基于nmea的罗经复示器设计本科毕设论文Word格式文档下载.docx

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摘要

如今罗经越来越受到各国专家学者的重视，罗经传输的误差引起的航向的偏离，不仅导致船舶航向偏离所引起的燃料的浪费，甚至会引起船舶的相撞，导致重大的生命和财产损失。

甚至对海洋的生态和环境都构成了严重的污染以及威胁。

本设计就是针对使罗经的数据能快速准确地反映到仪表盘上，为航向的决策提供正确的保障。

主要内容包括：

基于89C51和X5045的单片机最小系统的设计；

基于SJA1000的控制电路的设计；

基于CAN总线收发器82C250的电路设计；

基于ZLG7290的循环显示电路的设计。

根据电气主线设计应满足可靠性、灵活性、经济性的要求。

本设计所用的SJA1000为PHILIP公司生产的控制局域网的高速集成的独立通信控制器，82C250是CAN协议控制器和物理总线的接口这个器件对总线提供不同的发送能力和对CAN控制器提供不同的接收能力。

介绍了控制器和收发器及看门狗X5045的特点、使用方法、内部结构、以及开发程序，说明一种应用于船体的罗经通讯的CAN收发电路的设计和开发，探讨应用中需要注意的一些问题。

本设计运用国内主流CAN独立控制器PHILIP公司生产的SJA1000和82C250，实用性强，使用范围广，器件容易买到，经济性好，编写的程序稍加改动就可以应用到实际工控中。

关键词：

CAN总线；

控制器；

收发器

ABSTRACT

Nowadaysstudyonthecommunicationofcompassisincreasinglyattracttheattentionofnationalexpertsandscholars,thedepartureofcoursebecauseofthetransportingerrorofthecompassnotonlyleadstothewasteofthefuel,butalsothreatenhumanlifeandcausedgreatlossesontheproperty,evendothemarineecologyandtheenvironmentconstituteseverepollution,andthreats.

Themaindesignelementsincludes:

thedesignofthesmallestsingle-chipsystembyAT89C51andX5045;

thedesignofthecontrolcircuitbySJA1000;

thedesignofthecircuitby82C250,thetransceiveroftheCANcommunication;

thedesignofthedisplaycircuitofLEDbyZLG7290.

Accordingtothemainlineofelectricaldesignshouldmeetthereliability,flexibility,economyrequirements.ThedesignusesSJA1000,theindependentcontrollerand82C250,theportcircuitoftheCANBusandtheindependentcontroller.TheyalltheproductsfromthePHILIPcorporation.

Tointroducethecharactersofthecontroller,thetransceiverandthewatchdog,includingusagemethod,innerstructure,thedevelopmentprocedure.PressonthedesignofthecommunicationusedtotheCompassbyCANBusandsomeproblemswouldhappenedinthedesign.

ThedesignisusingthepopularindependentcontrollerandthetransceivermadebyPHILIP.Thedevelopmentprocedurecanbetransplantedtothepracticalfunctionjustbemodifiedalittle.

Keywords:

CANBUS,Controller,Transceiver

第1章绪论

经济的迅速发展，科学技术的不断进步促使社会中各行各业都在不断地发展壮大，特别是各种高、新、尖、精的技术应用，而所有的一切都离不开控制系统[1]。

如何能够使控制系统趋向小型化、功能多样化、支持GM10，成为了实际应用中的重要课题。

CAN通信就是在这样的背景下应运而生。

尤其是20世纪60年代末，随着现代工业生产自动化水平的日益提高及微电子技术的飞速发展，对工业控制器的要求也越来越高。

CAN[Control（Controller）AreaNetwork]是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，最初由德国Bosch公司80年代用于汽车内部测试和控制仪器之间的数据通信。

目前CAN总线规范已被国际标准化组织ISO制订为国际标准ISO11898，并得到了Motorola，Intel，Philips等大半导体器件生产厂家的支持，迅速推出各种集成有CAN协议的产品[2]。

