气象温度传感器设计开题报告.doc

本科毕业设计（论文）开题报告课题名称：基于现场总线技术的气象温度传感器 学院（系）： 自动化学院自动化系 年级专业： 自动化09级-1班（学号0912010108）学生姓名： 王龙渠 指导教师： 吕宁 完成日期： 2013年3月29日 一、综述本课题国内外研究现状，说明选题的依据和意义1国内外研究现状：（1）、国外研究现状 1984年美国一家公司提出一种计算机分布式控制系统-位总线（BITBUS），它主要是将低速的面向过程的输入输出通道与高速的计算机总线多（MULTIBUS）分离，形成了现场总线的最初概念。80年代中期，美国Rosemount 公司开发了一种可寻址的远程传感器（HART）通信协议。采用在420mA模拟量叠加了一种频率信号，用双绞线实现数字信号传输。HART协议已是现场总线的雏形。1985年由Honeywell和Bailey等大公司发起，成立了WorldFIP制定了FIP协议。1987年，以Siemens，Rosemount，横河等几家著名公司为首也成立了一个专门委员会互操作系统协议（ISP）并制定了PROFIBUS协议。后来美国仪器仪表学会也制定了现场总线标准IEC/ISA SP50。随着时间的推移，世界逐渐形成了两个针锋相对的互相竞争的现场总线集团：一个是以Siemens、Rosemount,横河为首的ISP集团；另一个是由Honeywell、Bailey等公司牵头的WorldFIP集团。1994年，两大集团宣布合并，融合成现场总线基金会（Fieldbus Foundation）简称FF。对于现场总线的技术发展和制定标准，基金委员会取得以下共识：共同制定遵循IEC/ISA SP50协议标准；商定现场总线技术发展阶段时间表。 目前国际上有40多种现场总线，但没有任何一种现场总线能覆盖所有的应用面，按其传输数据的大小可分为3类：传感器总线（sensor bus)，属于位传输；设备总线（device bus)，属于字节传输；现场总线，属于数据流传输。目前应用比较多的有基金会现场总线（FF）、LonWorks、Profibus、WorldFIP及CAN等。围绕着现场总线技术的标准化，世界上各大厂商展开了激烈竞争。 目前现场总线产品主要是低速总线产品，应用于运行速率较低的领域，对网络的性能要求不是很高。从应用状况看，无论是FF和Profibus，还是其他一些现场总线，都能较好地实现速率要求较慢的过程控制。因此，在速率要求较低的控制领域，谁都很难统一整个世界市场。而现场总线的关键技术之一是互操作性，实现现场总线技术的统一是所有用户的愿望。今后现场总线技术如何发展、如何统一，是所有生产厂商和用户十分关心的问题。 高速现场总线主要应用于控制网内的互连，连接控制计算机、PLC等智能程度较高、处理速度快的设备，以及实现低速现场总线网桥间的连接，它是充分实现系统的全分散控制结构所必须的。目前这一领域还比较薄弱。因此，高速现场总线的设计、开发将是竞争十分激烈的领域，这也将是现场总线技术实现统一的重要机会。而选择什么样的网络技术作为高速现场总线的整体框架将是其首要内容。（2）、国内研究现状总体来看，现场总线技术在中国已经度过了启蒙宣传期，现在正进入推广应用期。国内对现场总线技术的研发，已经有了一段时间的积累，获得了许多宝贵的经验。但由于国内外在发展情况和研发特点上的差异，国内针对现场总线展开研发时，同样面临着一些问题。这些问题主要表现在以下几个方面： 一、总线的选择，近些年来，存在许多现场总线在国内展开激烈竞争，这些种类的现场总线侧重点各有不同。如何根据自身特点及实际需求选择适合研发的现场总线，对于国内的研发力量来说，是首先要解决的问题。 二、进入门槛较高。要针对现场总线进行研发，对国内的企业和研究机构来说，是存在一定高度的门槛的。这些企业和机构既要承担加入及注册的费用，又要具备能确保提供后期支持及维持的能力。另外，对现场总线技术的认证及测试，也需要研发机构具备一定的资金实力和级数实力。 