现场总线技术-CH7

现场总线技术

智能节点设计中国矿业大学.机电工程学院张有忠2010年10月V2.1在任何测控系统中，都要通过测量装置获取环境和相关的输入参数，然后执行控制算法，做出相应的控制决策，启动执行设备来实现对系统的控制。基于现场总线建立的测控系统将单个分散的测量仪表和控制设备变成网络节点，将控制系统中所需的基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化等功能也分散到各个节点中因而总线上的节点应该具有总线通信功能、测量或控制功能，还要具有相当的协调能力，这必然离不开微处理器，这种类型的节点称为智能节点。中国矿业大学7.1CAN智能节点的硬件设计7.1.1CAN智能节点的硬件结构中国矿业大学主控制器概述主控制器是整个节点的控制中心通过访问CAN协议控制器来实现对CAN总线的访问同时，控制具体功能单元实现测量或控制功能主控制器一般根据节点所需实现功能的复杂程度和技术需求来选择，可以是单片机、DSP处理器或其他较高档次的CPU中国矿业大学CAN协议控制器实现CAN协议的数据链路层和物理层功能对外具有与主控制器和总线驱动器的接口通过对其编程，主控制器可以设置它的工作方式，控制它的工作状态，进行数据的发送和接收，把应用层建立在它的基础上目前，知名的半导体厂家都生产CAN控制器芯片，可供选用的CAN协议控制器芯片种类较多中国矿业大学CAN总线驱动器提供CAN协议控制器与物理总线之间的接口总线驱动器的性能决定了总线接口、总线终端、总线长度和节点数是影响整个总线网络通信性能的关键因素之一中国矿业大学具体功能单元实现节点在测控系统中的功能数据采集输出控制参数修改等是CAN智能节点设计过程中相对灵活的部分中国矿业大学7.1.2CAN智能节点的硬件实现1主控制器单元AtmelAT89C528051-basedFulllystatic24MHzCMOScontroller32I/OLines3Timers/Counters6lnterrupts/2PriorityLevelsUART3-LevelProgramMemoryLock8KBytesFlashMemory256Byteson-chipRAM中国矿业大学智能节点公共部分的电路设计选用该型单片机的原因智能节点的功能比较单一，程序量不大，采用该型单片机无须扩展程序存储器；起数据采集和输出控制作用的智能节点的数据都会及时发送出去，需要的本地存储器容量也不大，采用该型单片机无须扩展数据存储器；采用该型单片机可以方便地扩展RS232/RS485通信功能；有较丰富的中断和计数器资源指令与MCS51兼容，在软件编写上比较方便。中国矿业大学2、监控电路监控电路将完成智能节点电路的上电复位及CPU运行状态监控任务该单元主要由手动复位电路、上电自动复位电路、看门狗电路和复位电平调理电路组成其中，上电自动复位电路和手动复位电路为智能节点提供自动和手动复位功能看门狗电路在程序出现紊乱时输出复位信号，智能节点复位，在软件的配合下，还可以在一定的程度上，使智能节点恢复到出错前的正确状态复位电路和看门狗电路输出的复位信号经过调理后，形成两个同步的信号一个为高电平有效，用于需要高电平复位的器件（AT89C52);另一个为低电平有效，用于需要低电平复位的器件（SJA1000）中国矿业大学智能节点公共部分的电路设计中国矿业大学看门狗芯片选用MAX805L，该芯片的特点如下在上电、掉电和低电压供电时，将产生复位输出信号；具有备用电池切换电路，备用电池可能供给CMOSRAM芯片、CMOSCPU或其他低功耗逻辑电路；Watchdog电路，该电路的外触发脉冲时间间隔超过1.6s时将产生复位输出信号；复位输出信号为高电平。中国矿业大学3．CAN通信单元CAN通信单元是智能节点的核心功能单元之一，是智能节点相互沟通的基础，决定整个总线系统性能CAN通信单元是由如图所示结构中的CAN协议控制器与CAN总线驱动器两部分组成协议控制器选用了Philips半导体公司的SJA1000，总线驱动器选用的是Philips半导体公司的PCA82C250（这两个CAN器件的功能和特点在第5章中己经详细说明）智能节点的主控制器和CAN通信单元应该是相同的，只因具体功能单元不同而有所区别图5.2展示了智能节点这个公共部分的电路连接方法。中国矿业大学智能节点公共部分的电路设计中国矿业大学4．具体功能单元，DI节点DI节点具有8路开关量输入功能，输入直流信号可为0~24V在DI节点中还使用了TLP521-4光电耦合器，将输入通道的外部输入端与智能节点其他单元完全隔离，以提高节点的稳定性和抗干扰能力主控制器与外部输入通道之间使用74LS245缓冲外部开关量的读入中国矿业大学1).DI节点

功能电路设计中国矿业大学2).DO节点设计DO节点具有8路开关量输出功能，输出直流信号可为0~24V，具体电压值由输入电源电压决定，输出电流可达500mA在DO节点中也使用了TLP521-4光电祸合器，将输入通道的外部输入端与智能节点其他单元完全隔离，以提高节点的稳定性和抗干扰能力为了增强输出通道的驱动能力，在输出通道的光电隔离电路之后，还使用了输出驱动芯片ULN2803A主控制器与外部输入通道之间使用74LS373锁存向外输出的开关量中国矿业大学DO节点

设计中国矿业大学DO节点，ULN2803A中国矿业大学3).AI节点设计Al节点提供4路8位A/D功能输入模拟量为0~5V或4～20mA的电流，输入形式为差分由A/D转换器TLC0838来实现，TLC0838是8位逐次逼近式多路串行模数转换器，技术参数和主要特点如下分辨率：8位转换时间：时钟频率为250kHz时约为32us(8时钟周期)总非调整误差小于+/-1LSB单5V供电，输入范围为0~5V与ADC0838兼容，但不带内部齐纳稳压电路8输入通道，可配置为单端或差分输入，也可配置为伪差分输入基准输入电压可任意调整在全8位分辨率下允许任意小的模拟电压有编码间隔。中国矿业大学

AI节点设计，TLC0838中国矿业大学AI节点设计中国矿业大学4).AO节点设计，TLC5620AO单元具有4路8位D/A输出功能由D/A转换器TLC5620实现TLC5620是串行4路8位D/A转换器，单5V供电，功耗小，内部有上电复位电路中国矿业大学AO，TLC5620中国矿业大学AO电路中国矿业大学AO，TLC5620TLC5620是串行器件，在AO节点的设计中，它的各个信号