目前CAN总线主要用于汽车自动化领域，如发动机自动点火、注油、复杂的加速刹车控制（ASC）、抗锁定刹车系统（ABS）和抗滑系统等。

BENZ、BMW等著名汽车上已经采用CAN来满足上述功能。

在工业过程控制领域，CAN也得到了广泛的应用。

NMEA2000是国家航海电子联合会（NMEA）在J1939基础上提出的航海应用中控制单元间进行数据交换的通讯协议[3]。

带NMEA2000选项的CANoe可以应用在从设计到实现的整个开发过程中。

在设计阶段创建的模型可以在以其他形式不断的重复利用。

例如，可以利用模型校验实现，随后在最终测试阶段作为功能测试。

用户不需要熟悉NMEA2000协议，只需集中注意力在创建仿真模型的实现或者数据分析。

它可以显著的提高开发进程的质量，提高数据分析的效率。

由于海上的环境复杂，对仪器的要求较高，且船上的空间宝贵，因此虽然CAN通信已经应用于陆上的很多设备中，技术已经较为成熟，但仍然未应用于船舶通信中。

现在船舶控制仍然采用DCS系统。

因此，FCS系统能应用于船舶控制已经在业界达成了广泛的共识。

1.1课题研究的背景及意义

此设计题目是针对船舶的罗经的模拟通信进行CAN协议的转换，实现CAN通信。

在设计伊始，为了更加明晰船舶罗经的工作原理，我用了一周的时间专程去了锦州航星集团，在有关技术人员的指导下，对船用控制仪器仪表有了一个大致的了解，对船舶控制所涉及到的原理有了概念式的认识，对船舶罗经的工作原理有了比较深入的掌握，并把所设计的有关内容做了整体的记录，参观过程中通过技术人员的指导和结合自身的实际情况，对本次设计按照如下步骤进行：

首先：

依照AT89C51的特点，添加看门狗元件X5045，构成单片机最小系统，实现上电复位控制、电源电压监控、看门狗定时器的功能。

其次：

进行SJA1000控制器和82C250收发器的整体设计，实现上位机与现场微处理器之间的数据通信。

再次：

选择显示电路的芯片元件。

由于ZLG7290能够承担显示部分的动态显示程序，减轻了单片机工作的负担，且使用简单，电路可靠，因此本次设计使用ZLG7290构成的矩阵键盘和四数码管集成的7SEG-MPX4-CC元件构成显示电路。

以上是理论知识的体现而更重要的是在设计中培养自己运用所学的知识解决实际问题的能力和创新精神，增强工程观，在设计过程中主要立足于应用所学基本理论和专业知识，大胆地运用新理论、新技术去分析解决实际问题，以便更好地适应工作的需要。

所有的设计查阅资料是必不可少的，而资料的获取应以实际为准，作为一名初次设计者，设计之前应具备一定的设计能力，但是由于缺乏经验，知识体系的不够完善等因素，在设计过程中也有缺陷。

因此设计的电路无法直接应用于实际电路中，应稍加改动。

了解整个设计的目的、内容和基本要求进行设计的资料准备。

资料准备主要通过查阅（包括上网查问）文献资料和参加生产实习两条渠道进行。

此设计充分吸收专业理论知识，考虑自己毕业设计的选题方向，有目的、有计划地查阅与选题方向有关的文献资料，特别是在参加生产实习的过程中有意识地搜集生产过程及新技术、新设备、改革新成果的应用等方面资料，这也是为毕业设计课题收集资料的最重要的途径。

选定题目后，应再有针对性地查阅一些资料，最后对所有收集的资料进行整理。

并对其进行完善，对于一个完整的设计而言，文字与图纸并存。

文字的详细叙述使内容丰富，而图纸则一目了然。

最后由于设计者的水平有限，以及对电气技术日新月异的发展掌握不够，加之国外电气技术和产品的大量引进，我国对电气设计设备技术标准、规范还在不断地改进和完善，所以设计难免有不足，希望老师给予批评指正，使本设计更加完善。

