华，洪飞．无线传感器开发系统的设计及实现[J]．电子技术应用，2007(2)：12～35
[51] 李健，徐莉萍，任德志．基于现场总线的液压智能仪表的设计[J]．机床与液压，2003(5)：68～72
[2] 白焰，吴鸿．分散控制系统与现场总线控制系统[M]．中国电力出版社，2001
[3] 邬宽明．现场总线技术应用选编(上)[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1996
[4] 林德秋．基金会现场总线(FF)概述[J]．电子质量，2002(4)：8～18
[5] 谢凌广．LonWorks技术在楼宇自动化领域的应用[D]．广州：广东工业大学自动化学院，2004
[6] 阳宪惠．现场总线技术及其应用[M]．北京：清华大学出版社，1999
[7] 于红岩，庞彦斌．基金会现场总线(FF)压力变送器中功能块的研究与开发[D]．北京：北京化工大学，2004
[8] 陈青松，戴保平．HART协议智能压力变送器的研究与开发[D]．北京：北京航空航天大学，2004
[9] 张大波．WorldFIP现场总线技术[C]．现场总线论坛，2004
[10] 石力强，王力民．数字信号远距离传输的抗干扰技术[J]．光电对抗与无源干扰，2002(4)：18～31
[11] 谢莉．电子控制元件的故障自诊断功能应用分析[J]．内蒙古科技与经济，2005(2)：25～36
[12] 何希才．传感器及其应用电路[M]．北京：电子工业出版社，2001
[13] 胡大可．MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2001
[14] 凌振宝，王君，邱春玲．基于MSP430单片机的智能变送器设计仪表技术与传感器[D]．北京：北京航空航天大学，2003
[15] Lutz Bierl.MSP430 Family Mixed-Signal Microcontroller Application Reports[M].USA:TI,2000
[16] 杨欣荣．智能仪器原理、设计与发展[M]．长沙：中南大学出版社，2003
[17] 魏小龙．MSP430系列单片机接口技术与系统设计实例[M]．北京：北京肮空航天大学出版社，2002
[18] 杨振江等．智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用[M]．西安：西安电子科技大学出版，2002
[19] 韩启纲．智能化仪表原理与使用维修[J]．中国计量出版社，2002(3)：102～130
[20] 肖慧荣，朱泉水．数字式半导体激光驱动电源控制系统设计[J]．激光与红外，2004(6)：51～78
[21] DALLAS. DS18B20 Programmable Resolutionl-Wire[M]. Digital Thermometer
[22] 周月霞，孙传友．DS18B20硬件连接及软件编程[J]．传感器世界，2001(3)：25～29
[23] 李维諟，郭强．液晶显示应用技术[M]．北京：电子工业出版社，2000
[24] HOLTEK.HT1625[M].data book, 2000
[25] 车杰．摩托罗拉MPX系列压力传感器简介[J]．国外电子元器件，1995(3)：56～75
[26] BB.16-Bit Low Power Digital-To-Analog Converter[M].USA: TI,1999
[27] Joselito Parguian.lnterfacing the DAC7731 to the MSP430F149[M].USA: TI,2002
[28] 乔宗标．用3V/5VDAC设计智能型电流环[M]．UsA：MAXIM，2001
[29] 赵玮，许全科．数码压力开关的研制[J]．兰州石化职业技术学院学报，2004(2)：102～123
[30] MICROCHIP.Smart Sensor CAN Node using the mcp2510 and PIC16F876[M]. MICROCHIP, 2002
[31] 邹继军，饶运涛．CAN总线系统智能节点设计[M]．广州：广州周立功单片机发展有限公司，2002
[32] 阳宪惠．现场总线技术及其应用[M]，北京：清华大学出版社，1999
[33] MICROCHIP.mcp2510Stand-Alone CAN Controller with SPI Interface[M]. MICROCHIP,2002
[34] MICROCHIP. Understanding Microchip's CAN Module Bit Timing[M]. MICROCHIP, 2002
[35] PHILIPS. PCA82C250/251 CAN Transceiver[M]. PHILIPS, 2002
[36] PHILIPS. PCA82C250 CAN controller interface[M].PHILIPS, 2002
[37] 武翠琴，杨金岩．CANt控制器mcp2510及其应用[J]．国外电子元器件，2001(5)：48～50
[38] 李艾华．SJA1000独立CAN控制器[M]．德国：PHILIPS．1999
[39] 周立功．增强型89C51单片机应用速成与实战[M]．广州：广州周立功单片机发展有限公司，2002
[40] 李正军．计算机测控系统设计及应用[M]．济南：山东大学，2001
[41] 邹益仁，马增良，蒲维．现场总线控制系统的设计和开发[D]．北京：国防工业出版社，2003
[42] Motorola,Inc.MC33388 Advance Information[J],Rev.2.2,2000.11
[43] 陈志亮，潘显峰，董亮．刘旭红数控电火花机床电源柜抗干扰措施[J]．机床与液压，2001(6)：23～35
[44] 施维颖，张玉冰，赵祥模．汽车速度表及排放指标测控系统设计与实现[J]．现代电子技术，2003(18)：53～65
[45] 周铁成，张帆，别至，李超．电气设备上地线的处理方法[J]．电子工业专用设备，2002(2)：23～35
[46] 顾正昌．数据采集系统与软件抗干扰措施[J]．四川水泥，2001(1)：77～86
[47] 葛长虹．工业测控系统的抗干扰技术[J]．冶金工业出版社，2006(1)：177～186
[48] 刘光斌，刘冬，姚志成．单片机系统实用抗干扰技术[M]．北京：人民邮电出版社，2003
[49] Hagan M T, Menhaj M B.Training feedforward networks with the marquardt algorithm[J] .IEEE Trans Neral Net, 1994,5(6): 989～993
[50] 王庆华，屈玉贵，赵保华，洪飞．无线传感器开发系统的设计及实现[J]．电子技术应用，2007(2)：12～35
[51] 李健，徐莉萍，任德志．基于现场总线的液压智能仪表的设计[J]．机床与液压，2003(5)：68～72