三、技术的难易以及对发展趋势的把握。现场总线的开发、工具包的获得，以及技术实现上的难易，都是国内研发机构需要面对的实际问题，另外，目前各种现场总线争相把中国作为实验及应用的场地。如何把握技术的发展趋势和前景，以研发出顺应市场潮流的现场总线产品，也是研发企业最为关注的方面，可见，现场总线技术在国内的研发和应用，要达到完全成熟的程度尚需时日。但可以预见的是，通过国内研究力量的不懈努力，现场总线技术必将在中国得到更加广泛的应用和长足的发展。2.选题依据 针对目前工业现场普遍采用的自动控制系统如DCS（Distribute Control System）集散式控制系统来说，它在控制现场需要大量的传感器、执行器、调节器等相关设备，他们相对分散且分布在较广泛的范围内，连线过多不便于安装和维护，而且远距离传输导致信号衰减，局域通讯网络采用RS485方式，使系统开放性差，组态比较繁琐，不具备在线调试功能，抗干扰能力差，给安全平稳运行带来隐患。针对这一系列弊端，本设计提出了应用可靠性强、稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、造价低、维护成本低的CAN总线控制系统。本课题“基于现场总线技术的气象温度传感器”就是针对这一问题提出的。它的提出对户外气象站的温度数据实时采集和传输，保证气象中心随时掌握户外天气的一手数据有重要意义。 3研究的目的与意义（1）、研究的目的 本课题研究的目的就是寻求一个切实可行的途径，将现场总线中的CAN总线与户外气象站的温度传感器结合起来，满足气象中心对户外气象数据的实时采集和传输的要求，保证数据的实时性和可靠性。（2）、研究的意义现代社会，气温作为一个物理量，与人们的生活环境，生产活动，科学研究等密切相关。许多时候掌握实时有效的气温状况对生产生活，科学研究等各方面非常重要。二、主要研究内容，拟解决的主要问题 1研究内容（1） CAN现场总线的特性和开发应用。（2） CAN控制器的初始化（3） CAN总线报文的接收（4） CAN总线报文的发送（5） 介绍几种常用温度传感器，如铂电阻、PN结温度传感器、集成温度传感器、热敏电阻传感器等。（6） 铂电阻的特性和开发应用（7） 铂电阻两端电压的计算（8） 电压信号的放大（9） 电压信号的A/D转换（10） MC9S12XS128单片机的基本工作原理分析及应用电路设计（11） 信号的处理与传输（12） 上位机节点电路设计（13） C+语言介绍及软件设计（14） 对系统进行调试 2.拟解决的问题（1） 温度传感器数据的采集和处理（2） 信号的过滤、抗干扰、防电磁辐射（3） CAN 总线通讯模块的初始化（4） CAN总线报文的发送与接收（5） USB-CAN转换模块接口电路 三、研究步骤及方法1研究步骤（1）.阅读相关文献和书籍，了解相关设计方法，吸取有关经验。（2）.了解各环节基本原理，画出系统框图，进行方案论证，完成整体方案设计。（3）.画出程序流程图，实现对户外温度监测。（4）.根据掌握的相关知识要求，编写相应程序。（5）.整理资料，撰写毕业论文，使论文符合学院本科毕业设计要求。 2研究方法系统由温度传感器模块、通信协议模块、上位机模块三部分组成温度传感器模块负责采集数据，通信协议模块负责吧处理好的数据传输到上位机上，上位机负责显示，保存数据，其中通信模块采用CAN总线。温度传感器采用铂电阻，铂电阻在不同温度下阻值不同，采用恒流源装置进行供电，因此在电流保持恒定的条件下，监测到的电压发生变化，电压信号再通过放大电路及A/D转换传输到单片机中，实现温度信号的采集。通信协议模块采用CAN总线，它主要包括三个部分，第一部分是独立CAN协议控制器。在网络的层次结构中，数据链路层和物理层是保证通信质量至关重要、不可缺少的部分，也是网络协议中最复杂的部分，CAN控制器就是扮演这个角色，对外它提供了与微处理器的物理线路的接口。