1.2本章小结

本次设计不仅仅在于完成本人的毕业设计，对于中国船舶控制行业未来的主流控制趋势也有很好的前瞻性，为相关从业人员提供很好的范例。

对此题目的设计除了注重实际应用外，还应考虑可靠性、经济性和控制的稳定性。

如线路保护、接地保护、变压器保护等保护的有关问题及其设备元件的选择。

第2章总体方案

CAN[Control（Controller）AreaNetwork]是控制（器）局域网的简称[4]。

CAN是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，最初由德国Bosch公司80年代用于汽车内部测试和控制仪器之间的数据通信。

目前CAN总线规范已被国际标准化组织ISO制订为国际标准ISO11898，并得到了Motorola，Intel，Philips等大半导体器件生产厂家的支持，迅速推出各种集成有CAN协议的产品。

2.1CAN协议解析

CAN协议可分为：

目标层、传送层、物理层。

其中目标层和传送层包括了ISO/OSI定义的数据链路的所有功能[5]。

目标层的功能包括：

确认要发送的信息；

位应用层提供接口。

传送层功能包括：

数据帧组织：

总线仲裁：

检错、错误报告、错误处理。

CAN总线以报文为单位进行信息交换，报文中含有标示符（ID），它既描述了数据的含义又表明了报文的优先权。

CAN总线上的各个协点都可主动发送数据。

当同时有两个或两个以上的节点发送报文时，CAN控制器采用ID进行仲裁。

ID控制节点对总线的访问。

发送具有最高优先权报文的节点获得总线的使用权，其他节点自动停止发送，总线空闲后，这些节点将自动重发报文。

2.2CAN主要技术特点

CAN网络上的节点不分主从，任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，通信方式灵活，利用这一特点可方便地构成多机备份系统[6]。

CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的"

调度"

。

CAN的直接通信距离最远可达10km（速率5kbps以下）；

通信速率最高可达21Mbps（此时通信距离最长为40m）。

CAN上的节点数主要决定于总线驱动电路，目前可达110个；

报文标识符可达2032种（CAN2.0A），而扩展标准（CAN2.0B）的报文标识符几乎不受限制。

2.3总体设计

CAN总线接口电路主要包括：

单片机最小系统、控制器接口、总线收发器、看门狗电路和显示电路等。

采用Philips公司生产的SJA1000控制器和与其配套的82C250CAN收发器。

按照CAN总线物理层协议选择总线介质，设计布线方案，连接成CAN网络。

双绞屏蔽线可设两套，在两套介质上同时进行信息传输，接收方只用一个介质。

在冗余和非冗余段的连接临界点处进行总线切换。

硬件电路的设计主要是CAN通信控制器与微处理器之间和CAN总线收发器与物理总线之间的接口电路的设计。

CAN通信控制器是CAN总线接口电路的核心，主要完成CAN的通信协议，而CAN总线收发器的主要功能是增大通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力，保护总线，降低射频干扰（RFI），实现热防护等。

看门狗电路主要是实现对电路的监控和复位作用。

目前广泛流行的CAN总线器件有两大类：

一类是独立的CAN控制器，如82C200、SJA1000及Intel82526/82527等，另一类是带有在片CAN的微控制器，如P8XC582及16位微控制器87C196CA/CB等。

