基于嵌入式系统的现场总线的研究与应用

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1、目录一、设计要求1二、设计作用与目的1三、所用设备及软件1四、系统设计方案14.1系统总体设计24.2系统工作原理2五、系统硬件设计35.1各单元电路设计35.1.1超声波液位探测仪表的发射电路35.1.2超声波液位探测仪表的接收电路3六、系统软件设计56.1超声波液位探测仪表的软件设计56.2通信模块的软件设计76.2.1对象字典的建立86.2.2协议栈软件结构96.2.3I/O模块的设备描述116.3本章小节12七、设计中的问题及解决方法13八、嵌入式系统学习心得13九、参考文献14基于嵌入式系统的现场总线的研

2、究与应用一、设计要求本系统基于嵌入式微处理器和单片机，通过CAN总线连接通信网络，另外还增加了一个USB-CAN节点，可以方便PC或便携式电脑随时通过USB接口接入CAN总线网络本文通过给超声波液位探测仪表嵌入CANopen从站功能，详细的标准选择和相关的协议芯片选型方面提供参考。主要目的是为现场总线系统的设计人员在设计系统的时候提供协议。研究了协议栈软件的开发过程和软件的设计结构，并且结合相关的开发工具和CiA关于设备描述的相关子协议设计了超声波液位探测仪表的对象字典(OD)。对象字典是实现仪表应用和CANope

3、n通信功能的桥梁，是CANopen设计的核心。二、设计作用与目的本文通过为超声波液位探测仪表集成CANopen现场总线网络功能的设计过程，展示了嵌入式开发技术在现场总线智能仪表设计开发过程中的要点及步骤，为现场总线设备的研究开发人员提供实际的参考。首先对超声波液位探测仪表的检测原理做了细致的研究，并设计了超声波液位探测仪表的硬件结构和软件主程序框图，分别给出了仪表的超声波发射电路和接收电路图以及超声波液位检测的子程序框图。由于本文的主要目的在于研究现场总线嵌入式技术，因此对超声波液位探测仪表的内容作简略的介绍，重点

4、是设计用于CANopen网络通信的通信模块，分为硬件设计和软件设计两个部分。三、所用设备及软件超声波液位探测仪、P87C591芯片、电压比较器LM311、D触发器四、系统设计方案13应用超声波来探测液位的高度，首先要解决的问题是如何发送和接收超声波，超声波换能器就是完成这个任务的部件。它是整个电路中最关键的部件，也叫做超声波探头，它的作用是完成电能与声能的相互转换。发射换能器将其他形式的能量转换成超声能量，接收换能器将超声能量转换成其他易于检测的能量。超声波探头使用最多的是由压电晶片(或压电陶瓷)制成的换能器。超声

5、波的接收和反射是基于压电晶片的压电效应和逆压电效应。其工作原理是：当压电晶片受发射脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，此即逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，此为正压电效应。前者是超声波的发射，后者为超声波的接收。4.1系统总体设计超声波液位测量系统基于“回波测距”的原理。由超声波的发射探头发射超声波，声波遇到障碍物后反射，由超声波接收探头接收。测出从超声波发射脉冲串至接收到回波信号的传输时间，由于本文方法的特殊情况，声波在介质中传播的速度不再需要精确的计算。因为在实际的计

6、算当中并不需要声速的具体大小，只要保证液面到校准环和校准环到换能器的介质环境相同即可。由于超声波液位探测对于数据处理的要求和硬件资源的要求有限，同时结合CANopen从站的协议栈软件的要求，在此选择PHILIPS公司生产的P87C591芯片作为信号处理的MCU。图1是系统的原理框图。图1超声波液位探测仪表的硬件原理框图4.2系统工作原理系统的工作原理：在系统上电之后，单片机的引脚发出一个40KHz的发波脉冲，经过发射电路的加工和处理驱动超声波换能器发射超声波。同时单片机中的计时器开始计时，超声波在遇到介质的界面是发

7、生反射超声波换能器接收到回波，经过接收电路的处理，将接受到超声波的信号告知单片机，同时读取计时器的时间，计算出超声波从发送到第一次收到的时间间隔(t1-t0)，在第二次收到回波时，停止计时器的工作，并且计算第二次收到回波的时间间隔(t2-t0)。13五、系统硬件设计5.1各单元电路设计5.1.1超声波液位探测仪表的发射电路超声液位测量系统以P87C591型单片机为控制核心，其外围硬件电路包括超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路以及串行通讯接口电路等。下面对发射电路和接收电路做详细的介绍。通信接口电路将在通信模块

8、部分做详细的介绍。发射电路的主要目的是驱动超声波发射探头内的压电晶片振动，使之发出超声波，并且发射的超声波具有一定的能量，可传播较远的距离，实现测量的目的。驱动超声发射探头工作的方式很多，只要在探头上施加一串其频率与探头中心频率一致且能量足够大的脉冲即可。发射脉冲可以由单片机或振动器来实现。而要获得足够大的能量，则可用三极管、场效应管、变压器等实现。本设计中