第二部分是CAN总线收发器，CAN总线收发器提供了CAN控制器与物理总线的接口，是影响网络系统安全性、可靠性和电磁兼容性的主要因素。第三部分USBCAN转换器，CAN总线虽然可连接设备多，传输距离远，抗干扰能力强等诸多优点，但是它不能直接与计算机相连，必须把CAN总线转换为能与计算机相连的串行总线，能把CAN总线上的数据传输到上位机，本系统采用是使用较多的USB总线。抗干扰设计单片机通过程序控制将数据传输给CAN总线控制器。然后，CAN总线控制器再把数据进行一定的处理后发送给CAN总线收发器。为了保证数据传输的可靠性和真实性，在CAN控制器和CAN收发器之间加入了高速的光电耦合器件来完成抗干扰的功能微处理器的选择及其电路设计 在温度传感器模块中，微处理器是核心，因此，在硬件设计时首先要考虑的是微处理器的选择，然后再确定与之配套的外围设备电路。 单片机的出现，引起了仪器仪表结构的根本性变革。以单片机为主体取代传统仪器仪表的常规电子线路，可以容易地将计算机技术与测量控制技术结合在一起，组成新一代的“智能仪器”。在测量控制仪表中采用单片机技术使之成为智能仪器后，能解决许多传统仪表不能或不易解决的难题，同时还能简化仪表电路，提高仪表可靠性，降低仪表成本以及加快新产品的开发速度。本设计中，数据采集电路采用单片机作为微处理器。 微处理器原则上只要能够满足实时控制调节需要的处理器都可以使用，CAN控制器需要16位寻址，应选用ROM足够大，且性能强大的处理器，本设计采用MC9S12XS128微控制器CAN 控制器模块 CAN总线节点的软件设计主要包括三个方面：CAN控制器初始化、报文发送和报文接受、错误处理函数和溢出处理函数 初始化主要包括工作方式的设置、验收滤波的设置、波特率参数的设置等等 CAN接收函数，该函数读取接收缓冲区的有效数据，并将接收到的数据存入相应的数据区，接收报文完毕后，释放缓冲区。 CAN发送函数。该函数首先检验是否还在处理上一帧报文，如果已经完成，则像缓冲区中写入待发送的报文，并向控制器启动发送报文的命令，将报文发送出去。 USB-CAN转换模块接口电路 由于上位机没有专用的CAN总线接口，因此CAN总线发送过来的报文必须先经过转换，转为上位机可以读取的数据，从而实现数据在上位机的分析处理。该模块就是解决上述问题。四、进度安排和预期成果1、进度安排第一阶段（3.30-4.5）查找相关资料，并做出单片机接口电路设计第二阶段（4.6-4.13）温度信号采集电路设计第三阶段（4.14-4.20）接口通信电路和开关电源电路设计第四阶段(4.21-4.28）温度值计算程序设计和CAN现场总线模块程序设计第五阶段（4.29-5.5）完成毕业设计初稿，交给老师审阅第六阶段(5.6-5.10)反复修改，最终写出有自己独立见解的毕业论文。2、预期结果（1）提出并实现控制系统各性能指标，设计出的电路和程序，实现了控制要求。（2）设计出基于现场总线技术的气象温度传感器系统，最后进行硬件调试、软件调试、联合调试达到预期结果。五、主要参考文献1.李全利 单片机原理及接口技术 第二版.高等教育出版社 2010.112.谭浩强 C+程序设计 清华大学出版社 2004.63.刘曙光. 现场总线技术的进展与展望J. 自动化与仪表，2002，（3）：23264.饶运涛, 邹继军, 郑勇芸. 现场总线CAN 原理与应用技术D. 北京航空航天大学出版社，20035.邬宽明. 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Steve Analysis and Simulation of a Cascaded Delta-sigma ModulatorJ.Computer Standards and Interfaces，2001，（2）：574583六、指导教师意见 指导教师签字： 年 月 日七、系部审核意见审查结果： 通过 完善后通过 未通过 负责人签字：年 月 日