本课题选取PHILIPS公司的SJA1000CAN控制器以及82C250总线收发器，主要是考虑到SJA1000支持CAN2.0A/B规约。

而82C250可以支持110个CAN节点，并且国内市场上PHILIPS的产品型号比较多，购买比较方便。

在本次设计中，总体设计如下图：

图2.1总体设计图

2.4本章小结

本章对CAN总线进行了简单的介绍，同时抛出了本次设计的总体思想，对以后的设计具有指导意义。

第3章单片机最小系统部分

3.1最小系统介绍

单片机最小系统就是能使单片机工作的最少的器件构成的系统。

最小系统虽然简单，但是却是大多数控制系统所必不可少的关键部分。

对于MCS-51单片机，其内部已经包含了一定数量的程序存储器和数据存储器，在外部只要增加时钟电路和复位电路即可构成单片机最小系统。

下面对51单片机最小系统需要的时钟电路和复位电路做一下详细的说明。

时钟电路单片机系统中的各个部分是在一个统一的时钟脉冲控制下有序地进行工作，时钟电路是单片机系统最基本、最重要的电路。

MCS-51单片机内部有一个高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端，如果引脚XTAL1和XTAL2两端跨接上晶体振荡器（晶振）或陶瓷振荡器就构成了稳定的自激振荡电路，该振荡电路的输出可直接送入内部时序电路。

MCS-51单片机的时钟可由两种方式产生，即内部时钟方式和外部时钟方式。

实际应用中，并不是对51单片机外接晶振、电容和电阻等元件，而是使用集成元件与MCU进行连接，既节约空间又增加了电路的可靠性。

本次设计中，使用可靠性高、使用范围广、易于在公开市场上采购到的X5045集成元件。

3.2X5045元件介绍

X5045P把四种常用的功能：

上电复位、看门狗定时器、电源电压监控和块锁（BlockLockTM）保护的串行EEPROM存储器组成在一个封装之内。

这种组合降低了系统成本、减少了电路板空间和增加了可靠性。

其引脚及其功能如下：

CS/WDI：

片选输入/看门狗复位输入；

SO：

串行输出；

WP：

写保护输入；

Vss：

地；

Vcc：

电源；

RESET：

复位输出；

SCK：

同步时钟输入；

SI：

串行输入。

X5045P芯片功能包括以下4种：

（1）上电复位控制。

在对X5045P通电时，ERSET引脚输出有效的复位信号，并保持至少200ms，使CPU有效复位。

（2）电源电压监控。

当检测到电源电压低于内部门槛电压VTRIP时，RESET输出复位信号，直至电源电压高于VTRIP并保持至少200ms，复位信号才被撤消。

VTRIP的出厂值根据芯片型号不同共有5个级别的电压范围。

对于需要电源电压精确监控的应用，用户可以搭建编程电路，对芯片内VTRIP电压进行微调。

（3）看门狗定时器。

芯片内部状态寄存器的WD1、WD0是看门狗定时设置位，通过状态寄存器写指令WRSR修改这2个标志位，就能在3种定时间隔中进行选择或关闭定时器。

对看门狗的复位由CS输入电平的下降沿完成。

（4）串行E2PROM。

芯片内含512字节存储单元，10万次可靠写，数据保持时间100年。

XICOR设计了3种保护方式防止误写。

包括：

WP写保护引脚，当引脚被拉低时，内部存储单元状态寄存器都禁止写入；

存储区域写保护模式，通过对状态寄存器的BL1、BL0位的设置，可以选择对不同的存储区域进行写保护；

在进行任何写操作前都必须打开写使能开关，而且在上电初始化写操作完成时，写使能开关自动关闭。

显然，在几方面的保护之下，产生误写的可能性极小。

对X5045P的操作是通过4根口线CS、SCK、SI和SO进行同步串行通信来完成的。

SCK是外部输入的同步时钟信号。

在对芯片定改指令或数据时，时钟前沿将SI引脚信号输入；

在读邮数据时，时钟后沿将数据位输出到SO引脚上。

数据的输入/输出都是高位在先。

3.3电路设计

X5045P在本设计中做为复位、监控电路使用，简化了电路的连接，同时增加了电路的可靠性，是系统中不可缺少的部分。

对X5045的操作是通过4根口线CS、SCK、SI和SO进行同步串行通信来完成的。

在读数据时，时钟后沿将数据位输出到SO引脚上。

在设计中，/CS脚和单片机P2.7、SI、SCK、SO、/WP、RST分别与单片机的引脚P1.3、P1.0、P1.4、P1.1和RST连接。

对于不用到的引脚，可以直接和地相连。

电路设计如下：

图3.1单片机最小系统电路

3.4本章小结

本章介绍了单片机最小系统，用于监测系统是否工作于正常状态，及时对运行出错的状态进行复位，保证系统平稳有序地工作。

第4章显示部分

4.1ZLG7290

ZLG7290是一种I2C接口键盘及LED驱动管理器件，提供数据译码和循环、移位、段寻址等控制。

它可采样64个按键或传感器，单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。

ZLG7290的从地址为70H，器件内部通过I2C总线访问的寄存器地址范围为00H~17H，每个寄存器都可按字节直接读写，并支持自动增址功能和地址翻转功能[7]。

其特点如下：

1、I2C串行接口提供键盘中断信号方便与处理器接口

2、可驱动8位共阴数码管或64只独立LED和64个按键

3、可控扫描位数可控任一个数码管闪烁

4、提供数据译码和循环移位段寻址等控制

5、每个功能键可检测任一键的连击次数

6、无需外接元件即直接驱LED可扩展驱动电流和驱动电压

7、提供工业级器件多种封装形式PDIP24SO24

4.2显示电路

ZLG7290提供两种控制方式。

寄存器映象控制和命令解释控制。

寄存器映象控制是指直接访问底层寄存器，除通信缓冲区外的寄存器实现基本控制功能，请参考寄存器详解部分命令解释控制是指通过解释命令缓冲区CmdBuf0CmdBuf1中的指令间接访问底层寄存器实现扩展控制功能如实现寄存器的位操作对显示缓存循环移位对操作数译码等操作。

ZLG7290集成了LED显示驱动和矩阵键盘的按键功能，可以同时驱动8个LED和64个矩阵按键，采用总线方式连接键盘和4LED封装器件，ZLG7290的SDA、SCL、/INT和/RES分别接单片机的P1.7、P1.6、P3.3和P1.5。

图4.1ZLG7290显示电路

图4.2四位一体数码管电路部分

4.3本章小结

本章对显示部分的电路进行了设计，使用了ZLG7290对四位一体数码管进行显示控制，减轻了单片机的负担。

第5章控制电路部分

5.1SJA1000

SJA1000是一种独立控制器，用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制（CAN）。

它是PHILIPS半导体PCA82C200CAN控制器（BasicCAN）的替代产品。

而且，它增加了一种新的工作模式（PeliCAN）。

特点

.和PCA82C200独立CAN控制器引脚兼容

.和PCA82C200独立CAN控制器电气兼容

.PCA82C200模式（即默认的BasicCAN模式）

.扩展的接收缓冲器（64字节、先进先出FIFO）

.和CAN2.0B协议兼容（PCA82C200模式中的无源扩展帧）

.同时支持11位和29位识别码

.位速率可达1Mbits/s

.PeliCAN模式扩展功能：

.可读/写访问的错误计数器

.可编程的错误报警限制

.最近一次错误代码寄存器

.对每一个CAN总线错误的中断

.具体控制位控制的仲裁丢失中断

.单次发送（无重发）

.只听模式（无确认、无活动的出错标志）

.支持热插拔（软件位速率检测）

.验收滤波器扩展（4字节代码，4字节屏蔽）

.自身信息接收（自接收请求）

.24MHz时钟频率

.对不同微处理器的接口

.可编程的CAN输出驱动器配置

5.2控制电路设计

SJA1000是PHILIP公司生产的独立CAN控制器，是用于实现CAN信号对数字信号转换、CAN信号的收发、CAN信号的接收、校验和重发等功能的控制器件。

同时还提供了通讯接口用于和微机芯片进行通信，通过串行通信实现CAN信号的微机处理程序[8]。

SJA1000的调用是通过微机访问其内部寄存器，操作寄存器标志位实现的